道床烘干冷卻試驗裝置研究

何國華，高春雷，王　鵬，張　銳(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京　100081)

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道床烘干冷卻試驗裝置研究

何國華，高春雷，王鵬，張銳
(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081)

摘要:道床烘干冷卻裝置是聚氨酯固化道床施工設(shè)備中最關(guān)鍵的組成部分，決定了設(shè)備施工效率和施工進度。本文分析了國內(nèi)外道路工程中的烘干方式，選用暖氣直接加熱方式研制出一種聚氨酯固化道床烘干冷卻試驗裝置，并進行了試驗研究，為下一步研制現(xiàn)場用高效、適用的聚氨酯固化道床烘干冷卻裝置指明了方向。

關(guān)鍵詞:聚氨酯固化道床道床烘干暖氣加熱試驗裝置 應(yīng)參考《中國鐵路敘詞表》、《漢語主題詞表》、《鐵道科技名詞》等選取規(guī)范的科技名詞3～6個。參考文獻在文內(nèi)右上角注明序號。詳見“《鐵道建筑》參考文獻著錄格式”。

聚氨酯固化道床是一種不同于有砟道床和無砟道床的新型道床結(jié)構(gòu)。它是在已經(jīng)達到穩(wěn)定的新鋪碎石道床內(nèi)灌注液態(tài)的聚氨酯材料，這種由異氰酸酯(俗稱黑料)、聚醚(俗稱白料)、催化劑(胺類)混合的聚氨酯材料灌入道床后會很快發(fā)泡、膨脹，將碎石和道砟之間的空隙擠滿，經(jīng)膨化固結(jié)后道床形成一個彈性整體結(jié)構(gòu)。聚氨酯固化道床是結(jié)合了有砟軌道的彈性好、可維修性好和無砟軌道整體性好、殘余累積變形緩慢兩者優(yōu)點的一種新型軌道結(jié)構(gòu)。同時具備減振、降噪功能，可解決目前有砟軌道橋隧地段養(yǎng)護維修難和無砟軌道彈性差、噪聲大等問題。應(yīng)用于重載鐵路橋梁及隧道、沙漠線路和多風(fēng)沙區(qū)域線路，將大大減少維修工作量，提高運輸能力和行車安全，從而創(chuàng)造良好的社會效益和經(jīng)濟效益［1］。因此，與之配套的聚氨酯固化道床施工設(shè)備的研制具有十分重要的意義。

1道床烘干冷卻試驗裝置的研制

1. 1道床烘干技術(shù)條件

根據(jù)聚氨酯的混合工藝要求，需要先將道床道砟烘干，并冷卻至適宜溫度，然后進行澆注。烘干效果達到道床澆注施工的技術(shù)條件:烘干深度不小于50 cm。烘干后表面道砟溫度不低于80℃，深度50 cm處道砟溫度不低于35℃。冷卻后表面道砟溫度不高于35℃，深度50 cm處道砟不高于25℃。

1. 2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外道路工程中的烘干方式主要分為暖氣加熱、紅外加熱和微波加熱三種。

國外某公司采用暖氣加熱的方式對道砟進行烘干冷卻，其暖氣制造設(shè)備放置在集裝箱內(nèi)，采用燃氣灶結(jié)構(gòu)形式，并通過輸送管道將燃燒熱氣輸送到烘干區(qū)域。由于燃氣灶采用液壓氣和氧氣配比燃燒，經(jīng)常存在打不著火、燃燒不充分等問題，液壓氣罐的存放也存在極大的安全隱患。同時，由于熱氣通過長大管道傳遞，熱量損失較大，到達烘干區(qū)域時溫度下降較大，加熱效率低，影響施工進度。

國內(nèi)在烘干方面的研究主要集中在公路養(yǎng)護維修方面，技術(shù)相對成熟，如圖1所示。

圖1公路瀝青路面加熱再生

采用紅外加熱技術(shù)用于公路的養(yǎng)護維修，加熱深度一般為10 cm，加熱溫度比較高，達到400～500℃［2］。如果應(yīng)用于道砟烘干，容易造成表面介質(zhì)的燒傷，也無法滿足50 cm的加熱深度。微波加熱的優(yōu)點是加熱速度快，溫度梯度好，熱轉(zhuǎn)化效率高［3］。由于瀝青路面一般為10 cm，用于公路養(yǎng)護的微波管采用2 450 MHz頻率，波長相對較短，加熱深度淺，能夠滿足使用要求。而目前道床烘干需要加熱深度50 cm，原有產(chǎn)品無法滿足使用要求，需要采用915 MHz頻率的微波管，而目前國內(nèi)該類型微波管只用于民用領(lǐng)域，還沒有實現(xiàn)工業(yè)化。微波為有害輻射，一旦泄露對設(shè)備和人身會造成一定傷害，需要做好防護措施［4］。公路路面比較平整，防護相對容易，而鐵路道砟不平，間隙較大，微波散射會比較嚴重，對鋼軌、軌枕及施工人員的防護也是難點。同時，由于微波為光波形式，一般對于覆蓋區(qū)域起作用［5］，對于軌枕下部及其它照射不到的區(qū)域和存在跨軌電纜的區(qū)域無法烘干，還需要采用其他方式進行補充。

1. 3試驗裝置設(shè)計

經(jīng)過綜合分析，采用暖氣直接加熱方式進行烘干冷卻裝置的設(shè)計，并研制一種試驗裝置來進行驗證。為了研究道床烘干過程中的溫度、汽化程度、壓力等問題，設(shè)計如圖2所示試驗方案，其中道床按半個軌枕盒并設(shè)置邊坡進行試驗。外界空氣經(jīng)過高壓風(fēng)機送入燃燒加熱器，然后經(jīng)過管道送入道床。加熱器可以以液化天然氣作為能源，也可以采用柴油作為燃燒原料。

圖2試驗裝置總體(單位: mm)

為了測量道砟不同深度和距離熱源一定位置的溫度及濕度，試驗箱設(shè)置了若干規(guī)格的測試孔。通過孔蓋，可以密封和開啟。在烘干過程和冷卻過程中，將這些測試孔密封;而測試時，打開孔蓋，利用紅外線溫度和濕度測試儀來測量道砟的溫度和濕度。為了研究熱源的作用范圍，試驗箱四周設(shè)置不同的插槽，從而調(diào)整箱子橫截面。

2　模擬道床烘干冷卻試驗

研究氣流的流動規(guī)律，模擬真實的現(xiàn)場工況，積累有關(guān)烘干設(shè)備溫度、壓力、濕度等具體參數(shù)，為烘干冷卻設(shè)備的設(shè)計提供依據(jù)。道床烘干冷卻試驗裝置如圖3所示。

圖3道床烘干冷卻試驗裝置

2. 1試驗準備

按照相關(guān)技術(shù)條件，對試驗道砟取樣，進行道砟粒徑、含污量和含水率的檢測和計算。將樣品道砟按照粒徑63，55，50，45，40，35. 5，31. 5，25，22. 4 mm的范圍分別進行統(tǒng)計并進行稱重，將不同粒徑道砟的重度統(tǒng)計結(jié)果繪制成柱形圖，試驗道砟符合級配要求。經(jīng)過計算，試驗道砟含污量為1. 6%，含水率為0. 64%，遠遠超過澆注技術(shù)條件要求的含污量不大于0. 17%的要求，也超過現(xiàn)場澆注時含污量不超過1%的要求，試驗道砟惡劣程度超過現(xiàn)場使用上限，參數(shù)具有一定富余。

試驗箱中填充道砟，并進行壓實，密封試驗箱，將預(yù)先設(shè)計的透氣孔打開，并將6個溫度傳感器和風(fēng)壓測量裝置布置在試驗箱相應(yīng)的位置，每個傳感器進行編號方便數(shù)據(jù)的記錄。

2. 2燃料性質(zhì)試驗

分別采用液化氣和0號柴油作為燃料進行道砟烘干試驗，試驗過程中利用CO測濕儀，測量整個過程中CO的最大含量，測得液化氣為99×10－6，柴油僅為2×10－6。將烘干試驗后的道砟樣本進行澆注測試，由試驗結(jié)果可知，柴油的污染遠遠小于液化氣，烘干試驗后的道砟表面光潔，粘結(jié)良好，符合聚氨酯固化要求。

2. 3風(fēng)壓、風(fēng)量穿透試驗

在風(fēng)機不同轉(zhuǎn)速下進行烘干試驗，分別記錄顯示屏上各個傳感器的溫度。以最具代表性的2 800，2 400和2 540 r/min 3種轉(zhuǎn)速下的數(shù)值進行比較分析。

將不同的時刻轉(zhuǎn)化成以1 min為基準的時間段，按照從0開始的順序進行溫度曲線的描繪。風(fēng)機轉(zhuǎn)速2 540 r/min時6個傳感器的溫升情況如圖4所示。

圖4風(fēng)機2 540 r/min時6個傳感器的溫升情況

風(fēng)機的風(fēng)壓與風(fēng)機的轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越大，風(fēng)壓越大。通過現(xiàn)場的觀察可得知，風(fēng)壓太大，風(fēng)量會從兩側(cè)泄露，真正到達底部的風(fēng)量很少，自然升溫就很差，所以轉(zhuǎn)速2 800 r/min的升溫效果沒有2 540 r/min的效果好。2 400 r/min的效果不如2 540 r/min效果好的原因可能是風(fēng)壓不大，根本到達不了底部，自然溫升上不去。由此試驗得到的結(jié)果確定了風(fēng)機的最佳轉(zhuǎn)速。2 540 r/min的最佳轉(zhuǎn)速，不僅穿透力合適，而且烘干效果好于2 800和2 400 r/min。轉(zhuǎn)速2 540 r/min所對應(yīng)的風(fēng)壓約為15 kPa，可以按照此風(fēng)壓進行風(fēng)機的選型。

2. 4管道高度對烘干效果的影響試驗

在風(fēng)機出風(fēng)口制作一個過渡圓筒，測試不帶圓筒和帶圓筒兩種情況下的溫升情況。將不同的時刻轉(zhuǎn)化成以1 min為基準的時間段，按照從0開始的順序進行溫度曲線的描繪，帶圓筒的試驗裝置6個傳感器所顯示的溫度值如圖5所示。

圖5帶圓筒的試驗裝置6個傳感器所顯示的溫度值

經(jīng)過分析可知，空氣流通性越好升溫效果也就越好。越靠近風(fēng)口中心線的位置，溫升越快。在關(guān)閉加熱器以后，并不是立刻降溫，加熱器中還有部分的殘熱。風(fēng)機工作過程中，不斷地與空氣發(fā)生摩擦，摩擦生熱，進口處的常溫空氣在風(fēng)機中溫度會上升7℃左右，還會將溫度高于常溫的氣體吹入道砟中。實際工作過程中，表層道砟的溫度不一定要達到80℃再進行冷卻，靠著余熱仍然可以使道砟升溫。風(fēng)管直接貼在道砟表面的烘干效果比風(fēng)管離道砟表面有一定高度的烘干效果要好。

2. 5烘干時間和冷卻時間匹配試驗

加熱器加熱不同時間，記錄不同溫度值，將不同的時刻轉(zhuǎn)化成以1 min為基準的時間段，按照從0開始的順序進行溫度曲線的描繪。加熱5 min的試驗裝置6個傳感器所顯示的溫度值如圖6所示。

圖6加熱5 min的試驗裝置6個傳感器所顯示的溫度值

加熱時間長的工況比加熱時間短的工況道砟的底部溫升效果好。加熱5 min的工況不但溫升效果好于加熱3 min的，在濕度測量位置測得的濕度狀況也能證實加熱5 min的工況除濕效果比較好。在烘干過程中，不僅有溫度的上升還有濕度的下降，雖然降溫難，但是最后的澆注條件還要看是否滿足濕度的要求。在夏季的施工中濕度較大，主要是滿足濕度條件。夏季在50 cm處濕度滿足＜30%使用要求，表面的濕度會很快就滿足要求。

2. 6管道布置試驗

將入口的氣流管道一分為四，將不同的時刻轉(zhuǎn)化成以1 min為基準的時間段，按照從0開始的順序進行溫度曲線的描繪。氣流管道一分為四時6個傳感器的溫度如圖7所示。

圖7氣流管道一分為四時6個傳感器的溫度

分管式的裝置1通道的溫升效果不如單管式1通道的溫升效果。1通道位于試驗箱的底部，且靠近試驗箱中心的位置，溫度幾乎沒有變化。采用分管形式，每個分管的烘干區(qū)域是以分管為中心的一定區(qū)域和一定深度，而遠離分管中心的區(qū)域沒有溫升。在澆注時，澆注區(qū)域是鋼軌的兩側(cè)，采用單管形式顧及不到鋼軌外側(cè)的溫升，分管式方案卻能做到這一點。從5通道的溫度變化可以得知采用分管式兩側(cè)的溫升效果好于采用單管式。

3　結(jié)語

通過道床烘干冷卻試驗裝置的相關(guān)試驗，總結(jié)了一些規(guī)律，為道床烘干冷卻裝置的研制指明了方向，結(jié)論如下:

1)采用柴油作為燃料比采用液化氣時尾氣排放更低，對道砟無污染，柴油燃燒氣體烘干后的道砟固結(jié)良好，符合聚氨酯固化要求。

2)風(fēng)壓太低，無法到達指定穿透厚度，風(fēng)壓太高，氣體從邊坡流出，亦無法到達指定穿透厚度。在15 kPa風(fēng)壓下進行穿透試驗，在95 cm厚道砟中氣體能夠穿透至底部，滿足使用要求。

3)烘干時，道床表面溫度上升很快，但底部溫度上升較慢，空氣經(jīng)過風(fēng)機后，溫度會上升。在冷卻階段，上表面道砟溫度會下降，底部道砟溫度卻會上升。采用風(fēng)管直接接觸道砟的烘干冷卻效果比風(fēng)管和道砟留有空隙要好。

4)加熱時間長的工況比加熱時間短的工況道砟的底部溫升效果好。

5)氣流管道采用一分四的形式，烘干冷卻效果要比單管形式好，但分管布置及其尺寸對烘干冷卻有影響，后期需做進一步研究。

參考文獻

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(責(zé)任審編趙其文)

《鐵道建筑》稿約

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2)工程及設(shè)備病害處理技術(shù)。

2．來稿要求及注意事項

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《鐵道建筑》編輯部

Research of drying-cooling test device for ballast bed

HE Guohua，GAO Chunlei，WANG Peng，ZHANG Rui
( Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Abstract:Drying-cooling test device for ballast bed is the most critical part of polyurethane curing ballast bed construction equipment，which could determine the equipment construction efficiency and construction schedule．In this paper，the drying methods of road engineering at home and abroad were analyzed，a new drying-cooling test device for polyurethane curing ballast bed drying was developed by using direct heating method with radiator，the related experiment research was carried out，which could point out the direction of developing effective and applicative drying-cooling test device for polyurethane curing ballast bed in the future．

Key words:Polyurethane curing ballast bed; Ballast bed drying; Heating with radiator; T est device

文章編號:1003-1995( 2016) 01-0084-05

通信地址5)投稿時請注明作者個人信息、論文課題資助項目名稱及編號、單位和部門全稱、詳細、電話、電子信箱及郵編等。

中圖分類號:U216．63+2

文獻標識碼:B

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．01．18

作者簡介:何國華( 1982—)，男，副研究員，碩士。

收稿日期:2015-11-09;修回日期: 2015-12-10