道岔區(qū)聚氨酯固化道床澆注設(shè)備的研究

張銳

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

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，將碎石道砟之間的空隙擠滿，經(jīng)膨化固結(jié)后形成的一種彈性整體結(jié)構(gòu)［1］。聚氨酯固化道床結(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、殘余累積變形緩慢等優(yōu)點，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)護維修難度大和無砟軌道彈性差、噪聲大等問題［2-3］。

1 聚氨酯固化道床澆注施工存在的問題

目前國內(nèi)現(xiàn)有的聚氨酯固化道床澆注設(shè)備都是為正線設(shè)計，皆為大型設(shè)備，運輸、使用較為復(fù)雜，在道岔區(qū)等軌道結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜地段無法進行道床澆注作業(yè)［4］。這就需要研發(fā)一套能夠在該區(qū)段進行道床澆注的小型設(shè)備。該設(shè)備應(yīng)具有操作方便、集成小型化、高效率、自走行等功能。

聚氨酯固化道床澆注時聚氨酯材料發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的膨脹力不對稱，會導致兩側(cè)軌道高程不一致［5］。因此需要設(shè)計一套雙槍頭澆注設(shè)備，兩槍頭同時在軌道兩側(cè)對稱位置進行澆注作業(yè)，保證軌道受力均勻。為控制聚氨酯澆注施工中軌道變形量，需要對道床施加向下的壓力［6］。為此需設(shè)計能夠?qū)崟r監(jiān)測壓力的道床自動保壓裝置。

2 道岔區(qū)聚氨酯固化道床澆注設(shè)備的設(shè)計

道岔區(qū)聚氨酯固化道床澆注設(shè)備主要包括澆注系統(tǒng)和走行系統(tǒng)2 部分。澆注系統(tǒng)由雙槍頭澆注裝置、成品料罐、原料預(yù)混裝置、原料中轉(zhuǎn)罐、料罐溫控裝置、儲料罐供料循環(huán)裝置、儲料罐等組成。走行系統(tǒng)由動力車、非動力車、道床保壓裝置、輪對彈性懸掛裝置、液壓裝置、發(fā)電機組等組成。澆注設(shè)備整體布局見圖1。

圖1 澆注設(shè)備整體布局

2.1 澆注系統(tǒng)的設(shè)計

澆注系統(tǒng)放置在走行系統(tǒng)的2 臺平車上，如圖2所示。澆注系統(tǒng)中設(shè)計了原料預(yù)混裝置、料罐溫控裝置等，保障原料在進入澆注槍頭之前，能夠達到最佳狀態(tài)。

2.1.1 雙槍頭澆注裝置

圖2 澆注系統(tǒng)布局

由于道岔區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、軌枕長度不一，為防止單點澆注時軌枕翹曲從而導致軌道扭曲變形，設(shè)計了2 個澆注槍頭，可同時澆注，也可獨立澆注。澆注槍頭吊掛在平衡器上，可以調(diào)整吊掛的高度；平衡器安裝在伸縮旋轉(zhuǎn)臂的滑軌上，可調(diào)整澆注槍頭的前后位置。伸縮旋轉(zhuǎn)臂有轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)處安裝可調(diào)阻尼裝置，伸縮旋轉(zhuǎn)臂能夠伸出集裝箱外。工作時可手動操作槍頭自由移動，不工作時澆注槍頭和伸縮旋轉(zhuǎn)臂可收回集裝箱內(nèi)，見圖3。

圖3 雙槍頭澆注裝置

2.1.2 原料預(yù)混裝置

原料在進入澆注槍頭之前，需要與催化劑按比例輸入靜態(tài)混合器中，經(jīng)初步混合后再輸送到原料預(yù)混罐中，經(jīng)過高轉(zhuǎn)速五軸星型攪拌器攪拌，達到均勻混合狀態(tài)。預(yù)混裝置工作原理如圖4所示。

圖4 預(yù)混裝置工作原理

2.1.3 料罐溫控裝置

成品料罐、原料預(yù)混罐、原料中轉(zhuǎn)罐均具有溫控能力，通過這三級料罐的連續(xù)溫度控制，能夠保證原料在澆注之前達到預(yù)設(shè)溫度［7］。料罐溫控裝置由料罐內(nèi)壁外側(cè)的注水層和冷熱一體機組組成，冷熱一體機組將達到設(shè)定溫度的水輸送到料罐注水層內(nèi)，從而對原料進行溫度控制，保證原料溫度達到預(yù)設(shè)值。

2.2 走行系統(tǒng)的設(shè)計

走行系統(tǒng)中使用的平車（包括非動力車和動力車）主要適用于中國普速鐵路、高速鐵路、重載鐵路的有砟區(qū)段聚氨酯固化道床施工，車輛最高運行速度10 km/h，作業(yè)走行速度1.8 km/h。非動力車主要由車架、輔助電氣系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等組成。動力車主要由車架、動力系統(tǒng)、電傳動系統(tǒng)、電氣牽引控制系統(tǒng)等組成，可雙向行駛。

2.2.1 道床保壓裝置的設(shè)計

根據(jù)聚氨酯固化道床膨脹力試驗結(jié)果［8］，道床未固化前，軌枕支點載荷傳遞距離為相鄰兩根軌枕，如圖5 所示。當車輪在0 號軌枕正上方并將其作為支點時，0 號軌枕所分配載荷約為總重量的40%，1 號軌枕為20%，2 號軌枕為10%。為保障聚氨酯固化道床澆注時對每根軌枕保持向下的壓力，現(xiàn)利用施工裝置自重（約280 kN）作為反壓設(shè)計實時保壓裝置，確保每根軌枕受到的壓力至少為30 kN［9］。

圖5 支點載荷示意

在非動力車底部設(shè)計3組保壓輪對。輪對由液壓油缸帶動，分別對車體下方的鋼軌施加壓力，每組壓力在0～50 kN 可調(diào)，3 組保壓輪對保壓力最大為150 kN。保壓輪對位置如圖6所示。

圖6 保壓輪對位置

保壓裝置將同步液壓升降系統(tǒng)、計算機PLC 信號處理系統(tǒng)、位移監(jiān)控、設(shè)備負載監(jiān)控等融合為一體，將位移傳感器和壓力傳感器采集的鋼軌頂升高度信號和油缸反壓負載信號通過PLC 信號處理系統(tǒng)進行處理和分析，根據(jù)輸出結(jié)果控制電磁閥的快速開啟與閉合，從而完成3組液壓油缸的同步頂升和下降作業(yè)，保證3組保壓輪對對軌道輸出相同壓力。

2.2.2 輪對彈性懸掛裝置的設(shè)計

走行系統(tǒng)的設(shè)計要考慮道岔區(qū)通過能力，作業(yè)車輪踏面采用標準LM 型踏面。軸箱采用導框式，設(shè)有磨耗板，外置于輪對兩端。車架與軸箱采用彈性懸掛方式連接，走行系統(tǒng)的橫移量可保證整車在小半徑曲線段及道岔區(qū)的通過能力。這種彈性懸掛裝置（圖7）結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠。

圖7 輪對彈性懸掛裝置

3 結(jié)語

針對道岔區(qū)軌道形式復(fù)雜多變的情況，設(shè)計了一種專門用于道岔區(qū)聚氨酯固化道床澆注的施工設(shè)備。澆注系統(tǒng)中采用雙槍頭澆注裝置，同時在軌道兩側(cè)對稱位置進行聚氨酯澆注作業(yè)，保證軌道受力均勻。走行系統(tǒng)中設(shè)計了能夠?qū)崟r監(jiān)測壓力的道床保壓裝置，控制澆注施工中軌道變形量。軸箱外置于輪對兩端，車架與軸箱采用彈性懸掛方式連接，保證整車在小半徑曲線段及道岔區(qū)的通過能力。與現(xiàn)有設(shè)備相比，道岔區(qū)澆注設(shè)備具有操作方便、小型化、高效率、自走行、自帶保壓等功能，提高了道岔區(qū)聚氨酯固化道床澆注施工效率，保障了施工質(zhì)量。