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備中最關鍵的組成部分，決定了設備施工效率和施工進度。本文分析了國內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。

關鍵詞:聚氨酯固化道床道床烘干暖氣加熱試驗裝置 應參考《中國鐵路敘詞表》、《漢語主題詞表》、《鐵道科技名詞》等選取規范的科技名詞3～6個。參考文獻在文內右上角注明序號。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構。它是在已經達到穩定的新鋪碎石道床內灌注液態的聚氨酯材料，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泡、膨脹，將碎石和道砟之間的空隙擠滿，經膨化固結后道床形成一個彈性整體結構。聚氨酯固化道床是結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點的一種新型軌道結構。同時具備減振、降噪功能，可解決目前有砟軌道橋隧地段養護維修難和無砟軌道彈性差、噪聲大等問題。應用于重載鐵路橋梁及隧道、沙漠線路和多風沙區域線路，將大大減少維修工作量，提高運輸能力和行車安全，從而創造良好的社會效益和經濟效益［1］。因此，與之配套的聚氨酯固化道床施工設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道床烘干技術條件

根據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國內外研究現狀

目前國內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，其暖氣制造設備放置在集裝箱內，采用燃氣灶結構形式，并通過輸送管道將燃燒熱氣輸送到烘干區域。由于燃氣灶采用液壓氣和氧氣配比燃燒，經常存在打不著火、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，到達烘干區域時溫度下降較大，加熱效率低，影響施工進度。

國內在烘干方面的研究主要集中在公路養護維修方面，技術相對成熟，如圖1所示。

圖1公路瀝青路面加熱再生

采用紅外加熱技術用于公路的養護維修，加熱深度一般為10 cm，加熱溫度比較高，達到400～500℃［2］。如果應用于道砟烘干，容易造成表面介質的燒傷，也無法滿足50 cm的加熱深度。微波加熱的優點是加熱速度快，溫度梯度好，熱轉化效率高［3］。由于瀝青路面一般為10 cm，用于公路養護的微波管采用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，而目前國內該類型微波管只用于民用領域，還沒有實現工業化。微波為有害輻射，一旦泄露對設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，一般對于覆蓋區域起作用［5］，對于軌枕下部及其它照射不到的區域和存在跨軌電纜的區域無法烘干，還需要采用其他方式進行補充。

1. 3試驗裝置設計

經過綜合分析，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，設計如圖2所示試驗方案，其中道床按半個軌枕盒并設置邊坡進行試驗。外界空氣經過高壓風機送入燃燒加熱器，然后經過管道送入道床。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，試驗箱設置了若干規格的測試孔。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，試驗箱四周設置不同的插槽，從而調整箱子橫截面。

2　模擬道床烘干冷卻試驗

研究氣流的流動規律，模擬真實的現場工況，積累有關烘干設備溫度、壓力、濕度等具體參數，為烘干冷卻設備的設計提供依據。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

按照相關技術條件，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的范圍分別進行統計并進行稱重，將不同粒徑道砟的重度統計結果繪制成柱形圖，試驗道砟符合級配要求。經過計算，試驗道砟含污量為1. 6%，含水率為0. 64%，遠遠超過澆注技術條件要求的含污量不大于0. 17%的要求，也超過現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場使用上限，參數具有一定富余。

試驗箱中填充道砟，并進行壓實，密封試驗箱，將預先設計的透氣孔打開，并將6個溫度傳感器和風壓測量裝置布置在試驗箱相應的位置，每個傳感器進行編號方便數據的記錄。

2. 2燃料性質試驗

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，粘結良好，符合聚氨酯固化要求。

2. 3風壓、風量穿透試驗

在風機不同轉速下進行烘干試驗，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種轉速下的數值進行比較分析。

將不同的時刻轉化成以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。風機轉速2 540 r/min時6個傳感器的溫升情況如圖4所示。

圖4風機2 540 r/min時6個傳感器的溫升情況

風機的風壓與風機的轉速有關，轉速越大，風壓越大。通過現場的觀察可得知，風壓太大，風量會從兩側泄露，真正到達底部的風量很少，自然升溫就很差，所以轉速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。由此試驗得到的結果確定了風機的最佳轉速。2 540 r/min的最佳轉速，不僅穿透力合適，而且烘干效果好于2 800和2 400 r/min。轉速2 540 r/min所對應的風壓約為15 kPa，可以按照此風壓進行風機的選型。

2. 4管道高度對烘干效果的影響試驗

在風機出風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

經過分析可知，空氣流通性越好升溫效果也就越好。越靠近風口中心線的位置，溫升越快。在關閉加熱器以后，并不是立刻降溫，加熱器中還有部分的殘熱。風機工作過程中，不斷地與空氣發生摩擦，摩擦生熱，進口處的常溫空氣在風機中溫度會上升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。風管直接貼在道砟表面的烘干效果比風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，每個分管的烘干區域是以分管為中心的一定區域和一定深度，而遠離分管中心的區域沒有溫升。在澆注時，澆注區域是鋼軌的兩側，采用單管形式顧及不到鋼軌外側的溫升，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的溫升效果好于采用單管式。

3　結語

通過道床烘干冷卻試驗裝置的相關試驗，總結了一些規律，為道床烘干冷卻裝置的研制指明了方向，結論如下:

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良好，符合聚氨酯固化要求。

2)風壓太低，無法到達指定穿透厚度，風壓太高，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，空氣經過風機后，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。采用風管直接接觸道砟的烘干冷卻效果比風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

［1］郄錄朝，王紅，許永賢，等．聚氨酯固化道床的力學性能試驗研究［J］．鐵道建筑，2015( 1) : 107-112．

［2］許建中，林翌，夏金梅，等．連續微波—紅外集成真空干燥設備的設計與試驗［J］．化學工程與裝備，2013( 3) : 7-12．

［3］錢璞，李龍龍．瀝青路面養護中微波加熱技術的應用［J］．道路工程，2011( 15) : 69-71．

［4］李高偉，唐仰貴，張文波，等．微波加熱技術在瀝青路面綜合養護車中的應用［J］．建筑機械，2008( 4) : 96-97．

［5］蘇建歡，朱守正．關于微波加熱設備微波泄漏標準問題的分析研究［J］．材料導報，2007( 11) : 183-185．

(責任審編趙其文)

《鐵道建筑》稿約

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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