聚氨酯固化道床施工儲(chǔ)料系統(tǒng)研究

張銳，高春雷，何國(guó)華

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081）

聚氨酯固化道床是在已達(dá)到穩(wěn)定的新鋪碎石道床內(nèi)灌注液態(tài)的聚氨酯材料，經(jīng)膨化固結(jié)后形成一個(gè)彈性整體結(jié)構(gòu)，是一種不同于有砟道床和無(wú)砟道床的新型道床結(jié)構(gòu)。由于擠入道砟顆粒之間的聚氨酯具有彈性，將道砟顆粒柔性聯(lián)結(jié)成為一個(gè)整體，受力后產(chǎn)生可恢復(fù)的擠壓彈性變形體[1]。

聚氨酯固化道床整體彈性遠(yuǎn)好于無(wú)砟道床，也略好于有砟道床。由于道床在聚氨酯灌注前，碎石道床已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)，在強(qiáng)度（保證承受和傳遞列車荷載）及穩(wěn)定性（保持軌道框架的幾何形狀和尺寸）方面，聚氨酯固化道床類似有砟道床，但又吸取了整體道床結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)阻止道砟顆粒之間的相對(duì)錯(cuò)動(dòng)及減小道砟顆粒接觸點(diǎn)（面）上的應(yīng)力，延緩道床的殘余變形積累，減少道床的維修養(yǎng)護(hù)工作量［2］。因此可將聚氨酯固化道床應(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，可以減少維修工作量，提高運(yùn)輸能力和行車安全性；應(yīng)用于高速鐵路的高架車站、城鎮(zhèn)、郊區(qū)及長(zhǎng)大鋼橋時(shí)，能夠降低行車噪聲，從而創(chuàng)造良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，是一種極有開發(fā)前景的新型軌道結(jié)構(gòu)形式。

1 道床澆注施工技術(shù)研究現(xiàn)狀

聚氨酯固化道床澆注施工需要消耗大量原料，而這種原料對(duì)于環(huán)境溫度、空氣濕度都較為敏感，因此施工過(guò)程中，對(duì)原料儲(chǔ)存有較高要求［3］。并且原料在存放時(shí)，容易出現(xiàn)分層現(xiàn)象，因此在使用之前，需要對(duì)原料進(jìn)行攪拌，保障施工質(zhì)量。

目前國(guó)外的聚氨酯固化道床施工還處于試驗(yàn)階段，只在德國(guó)等少數(shù)國(guó)家進(jìn)行了短距離試驗(yàn)段施工，沒(méi)有形成規(guī)模，施工過(guò)程中所用原料量較少。國(guó)內(nèi)聚氨酯固化道床施工量較大，但是現(xiàn)有的聚氨酯固化道床澆注設(shè)備中，儲(chǔ)料系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，多使用噸桶和料桶，沒(méi)有維溫加熱功能，在氣溫較低時(shí)，無(wú)法保障原料溫度，會(huì)導(dǎo)致原料出現(xiàn)變質(zhì)的情況。原料使用前往往需要人工攪拌，效率較低，無(wú)法滿足大規(guī)模聚氨酯施工要求。因此，需要設(shè)計(jì)一套具有加熱維溫功能、可進(jìn)行原料流動(dòng)循環(huán)的大型儲(chǔ)料系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)原料的自動(dòng)供應(yīng)，保障聚氨酯澆注施工的效率和質(zhì)量。

2 儲(chǔ)料系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

聚氨酯固化道床施工設(shè)備儲(chǔ)料系統(tǒng)主要包括罐式集裝箱和料罐加熱系統(tǒng)、原料循環(huán)供應(yīng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)4部分。整套儲(chǔ)料設(shè)備可以放置在鐵路平車上［4］，與前端用料設(shè)備采用管路連接，為其提供原料供應(yīng)。儲(chǔ)料設(shè)備整體布局見圖1，循環(huán)供應(yīng)系統(tǒng)放置在料罐出料口前端，與料罐用軟管連接，系統(tǒng)控制柜放置在料罐側(cè)面，用于控制料罐加熱系統(tǒng)、循環(huán)供應(yīng)系統(tǒng)等。

圖1 儲(chǔ)料設(shè)備整體布局

2.1 罐式集裝箱

罐式集裝箱是將儲(chǔ)料罐安裝在標(biāo)準(zhǔn)6.096 m（20 ft）集裝箱框架內(nèi)部，方便吊裝、運(yùn)輸，還可以擺放、鎖定在鐵路平車上［5］。料罐容積22 m3，上面安裝有浮球式液位計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器，用于檢測(cè)料罐內(nèi)原料液位、壓力、溫度等參數(shù)。料罐加料口、出料口和進(jìn)氣口都安裝在料罐端面下部，方便與外部設(shè)備連接，加料管道和進(jìn)氣管道從料罐內(nèi)部延伸到料罐頂端，防止料罐內(nèi)原料回流。料罐分內(nèi)膽、外殼兩層結(jié)構(gòu)，中間填充有保溫材料，確保良好的保溫性能［6］。

2.2 料罐加熱系統(tǒng)

由于聚氨酯施工原材料在溫度過(guò)高/低時(shí)會(huì)發(fā)生變質(zhì)，并且長(zhǎng)時(shí)間存放后會(huì)產(chǎn)生沉淀結(jié)晶，而內(nèi)盤管式的加熱方式會(huì)導(dǎo)致加熱盤管周邊原料溫度過(guò)高，并且料罐內(nèi)部難以清洗維修，因此采用料罐外加熱方式更為適宜［7］。在罐體圓形內(nèi)膽外側(cè)均勻鋪設(shè)電加熱帶作為料罐加熱介質(zhì)，加熱帶蛇形排列的鋪在料罐內(nèi)膽外壁上，使用固定鎖釘和高溫膠帶固定，并且在料罐內(nèi)外膽間填充保溫材料實(shí)現(xiàn)料罐保溫。儲(chǔ)料罐加熱帶布置見圖2。

圖2 儲(chǔ)料罐加熱帶布置

在料罐內(nèi)部安裝多個(gè)液體溫度傳感器，加熱過(guò)程中可對(duì)罐內(nèi)液體進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)液體溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值后，控制系統(tǒng)采用變頻控制的方式，自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱器加熱功率，實(shí)現(xiàn)罐內(nèi)液體保持恒溫。

2.3 加熱系統(tǒng)參數(shù)

確定加熱系統(tǒng)功率，要考慮料罐散熱量和原料溫升所需熱量。首先應(yīng)計(jì)算容器罐體的表面積，并根據(jù)保溫層材料、厚度和介質(zhì)所維持的溫度，可知每平方米的散熱量，再通過(guò)計(jì)算得到罐體的總散熱量Q［8］。

式中:Q為罐體的總散熱量；k為保險(xiǎn)系數(shù)；q為每平方米散熱量；s為容器罐體的表面積。

還需要計(jì)算出原料溫升所需功率。

式中:Kw為加熱所需功率；m1、m2為料罐內(nèi)膽、原料重量；c1、c2為料罐內(nèi)膽、原料比熱容；T為溫差；h為加熱時(shí)間。

通過(guò)計(jì)算出料罐散熱量和加熱原料所需功率，可以得出加熱系統(tǒng)總功率。

式中:P為加熱系統(tǒng)總功率。

2.4 原料循環(huán)供應(yīng)系統(tǒng)

供料泵站將原料從料罐中抽出，通過(guò)氣動(dòng)三通閥的管道轉(zhuǎn)換作用，能夠?qū)崿F(xiàn)原料的循環(huán)或者供應(yīng)。原料供應(yīng)的同時(shí)，對(duì)料罐補(bǔ)充純凈的氮?dú)?，保證罐內(nèi)外壓力平衡，還可以防止原料與空氣中的水分發(fā)生反應(yīng)。供料管道上安裝有壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控管道內(nèi)部液體壓力，當(dāng)出現(xiàn)壓力超高時(shí)，控制系統(tǒng)可以自動(dòng)停止泵站運(yùn)轉(zhuǎn)，防止因原料管道不暢通導(dǎo)致的爆管現(xiàn)象。原料循環(huán)供應(yīng)系統(tǒng)示意見圖3。

圖3 原料循環(huán)供應(yīng)系統(tǒng)示意圖

2.5 控制系統(tǒng)

儲(chǔ)料系統(tǒng)的控制器采用PLC編程控制，用于監(jiān)控料罐溫度、壓力、液位等關(guān)鍵參數(shù)，并對(duì)加熱系統(tǒng)、循環(huán)供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制。控制界面見圖4、圖5。可以設(shè)定料罐溫度、液位、壓力上下限，自動(dòng)調(diào)節(jié)料罐狀態(tài)，還與前端用料系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)原料自動(dòng)供應(yīng)。

圖4 控制系統(tǒng)控制界面

圖5 控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)聚氨酯固化道床施工的特點(diǎn)，提出一種專門用于聚氨酯固化道床施工的儲(chǔ)料系統(tǒng)。采用罐式集裝箱的儲(chǔ)料方式，保障施工現(xiàn)場(chǎng)原料儲(chǔ)備充足，并且便于安裝在鐵路通用平車上；儲(chǔ)料系統(tǒng)設(shè)計(jì)了智能料罐加熱系統(tǒng)，能夠?qū)υ线M(jìn)行加熱，保障在低溫環(huán)境下聚氨酯固化道床施工順利進(jìn)行；原料循環(huán)供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠根據(jù)施工用料需求，自動(dòng)調(diào)整工作狀態(tài)，保證原料及時(shí)供應(yīng)的同時(shí)，還可以提高原料加熱效率；智能控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控料罐、管道的各項(xiàng)參數(shù)，控制原料的補(bǔ)給、供應(yīng)、加熱、循環(huán)等，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)料系統(tǒng)的自動(dòng)控制，保障施工效率。

與現(xiàn)有設(shè)備相比，聚氨酯固化道床的施工設(shè)備儲(chǔ)料系統(tǒng)儲(chǔ)料能力強(qiáng)、操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)施工中原料的智能管理，提高施工效率，保障施工質(zhì)量，對(duì)聚氨酯固化道床的順利推廣應(yīng)用有重要意義。