六槍頭聚氨酯固化道床澆注設(shè)備研究

張銳 王鵬 高春雷 何國(guó)華 周佳亮

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全新鋪設(shè)的有砟道床中，同時(shí)澆注兩種液態(tài)聚氨酯材料（A組分與B組分），兩種原料在道床內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，膨化固結(jié)的過(guò)程中將石砟間的縫隙填滿(mǎn)，與石砟形成一種彈性整體結(jié)構(gòu)［1］。聚氨酯固化道床兼具有砟道床、無(wú)砟道床的優(yōu)點(diǎn)，有利于減少有砟軌道的養(yǎng)護(hù)維修工作量，同時(shí)能夠降低振動(dòng)和噪聲，為軌道交通提供了一種新的軌道結(jié)構(gòu)形式［2-3］。國(guó)內(nèi)的聚氨酯固化道床施工大多是試驗(yàn)段等小規(guī)模施工，澆注施工設(shè)備皆為小型設(shè)備［4］，在大規(guī)模聚氨酯固化道床施工時(shí)，施工效率低，無(wú)法進(jìn)行連續(xù)作業(yè)。因此，新研發(fā)的澆注設(shè)備，應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)在正線(xiàn)區(qū)段進(jìn)行大規(guī)模、高效率的道床澆注施工，還應(yīng)該便于操作、并自帶走行功能。

澆注施工時(shí)，聚氨酯材料在膨化固結(jié)的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生向上的膨脹力［5］，現(xiàn)有設(shè)備多為單槍頭澆注設(shè)備，需要在一個(gè)枕木兩側(cè)進(jìn)行多次澆注，這樣不僅施工效率低，還可能造成軌枕整體受力不均，從而導(dǎo)致兩側(cè)的軌道高程不一致，軌道變形量不可控。因此，需要設(shè)計(jì)能夠多點(diǎn)位同時(shí)澆注的設(shè)備，一次完成一個(gè)枕木澆注點(diǎn)位的同時(shí)施工。

1 總體設(shè)計(jì)方案

聚氨酯固化道床正線(xiàn)區(qū)段施工，每個(gè)枕木兩側(cè)需要澆注12個(gè)點(diǎn)位［6］（圖1），因此新設(shè)計(jì)的澆注設(shè)備安裝有6個(gè)澆注槍頭同時(shí)進(jìn)行澆注作業(yè)，以保證軌道整體受力均勻。為控制聚氨酯澆注施工中的軌道變形量［7］，還需要對(duì)道床整體施加向下的持續(xù)壓力，可以利用保壓塊與設(shè)備自重設(shè)計(jì)道床保壓裝置。

圖1 澆注點(diǎn)位示意（單位：mm）

新設(shè)計(jì)的六槍頭澆注設(shè)備分為澆注系統(tǒng)、走行系統(tǒng)兩部分（圖2）。澆注系統(tǒng)由澆注裝置、原料供應(yīng)裝置、管路拖鏈、液壓泵站等組成。走行系統(tǒng)由澆注小車(chē)、槍頭移動(dòng)平臺(tái)、道床保壓裝置、連掛裝置等組成。

圖2 六槍頭澆注設(shè)備整體布局示意

2 澆注系統(tǒng)

澆注系統(tǒng)由6套高壓澆注槍頭、2組原料供應(yīng)裝置（A組分、B組分原料各6個(gè)供料泵站，共12個(gè)）、2組液壓泵站、管路拖鏈等部分組成，安裝在澆注小車(chē)上，通過(guò)原料輸送管路與預(yù)混系統(tǒng)連接。澆注系統(tǒng)原理如圖3所示。

圖3 澆注系統(tǒng)原理示意

2.1 澆注裝置

按照澆注點(diǎn)位要求，將6個(gè)澆注槍頭并排布置在一個(gè)滑道上，每個(gè)澆注頭能夠左右移動(dòng)，如圖4所示。每把槍頭可自動(dòng)設(shè)定料比、流量、注射時(shí)間等，槍嘴注料后的殘留原料通過(guò)高壓氣體自動(dòng)清理。

圖4 澆注槍頭布局

由于A(yíng)組分、B組分原料混料比例要求精度較高，每個(gè)澆注槍頭只能單獨(dú)供料，故6個(gè)澆注頭有多根管道與原料供應(yīng)裝置、液壓泵站相連，見(jiàn)圖5。同時(shí)每個(gè)澆注槍頭還需要與一根氣動(dòng)管道和多根控制電纜相連，導(dǎo)致澆注槍頭與供料裝置的連接非常復(fù)雜。故采用快換接頭進(jìn)行連接，方便六槍頭澆注裝置的收放。澆注小車(chē)與平車(chē)上的預(yù)混系統(tǒng)使用快接管路相連接，方便澆注小車(chē)的拆裝。

圖5 六槍頭澆注裝置

2.2 原料供應(yīng)裝置

原料在進(jìn)入澆注槍頭之前，需要經(jīng)由供料泵站提高原料壓力，以達(dá)到最佳混合效果。兩種原料按比例進(jìn)入澆注槍頭混合艙內(nèi)，經(jīng)高壓碰撞混合后達(dá)到均勻混合狀態(tài)，從出料口流出。不澆注時(shí)，原料經(jīng)供料泵站后還可以在管路中形成高壓循環(huán)，能夠防止原料發(fā)生沉積。

A組分、B組分原料供料泵站工作壓力控制在6～22 MPa，若超出此范圍，設(shè)備自動(dòng)停機(jī)并發(fā)出警報(bào)。

2.3 澆注管路拖鏈

由于每個(gè)澆注槍頭配有4個(gè)原料管路、4個(gè)液壓管路，因此整套澆注設(shè)備共有48根管路。在澆注槍頭移動(dòng)平臺(tái)向前移動(dòng)時(shí)，需要設(shè)計(jì)管路拖鏈對(duì)管路進(jìn)行支撐，管路平行鋪設(shè)在拖鏈上，拖鏈可隨移動(dòng)平臺(tái)前后拖動(dòng)，能夠保證管路在移動(dòng)過(guò)程中不要外力拖拉，防止管路松動(dòng)。

3 走行系統(tǒng)

澆注小車(chē)通過(guò)連掛裝置能與NX70型平車(chē)或地鐵用平車(chē)連掛，由軌道車(chē)推動(dòng)走行作業(yè)。澆注槍頭安裝于移動(dòng)平臺(tái)上，各澆注槍頭位置能夠通過(guò)滑道進(jìn)行調(diào)節(jié)，移動(dòng)平臺(tái)通過(guò)電動(dòng)推桿和導(dǎo)軌導(dǎo)槽與澆注小車(chē)主構(gòu)架連接，可沿著鋼軌方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)固化道床澆注的連續(xù)作業(yè)。

3.1 澆注小車(chē)車(chē)架設(shè)計(jì)

澆注小車(chē)通過(guò)連掛裝置與平板車(chē)連接，作業(yè)過(guò)程中由平板車(chē)推動(dòng)小車(chē)前進(jìn)。澆注小車(chē)構(gòu)架由主構(gòu)架和前構(gòu)架組成。

主構(gòu)架由方管和矩形管焊接而成，主要用于安裝和承載原料供應(yīng)裝置、電動(dòng)推桿、控制柜、防雨棚、制動(dòng)裝置安裝座、連掛裝置安裝座等。前構(gòu)架也由方管和矩形管焊接而成，主要用于安裝和承載六槍頭澆注裝置、管路托鏈、保壓配重塊等。

3.2 道床保壓裝置的設(shè)計(jì)

新鋪設(shè)的道床在未經(jīng)聚氨酯固化前，軌枕的支點(diǎn)載荷能夠影響相鄰的兩根軌枕［8］。其中，支點(diǎn)軌枕、相鄰軌枕、次相鄰軌枕所分配的載荷分別為總重量的40%、20%、10%，如圖6所示。因此，利用設(shè)備的自身重量和配重塊重量，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)保壓裝置，對(duì)澆注過(guò)程中的每根軌枕都施加持續(xù)向下的壓力，確保每根軌枕受到的向下壓力都達(dá)到30 kN［9］。

圖6 支點(diǎn)載荷示意

在澆注槍頭移動(dòng)平臺(tái)上，放置1 t的配重塊，能夠保證在移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)到最前端時(shí)，對(duì)軌枕的向下壓力保持在30 kN。

3.3 澆注小車(chē)連掛裝置

澆注小車(chē)通過(guò)連掛裝置與平板車(chē)連接，在作業(yè)過(guò)程中，由平板車(chē)帶動(dòng)小車(chē)前進(jìn)或者后退。主要組成部分為平車(chē)側(cè)連掛裝置安裝座、車(chē)鉤、車(chē)鉤連接桿、彈簧緩沖裝置、小車(chē)側(cè)連掛裝置安裝座。彈簧緩沖裝置能夠吸收車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中的沖擊振動(dòng)，車(chē)鉤連接桿以車(chē)鉤為軸，有一定的擺動(dòng)角度，在車(chē)輛過(guò)曲線(xiàn)時(shí)能夠保證澆注小車(chē)與平車(chē)之間的平穩(wěn)連接，保障澆注小車(chē)隨著平板車(chē)平穩(wěn)前行。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)正線(xiàn)區(qū)段大規(guī)模聚氨酯固化道床澆注施工的情況，設(shè)計(jì)了一種高效聚氨酯道床澆注施工設(shè)備。在澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，6個(gè)槍頭在軌枕一側(cè)的澆注點(diǎn)位上同時(shí)進(jìn)行澆注，施工效率高，同時(shí)能夠確保軌道整體受力平衡。在走行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，利用設(shè)備自重以及配重塊重量，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)保壓裝置，能夠有效控制聚氨酯澆注施工中的軌道整體變形。與現(xiàn)有的聚氨酯澆注設(shè)備相比較，六槍頭澆注施工設(shè)備具有施工效率高、自帶走行功能及道床實(shí)時(shí)保壓功能、便于操作等優(yōu)點(diǎn)，極大地提高了聚氨酯固化道床澆注施工效率，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供了保障。