道床烘干冷却试验装置研究

何国华，高春雷，王　鹏，张　锐(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京　100081)



道床烘干冷却试验装置研究

何国华，高春雷，王鹏，张锐
(中国铁道科学研究院铁道建筑研究所，北京100081)

摘要:道床烘干冷却装置是聚氨酯固化道床施工设备中最关键的组成部分，决定了设备施工效率和施工进度。本文分析了国内外道路工程中的烘干方式，选用暖气直接加热方式研制出一种聚氨酯固化道床烘干冷却试验装置，并进行了试验研究，为下一步研制现场用高效、适用的聚氨酯固化道床烘干冷却装置指明了方向。

关键词:聚氨酯固化道床道床烘干暖气加热试验装置 应参考《中国铁路叙词表》、《汉语主题词表》、《铁道科技名词》等选取规范的科技名词3～6个。参考文献在文内右上角注明序号。详见“《铁道建筑》参考文献著录格式”。

聚氨酯固化道床是一种不同于有砟道床和无砟道床的新型道床结构。它是在已经达到稳定的新铺碎石道床内灌注液态的聚氨酯材料，这种由异氰酸酯(俗称黑料)、聚醚(俗称白料)、催化剂(胺类)混合的聚氨酯材料灌入道床后会很快发泡、膨胀，将碎石和道砟之间的空隙挤满，经膨化固结后道床形成一个弹性整体结构。聚氨酯固化道床是结合了有砟轨道的弹性好、可维修性好和无砟轨道整体性好、残余累积变形缓慢两者优点的一种新型轨道结构。同时具备减振、降噪功能，可解决目前有砟轨道桥隧地段养护维修难和无砟轨道弹性差、噪声大等问题。应用于重载铁路桥梁及隧道、沙漠线路和多风沙区域线路，将大大减少维修工作量，提高运输能力和行车安全，从而创造良好的社会效益和经济效益［1］。因此，与之配套的聚氨酯固化道床施工设备的研制具有十分重要的意义。

1道床烘干冷却试验装置的研制

1. 1道床烘干技术条件

根据聚氨酯的混合工艺要求，需要先将道床道砟烘干，并冷却至适宜温度，然后进行浇注。烘干效果达到道床浇注施工的技术条件:烘干深度不小于50 cm。烘干后表面道砟温度不低于80℃，深度50 cm处道砟温度不低于35℃。冷却后表面道砟温度不高于35℃，深度50 cm处道砟不高于25℃。

1. 2国内外研究现状

目前国内外道路工程中的烘干方式主要分为暖气加热、红外加热和微波加热三种。

国外某公司采用暖气加热的方式对道砟进行烘干冷却，其暖气制造设备放置在集装箱内，采用燃气灶结构形式，并通过输送管道将燃烧热气输送到烘干区域。由于燃气灶采用液压气和氧气配比燃烧，经常存在打不着火、燃烧不充分等问题，液压气罐的存放也存在极大的安全隐患。同时，由于热气通过长大管道传递，热量损失较大，到达烘干区域时温度下降较大，加热效率低，影响施工进度。

国内在烘干方面的研究主要集中在公路养护维修方面，技术相对成熟，如图1所示。

图1公路沥青路面加热再生

采用红外加热技术用于公路的养护维修，加热深度一般为10 cm，加热温度比较高，达到400～500℃［2］。如果应用于道砟烘干，容易造成表面介质的烧伤，也无法满足50 cm的加热深度。微波加热的优点是加热速度快，温度梯度好，热转化效率高［3］。由于沥青路面一般为10 cm，用于公路养护的微波管采用2 450 MHz频率，波长相对较短，加热深度浅，能够满足使用要求。而目前道床烘干需要加热深度50 cm，原有产品无法满足使用要求，需要采用915 MHz频率的微波管，而目前国内该类型微波管只用于民用领域，还没有实现工业化。微波为有害辐射，一旦泄露对设备和人身会造成一定伤害，需要做好防护措施［4］。公路路面比较平整，防护相对容易，而铁路道砟不平，间隙较大，微波散射会比较严重，对钢轨、轨枕及施工人员的防护也是难点。同时，由于微波为光波形式，一般对于覆盖区域起作用［5］，对于轨枕下部及其它照射不到的区域和存在跨轨电缆的区域无法烘干，还需要采用其他方式进行补充。

1. 3试验装置设计

经过综合分析，采用暖气直接加热方式进行烘干冷却装置的设计，并研制一种试验装置来进行验证。为了研究道床烘干过程中的温度、汽化程度、压力等问题，设计如图2所示试验方案，其中道床按半个轨枕盒并设置边坡进行试验。外界空气经过高压风机送入燃烧加热器，然后经过管道送入道床。加热器可以以液化天然气作为能源，也可以采用柴油作为燃烧原料。

图2试验装置总体(单位: mm)

为了测量道砟不同深度和距离热源一定位置的温度及湿度，试验箱设置了若干规格的测试孔。通过孔盖，可以密封和开启。在烘干过程和冷却过程中，将这些测试孔密封;而测试时，打开孔盖，利用红外线温度和湿度测试仪来测量道砟的温度和湿度。为了研究热源的作用范围，试验箱四周设置不同的插槽，从而调整箱子横截面。

2　模拟道床烘干冷却试验

研究气流的流动规律，模拟真实的现场工况，积累有关烘干设备温度、压力、湿度等具体参数，为烘干冷却设备的设计提供依据。道床烘干冷却试验装置如图3所示。

图3道床烘干冷却试验装置

2. 1试验准备

按照相关技术条件，对试验道砟取样，进行道砟粒径、含污量和含水率的检测和计算。将样品道砟按照粒径63，55，50，45，40，35. 5，31. 5，25，22. 4 mm的范围分别进行统计并进行称重，将不同粒径道砟的重度统计结果绘制成柱形图，试验道砟符合级配要求。经过计算，试验道砟含污量为1. 6%，含水率为0. 64%，远远超过浇注技术条件要求的含污量不大于0. 17%的要求，也超过现场浇注时含污量不超过1%的要求，试验道砟恶劣程度超过现场使用上限，参数具有一定富余。

试验箱中填充道砟，并进行压实，密封试验箱，将预先设计的透气孔打开，并将6个温度传感器和风压测量装置布置在试验箱相应的位置，每个传感器进行编号方便数据的记录。

2. 2燃料性质试验

分别采用液化气和0号柴油作为燃料进行道砟烘干试验，试验过程中利用CO测湿仪，测量整个过程中CO的最大含量，测得液化气为99×10－6，柴油仅为2×10－6。将烘干试验后的道砟样本进行浇注测试，由试验结果可知，柴油的污染远远小于液化气，烘干试验后的道砟表面光洁，粘结良好，符合聚氨酯固化要求。

2. 3风压、风量穿透试验

在风机不同转速下进行烘干试验，分别记录显示屏上各个传感器的温度。以最具代表性的2 800，2 400和2 540 r/min 3种转速下的数值进行比较分析。

将不同的时刻转化成以1 min为基准的时间段，按照从0开始的顺序进行温度曲线的描绘。风机转速2 540 r/min时6个传感器的温升情况如图4所示。

图4风机2 540 r/min时6个传感器的温升情况

风机的风压与风机的转速有关，转速越大，风压越大。通过现场的观察可得知，风压太大，风量会从两侧泄露，真正到达底部的风量很少，自然升温就很差，所以转速2 800 r/min的升温效果没有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风压不大，根本到达不了底部，自然温升上不去。由此试验得到的结果确定了风机的最佳转速。2 540 r/min的最佳转速，不仅穿透力合适，而且烘干效果好于2 800和2 400 r/min。转速2 540 r/min所对应的风压约为15 kPa，可以按照此风压进行风机的选型。

2. 4管道高度对烘干效果的影响试验

在风机出风口制作一个过渡圆筒，测试不带圆筒和带圆筒两种情况下的温升情况。将不同的时刻转化成以1 min为基准的时间段，按照从0开始的顺序进行温度曲线的描绘，带圆筒的试验装置6个传感器所显示的温度值如图5所示。

图5带圆筒的试验装置6个传感器所显示的温度值

经过分析可知，空气流通性越好升温效果也就越好。越靠近风口中心线的位置，温升越快。在关闭加热器以后，并不是立刻降温，加热器中还有部分的残热。风机工作过程中，不断地与空气发生摩擦，摩擦生热，进口处的常温空气在风机中温度会上升7℃左右，还会将温度高于常温的气体吹入道砟中。实际工作过程中，表层道砟的温度不一定要达到80℃再进行冷却，靠着余热仍然可以使道砟升温。风管直接贴在道砟表面的烘干效果比风管离道砟表面有一定高度的烘干效果要好。

2. 5烘干时间和冷却时间匹配试验

加热器加热不同时间，记录不同温度值，将不同的时刻转化成以1 min为基准的时间段，按照从0开始的顺序进行温度曲线的描绘。加热5 min的试验装置6个传感器所显示的温度值如图6所示。

图6加热5 min的试验装置6个传感器所显示的温度值

加热时间长的工况比加热时间短的工况道砟的底部温升效果好。加热5 min的工况不但温升效果好于加热3 min的，在湿度测量位置测得的湿度状况也能证实加热5 min的工况除湿效果比较好。在烘干过程中，不仅有温度的上升还有湿度的下降，虽然降温难，但是最后的浇注条件还要看是否满足湿度的要求。在夏季的施工中湿度较大，主要是满足湿度条件。夏季在50 cm处湿度满足＜30%使用要求，表面的湿度会很快就满足要求。

2. 6管道布置试验

将入口的气流管道一分为四，将不同的时刻转化成以1 min为基准的时间段，按照从0开始的顺序进行温度曲线的描绘。气流管道一分为四时6个传感器的温度如图7所示。

图7气流管道一分为四时6个传感器的温度

分管式的装置1通道的温升效果不如单管式1通道的温升效果。1通道位于试验箱的底部，且靠近试验箱中心的位置，温度几乎没有变化。采用分管形式，每个分管的烘干区域是以分管为中心的一定区域和一定深度，而远离分管中心的区域没有温升。在浇注时，浇注区域是钢轨的两侧，采用单管形式顾及不到钢轨外侧的温升，分管式方案却能做到这一点。从5通道的温度变化可以得知采用分管式两侧的温升效果好于采用单管式。

3　结语

通过道床烘干冷却试验装置的相关试验，总结了一些规律，为道床烘干冷却装置的研制指明了方向，结论如下:

1)采用柴油作为燃料比采用液化气时尾气排放更低，对道砟无污染，柴油燃烧气体烘干后的道砟固结良好，符合聚氨酯固化要求。

2)风压太低，无法到达指定穿透厚度，风压太高，气体从边坡流出，亦无法到达指定穿透厚度。在15 kPa风压下进行穿透试验，在95 cm厚道砟中气体能够穿透至底部，满足使用要求。

3)烘干时，道床表面温度上升很快，但底部温度上升较慢，空气经过风机后，温度会上升。在冷却阶段，上表面道砟温度会下降，底部道砟温度却会上升。采用风管直接接触道砟的烘干冷却效果比风管和道砟留有空隙要好。

4)加热时间长的工况比加热时间短的工况道砟的底部温升效果好。

5)气流管道采用一分四的形式，烘干冷却效果要比单管形式好，但分管布置及其尺寸对烘干冷却有影响，后期需做进一步研究。

参考文献

［1］郄录朝，王红，许永贤，等．聚氨酯固化道床的力学性能试验研究［J］．铁道建筑，2015( 1) : 107-112．

［2］许建中，林翌，夏金梅，等．连续微波—红外集成真空干燥设备的设计与试验［J］．化学工程与装备，2013( 3) : 7-12．

［3］钱璞，李龙龙．沥青路面养护中微波加热技术的应用［J］．道路工程，2011( 15) : 69-71．

［4］李高伟，唐仰贵，张文波，等．微波加热技术在沥青路面综合养护车中的应用［J］．建筑机械，2008( 4) : 96-97．

［5］苏建欢，朱守正．关于微波加热设备微波泄漏标准问题的分析研究［J］．材料导报，2007( 11) : 183-185．

(责任审编赵其文)

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《铁道建筑》编辑部

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

文章编号:1003-1995( 2016) 01-0084-05

通信地址5)投稿时请注明作者个人信息、论文课题资助项目名称及编号、单位和部门全称、详细、电话、电子信箱及邮编等。

中图分类号:U216．63+2

文献标识码:B

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

作者简介:何国华( 1982—)，男，副研究员，硕士。

收稿日期:2015-11-09;修回日期: 2015-12-10