道岔區聚氨酯固化道床澆注設備的研究

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，將碎石道砟之間的空隙擠滿，經膨化固結后形成的一種彈性整體結構［1］。聚氨酯固化道床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、殘余累積變形緩慢等優點，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

目前國內現有的聚氨酯固化道床澆注設備都是為正線設計，皆為大型設備，運輸、使用較為復雜，在道岔區等軌道結構形式較為復雜地段無法進行道床澆注作業［4］。這就需要研發一套能夠在該區段進行道床澆注的小型設備。該設備應具有操作方便、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生反應產生的膨脹力不對稱，會導致兩側軌道高程不一致［5］。因此需要設計一套雙槍頭澆注設備，兩槍頭同時在軌道兩側對稱位置進行澆注作業，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］。為此需設計能夠實時監測壓力的道床自動保壓裝置。

2 道岔區聚氨酯固化道床澆注設備的設計

道岔區聚氨酯固化道床澆注設備主要包括澆注系統和走行系統2 部分。澆注系統由雙槍頭澆注裝置、成品料罐、原料預混裝置、原料中轉罐、料罐溫控裝置、儲料罐供料循環裝置、儲料罐等組成。走行系統由動力車、非動力車、道床保壓裝置、輪對彈性懸掛裝置、液壓裝置、發電機組等組成。澆注設備整體布局見圖1。

圖1 澆注設備整體布局

2.1 澆注系統的設計

澆注系統放置在走行系統的2 臺平車上，如圖2所示。澆注系統中設計了原料預混裝置、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。

2.1.1 雙槍頭澆注裝置

圖2 澆注系統布局

由于道岔區結構復雜、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，可以調整吊掛的高度；平衡器安裝在伸縮旋轉臂的滑軌上，可調整澆注槍頭的前后位置。伸縮旋轉臂有轉動關節，轉動關節處安裝可調阻尼裝置，伸縮旋轉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臂可收回集裝箱內，見圖3。

圖3 雙槍頭澆注裝置

2.1.2 原料預混裝置

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

圖4 預混裝置工作原理

2.1.3 料罐溫控裝置

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

2.2 走行系統的設計

走行系統中使用的平車（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、重載鐵路的有砟區段聚氨酯固化道床施工，車輛最高運行速度10 km/h，作業走行速度1.8 km/h。非動力車主要由車架、輔助電氣系統、制動系統等組成。動力車主要由車架、動力系統、電傳動系統、電氣牽引控制系統等組成，可雙向行駛。

2.2.1 道床保壓裝置的設計

根據聚氨酯固化道床膨脹力試驗結果［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，現利用施工裝置自重（約280 kN）作為反壓設計實時保壓裝置，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，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、計算機PLC 信號處理系統、位移監控、設備負載監控等融合為一體，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 信號處理系統進行處理和分析，根據輸出結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，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計

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

圖7 輪對彈性懸掛裝置

3 結語

針對道岔區軌道形式復雜多變的情況，設計了一種專門用于道岔區聚氨酯固化道床澆注的施工設備。澆注系統中采用雙槍頭澆注裝置，同時在軌道兩側對稱位置進行聚氨酯澆注作業，保證軌道受力均勻。走行系統中設計了能夠實時監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的通過能力。與現有設備相比，道岔區澆注設備具有操作方便、小型化、高效率、自走行、自帶保壓等功能，提高了道岔區聚氨酯固化道床澆注施工效率，保障了施工質量。