超高壓水射流技術(shù)在鐵路貨車除銹中的應(yīng)用與研究

吳忠強(qiáng)

(1.安徽理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，安徽 淮南 232001;2.淮南礦業(yè)集團(tuán)鐵運(yùn)公司，安徽 淮南 232082)

統(tǒng)計(jì)顯示，影響涂層壽命有以下因素:鋼鐵表面除銹質(zhì)量49.5%;涂裝工藝條件26.5%;涂層厚度19.1%;涂料種類4.9%。可見，涂裝前鋼材表面處理的質(zhì)量是影響涂層保護(hù)性能的最重要因素。顯然，鋼材表面處理的質(zhì)量控制是確保涂層保護(hù)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。所以，鐵路貨車廠修前表面除銹質(zhì)量尤為重要。

1 超高壓水射流用于鐵路貨車除銹的可行性

鐵路貨車檢修主要采用預(yù)防性計(jì)劃修，涉及到涂裝作業(yè)的主要安排在廠修期間完成，廠修周期6～12 年不等，8 年一次廠修作業(yè)的車型居多。除銹主要是去除鐵銹、氧化皮及垃圾等物，為涂裝做準(zhǔn)備。鐵路貨車除銹的目的是在一個廠修期內(nèi)使車輛表面油漆附著良好，不起皮、不掉渣、不龜裂，有效防止腐蝕，延長車輛的使用壽命。目前鐵路貨車常用的除銹方法主要是拋丸除銹、噴砂除銹和手工除銹。

拋丸除銹是利用高速旋轉(zhuǎn)的葉輪將磨料拋向鋼鐵表面，形成一個混沌的場，以干式噴丸方式作業(yè)。生產(chǎn)效率高，而且費(fèi)用低、自動化程度高，可實(shí)現(xiàn)流水線操作，但拋出的鋼丸和粉塵飛濺不易密封，會造成粉塵污染，占地面積大，需在室內(nèi)操作，況且鋼丸處理麻煩，處理鋼丸大多采用掩埋，這樣造成了大量的耕地浪費(fèi)，同時加大了企業(yè)的支出。

噴砂除銹能較徹底地?fù)舸蚝蛣冸x氧化皮、銹蝕和舊漆膜等，露出基本金屬面，除銹效率4～5m2/h。但磨料不能回收，清理現(xiàn)場麻煩。由于環(huán)境污染較重，職工職業(yè)防護(hù)要求高，逐步被限制發(fā)展。

手工除銹工具有榔頭、鏟刀、刮刀、鋼絲刷等，勞動強(qiáng)度大，粉塵等污染重，作業(yè)環(huán)境惡劣，效率低，一般0.2～0.5m2/h，氧化皮等難除，達(dá)不到規(guī)定的清潔度和粗糙度，終將被機(jī)械方法和化學(xué)方法所替代。

超高壓水射流除銹是利用高壓水射流的沖擊作用和水撬作用，破壞銹蝕和涂層對鋼板的附著力。其特點(diǎn)是無粉塵污染，不損傷鋼板，除銹效率高，可達(dá)15m2/h 以上，除銹質(zhì)量好。超高壓水射流除銹實(shí)質(zhì)是由高壓泵產(chǎn)生高壓水經(jīng)噴頭噴射出高速水流，具有極高的能級密度，對除銹對象進(jìn)行沖蝕、剝蝕、切除、剝離沖擊以達(dá)到除銹的目的，具有成本低、速度快、清凈率高、不損壞被清洗物、應(yīng)用范圍廣、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。2001 年，在超高壓水射流除銹中引入了真空技術(shù)，將幾個除銹噴嘴安裝在一個真空腔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)真空水及廢料回收，起到了良好的防止返銹的效果。

基于以上的對比分析和超高壓水射流除銹在船舶、石化等其他的行業(yè)的應(yīng)用，鐵路貨車除銹采用超高壓水射流技術(shù)是可行的。

2 超高壓水射流除銹的機(jī)理

2.1 鐵路貨車除銹標(biāo)準(zhǔn)

機(jī)械方式除銹的車體及底架須達(dá)到Sa2 級，局部不低于Sa1 級;手工方式除銹的鋼結(jié)構(gòu)表面清潔度不得低于St2 級。其中:

Sa2 級:在不放大情況下觀察時，表面無可見油脂和污垢，且?guī)缀鯖]有氧化皮、鐵銹、油漆涂層和異物，任何殘留物應(yīng)是牢固附著的。

Sa1 級:在不放大情況下觀察時，表面無可見油脂和污垢，且無附著不牢的氧化皮、鐵銹、油漆涂層和異物。

St2 級:鋼材表面沒有可見油脂和污垢，沒有附著不老的氧化物、鐵銹或油漆涂層等附著物。

2.2 超高壓水射流除銹的圖解機(jī)理

鋼質(zhì)表面生銹的表面形貌和表面效應(yīng)如圖l 所示，水射流(在水射流作用下不規(guī)則的表面受力)的法向打擊和切向剝離機(jī)理如圖2 所示。

圖1 鋼質(zhì)表面生銹的表面形貌和表面效應(yīng)

圖2 水射流除銹機(jī)理

3 影響水射流打擊剝離效應(yīng)分析

射流法向(90°)最大沖擊力:

式中:

F—射流法向(90°)最大沖擊力，N;

d—噴嘴出口直徑，mm;

P—射流壓力，MPa。

上式反映了理論射流法向最大沖擊力與射流基本參數(shù)間的定性關(guān)系，實(shí)際作用在鋼材表面的剝離力比射流法向最大沖擊力小。射流作用于物體表面的實(shí)際剝離沖擊力不僅取決于射流基本參數(shù)，同時也取決于噴嘴與物體表面間的距離即靶距和噴嘴的安裝角度。

關(guān)于靶距的影響，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)分析可得出下列經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式:

式中:

L—最佳靶距，mm;

F—最大射流剝離沖擊力，N;

p—射流壓力，MPa;

d—噴嘴出口直徑，mm。

噴嘴安裝角度不同，產(chǎn)生的擊打力和剝離力不同，也影響射流功率的發(fā)揮。試驗(yàn)表明，剪切剝離力要求噴嘴角度在30°～60°為佳;擊打力要求噴嘴角度60°～90°為佳。

水射流中增加磨料，也是提高除銹效果的有效手段。

4 超高壓水射流成套設(shè)備設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)方案是利用200～250MPa 超高壓旋轉(zhuǎn)水射流除銹，除銹標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到2.1 所示的要求，針對個別縫隙或凹陷部位的點(diǎn)蝕，配合手工除銹;采用壓縮空氣清理滯留的水分，針對個別部位水分滯留，人工配合，已解決除銹防銹的問題;銹渣清理利用水射流沖擊到地下沉淀池進(jìn)行回收。圖3 為鐵路貨車超高壓水射流除銹成套設(shè)備流程示意圖。

圖3 超高壓水射流除銹成套設(shè)備流程示意圖

(1)超高壓泵機(jī)系統(tǒng)

超高壓泵組參數(shù)選擇的首要任務(wù)是確定系統(tǒng)壓力參數(shù)。超高壓水射流多在250MPa 左右，這一壓力可以達(dá)到除銹等級要求。根據(jù)國內(nèi)外研究經(jīng)驗(yàn)，射流流量不應(yīng)該小于25L/min。然而，為防止返銹，除銹要求即除即干，流量不應(yīng)超過40L/min。為保證系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期的除銹效果，流量定為27L/min。

超高壓泵站系統(tǒng)主要由電機(jī)、超高壓柱塞泵及相關(guān)的機(jī)械傳動和安全裝置等組成。泵站設(shè)計(jì)最基本的原則是運(yùn)行安全可靠，所以必須具有雙層機(jī)械安全保護(hù)和電氣控制保護(hù);超高壓泵應(yīng)采用強(qiáng)制冷卻和強(qiáng)制潤滑，并實(shí)現(xiàn)對溫度和壓力的實(shí)時監(jiān)控，確保超高壓柱塞泵運(yùn)行的安全可靠。系統(tǒng)可利用較小的氣壓實(shí)現(xiàn)超高壓調(diào)節(jié)。

(2)過濾系統(tǒng)

使用過濾水的主要目的是為超高壓柱塞泵提供有壓吸入的顆粒不大于10μm 的工作介質(zhì)，由于往復(fù)泵的吸入能力比較差，特別是對超高壓大功率泵必須以相應(yīng)流量的增壓來提供強(qiáng)制吸入以保證流體的連續(xù)泵送，避免出現(xiàn)流量波動。為了避免超高壓泵及管路中閥件的磨損和堵塞，要求輸送到超高壓泵的工作顆粒不大于10μm。

(3)電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)對超高壓泵站系統(tǒng)和泵水前處理裝置中電氣設(shè)備的控制，對系統(tǒng)各工作參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時顯示，對系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控和保護(hù)以及對系統(tǒng)工作參數(shù)的實(shí)時調(diào)節(jié)。

(4)滯留水分清理系統(tǒng)

利用壓縮空氣清理滯留水分，壓力控制在3～6MPa。水通過地下預(yù)留的地槽匯集到沉淀池;局部滯留采用手工配合處理，減少除銹返銹現(xiàn)象的出現(xiàn)。

(5)排渣系統(tǒng)

銹渣在水射流除銹的過程中脫落，部分滯留在車體內(nèi)部的靠人工清理，全部墜落到預(yù)留地槽匯集到沉淀池，待處理。

5 結(jié)論

超高壓水射流運(yùn)用在鐵路貨車除銹工藝上是完全可行的，能夠達(dá)到鐵路貨車廠修除銹標(biāo)準(zhǔn)，工藝上相對傳統(tǒng)的整車拋丸、噴砂等除銹方式更加環(huán)保，勞動強(qiáng)度急劇下降，工作效率更高。目前機(jī)電一體化技術(shù)比較成熟，融合國內(nèi)外成功研制的爬壁機(jī)器人等技術(shù)，建立全自動流水化除銹生產(chǎn)工藝線完全可行。

［1］孫志和.最新船舶涂裝新技術(shù)新工藝與涂裝質(zhì)量檢測評價實(shí)用手冊［M］.北京:中國知識出版社，2006.

［2］王興如.基于超高壓純水射流的船壁除銹除漆關(guān)鍵技術(shù)與爬壁試驗(yàn)研究［D］.大連:大連海事大學(xué)，2010.

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［5］中華人民共和國鐵道部.鐵路貨車廠修規(guī)程［M］.北京:中國鐵道出版社，2012.