鐵路扣件螺栓干冰除銹方案設(shè)計(jì)與研究

宋曉陽(yáng) 高春雷 何國(guó)華 王鵬

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

隨著軌道交通快速發(fā)展，軌道數(shù)量不斷增多，鋼軌養(yǎng)護(hù)和維修工作量急劇增大，其中軌道扣件螺栓除銹是一步關(guān)鍵工序［1］。鐵路扣件螺栓在富氧、多鹽、高熱的惡劣環(huán)境中服役，受風(fēng)吹日曬、酸雨、霧霾和紫外線的不斷侵蝕和破壞［2］。發(fā)生銹蝕后很難將螺母從表面生銹的螺栓上拆卸下來，銹蝕嚴(yán)重則直接關(guān)系到軌道及車輛運(yùn)行安全。因此，探究適宜的扣件螺栓除銹方法是行業(yè)內(nèi)的一個(gè)重要課題。

干冰除銹是一種新穎環(huán)保的除銹方式。與傳統(tǒng)的除銹方式相比，干冰除銹有不損傷基體、高清潔度、無污染等優(yōu)點(diǎn)［3-4］。干冰除銹的原理為干冰射流以高壓、高速?zèng)_擊試樣表面，使干冰顆粒在千分之幾秒內(nèi)氣化［5］，并且氣體急劇膨脹，在沖擊點(diǎn)造成微型爆炸，從而有效擊落附著物及浮銹［6］。該工藝過程受工藝參數(shù)影響顯著，而扣件螺栓除銹前后表面粗糙度是表征干冰除銹效果的一項(xiàng)重要指標(biāo)［7］，因此本文主要研究干冰射流工藝參數(shù)對(duì)除銹后試樣螺栓粗糙度的影響規(guī)律，并探究合適的干冰射流工藝參數(shù)以使得扣件螺栓表面粗糙度達(dá)到最佳。

1 干冰制備

扣件螺栓干冰除銹試驗(yàn)所用干冰制造流程（圖1）主要包括干冰制取單元、高壓氣體供應(yīng)單元和干冰射流機(jī)。

圖1 干冰制備流程

CO2存儲(chǔ)系統(tǒng)用于提供干冰原料，干冰制造機(jī)用于制造合適粒度的干冰，干冰儲(chǔ)存系統(tǒng)用于儲(chǔ)存制造完的干冰；螺桿空壓機(jī)提供高壓氣源，空氣干燥器用于干燥高壓氣流。干冰射流機(jī)的功能是將干冰顆粒通過高壓氣源形成高速干冰射流，通過噴嘴到達(dá)試樣表面進(jìn)行除銹，噴嘴內(nèi)部流道對(duì)流動(dòng)阻力、射流束形狀、噪聲等有重要影響。通過流體動(dòng)力學(xué)仿真分析進(jìn)行流道優(yōu)化，改善了噴嘴的噴射性能，最終確定的干冰噴嘴結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 干冰噴嘴結(jié)構(gòu)示意

2 除銹試驗(yàn)內(nèi)容

在一條年久失修的鐵路線上選取銹蝕情況類似的螺栓作為試驗(yàn)對(duì)象。對(duì)樣品螺栓進(jìn)行分組，分別選取不同的干冰射流量f、干冰射流壓力P和干冰射流次數(shù)N進(jìn)行干冰除銹機(jī)除銹試驗(yàn)。

扣件螺栓干冰除銹試驗(yàn)裝置如圖3（a）所示。除銹過程中，噴嘴距離螺栓表面70 mm，噴嘴移動(dòng)行程為螺栓長(zhǎng)度（96 mm），移動(dòng)速度為10 mm/s。經(jīng)過一次移動(dòng)行程的干冰射流稱一次掃描。干冰射流量可調(diào)范圍為0.5～ 1.5 kg/min，空壓機(jī)壓力可調(diào)范圍為0.6～1.5 MPa。每次除銹前后，選取樣品螺栓頂面3 mm ×3 mm區(qū)域測(cè)量粗糙度，如圖3（b）所示。

圖3 扣件螺栓除銹試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)束后利用表面粗糙度、表面形貌來表征除銹效果。用激光共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡在每個(gè)樣品螺栓表面測(cè)量三次，將三次得到的表面粗糙度取平均值作為樣品的表面粗糙度。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 干冰射流量對(duì)螺栓表面粗糙度的影響

不同干冰射流量下，干冰射流以0.8 MPa 恒定壓力上下掃描10次，得到的螺栓表面粗糙度變化曲線見圖4?？芍寒?dāng)干冰射流流量小于1.1 kg/min 時(shí)，螺栓表面粗糙度隨干冰射流量增加而降低；當(dāng)干冰射流量大于1.1 kg/min 時(shí)，螺栓表面粗糙度略微升高且趨勢(shì)較為平緩，最大升高幅度約6%。

圖4 螺栓表面粗糙度隨干冰射流量的變化曲線

干冰射流量為1.1、1.3 kg/min 時(shí)，除銹后螺栓表面形貌見圖5?？芍焊杀淞髁枯^低時(shí)，干冰碰撞爆炸點(diǎn)較稀疏，且爆炸覆蓋邊緣區(qū)域較大；射流量增大到一定值時(shí)，會(huì)造成干冰粒未到達(dá)螺栓表面即互相碰撞爆炸而后升華，無法進(jìn)行高效除銹，故干冰射流量大于1.1 kg/min時(shí)螺栓表面粗糙度略微增大且趨于平緩，除銹效果開始下降。

圖5 不同干冰射流量條件下螺栓表面微觀形貌（500倍）

3.2 干冰射流壓力對(duì)螺栓表面粗糙度的影響

不同干冰射流壓力下，干冰射流以1.1 kg/min 的射流量上下掃描10次，得到螺栓表面粗糙度變化曲線見圖6?？芍涸诟杀淞髁亢透杀淞鞔螖?shù)相同的條件下，隨射流壓力增大，螺栓表面粗糙度逐漸減??；壓力達(dá)到1.2 MPa后，螺栓表面粗糙度變化趨于平緩。

圖6 螺栓表面粗糙度隨干冰射流壓力的變化曲線

干冰射流壓力的增大加速了干冰顆粒與螺栓的碰撞速度，在沖擊點(diǎn)造成微型爆炸的規(guī)模增大，螺栓表面粗糙度變小；干冰射流壓力達(dá)到一定值后，干冰顆粒的爆炸規(guī)模趨于最大極限，繼續(xù)增大壓力螺栓表面粗糙度變化較?。ㄗ畲笤龇s4%）且趨于恒定。

3.3 干冰射流次數(shù)對(duì)螺栓表面粗糙度的影響

選取5種不同干冰射流量、干冰射流壓力的組合，得到螺栓表面粗糙度隨射流次數(shù)的變化曲線見圖7?？芍涸诟杀淞髁亢蜕淞鲏毫ο嗤臈l件下，隨著干冰射流次數(shù)增加，螺栓表面粗糙度減小；當(dāng)掃描達(dá)到一定值后螺栓表面粗糙度下降幅度減小并趨于平緩。這是因?yàn)楦杀淞鞔螖?shù)的增加使銹蝕層的累計(jì)去除量增大。

圖7 不同工藝參數(shù)下螺栓表面粗糙度隨干冰射流次數(shù)的變化曲線

綜上所述，在試驗(yàn)條件下扣件螺栓干冰除銹的適宜參數(shù)為：干冰射流量1.1 kg/min；射流壓力1.2 MPa；干冰射流次數(shù)20～ 25 次。在此參數(shù)條件下除銹結(jié)果為試樣表面較平整，表面粗糙度Ra為4.834 μm。表面形貌和粗糙度結(jié)果如圖8所示。

圖8 試樣螺栓在適宜工藝參數(shù)下表面形貌

4 結(jié)論

1）隨著干冰射流量增大，螺栓表面粗糙度減小，干冰射流量增到一定值后螺栓表面粗糙度達(dá)到最小值，之后粗糙度隨干冰射流量增大而略微增大且趨于平緩。

2）螺栓表面粗糙度隨著干冰射流壓力增大而增大，在壓力達(dá)到一定值后粗糙度趨于恒定。

3）螺栓表面粗糙度隨著干冰射流次數(shù)的增大而減小，干冰射流次數(shù)達(dá)到一定值后粗糙度減小幅度平緩，趨于穩(wěn)定。

4）試驗(yàn)條件下當(dāng)干冰射流量為1.1 kg/min，射流壓力為1.2 MPa，干冰射流次數(shù)為20～ 25 次時(shí)試樣螺栓表面粗糙度適宜，表面較為平整。