吳忠強

(1.安徽理工大學機電工程學院，安徽 淮南 232001;2.淮南礦業(yè)集團鐵運公司，安徽 淮南 232082)

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

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防性計劃修，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，為涂裝做準備。鐵路貨車除銹的目的是在一個廠修期內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)。生產效率高，而且費用低、自動化程度高，可實現流水線操作，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，同時加大了企業(yè)的支出。

噴砂除銹能較徹底地擊打和剝離氧化皮、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，清理現場麻煩。由于環(huán)境污染較重，職工職業(yè)防護要求高，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，達不到規(guī)定的清潔度和粗糙度，終將被機械方法和化學方法所替代。

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。其特點是無粉塵污染，不損傷鋼板，除銹效率高，可達15m2/h 以上，除銹質量好。超高壓水射流除銹實質是由高壓泵產生高壓水經噴頭噴射出高速水流，具有極高的能級密度，對除銹對象進行沖蝕、剝蝕、切除、剝離沖擊以達到除銹的目的，具有成本低、速度快、清凈率高、不損壞被清洗物、應用范圍廣、不污染環(huán)境等優(yōu)點。2001 年，在超高壓水射流除銹中引入了真空技術，將幾個除銹噴嘴安裝在一個真空腔內，實現真空水及廢料回收，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)的應用，鐵路貨車除銹采用超高壓水射流技術是可行的。

2 超高壓水射流除銹的機理

2.1 鐵路貨車除銹標準

機械方式除銹的車體及底架須達到Sa2 級，局部不低于Sa1 級;手工方式除銹的鋼結構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理

鋼質表面生銹的表面形貌和表面效應如圖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理如圖2 所示。

圖1 鋼質表面生銹的表面形貌和表面效應

圖2 水射流除銹機理

3 影響水射流打擊剝離效應分析

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間的定性關系，實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際剝離沖擊力不僅取決于射流基本參數，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。

關于靶距的影響，對試驗數據進行數學分析可得出下列經驗關系式:

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，產生的擊打力和剝離力不同，也影響射流功率的發(fā)揮。試驗表明，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備設計方案

本設計方案是利用200～250MPa 超高壓旋轉水射流除銹，除銹標準達到2.1 所示的要求，針對個別縫隙或凹陷部位的點蝕，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行回收。圖3 為鐵路貨車超高壓水射流除銹成套設備流程示意圖。

圖3 超高壓水射流除銹成套設備流程示意圖

(1)超高壓泵機系統(tǒng)

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

超高壓泵站系統(tǒng)主要由電機、超高壓柱塞泵及相關的機械傳動和安全裝置等組成。泵站設計最基本的原則是運行安全可靠，所以必須具有雙層機械安全保護和電氣控制保護;超高壓泵應采用強制冷卻和強制潤滑，并實現對溫度和壓力的實時監(jiān)控，確保超高壓柱塞泵運行的安全可靠。系統(tǒng)可利用較小的氣壓實現超高壓調節(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，由于往復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流量的增壓來提供強制吸入以保證流體的連續(xù)泵送，避免出現流量波動。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)主要是實現對超高壓泵站系統(tǒng)和泵水前處理裝置中電氣設備的控制，對系統(tǒng)各工作參數實現實時顯示，對系統(tǒng)實時監(jiān)控和保護以及對系統(tǒng)工作參數的實時調節(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，減少除銹返銹現象的出現。

(5)排渣系統(tǒng)

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

5 結論

超高壓水射流運用在鐵路貨車除銹工藝上是完全可行的，能夠達到鐵路貨車廠修除銹標準，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，勞動強度急劇下降，工作效率更高。目前機電一體化技術比較成熟，融合國內外成功研制的爬壁機器人等技術，建立全自動流水化除銹生產工藝線完全可行。

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