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        鐵路扣件螺栓干冰除銹方案設(shè)計(jì)與研究

        2023-02-25 04:42:34宋曉陽(yáng)高春雷何國(guó)華王鵬
        鐵道建筑 2023年1期
        關(guān)鍵詞:干冰扣件射流

        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(lái),銹蝕嚴(yán)重則直接關(guān)系到軌道及車(chē)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(wú)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(guò)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(guò)高壓氣源形成高速干冰射流,通過(guò)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(guò)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(jiàn)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(lèi)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(guò)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(guò)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(lái)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(jiàn)圖4。可知:當(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(jiàn)圖5。可知:干冰射流量較低時(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(wú)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(kāi)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(jiàn)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?。粔毫_(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?。桓杀淞鲏毫_(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小(最大增幅約4%)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(jiàn)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??;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。

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