论文部分内容阅读
【摘 要】分析目前铁路货车检修中普遍采用抛丸、喷砂或手工除锈的弊端，探讨采用超高压水射流技术除锈的可行性，重点研究了采用超高压水射流技术的除锈机理和成套设备设计方案，揭示了超高压水射流技术在铁路货车检修除锈中的优点和推广前景。
【关键词】铁路货车； 除锈； 超高压水射流； 设计
统计显示，影响涂层寿命有以下因素：钢铁表面除锈质量49.5%；涂装工艺条件26.5%；涂层厚度19.1%；涂料种类4.9%。可见，涂装前钢材表面处理的质量是影响涂层保护性能的最重要因素。显然，钢材表面处理的质量控制是确保涂层保护性能的关键环节。所以，铁路货车检修前表面除锈质量尤为重要。
一、超高压水射流技能和使用简介
超高压水射流切割技术（下称水切割）是一项这些年才兴起的一种冷态切割新工艺使用超高压技术能够把一般的自来水加压到250～400MPa，然后再经过孔径约0.15～0.35mm的宝石喷嘴喷发构成速度约为800～1000m/s的高速射流，并在水中掺加适当的磨料，用来切割软硬材料。因为切割实用性强，水射流切割技术在工业上的使用越来越广泛。
在机械制造中，可用来切割金属和非金属板材；在建筑业中，可用来切割大理石、花岗岩、陶瓷、玻璃、水泥构件等；在轿车制造业中，使用水射流切割可加工各种非金属资料，如车用玻璃、轿车内装饰板、仪表板、地毯、石棉刹车衬垫以及其它组件的成形切割；在航空制造业中，使用水射流切割可切割特种资料，如钛合金、碳纤维复合资料、增强塑料等。
水射流和磨料射流切割技术还可在其它工业加工中使用，如在造纸业中用来加工瓦楞纸、纸卷等。在木材业中用来加工木板、胶合板等，在铸造业中可去掉铸件外表的型砂，并可切割铸件的浇冒口等。
二、超高压水射流用于铁路货车除锈的可行性
铁路货车检修主要采用预防性计划修，涂装作业是货车一个修程内必不可少的工序。除锈主要是去除铁锈、氧化皮及垃圾等物，为涂装做准备。铁路货车除锈的目的是使车辆表面油漆附着良好，不起皮、不掉渣、不龟裂，有效防止腐蚀，延长车辆的使用寿命。目前铁路货车常用的除锈方法主要是抛丸除锈、喷砂除锈和手工除锈。
抛丸除锈是磨料通过高速旋转的叶轮抛向钢铁表面，形成一个混沌的场，以干式喷丸方式作业，这种方式生产效率高、费用低，并且自动化程度高，可实现流水线操作，但抛出的钢丸和粉尘不易密封，会造成粉尘污染，且占地面积大、需在室内操作，另外钢丸处理麻烦，处理钢丸大多采用掩埋，这样造成了大量的耕地浪费，同时加大了企业的成本。喷砂除锈能较彻底地击打和剥离氧化皮、锈蚀和旧漆膜等，露出基本金属面，除锈效率4～5m2/h。但磨料不能回收，清理现场麻烦。由于环境污染较重，职工安全防护要求高，逐步被限制发展。手工除锈工具有榔头、铲刀、刮刀、钢丝刷等，劳动强度大，粉尘等污染重，作业环境恶劣，效率低，一般0.2～0.5m2/h，氧化皮等难除，达不到规定的清洁度和粗糙度，终将被机械方法和化学方法所替代。
三、超高压水射流除锈的机理
（一）铁路货车除锈标准
机械方式除锈的车体及底架须达到Sa2级，局部不低于Sa1级；手工方式除锈的钢结构表面清洁度不得低于St2级。其中：
Sa2级：在不放大情况下观察时，表面无可见油脂和污垢，且几乎没有氧化皮、铁锈、油漆涂层和异物，任何残留物应是牢固附着的。
Sa1级：在不放大情况下观察时，表面无可见油脂和污垢，且无附着不牢的氧化皮、铁锈、油漆涂层和异物。
St2级：钢材表面没有可见油脂和污垢，没有附着不老的氧化物、铁锈或油漆涂层等附着物。
（二）超高压水射流除锈的图解机理
四、影响水射流打击剥离效应分析
射流法向（ 90°） 最大冲击力：
（1）
式中：
F—射流法向（ 90°） 最大冲击力，N；
d—喷嘴出口直径，mm；
P—射流压力，MPa。
上式反映了理论射流法向最大冲击力与射流基本参数间的定性关系，实践作用在钢材外表的剥离力比射流法向最大冲击力小。射流作用于物体外表的实际剥离冲击力不仅取决于射流基本参数，也取决于喷嘴与物体外表间的距离即靶距和喷嘴的装置角度。
对于靶距的影响，对实验数据进行数学分析可得出下列经验关系式：
式中：
L—最佳靶距，mm；
F—最大射流剥离冲击力，N；
p—射流压力，MPa；
d—喷嘴出口直径，mm。
喷嘴安装角度不同，产生的击打力和剥离力不同，也影响射流功率的发挥。试验表明，剪切剥离力要求喷嘴角度在30° ～ 60°为佳； 击打力要求喷嘴角度60° ～ 90°为佳。
水射流中增加磨料，也是提高除锈效果的有效手段。
五、超高压水射流成套设备设计方案
本设计方案是利用200 ～ 250MPa 超高压旋转水射流除锈，除锈标准达到2. 1 所示的要求，针对个别缝隙或凹陷部位的点蚀，配合手工除锈； 采用压缩空气清理滞留的水分，针对个别部位水分滞留，人工配合，已解决除锈防锈的问题； 锈渣清理利用水射流冲击到地下沉淀池进行回收。
（一）超高壓泵机体系
超高压泵组参数选择的首要任务是确定体系压力参数。超高压水射流多在250MPa 左右，这一压力可以达到除锈等级要求。根据国内外研究经验，射流流量不应该小于25L /min。然而，为防止返锈，除锈要求即除即干，流量不应超过40L /min。为保证体系能够达到预期的除锈效果，流量定为27L /min。超高压泵站体系主要由电机、超高压柱塞泵及相关的机械传动和安全装置等组成。泵站设计最基本的原则是运行安全可靠，所以必须具有双层机械安全保护和电气控制保护； 超高压泵应采用强制冷却和强制润滑，并实现对温度和压力的实时监控，确保超高压柱塞泵运行的安全可靠。体系可利用较小的气压实现超高压调节。
（二）过滤体系
运用过滤水的首要目的是为超高压柱塞泵供给有压吸入的颗粒不大于10μm 的工作介质，因为往复泵的吸入比较差，特别是对超高压大功率泵有必要以相应流量的增压来供给强行吸入以保证流体的连续泵送，避免出现流量不坚定。
为了避免超高压泵及管路中阀件的磨损和堵塞，需求输送到超高压泵的工作颗粒不大于10μm。
（三）电气控制体系
电气控制体系首要是完成对超高压泵站体系和泵水前处理装置中电气设备的控制，对体系各作业参数完成实时显现，对体系实时监控和维护以及对体系作业参数的实时调理。
（四）滞留水分清理体系
使用压缩空气清理滞留水分，压力控制在3 ～6MPa。水经过地下预留的地槽汇集到沉淀池； 部分滞留选用手工合作处理，减少除锈返锈表象的呈现。
（五）排渣体系
锈渣在水射流除锈的过程中脱落，部分滞留在车体内部的靠人工清理，全部坠落到预留地槽汇集到沉淀池，待处理。
结论
超高压水射流运用在铁路货车除锈工艺上是完全可行的，能够达到铁路货车除锈标准，工艺上相对传统的抛丸、喷砂等除锈方式更加环保，劳动强度急剧下降，工作效率更高。目前机电一体化技术比较成熟，融合国内外成功研制的爬壁机器人等技术，建立全自动流水化除锈生产工艺线完全可行。
参考文献：
[1]吴忠强. 超高压水射流技术在铁路货车除锈中的应用与研究[J]. 郑州铁路职业技术学院学报，2014，（03）.
[2]刘萍，黄扬烛. 水射流技术的现状及发展前景[J]. 煤矿机械，2009，（09）.
[3]何新民. 高压水射流技术在石化设备清洗、除锈中的应用[J]. 科技资讯，2013，（07）.
【关键词】铁路货车； 除锈； 超高压水射流； 设计
统计显示，影响涂层寿命有以下因素：钢铁表面除锈质量49.5%；涂装工艺条件26.5%；涂层厚度19.1%；涂料种类4.9%。可见，涂装前钢材表面处理的质量是影响涂层保护性能的最重要因素。显然，钢材表面处理的质量控制是确保涂层保护性能的关键环节。所以，铁路货车检修前表面除锈质量尤为重要。
一、超高压水射流技能和使用简介
超高压水射流切割技术（下称水切割）是一项这些年才兴起的一种冷态切割新工艺使用超高压技术能够把一般的自来水加压到250～400MPa，然后再经过孔径约0.15～0.35mm的宝石喷嘴喷发构成速度约为800～1000m/s的高速射流，并在水中掺加适当的磨料，用来切割软硬材料。因为切割实用性强，水射流切割技术在工业上的使用越来越广泛。
在机械制造中，可用来切割金属和非金属板材；在建筑业中，可用来切割大理石、花岗岩、陶瓷、玻璃、水泥构件等；在轿车制造业中，使用水射流切割可加工各种非金属资料，如车用玻璃、轿车内装饰板、仪表板、地毯、石棉刹车衬垫以及其它组件的成形切割；在航空制造业中，使用水射流切割可切割特种资料，如钛合金、碳纤维复合资料、增强塑料等。
水射流和磨料射流切割技术还可在其它工业加工中使用，如在造纸业中用来加工瓦楞纸、纸卷等。在木材业中用来加工木板、胶合板等，在铸造业中可去掉铸件外表的型砂，并可切割铸件的浇冒口等。
二、超高压水射流用于铁路货车除锈的可行性
铁路货车检修主要采用预防性计划修，涂装作业是货车一个修程内必不可少的工序。除锈主要是去除铁锈、氧化皮及垃圾等物，为涂装做准备。铁路货车除锈的目的是使车辆表面油漆附着良好，不起皮、不掉渣、不龟裂，有效防止腐蚀，延长车辆的使用寿命。目前铁路货车常用的除锈方法主要是抛丸除锈、喷砂除锈和手工除锈。
抛丸除锈是磨料通过高速旋转的叶轮抛向钢铁表面，形成一个混沌的场，以干式喷丸方式作业，这种方式生产效率高、费用低，并且自动化程度高，可实现流水线操作，但抛出的钢丸和粉尘不易密封，会造成粉尘污染，且占地面积大、需在室内操作，另外钢丸处理麻烦，处理钢丸大多采用掩埋，这样造成了大量的耕地浪费，同时加大了企业的成本。喷砂除锈能较彻底地击打和剥离氧化皮、锈蚀和旧漆膜等，露出基本金属面，除锈效率4～5m2/h。但磨料不能回收，清理现场麻烦。由于环境污染较重，职工安全防护要求高，逐步被限制发展。手工除锈工具有榔头、铲刀、刮刀、钢丝刷等，劳动强度大，粉尘等污染重，作业环境恶劣，效率低，一般0.2～0.5m2/h，氧化皮等难除，达不到规定的清洁度和粗糙度，终将被机械方法和化学方法所替代。
三、超高压水射流除锈的机理
（一）铁路货车除锈标准
机械方式除锈的车体及底架须达到Sa2级，局部不低于Sa1级；手工方式除锈的钢结构表面清洁度不得低于St2级。其中：
Sa2级：在不放大情况下观察时，表面无可见油脂和污垢，且几乎没有氧化皮、铁锈、油漆涂层和异物，任何残留物应是牢固附着的。
Sa1级：在不放大情况下观察时，表面无可见油脂和污垢，且无附着不牢的氧化皮、铁锈、油漆涂层和异物。
St2级：钢材表面没有可见油脂和污垢，没有附着不老的氧化物、铁锈或油漆涂层等附着物。
（二）超高压水射流除锈的图解机理
四、影响水射流打击剥离效应分析
射流法向（ 90°） 最大冲击力：
（1）
式中：
F—射流法向（ 90°） 最大冲击力，N；
d—喷嘴出口直径，mm；
P—射流压力，MPa。
上式反映了理论射流法向最大冲击力与射流基本参数间的定性关系，实践作用在钢材外表的剥离力比射流法向最大冲击力小。射流作用于物体外表的实际剥离冲击力不仅取决于射流基本参数，也取决于喷嘴与物体外表间的距离即靶距和喷嘴的装置角度。
对于靶距的影响，对实验数据进行数学分析可得出下列经验关系式：
式中：
L—最佳靶距，mm；
F—最大射流剥离冲击力，N；
p—射流压力，MPa；
d—喷嘴出口直径，mm。
喷嘴安装角度不同，产生的击打力和剥离力不同，也影响射流功率的发挥。试验表明，剪切剥离力要求喷嘴角度在30° ～ 60°为佳； 击打力要求喷嘴角度60° ～ 90°为佳。
水射流中增加磨料，也是提高除锈效果的有效手段。
五、超高压水射流成套设备设计方案
本设计方案是利用200 ～ 250MPa 超高压旋转水射流除锈，除锈标准达到2. 1 所示的要求，针对个别缝隙或凹陷部位的点蚀，配合手工除锈； 采用压缩空气清理滞留的水分，针对个别部位水分滞留，人工配合，已解决除锈防锈的问题； 锈渣清理利用水射流冲击到地下沉淀池进行回收。
（一）超高壓泵机体系
超高压泵组参数选择的首要任务是确定体系压力参数。超高压水射流多在250MPa 左右，这一压力可以达到除锈等级要求。根据国内外研究经验，射流流量不应该小于25L /min。然而，为防止返锈，除锈要求即除即干，流量不应超过40L /min。为保证体系能够达到预期的除锈效果，流量定为27L /min。超高压泵站体系主要由电机、超高压柱塞泵及相关的机械传动和安全装置等组成。泵站设计最基本的原则是运行安全可靠，所以必须具有双层机械安全保护和电气控制保护； 超高压泵应采用强制冷却和强制润滑，并实现对温度和压力的实时监控，确保超高压柱塞泵运行的安全可靠。体系可利用较小的气压实现超高压调节。
（二）过滤体系
运用过滤水的首要目的是为超高压柱塞泵供给有压吸入的颗粒不大于10μm 的工作介质，因为往复泵的吸入比较差，特别是对超高压大功率泵有必要以相应流量的增压来供给强行吸入以保证流体的连续泵送，避免出现流量不坚定。
为了避免超高压泵及管路中阀件的磨损和堵塞，需求输送到超高压泵的工作颗粒不大于10μm。
（三）电气控制体系
电气控制体系首要是完成对超高压泵站体系和泵水前处理装置中电气设备的控制，对体系各作业参数完成实时显现，对体系实时监控和维护以及对体系作业参数的实时调理。
（四）滞留水分清理体系
使用压缩空气清理滞留水分，压力控制在3 ～6MPa。水经过地下预留的地槽汇集到沉淀池； 部分滞留选用手工合作处理，减少除锈返锈表象的呈现。
（五）排渣体系
锈渣在水射流除锈的过程中脱落，部分滞留在车体内部的靠人工清理，全部坠落到预留地槽汇集到沉淀池，待处理。
结论
超高压水射流运用在铁路货车除锈工艺上是完全可行的，能够达到铁路货车除锈标准，工艺上相对传统的抛丸、喷砂等除锈方式更加环保，劳动强度急剧下降，工作效率更高。目前机电一体化技术比较成熟，融合国内外成功研制的爬壁机器人等技术，建立全自动流水化除锈生产工艺线完全可行。
参考文献：
[1]吴忠强. 超高压水射流技术在铁路货车除锈中的应用与研究[J]. 郑州铁路职业技术学院学报，2014，（03）.
[2]刘萍，黄扬烛. 水射流技术的现状及发展前景[J]. 煤矿机械，2009，（09）.
[3]何新民. 高压水射流技术在石化设备清洗、除锈中的应用[J]. 科技资讯，2013，（07）.