超高压水射流除锈除锈工艺的应用
超高压水射流除锈除锈工艺的应用
传统的除锈工艺是采用干喷砂甚至人工敲击,劳动强度大、环境污染严重,大规模除锈生产线希望以新技术改变这种落后工艺。作者针对铁路货车的制造与维修所要求的大规模除锈生产线,采用超高压纯水射流除锈工艺,取得了新的成果。设计采用多台250MPa压力、250kW功率的泵机组构成了不同的除锈生产线:即薄板(2.5mm以下)、整车和轮毂,除锈和除漆生产线要求所有外表面除锈达到SA2.0级,尤其底面形状复杂,不能遗漏;薄板除锈要求双面同步且即除即干;轮毂除锈则相对容易些。介绍了上述除锈工程的设计与试验,针对除锈表面形状复杂的特点,设计了不同的旋转喷头进行作业,试验证明达到了除锈质量和速度的统一。
1中国南方车辆集团为了解决长期以来货车制修造业钢质表面预处理所面临的严重污染问题,采用了笔者提出的“超高压水射流除锈成套工程设备”方案,这在中国铁路货车生产上是一次除锈工艺的技术革命。
本项目除锈目标为整车,整车代表产品为敞式车,整车尺寸为14×2.8×3m,其表面积为
300m2,要求每辆车的除锈时间为40min,除锈质量基本为Sa2.5级。
2 除锈方式2.1 传统工艺
中国铁路火车除锈的传统工艺是采用“抛
丸”工艺,即在一个密闭的空间里,不止一组离心式转轮,将气流输入的钢丸抛打在钢质表面,形成一个混沌的场,以干式喷丸方式作业。无论怎样密封抛出的钢丸和粉尘也将飞溅出来甚至到达很远的地方。长期下来,抛丸除锈就成为一种严重
的公害。另外,对于大尺寸的整车除锈来说,抛丸距离过大,造成的除锈效果也不理想。2.2 纯水射流除锈
一束从小口径射出的液体,将压力能变成了速度能,形成了凝聚的具有相当打击力的流束,在被打击材料上做功,这就是水射流,所谓“用水作业”就是将水射流的功能变成去除材料的机械能。
当人们充分认识到一束凝聚水的打击力功能的时候,不再怀疑水也能够除锈,钢质表面生锈的形貌和表面效应。
水射流做功的能力取决于其有效功率,可表
示为:
Pe=pqv/60 (1)
射流打击力:
F=πd2p (2)
式中 Pe———有效功率,kW
p———射流压力,MPaqv———体积流量,L/min
F———射流打击力,Nd———喷嘴直径,mm
由此可见,做功的能力总是与压力、流量成正比,压力和流量的乘积是水射流做功的标志。也就是说对于某一特定作业目标,必须要有一定的射流压力,在此基础上,流量越大,作业效率越高。提高压力,是保证水射流作业的能力;提高流量,是保证水射流作业的效率。然而,提高机组功率,势必造成泵造价的大幅度提高,对泵的运行可靠性要求也随之提高。
3 参数确定及成套设备方案3.1 确定试验参数
超高压大功率泵机组成本是昂贵的,设计生产线更要考虑到这一点。以往只有以船舶除锈为对象的先例,因此笔者必须以试验确定机组参数,初期的试验在200MPa、20L/min、160kW泵机组上进行。
铁路货车与船舶的相同点都是大面积清洗,不同点在于船舶近乎于一个大平面,容易进行机器人作业,对此笔者已有成功经验;而铁路货车外表面和底面形状都非常复杂,外表面的高度差在140mm,底面的高度差和复杂程度就更大。
试验针对大面积采用300mm平面清洗器,对复杂的地面采用直径40mm旋转喷头,喷嘴直径0.5mm、喷嘴个数2,平面清洗器的旋转速度调节为325～479r/min之间,靶距为90mm(纵移)和150mm(横移),除锈速度分别为2m/min、3m/min,看到的除锈效果虽有差异,大都可见基本均
匀的“白金”表面,虽然有不同程度的点状固有色斑,达到了业主对除锈质量的要求。
为了应对生产线要求,期望将清洗器横移速度提高到不低于6m/min甚至更高,以试验数据为基础,笔者确定了设计方案:泵的压力为250MPa(常用220～230MPa),流量50L/min,机组功率250kW。3.2 除锈成套设备方案
为了保证年产10000辆货车的除锈,设计了两条并列生产线
每条线用4台泵机组,两条线备用1台。4
台泵机组分别在2个工位上,2台用于内表面和底面,2台用于全部外表面,更换工位时由翻车机将货车反转90°。
为了将水射流送到需要除锈的每一个点上,采用三维工作小车,由它承载并切换平面清洗器进行大面积作业和喷枪———旋转喷头进行补喷和复杂表面作业。三维工作小车与货车平行移动,并可以实现三种运动:垂直升降1.5m用于外侧面作业;水平伸臂1.5m用于端面作业;控制平面清洗器偏转0～90°用于直角平面作业。3.2.1 平面清洗器及旋转喷头
选择适当型式的喷头,对保证除锈效率非常关键。对不同形状的除锈对象,可针对性地选择设计不同型式的喷头。对车厢侧板,使用直径350mm的平面清洗器,即可高效完成绝大部分面积的除锈;对少部分边角,可用小直径旋转喷头补喷。车厢内表面,形状较简单,以大面积平面为主,采用直径500mm平面清洗器,并可配真空抽吸回收污水系统,避免积水及水雾扩散;拐角部分,同样用小直径旋转喷头补喷。车厢底面,形状复杂,可先用直径250mm左右的小直径平面清洗器完成平面部分除锈;再用特制多孔(8孔)旋转喷头对凹槽部分除锈。
多孔旋转喷头在旋转的同时形成轴向射流和径向射流,这样就可以同时对一个三面体甚至五面体内腔进行作业,旋转接头是上述执行机构的关键,其超高压旋转密封为平面间隙形式,密封寿命不小于200h。3.2.2 超高压阀与喷枪
超高压阀是系统的机械控制机构有:(1)安全阀:泵运行过程中,因异常泵压超过额定压力的1.0～1.15倍时,安全阀就会起跳卸压,确保泵机组安全。故障排除后,安全阀复位则可以重新启用。(2)电控气动溢流阀:控制高压水射流系统在高压与常压间切换。(3)电控气动截止阀:控制高压水路的通断,该阀多台联用,即可起到换向阀的作用。
喷枪实质上是喷头与阀的组合,该阀为溢流型阀,即有两个流道(枪管),溢流管与高压管。扣紧扳机,使阀芯关闭即溢流通道关闭,流体自高压枪管至旋转喷头喷射作业,此时系统在高压工况;当松开板机、阀芯开启,流体直接从溢流流道常压溢出,非常安全。
由于是超高压作业,所有阀芯与阀座的结构、
材料、工艺都非常讲究,可靠性和灵敏度是对这些阀的共同要求。
对于非内侧作业,因不能采用真空抽吸即除即干,为防止返锈则采用喷雾系统对作业面喷淋防锈液,确保除锈后数天内钢质表面不会返锈。4 试验运行4.1 除锈试验
除锈清洗器:喷嘴个数为4个(2个直径0.6mm,2个直径0.7mm),直径300mm。
试验结果:
压力225MPa、喷头转速450r/min、除锈速度8m/min、靶距140mm,车厢侧板除锈,执行机构横移,行程5m,大面钢板和立柱平面除锈效果良好,角钢侧面不彻底,有不连续纹状
压力225MPa、喷头转速450r/min、除锈速度
6.3m/min、靶距140mm,车厢侧板除锈,执行机构横移,行程5m,大面钢板和立柱平面除锈效果良好,立柱与角钢侧面不彻底
5 结论
(1)超高压纯水射流除锈用于复杂面的铁路
货车驶完全可行的,无论是小靶距(50mm)的内侧作业,还是大靶距(150mm)的外侧作业,只要确定合理的工况参数就能满足要求;
(2)采用220～230MPa压力、50L/min流量的旋转水射流,对于整车的除锈或除漆速度为6.3m/min(即2m/min);对于双面薄板,除锈速度为3m/min。以上所述的除锈效果均可以满足涂装要求;
(3)当靶距降低至40mm以下,除锈速度可以达到8～10m/min,极大地提高除锈效率;
(4)对于平板除锈,真空抽吸可满足用水除锈不返锈的要求;对于复杂表面除锈,喷雾除锈剂可保证2天以上不返锈时间,满足涂装要求;
(5)采用4台泵组协调作业,能够满足对每辆货车除锈时间40min的要求;
(6)纯水射流除锈彻底改变了环境污染和钢丸处理的落后工艺,
