（机械工程专业论文）货车轮对辐板表面清理技术最优方案研究.pdf

中文摘要 目前随着铁路货车重载、提速的高速发展，行车安全将面临着巨大的挑战。 近2 年来，车轮辐板、轮辋崩裂故障屡有发生，给铁路运输安全造成了严重的威 胁。造成事故的一个重要原因就是车轮辐板孔处发生裂纹并逐渐延伸，最终导致 车轮崩裂。虽然铁道部提出了探伤车轮辐板的要求，但是由于在探伤前表面处理 效果不理想，直接影响了后续探伤的质量。所以研究轮对辐板清洁处理的最佳方 案，成为保证货车安全运行的重要课题。近年来对车轮辐板的表面清理技术不断 调整改进，还是达不到理想效果，对轮对辐板( 特别是对辐板孔) 的裂纹检查一直 是货车检修的弱项，也是亟待解决的一个课题。采用何种方法能在探伤前快速有 效的清除锈垢、油渍，露出轮对辐板的金属本色，成为研究的重点。 本文首先介绍了现有货车轮对辐板的清理手段，即手工处理、小型机械工具 处理、钢丝刷水冲洗除锈。分析了货车轮对辐板的检修工艺要求，即铁道部车辆 局关于检修流水线的要求，一般工业流水线的建线原则。通过分析清理现状和探 讨轮对检修流水线工艺方案和分析比较常用的表面处理技术，提出了满足货车轮 对辐板除锈工艺要求的三种除锈方式：喷丸处理技术、抛丸处理技术和湿喷砂处 理技术。并从处理效率、处理等级、覆盖率等方面说明了这三种除锈方式的可行 性。 其次通过分析这三种除锈方式的工作原理和设备要求，确定了三种轮对除锈 方式的设备参数。由于这三种设备均为消耗性设备，从设备折旧、磨料消耗、易 损件消耗、能源消耗四个方面进行了经济性比较，最终优选出最佳方案抛丸处理 技术。这里一方面是理论计算，另一方面是通过以前的实践进行归纳总结。 最后，在最优方案的基础上，设计制造了l f c x - a 型货车轮对辐板除锈机，本 文介绍了其结构特点和工作方式。按照j b t8 3 5 5 - 9 6 的要求对l f c x a 型货车轮 对辐板除锈机从弹丸循环生产率、整机生产率、表面覆盖率、除锈等级、噪声测 试五个方面进行了检验，肯定了其对工艺要求的满足性。并通过试用，进一步验 证了该除锈机极大的提高轮对检修质量和检修效率。 关键词：轮对辐板； 裂纹； 表面清理；最优方案 分类号：t h 6 1 1 1 a bs t r a c t a b s t r a c t ：a l o n gw i t ht h eg o o d sw a g o nh e a v yl o a d ，w i l lr a i s et h ef a s th i g h s p e e dd e v e l o p m e n t ，t h et r a f f i cs a f e t yi sf a c i n gt h eh u g ec h a l l e n g e i nt h er e c e n t2y e a r s ， t h ew h e e lr a d i a lp l a t ea n dt h ew h e e lf e l l o ec r a c kt h eb r e a k d o w nt os o m e t i m e so c c u r ，h a s p o s e dt h es e r i o u st h r e a ts a f e l yf o rt l l er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n c r e a t e st h ea c c i d e n ta l l i m p o r t a n tr e a s o ni st h ew h e e lr a d i a lp l a t eh o l ep l a c eh a st h ec r a c ka n de x t e n d sg r a d u a l l y , f i n a l l yc a u s e st h ew h e e lt oc r a c k a l t h o u g ht h em i n i s t r yo fr a i l w a y ss e tt h e c r a c k d e t e c t i o nw h e e lr a d i a lp l a t er e q u e s t ，b u tb e c a u s ei sn o ti d e a li nt h ec r a c kd e t e c t i o nf r o n t s u r f a c e p r o c e s s i n ge f f e c t ，h a s a f f e c t e dt h ef o l l o w i n gc r a c k d e t e c t i o n q u a l i t y d i r e c t l y t h e r e f o r et h er e s e a r c hw h e e lr a d i a lp l a t ec l e a np r o c e s s i n gp r e f e r r e dp l a n ， b e c o m e sg u a r a n t e e st h ef r e i g h tv e h i c l es a f eo p e r a t i o nt h ei m p o r t a n tt o p i c t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e dt h ew a g o nw h e e lr a d i a lp l a t ec l e a n i n gu pp r e s e n t s i t u a t i o n ，a n dt u r nt oo v e r h a u l st h ea s s e m b l yl i n ec r a f tp l a nt h r o u g ht h ea n a l y s i s c l e a n i n gu pp r e s e n ts i t u a t i o na n d t h ed i s c u s s i o n ，p r o p o s e ds a t i s f i e st h ew a g o nw h e e lt o e l i m i n a t et h er u s tt e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n tt ot h er a d i a lp l a t et h r e ek i n d st oe l i m i n a t e t h er u s tw a y n e x tt h r o u g ha n a l y z e st h e s et h r e ek i n d st oe l i m i n a t et h er u s tw a yt h ep r i n c i p l eo f w o r ka n dt h ee q u i p m e n tr e q u e s t ，h a dd e t e r m i n e dt h r e ek i n do fw h e e l st oe l i m i n a t et h e r u s tw a yt h ee q u i p m e n tp a r a m e t e r a n da m o r t i z e d ，t h eg r i n d i n gc o m p o u n dc o n s u m p t i o n ， t h ev u l n e r a b l ec o n s u m p t i o n ，t h ee n e r g yf r o mt h ee q u i p m e n tc o n s u m e sf o u ra s p e c t st o c a r r yo nt h ee f f i c i e n tc o m p a r i s o n ，f i n a l l yo p t i m a lp r e f e r r e dp l a n o nt h e o n eh a n dh e r ei s t h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n , o nt h eo t h e rh a n di sc a r r i e so nt h ei n d u c t i o ns u m m a r y t h r o u g hb e f o r e h a n dp r a c t i c e 。 f i n a l l y , i nt h es y n e r g yf o u n d a t i o n ，t h ed e s i g nh a sm a d e t h el f c x aw a g o nw h e e l r a d i a lp l a t es c r a p i n gm a c h i n e ，a n dd e f e r r e dt ot h ej b t8 35 5 9 6r e q u e s tf r o mt h e p r o j e c t i l ec i r c u l a t i o np r o d u c t i v i t y , t h ec o m p l e t em a c h i n ep r o d u c t i v i t y , t h es u p e r f i c i a l c o v e r a g ef r a c t i o n ，e l i m i n a t e st h er u s tr a n k ，t h es u p e r f i c i a lc l e a n l i n e s s ，t h en o i s e t e s t ss i x a s p e c t st oc a r r yo nt h ee x a m i n a t i o n ，d e f i n i t e l y i th a ss a t i s f i e dt ot h et e c h n o l o g i c a l r e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：w h e e lr a d i a lp l a t e ；c r a c k ；s u r f a c ec l e a n i n gu p ；s y n e r g y c l a s s n o ：t h ：6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：0 j 劬蜗 导师签名： 瓣龟 签字日期：知夕年多月妒日签字同期：y x 年6 月n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：o 国 签字同期：矗弼年多月妒日 4 2 致谢 本论文的工作是在我的导师宋雷鸣教授的悉心指导下完成的，宋雷鸣教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 宋雷鸣教授对我的关心和指导。 宋雷鸣教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向宋雷鸣教授表示衷心的谢意。 宋雷鸣教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，于子良、金锋等同学对我论文中的金属表面 处理研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人和单位同事，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 序 在铁路高速重载的发展过程中，车轮辐板裂纹给铁路运输安全造成了极大威 胁，如何提高车轮检修质量，一直是车辆部门的关注重点。随着轮对辐板探伤机 的广泛使用，对辐板的表面清洁度提出了更高要求。近年来虽然轮对辐板表面处 理技术在不断改进，但仍达不到理想效果。对轮对辐板( 特别是对辐板孔) 的裂 纹检查一直是货车检修的弱项，也是亟待解决的一个课题。采用何种方法能在探 伤前快速有效的清除锈垢、油渍，露出轮对辐板的金属本色，成为研究的重点。 2 0 0 5 年底，北京二七车辆厂成立以胡俊青为核心的课题组研制专用的货车轮 对辐板除锈机，在研制过程中对多种表面清理技术进行了研究比较，最终优选出 抛丸清理技术，并设计制造了l f c x a 型货车轮对辐板抛丸除锈机。 本文首先介绍了货车轮对辐板的清理现状，探讨了轮对检修流水线工艺方案， 提出了满足货车轮对辐板除锈工艺要求的三种除锈方式。其次通过分析了这三种 除锈方式的工作原理和设备要求，确定了三种轮对除锈方式的设备参数。并从设 备折旧、磨料消耗、易损件消耗、能源消耗四个方面进行了经济性比较，最终优 选出抛丸处理方案。最后研制了抛丸除锈机，介绍了研制成果及试验效果。 在货车轮对辐板抛丸除锈机方案比较和研制过程中，得到了宋雷鸣教授和郭 宝成工程师的大力支持，在此表示衷心的感谢。在论文的撰写过程中，参考了许 多参考资料及有关文献，在此对有关作者、编者( 单位) 致以谢忱。 1 引言 随着铁路高速、重载的不断发展，在提高运输能力和运输效率的同时，对运 输安全也提出了更高的要求。但是近2 年来，车辆运行过程中车轮辐板、轮辋崩 裂故障屡有发生。尤其是辐板裂纹，给铁路运输安全造成了严重的威胁。 目前，在铁路货物运输车辆中使用的车轮，有8 5 左右的车轮是h d 型整体辗钢 车轮；在这些车轮中，1 9 9 5 年6 月以前生产的车轮全部都有辐板孔，1 9 9 5 年6 月以 后生产的车轮仍有部分有辐板孔。车轮在制造过程中，有的辐板孔圆周上常存在裂 纹，在使用过程中，由于车轮受到来自车体、钢轨和制动等各种载荷，特别是在制动 过程中，产生的热拉应力与机械应力叠加，导致车轮辐板孔裂纹的萌生和扩展。 据不完全统计，轮对辐板裂纹( 含辐板孔裂纹) 数占轮对总数的3 0 左右。轮 径越小的轮对辐板及辐板孔裂纹越多，并且裂纹越深越长。辗钢轮辐板裂纹( 含辐 板孔裂纹) 占辗钢轮对的3 3 2 1 ，占辗钢轮辐板故障的8 5 以上。大部分裂纹为辐 板孔两端沿圆周方向的裂纹，少数为辐板孔上下径向裂纹，辐板孔裂纹占辐板裂纹 轮对数量的9 0 以上；铸钢轮辐板裂纹占铸钢轮对的0 2 左右，其裂纹位置在辐板 与轮辋的过渡处，呈圆周方向。从轮径限度上看，辗钢轮径接近或达到下限的轮对 占辗钢轮对的5 左右，其中8 0 以上为辐板孔裂纹，而且裂纹较深较长；铸钢轮径 接近或达到下限的轮对占铸钢轮对的4 左右( 从现在车轮的实际调查情况来看， 铸钢轮对接近或达到下限的很少) ，接近或达到下限的轮对辐板裂纹占接近或达到 下限铸钢轮对总数的5 2 8 ，其裂纹位置在辐板与轮辋过渡处。从以上统计看出， 货车轮对辐板故障主要集中在辗钢轮辐板裂纹( 含辐板孔裂纹) ，达到轮对辐板故 障总数的7 2 。 虽然车辆部门对厂修、段修中的车轮裂纹处理做出明确规定。铁道部铁辆 1 9 9 2 3 0 号文件关于重新公布 的通知中规定：轮毂、轮 辋、辐板裂纹须送车轮厂修理。段修规程中规定：段修无权处理辐板裂纹，必须 送车轮厂修理。铁道部铁辆 1 9 9 3 4 号文件关于 的通知中 规定：辗钢车轮辐板、轮毂、轮辋裂纹无法消除或在原有铲槽处及两端再发生裂 纹时必须更换车轮。铁道部铁辆 1 9 9 8 2 号文件关于发布 的通知中规定：厂修、段修时，车轮辐板、轮毂、轮辋 裂纹无法消除或在原有铲槽处及两端再发生裂纹者必须更换车轮。但只有少数的 车辆段拥有轮辋探伤机，大多数车辆检修部门基本上依靠锤击辨音、目测外观对 车轮辐板、轮辋进行检测。因此，对车轮辐板故障的发现率较低，对于隐蔽性裂 纹几乎无法发现。 早期发现车轮的裂纹和消除裂纹才是避免铁路车辆行车事故的有效的方法。 针对以上情况，铁道部在铁路货车轮轴组装检修及管理规则中要求：“轮对厂 修、段修时须清除各部位表面的油漆及锈垢”，“对带辐板孔车轮的内侧辐板 孔部位施行复合磁化荧光磁粉探伤。各车辆厂、段虽然购进了轮辋探伤机， 但是由于轮对成型锻造氧化皮、运用过程中生成的铁锈及油漆覆盖轮片母体，通 过现有轮对清洗表面清理技术难以清除，工作人员难以进行有效的检测。同时轮 对成型锻造辐板孔处氧化皮开裂等形成诸多假裂纹，极易使工作人员误判。 近年来对车轮辐板的表面清理技术不断调整改进，还是达不到理想效果。对 轮对辐板( 特别是对辐板孔) 的裂纹检查一直是货车检修的弱项，也是亟待解决 的一个课题。采用何种方法能在探伤前快速有效的清除锈垢、油渍，露出轮对辐 板的金属本色，成为本文研究的重点。 本论文研究的重点就在于检修货车轮对辐板时如何能够快速、有效、经济的 清除锈垢、油渍，露出轮对辐板的金属本色，从而准确的发现裂纹。 研究主要内容如下： 首先详细分析了货车轮对辐板的清理现状和工艺要求；介绍了常用的表面处 理技术，通过对它们特点进行分析，提出满足轮对辐板检修的设备和工艺。 其次通过从清理效果、清理效率、能源消耗、环境影响和经济性五个方面， 对钢刷清洗、喷丸、抛丸等多种技术方案进行了比较，最终优选出抛丸处理为最 佳方案。这里一方面是理论计算，另一方面是通过对以前的实践进行总结。 最后，根据抛丸设备国家标准，对轮对辐板抛丸除锈机进行了试验，从抛丸 处理工艺参数的选择上做了进一步的优化，使轮对辐板抛丸清理机处于最优状态。 并通过试用进一步检验抛丸设备清理轮对辐板的可行性。 2 2 货车轮对辐板的清理现状和工艺要求 2 1 货车轮对辐板清理现状 2 1 1手工处理 多年来对货车轮对辐板的表面清理技术主要以手工和半自动小型机械工具为 主。 手工对货车轮对辐板进行除锈通常需要先行除去表面各种可见污物，用溶剂或 清洗剂除油；然后用钨钢铲刀铲去大面积锈蚀，用刮刀和钢丝刷除去边角部位锈 蚀，用挫除去毛刺；最后用砂布和钢丝刷进行清理。 手工除锈方法简便，但劳动强度大，除锈效率和质量低下，操作环境恶劣， 一般只能除去疏松的铁锈和失效旧涂层，也不能除去所有的氧化皮。所以对于货 车轮对辐板，仅用于机械除锈达不到的局部部位除锈。 2 1 2小型机械工具处理 小型机械工具主要指用电或高压空气( 0 4 o 6 m p a ) 为动力的小型电动或 风动除锈工具。 小型机械工具除锈效率较手工除锈大大提高，是手工除锈效率的4 - - - , 6 倍， 但比喷、抛丸( 砂) 除锈效率低得多。这种小型机械工具，适用于清除不同的锈 迹、旧涂层等，可用于各种场合。但该方法属于人工操作的半机械化作业，设备 噪声大，对人员和环境污染大，经过处理的表面粗糙度不均匀。 对于轮对辐板处理，常见的小型工具有：角向磨光机和钢丝刷。 角向磨光机工作原理是依靠动力马达高速旋转或往复运动带动打磨砂轮、砂 纸、纸砂盘磨削或打击需要涂装的表面，达到清除铁锈及其他杂物的目的。除锈 速度为4 , - - 一8 m 2 h 。这种小型工具只适合人工操作进行除锈作业。 圆盘形钢丝刷是将钢丝以同心辐射形排列，两侧用金属夹板紧固，固定在风 动或电动机的轴上。主要用于小面积和坑洼表面除锈，除锈质量不如角向磨光机， 但可除去凹陷处的锈蚀和污物。 使用这两种工具除锈时，由于工具高速运动，磨屑飞溅和钢丝脱落，存在损 伤操作者和周围物品的危险，所以操作时还需要采取必要的防护措施。 2 1 3钢丝刷水冲洗除锈机 随着铁路工艺装备技术的不断发展，逐渐形成了以钢丝刷水冲洗为代表的自 动化清理技术，设备主要结构如图2 1 所示。 一一”啦一 。， ，瘁 9 一 ；俨飘l ，熵 1 、 i 建 b 裕1 j 巾 一 盯| t r 。 铲 f ，形衫衫| 。裂留=兰氍柏广、f f ，乡1l 而li i ，l 一黜；o ，必夕 图2 一l 钢丝刷清理货车轮对辐极示意图 这种清理设备以液压或电气为动力，带动钢丝刷做上下和左右往复运动对轴 身全部及辐板内外侧面进行除锈、清洗。在控制上采用p l c 可编程控制器，实现 除锈、清洗过程自动进行。除锈速度可以达到6 分钟轮，在一定程度上提高了效 率，减少了操作人员的劳动强度。 在这种设备广泛使用的同时，其缺点也逐步暴露出来。我厂虽然对其进行了 几次设备改造，但仍达不到理想的效果。问题主要突出在以下几个方面： 2 1 3 1 除锈不完全 由于钢丝刷与动力源为刚性连接，使得其运动轨迹只能为上下和左右往复运 动。这种规则运动不能适应辐板的曲面形状，决定了在清理过程中总是有恒定的 死角，从图2 - 1 可以看出死角面积范围较大，主要包括辐板孔及其周边范围。用 这种方式处理的轮对，虽然在一定程度上提高了辐板的清洁度，但不能露出金属 本色，影响了探伤质量，不能满足彻底探伤货车轮对辐板的需要。 4 2 1 3 2 耗材成本高 钢丝刷作为除锈的直接工具，其使用性能直接影响着除锈效果。在使用中随 着刷子上钢丝的减少，除锈效果和效率也会下降。虽然钢丝刷的使用寿命和刷面 的运动速度以及水流的大小和分布状态有关，但主要因素还是其自身的性能。其 中决定刷子性能的因素有： 1 )材料性能，如碳钢钢丝刷、合金钢丝刷、包铜钢丝的钢丝刷； 2 )丝材的形状，如直丝、波浪形丝、绞合形丝等； 3 )丝材的直径； 4 ) 丝材的长短； 5 ) 丝材的排布编制的疏密。 经实际应用，质量好的钢丝轮使用时间内一直保持良好的状念，但价格较贵。 有些产品价格只有进口产品的1 3 0 ，但使用3 m i n 后就开始掉丝，并且脱落的数量 较大，使用这样的钢丝轮每天均需更换新的。 2 1 3 3 与流水作业节拍不统一 随着铁路跨越式发展的逐步深入，新技术装备的不断引进，实现货车修理流 水作业势在必行。经调查各车辆厂和车辆段的工艺布局，该设备通常安放在转向 架清洗机和烘干机之后的线路上。清沈机清洗单台转向架需6 m i n ，而钢丝刷水冲 洗除锈机处理2 条轮对需要1 2 m i n ，已不能满足生产的需要。 以我厂为例，每天检修车辆为2 0 辆，需处理轮对4 0 条。就该工序一项来看， 在设备完好无故障的状态下，处理完所有轮对需要整整8 小时。钢丝刷为易损件， 需要经常更换，如果再加上设备检修保养时间，势必导致整条检修线瘫痪。 2 1 3 4 废水成分复杂不易处理 由于轮对辐板上不仅有锈层，还存在油污、旧涂层等杂物，所以经过处理后， 脱落物在水中处于悬浮、胶体和溶解3 种形态。悬浮物易处理，而胶体和溶解物 则较难处理。 悬浮物只需通过沉淀、过滤等与水分离，而胶体和溶解物则必须利用特殊的 物质使之凝聚或通过化学反应使其粒径增大到悬浮物的程度，或利用微生物或特 殊的膜等将其分解或分离。 特别对于这种含油废水，需要首先做静置上浮试验分离浮油，再进行分离乳 化油的试验，过程复杂，成本较高。 从货车轮对辐板的处理现状来看，这些方式已不能适应高速发展的铁路技术 需要，寻求新的轮对辐板除锈方式，十分必要。 2 2 货车轮对辐板清理的工艺要求 根据多年检修经验和裂纹的分布统计，我们把货车轮对辐板部位的清理作为 研究的重点，辐板清理部位的范围如图2 2 的粗线部位所示： c q 。 c o e l c j 、o c 、 1353 2 1623 图2 2 货车轮对辐板重点清理部位 在明确了货车轮对辐板清理机使用目的的情况下，为了使其最大限度的发挥 作用，有必要首先介绍一下轮对检修线的主要工艺流程及岗位设置情况。由于铁 道部车辆局于1 9 9 6 年提出了改造和完善轮对、转向架、轴承、三通阀、钩缓、制 动梁、轴瓦及白合金浇铸等七条检修标准线的要求，所以轮对检修的主要工艺流 程和工装设备在全路各车辆厂、段基本一致，如图2 - 3 所示。 在工艺路线明确的前提下，按工艺流程顺序布置工装设备，才能保证执行工 艺的准确性。同时工作物、工作者、工装设备紧密结合，才能便于作业，保证行 为的科学性。我厂的轮对检修线经过多年的使用和不断改进完善，极大的将三者 结合起来，非常有利于操作者操作。以我厂为例，轮对检修工艺平面布置图如图 2 4 所示。 6 对收入检 承退 救 对探 检测有故障者 承外观检 器检 轮加 路 检测修理与选配 检测无故障者 除锈 轴承压装 轮对探伤 图2 3 轮对检修主要j 二艺流程及岗位设置图 图2 - 4 轮对检修工艺平面布置图 7 面 釉承关釜 轮加 承磨 轴 轴承磨合试验 向遴除 承匝装 润滑 配轴承及后挡 防尘根磨测量 轮对与轴承同温 端蟓拴孔检“轴径防尘饭座 轮对超声波 釉磁粉探伤 轮对除锈 卸轴 轴承编号 退卸轴承轮对 懈憎恪l 粥圳卧驯引引型淞 轴承关盏 声波探伤 轴承开 车轴磁粉探 轴承端盖除锈 轮对除 不逗卸轴承 瑞标志板确 轮对收入记录 端标志板确 轮对牧入记录收入检测 不退卸轴承轮对 货车轮对辐板清理机处在图2 4 所示的整条流水作业线中，为了满足流水作业 的要求，我们应从流水作业的性质入手，确定工艺要求。而流水作业的性质也就 决定了每个工位在设计中需要考虑的问题。 2 2 1节拍要求 在流水作业中，工作物通过一工序的最长时间( 即节拍) 决定着流水线的生 产能力。节拍过长会造成资源浪费，过短则易造成简化作业。如果不调整好各工 位的节拍，工位不平衡的问题会暴露的很清楚。节拍的计算公式如式( 2 1 ) ： 式中：t 一节排； n - 工作物数量； t 一每日工作时间； k - y 位的利用率系数 t t = n ok ( 2 一1 ) 从图2 4 中可以看出，轮对从收入检查开始到超声波探伤结束，这段流程中工 装设备比较密集，工作量大，是轮对检修线的关键，因此决定着轮对检修线的通 过能力。 如果日检修2 0 台车，需处理的轮对为8 0 条，每日工作8 小时，检修台位利 用率按1 5 ，根据式( 2 1 ) 可计算出节拍长度 t = 8 6 0 ( 8 0 1 5 ) = 4 m i n 即，轮对通过每个工位的最长时间为4m i n 。即，货车轮对辐板清理机对每条 轮对的清理时间应等于或小于4m i n 。 2 2 2除锈等级要求 货车轮对辐板的表面除锈等级是保证辐板探伤质量的前提。通常表面处理质 量越高，越能保证探伤的质量，但过高的要求也会造成极大的浪费。在g b 8 9 2 3 8 8 涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级中对喷射或抛射除锈、手工和动力工具 除锈的表面清洁度规定了相应的除锈等级，分别以字母s a 、s t 表示，字母后的阿 拉伯数字则表示清除氧化皮、铁锈等附着物的程度等级。下面首先介绍标准中规 定的除锈等级，以便于我们选择有利于轮对辐板探伤的除锈等级。 s a l 一轻度的喷射或抛射除锈。钢材表面应无可见的油脂和污垢，并且没有附 着不牢的氧化皮、铁锈和涂层等附着物。 s a 2 一彻底的喷射或抛射除锈。钢材表面应无可见的油脂和污垢，并且氧化皮、 铁锈和涂层等附着物已基本清除，其残留物应是牢固附着的。 s a 2 5 一非常彻底的喷射或抛射除锈。钢材表面应无可见的油脂、污垢、氧化 皮、铁锈和涂层等附着物，任何残留的痕迹应仅是点状或条纹状的轻微色斑。 s a 3 一使钢材表观洁净的喷射或抛射除锈。钢材表面应无可见的油脂、污垢、 氧化皮、铁锈和涂层等附着物，其表面应显示均匀的金属光泽。 s t 2 - 彻底的手工和动力工具除锈。钢材表面应无可见的油脂和污垢，并且没 有附着不牢的氧化皮、铁锈和涂层等附着物。 s t 3 - 非常彻底的手工和动力工具除锈。钢材表面应无可见的油脂和污垢，并 且没有附着不牢的氧化皮、铁锈和涂层等附着物。除锈应比s t 2 更彻底，底材显 露部分的表面应具有金属光泽。 从以上定义可以看出，如果要消除轮对辐板上的氧化皮、铁锈等杂物，除锈 等级至少要达到s a 2 。参考钩舌、钩尾框、钩舌吊、钩尾吊的除锈等级：外表面清 洁度应达到g b 8 9 2 3 的s a 2 级，局部不低于s a l 级。将货车轮对辐板的除锈等级定 为s a 2 ，完全能满足探伤的表面质量要求。 2 2 3工位型式要求 利用轮对沿轨道滚动的特性，在各工序作业中进行转移传递，是一种非常经 济的方式。轮对在各工序中均未脱离轨道，如果在除锈工序使用起重设备，易造 成人、财、物、时的浪费。所以轮对除锈机应尽可能选用通过式。即，退卸轴承 或检查轴承外观后，轮对沿轨道进入轮对除锈机，除锈处理结束后，轮对再沿轨 道进入探伤工序。 由于此流水线上布局工位较多，应合理布局每个工位占用的空间，此外应合 理设置工位形式，避免工位间互相干扰。经测算除锈工位的长度不应超过5 m ，应 将此工位设置成只能容纳一条轮对处理的小型密闭空间。 9 2 3 本章小结 本章介绍了现在各车辆厂、段应用的轮对除锈方式，分析了这三种除锈方式 的优缺点。 并针对轮对检修流水线整体工艺要求，对货车轮对辐板清理机提出以下要求， 为下面选择适合于流水线上的轮对除锈方式作出准备。 1 ) 清理效率应等于或大于4 m i n ； 2 ) 轮对除锈机的长度不宜超过5 m ； 3 ) 应尽可能选用通过式的作业方式。 l o 3 适用于轮对辐板的表面处理技术 暴露于大气、水中和地下装置中的无防护金属工件，由于存在氧和水及其他 腐蚀介质，会引起金属的腐蚀，金属腐蚀的产物包括锈和氧化皮。在工业发达的 国家，每年因腐蚀所造成的直接经济损失约占国民生产总值的1 - - - 4 。据统计， 全世界因钢铁生锈而造成的钢铁损失约占其年产量的1 0 - - - , 2 0 。因此，金属除锈工 作是一项世界性的研究工作。把清除工件表面锈蚀和氧化皮的工序称之为除锈。 除手工、小型机械、钢丝刷水冲洗除锈方式外，常用的除锈方法有喷( 抛) 丸( 砂) 、 湿喷砂、酸洗、以及电化学和火焰等除锈方法。其特性比较见表3 1 。 表3 - 1 各种除锈方式特性比较 除锈处理 方式 工艺特点优点缺点 质量 利用抛丸设备高 速旋转的叶轮将除锈彻底，处理效 抛丸对环境有污染优 磨料抛向工件表率高，磨料可回收， 面 用适当压力的压 缩空气，使磨料 除锈彻底，处理效 喷砂对环境有污染优 以高速冲击零件率高，磨料可回收 表面 在水射流中均匀除锈彻底，处理效 处理后表面易返 湿喷加入磨料，利用率高，对环境污染 锈，通常需添加缓优 砂射流的打击力作小，可在高湿条件 蚀剂，磨料易结块 用于零件表面 下施工 除锈彻底，适用于 利用酸溶液与氧 各种零部件，价格 酸雾和废水造成环 酸洗化物反应，除掉 较低 境污染，工件易返较差 金属表面锈蚀锈 表3 - 1 续 除锈 工艺特点优点缺点 处理 方式质量 电解在金属表面 电化 产生氧气或氢气设备简单，价格较 后，利用气体的低，适用于各种零工件易发生氢脆，较差 学 机械剥离作用除部件 锈 利用氧化皮与钢 设备简单、成本底， 铁基体的膨胀率易造成工件变形， 差 火焰能在一般条件下施 使中、高碳钢淬硬不同，在高温下 工 发生开裂脱除 轮对辐板除锈的目的是去除钢铁表面的所有氧化皮、锈蚀物、旧涂层和污物， 为进一步探伤辐板提供良好的基础，同时能够优化表面工艺状态，增加表面对塑 性变形和断裂的抵抗能力，提高抗疲劳性能，消除应力集中，延长轮对使用寿命， 降低修车成本。针对以上除锈目的，并根据第二章提出的要求，选择喷丸、抛丸、 湿喷砂三种表面处理方法作为研究对象。这三种除锈的方法有共同的优势，由于原 理不同又有各自的设备特点，下面将说明为何选择这三种除锈方法作为研究对象， 并逐一介绍这三种除锈技术。 在介绍之前，我们应先明确一些概念，理解这些概念将为我们下一步分分析 带来方便。 丸：一般是球形一类没有棱角的颗粒。如铸钢丸、钢丝切丸等。 砂：是指有棱角的砂粒，如棕刚玉、白刚玉、河砂等。 喷：是以压缩空气作为动力将砂料或丸料喷到材料表面，达到清理材料表面 和在材料表面形成一定的粗糙度的目的。 抛：是将丸料以高速旋转时产生的离心力的方法，冲击材料表面，达到清理 材料表面和在材料表面形成一定的粗糙度的目的。 3 1 选择依据 3 1 1可适用于流水作业方式 1 2 高效率、低故障、工序间互不干涉是流水作业的必备条件。喷丸、抛丸、湿 喷砂三种表面处理方法正可以满足这样的要求。 依据实际使用经验，喷丸的除锈效率可达到1 5 m 2 h ，湿喷砂可达1 5 m 2 h 以上， 抛丸可达8 0m 2 h 。用4 台抛丸器或4 个喷头对直径8 0 0 的轮对进行处理，假如 所有的丸砂都撞击轮对辐板表面，则喷丸处理需要2m i n ，湿喷砂处理最多需要 2 m i n 抛丸处理只需要0 3 7m i n 。三者都远远高于钢丝刷水冲洗的效率，也满足对 轮对辐板除锈机的工艺要求，即处理一条轮对不超过4 m i n 。 发展到今，喷抛丸技术已经有一个多世纪的历史，技术成熟，故障率极低， 而且操作简单。可靠的性能为流水作业提供了保障，避免应个别工序问题导致整 条流水线的瘫痪。 从轮对检修线工艺布局图可以看出，在这条检修线上设备密集，操作人员众 多，较小的空间内宜选用体积较小的设备。无论是喷丸还是抛丸，均可在只容纳 一条轮对的密闭清理室进行，再配以通风除尘系统，可完全避免对周围环境的污 染。随着自动化技术的发展，对于喷丸来讲，也无需手持喷枪进行处理，完全可 以在小型喷丸室内实现喷枪的自动摆动，为全自动操作建立了基础。 3 1 2可消除锈蚀死角 无论砂还是丸我们统称其为磨料，它们都是具有一定质量的合金粒子，当它们 以一定的速度撞击轮对辐板时，在碰撞过程中所产生的力为式( 3 1 ) ： f = ( m v l m v o ) ( t l t o ) 式中：m 磨料质量； 、，o 磨料的初速度； v 1 磨料接触轮对辐面时的速度； t o 作用的起始时间； t 1 作用的结束时间 ( 3 - 1 ) 即单位时间磨料动量的变化。这个力作用在轮对辐板金属表面的氧化层、铁 锈、油漆上，使其与轮对辐板金属表面分离，显出金属表面本身。由于磨料在与轮对 辐板的碰撞中，轮对的质量远远大于磨料的质量，所以，磨料与轮对辐板作用后，以接 触后的速度弹出，又作用于轮对辐板的另一部分。这样，一个磨料质点作用于轮对辐 板的次数远大于1 。 磨料作用于轮对辐板是一个点，这个点对于轮对辐板来说是微不足道，但是，从 概率的角度和喷抛丸速度来分析，每0 0 1 秒抛射出的磨料数与轮对辐板接触面积占 辐板面积的1 5 0 - 一1 1 0 0 的话，则每分钟在抛射角度内磨料与轮对辐板的接触面积 必然全部覆盖辐板。当轮对以1r m i n 的转速旋转，其表面覆盖率可达1 0 0 。磨 料与轮对辐板的接触是点的集合，既点面关系，由磨料抛射的无规则性和抛射数量 的不可数性，使接触点的面积趋于轮对辐板表面积，点的碰撞趋于面的碰撞，随钢丸 抛出时问的延长，碰撞面积可全部覆盖。 货车轮对辐板曲面形状复杂，那么遮挡面如何解决? 在前面讲到，由于磨料与轮 对辐板的各个部分都接触( 尽管反弹后的力有所减弱，但仍然能在碰撞中起到作用) 。 为补偿磨料反弹力的减弱和反弹质点接触面的减少，在作用时间上进行调整，即增 加轮对的旋转次数，最终使得轮对辐板表面的氧化物( 铁锈) 、污垢及油漆经碰撞而 与金属表面分离，达到轮对辐板表面清理的目的。 3 1 3 可强化轮对辐板表面性能 疲劳试验结果表明，平均压应力能改善零件的抗疲劳能力，抑制或减缓疲劳 裂纹的形成和扩展；平均拉应力则具有相反的效果。凡是能在表层引入残余压应 力的，都能起到提高疲劳强度的作用。 喷、抛正是这样一种使材料表层产生压应力，提高零件疲劳强度的工艺。如 图3 一l 所示，喷抛丸时钢丸以高速撞击零件表面，当抛射到工件表面的速度达到 l o o m s 时，可引起均匀的压痕，金属产生永久变形。此时零件表层获得的压力和 张力的区域分布如图3 2 所示。 图3 1丸料摩擦撞击零件表面 1 4 图3 - 2 零件上层压应力和拉应力分布图 两种力量平衡使金属内部产生压缩力。在零件上层，这种压力是从切线方向 和垂直方向作用于零件表面；而在零件下层，这种张力导致永久性的变形，比压 力导致的变形小。在不断强化时，表面张力被减弱，即产生了残余压应力，降低 了零件受载荷时的最大拉应力，提高了零件的寿命。从图3 3 可以看出，在外加应 力相同的情况下，经过喷抛丸处理的零件，疲劳寿命有了显著的提高。 应力交变次数 图3 - 3 喷抛丸对疲劳性能的影响 经过以上分析可以看出，喷丸、抛丸、湿喷砂三种表面处理方法基本满足了 货车轮对辐板除锈机的工艺要求。下面分别介绍这三种技术各自的特点，以便进 行比较。 3 2 喷砂( 丸) 处理 3 2 1喷砂( 丸) 的工作原理 喷砂和喷丸的原理基本相同，它们用适当压力的压缩空气，使砂粒或钢丸以 每秒几十米的高速，冲击钢铁表面的氧化皮和铁锈层，从而使钢铁表面的氧化皮 和铁锈层被快速清除。 当压缩空气的工作压力达到0 4 - 0 5 m p a ，喷射器喷出的砂粒或钢丸的最高速 度可达5 0 - - 一，7 0 m s 。当连续不断的砂粒或钢丸以这样高的速度喷射在钢铁表面上 时，其冲击力和摩擦力是非常大的，依靠冲击、磨削等作用除锈。 3 2 2设备要求及轮对辐板喷丸机的主要设备配置 喷砂( 丸) 除锈系统由压缩空气及配气罐、喷砂( 丸) 罐、喷枪、铁丸回收 装置、通风除尘等设备组成。如图3 4 所示，显示了喷丸系统的设备装置。 图3 4喷砂( 丸) 除锈系统示意图 1 压缩机；2 油水分离器；3 空气过滤器；4 喷丸机；5 喷丸室； 6 除尘设备；7 集丸坑；8 丸粒回收装置；9 风机 在这些设备中，压缩机、油水分离器、空气过滤器、喷丸机、喷丸室、除尘 设备、丸粒回收装置、风机基本只需投入一次费用，维修或更换的费用也可忽略 不计。而喷砂( 丸) 枪属于易损件，需要经常更换，下面重点介绍喷砂( 丸) 枪 的使用寿命情况。 喷砂( 丸) 枪由枪体、喷嘴、砂管等组成，其中喷嘴的使用寿命最短。喷嘴 1 6 的使用寿命，就是指喷嘴使用一定时间后，喷嘴口径呈喇叭形扩大或一侧出现磨 损减薄的沟槽，造成射流扩散，降低磨削能力和喷射效率降低。喷嘴的使用寿命 取决于喷嘴的材料，还与所喷射的磨料有关。表3 2 列出了不同材质喷嘴的使用寿 命。 表3 2不同材质喷嘴的使用寿命 材质使用寿命h 无缝钢管 6 1 2 白口铸铁 8 1 2 低铬耐磨铸铁 1 6 3 6 一般陶瓷 1 0 3 6 钨钢 5 0 0 碳化硼 7 0 0 1 0 0 0 新型三氧化二铝纳米陶瓷 9 0 0 1 5 0 0 新型二氧化锆纳米陶瓷 8 0 0 1 5 0 0 根据喷丸原理及喷丸装置的设备要求，设计的轮对辐板喷丸机结构简图如图 3 5 所示。 轮对通过进轮机构推进喷砂房，砂房内定位机构对轮对进行定位，轮对旋转 系统驱动轮对旋转，关闭喷丸室门，喷丸系统自动对轮辐及车轴进行喷丸处理。喷 射出的磨料在高压离心风机的作用下经磨料回收管道到达储料箱顶部的尘丸分离 器，经分离，有用的磨料进入储料储存备用，无用的粉尘经过除尘后经排尘口排 出。同时，喷丸时产生的粉尘在离心机( 与磨料回收系统共用一个风机) 的作用 下经过除尘后经排尘口排出，干净的空气排入大气。 经计算得出主要设备参数见表3 3 ，一般车辆检修部门输出的压缩空气在5 6 m p a 之间。由于使用压缩空气的车间较多，且压缩机距离车间较远，车间输出的 空气压力只能达到3 - 4 m p a 。要想达到工艺要求的除锈质量标准，在喷丸和湿喷 砂处理设备中必须增加空压机一项。空气压力0 7 m p a ，功率1 5 0 k w 左右的螺杆压 缩机价格均在2 0 万元以上，由此大大的增加了喷丸和湿喷砂轮对除锈机的成本。 1 7 图3 - 5 货车轮对辐板抛丸除锈机结构示意图 l 一除尘器；2 一除尘风管；3 一旋风分离器；4 一加料阀；5 一回砂管道； 6 一喷砂机；7 一除尘管道；8 一喷砂嘴及其摆动装置；9 一清理室； 1 0 一轮对转动器；1 1 一排风口；1 2 - 消音器； 1 3 - 隔音室；1 4 一除尘风机 表3 3轮对辐板喷丸除锈机主要设备参数 设备名称数量参数 碳化硼喷嘴 4 直径8 ：耗气量4 1 2 m 3 m i n 喷丸机 2 容积6 5 0 k g ；功率5 5 k w 空压机 1 空气压力0 7 m p a ：功率1 3 2 k w 除尘器 1 风量3 0 0 0 m 3 h ；功率2 2 k w 转轮器 1 轮对转速2 ，一- - l o r m i n ，功率2 2k w 1 8 经过计算，喷丸除锈机的造价在3 7 万元左右，总功率为1 4 7 4k w 。 3 3 抛砂( 丸) 处理 抛射磨料处理除锈，也称为抛丸除锈， 磨料( 砂、丸、钢丝段等) 抛向钢铁表面， 3 3 1抛丸除锈的工作原理 是利用抛丸设备高速旋转的叶轮来将 产生打击和磨削作用来达到除锈目的。 常用的抛丸机是由叶轮、罩套、定向套、分丸轮、轴承座和电机等组成。图 3 - 6 表示常用抛丸叶轮的作用原理。 抛丸机工作时，叶轮由电动机带动做高速旋转( 2 2 0 0 - - 2 6 0 0 r m i n ) ，产生强大 的离心力。铁丸在离心力和自重的作用下，经漏斗被吸入分丸轮，同叶轮一起高 速旋转的分丸轮产生离心力，从定向套的出口处飞出。定向套是用螺栓和压板固 定在机壳上的，它的内径与分丸轮的外径有一定的间隙。从定向套出口向外飞出 的铁丸，被叶轮再次加速，沿叶片长度方向加速运动直至6 0 - - 一8 0 m s 的速度抛出。 抛出的铁丸成扇形流速，打击在工件表面以除去氧化皮和锈蚀。 图3 - 6抛丸机工作原理 a 铁丸射流扇形角度； 1 3 定向套出口与铁丸离开叶轮的夹角； b 清理宽度 【广抛头与工件的距离 1 9 厘歹 3 3 2设备要求及轮对辐板抛丸机的主要设备