新型鋼模板打磨除銹設備的研制與應用

楊帥

（德州市水利局,山東 德州 253000）

1 引言

近幾年來，隨著水利事業高質量發展，工程建設中鋼模板使用量增長迅速。模板工程已成為重要的分部工程，決定著混凝土結構的外觀質量，制約著施工進度，進而影響工程成本。查閱相關資料可知，模板工程在混凝土結構的費用占比約20%～30%，工程量占總工程量的30%～40%，工期占總工期的50%左右[1，2]。在大中型水利建設項目中，模板工程的造價在鋼筋混凝土結構總成本中的占比為15%～30%，勞動用工占混凝土工程總用工的28%～45%，模板工程占用時間成本更高[3]。如何減少模板工程的時間成本已在本行業引起了廣泛關注，并成為了研究焦點。筆者認為，在模板工程的設計拼裝、打磨除銹、支撐加固和拆卸移除4個環節中，提高鋼模板打磨除銹效率較容易實現降低模板工程的時間成本，并且對工程質量沒有影響。研究發現，眾多學者多以設計或引進新型打磨除銹工具為切入點。楊亞男[4]介紹了20世紀90年代的6種鋼模板及配件清理機械，其中只有2種具有鋼模板表面清理功能；薛龍等[5]、謝芝明[6]設計了固定式鋼模板打磨除銹裝置；程巖[7]介紹了一種引進自德國Monti公司的除銹工具；中鐵十二局集團第四工程有限公司[8]研制了一種可行走式鋼模板打磨除銹裝置。以上裝置都能提高鋼模板打磨除銹效率，但是需要專門設計或引進，存在設計制造復雜、引進費用高的缺點。本文設計與研究研制的鋼模板打磨除銹設備，除具有工作效率高的特點外，還具備設計簡單、制造成本低的優點，在工程實踐中得到廣泛應用。

2 工作原理

實現鋼模板打磨除銹常用的手段有機械除銹、手工除銹和化學除銹三種。

機械除銹法通常采用磨光機、噴砂機等機械設備進行。磨光機除銹后的模板過于光滑，不推薦采用。水利施工現場一般不具備噴砂條件，故很少使用噴砂機。

手工除銹法采用鋼絲刷、鋼絲球、砂布等工具進行人工打磨除銹。這種方法除銹效率低，產生的粉塵對身體有害。

化學除銹法是采用除銹液與鐵銹反應生成可溶于水的鹽后，再用水清洗干凈。其優點是除銹效果好、工效高，缺點是用量控制不好容易發生過腐蝕或反應不完全，最終都將影響混凝土表觀質量。

本文研制的新型打磨除銹設備屬于機械除銹，是一種將混凝土抹光機特殊改裝的打磨機具，其工作原理是汽油機驅動三角皮帶使裝有鋼絲輪的鋼圓盤高速旋轉，鋼絲輪與鋼模板表面接觸產生摩擦，將模板表面氧化皮、油污及碳垢磨除，從而實現清理的效果。

3 裝置設計

根據混凝土結構物鋼模板用量和加工場地布置情況,選用與現場條件配套的設備型號。該設備主要由驅動裝置和打磨裝置兩部分組成。

3.1 驅動裝置

驅動裝置是對混凝土抹光機的簡單改裝，保留了抹光機的電動機、變速箱、框架防護網、扶手、可疊式行走輪、皮帶、轉軸等，不包括其抹刀和抹盤。

驅動裝置類型可根據抹光機型號進行選擇，按動力來源不同分為燃油型和電動型兩種，兩者工作原理一致，與打磨裝置連接方式基本相同。

燃油型驅動裝置以汽油為主要燃料，由汽油機帶動三角皮帶使驅動軸旋轉，額定轉速3200 r/min，平均每小時能處理100～300 m2作業面，與人工比較提高工效10倍以上。工作時，可以通過油門控制器調整轉速，實現最佳的工況條件。可疊式行走輪代替人工搬運裝置，移動省力，減少碰撞。框架防護網作為裝置的物理障礙，將設備轉動部分和人有效隔離，消除機械傷害，保障人員的人身安全。

電動型驅動裝置工作時只需220 V或380 V電源，其工作原理與燃油型驅動裝置相同。不同之處是電動型驅動裝置屬于臨時用電設備，必須符合三相四線制低壓電力系統要求[9]，詳見表1。

表1 驅動裝置技術參數

兩種類型相比較而言，燃油型驅動裝置的功率和轉速均優于電動型，表現為燃油型更容易帶動打磨裝置運行，轉速調節區間更廣，工作時可以根據現場實際調整轉速，快速達到最佳工況條件，實現高效打磨除銹。并且燃油型驅動裝置重量輕，不接入電源，適用范圍更廣，安全性更高，減輕了搬運帶來的機械傷害，避免了臨時用電帶來的觸電風險。經兩者整體評價，最終選定燃油型作為本裝置的研制對象。

3.2 打磨裝置

打磨除銹裝置包括一個轉盤，轉盤上設置若干安裝孔，每個安裝孔均通過螺絲連接鋼絲輪，并保證所有鋼絲輪處于同一平面，如圖1—2所示。

圖1 打磨除銹裝置示意

圖2 打磨除銹設備示意

轉盤是打磨裝置的基礎組件，以混凝土抹光機的抹盤直徑為參考，將鋼板切割成直徑600 mm的轉盤安裝在框架防護網內。鋼板厚度的選擇較為關鍵，過薄，轉盤質量較輕，打磨裝置與鋼模板表面貼合不緊密，造成鋼模板表面清理不徹底，需要多次重復打磨，浪費時間；過厚，轉盤質量過重，作業人員操作費力，鋼模板表面除銹不均勻，設備停留過長，甚至對模板材質造成損害。可見這兩種情況下打磨除銹效果都不佳。通過后期組裝調試，發現200 mm厚的圓形鋼板最為合適，其重量為π·302×2×7.8/1000=22.05 kg（鋼板密度7.8 g/cm3）。轉盤規格尺寸確定后，選取表面質量缺陷C級及以上的鋼材現場加工完成，表面質量缺陷包括起皮、皺皮、裂紋、分層、剝落等，部分缺陷可采用局部打磨方式予以消除，詳見表2。

表2 200 mm厚圓形鋼板表面質量缺陷

鋼絲輪是打磨裝置的重要組件，屬于損耗程度最大的易耗品，其使用304不銹鋼纏絲壓制而成，鋼絲壓蓋在碗型雙層鋼板中，鋼絲輪外徑85～90 mm不等，內徑16 mm。為了拆換鋼絲輪方便，使用小于鋼絲輪內徑的M14螺絲固定在轉盤上。鋼絲輪的布置形式決定了打磨裝置與鋼模板接觸面積的大小，接觸面積越大，打磨遍數就越少，效率越高。通過布置方案比選，三圈圓形布置優于梅花形和兩圈布置形式，其接觸面積占轉盤總面積的50%以上。

3.3 設備調試

調試是為了打磨除銹設備能正常更好的工作，將驅動裝置和打磨裝置組裝成整機后，設備不可能一次性處在最佳的配合狀態，所以組裝后一定要進行設備調試。調試主要包括外觀檢查、結構調整和工效測試。以直觀檢查法進行外觀檢查，包括除銹后的鋼模板平整度和清潔度檢查、轉盤和鋼絲輪質量檢查、設備行走檢查、機內異物檢查等。結構調整主要是檢查組件和裝置的固定是否牢靠、有無松動，控制和連接線路接觸是否良好，機械轉動是否靈活等。工效測試是將該設備與人工、傳統打磨除銹工具三者橫向對比，記錄打磨相同面積鋼模板所需的時間，測算其工作效率。

4 應用與效果

4.1 工程應用

目前在德州市引黃灌區農業節水工程建設項目中應用打磨除銹設備。該工程是使用國家專項債券資金的省重點水利建設項目，總投資9682萬元，主要建設內容為新、改建7座節制閘，要求2020年9月開工，次年5月完工。整個工程跨越一個冬季和假期，而施工高峰期主要集中在這個時段，留給施工單位可利用的工期有限。從項目資金來源考慮，占用國家專項債券資金時間越長，對項目法人就越不利，后期償還資金就越高。經參建各方研究決定，該項目7座節制閘同步開工，每處主體工程都要于2020年12月31日前完成。項目施工初期，考慮到鋼模板周轉和成本問題，每座閘計劃租賃鋼模板約400塊（規格以1500 mm×1200 mm為主），鋼模板總面積約700 m2，按照常規打磨除銹方式，清理700 m2鋼模板需要約4.5 d（1 d按8 h工作制計），按照設計工程圖紙測算，每處節制閘需要在12月31日前完成混凝土外表面積約2700 m2，打磨除銹則需要約17 d，對比計劃工期，無法滿足要求。使用新型打磨除銹設備后，要完成相同工作量的鋼模板累計消耗5 d，縮短工期12 d，節約成本12萬元，實現開工前設定的目標。

4.2 效果總結

經設備打磨后的鋼模板，外觀表面光潔、無污物，成型后混凝土無蜂窩、麻面、孔洞、裂縫等質量缺陷，平整度符合設計及規范要求。在工程質量得到保證的同時，安全、職業健康及經濟三個方面取得了良好的效果。

（1）打磨裝置屬于設備轉動部位，該裝置安裝在框架防護網內，符合《水利水電工程施工安全防護設施技術規范》3.5.3條款要求：“各類施工設備機具傳動或轉動的露出部分，必須安設在拆裝方便符合安全要求的封閉的鋼防護網罩內。”[10]

（2）該打磨除銹設備作業時，鐵銹、顆粒粉塵消落在轉盤內，減少了揚塵，避免作業人員吸入粉塵顆粒，實現了職業健康。

（3）該設備是傳統打磨工具效率的8～10倍，大幅縮短了模板工程的占用時間，節約了勞動力，并且維修保養成本低，使用壽命長，組裝拆卸簡單，可將驅動裝置更換成抹刀，恢復成混凝凝土抹光機，實現了設備一機兩用，全方位降低了成本。

5 結語

本文研制的新型打磨除銹設備代替了手工和傳統打磨工具，大大提高了工作效率，模板的質量和周轉利用率得到了保障，真正解決了模板工程占用時間長、成本高的問題。該設備已獲得國家實用新型專利，在多項水利工程建設中使用，具有較強的推廣價值和應用前景。