鐵路扣件螺栓干冰除銹方案設計與研究

宋曉陽 高春雷 何國華 王鵬

中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081

隨著軌道交通快速發展，軌道數量不斷增多，鋼軌養護和維修工作量急劇增大，其中軌道扣件螺栓除銹是一步關鍵工序［1］。鐵路扣件螺栓在富氧、多鹽、高熱的惡劣環境中服役，受風吹日曬、酸雨、霧霾和紫外線的不斷侵蝕和破壞［2］。發生銹蝕后很難將螺母從表面生銹的螺栓上拆卸下來，銹蝕嚴重則直接關系到軌道及車輛運行安全。因此，探究適宜的扣件螺栓除銹方法是行業內的一個重要課題。

干冰除銹是一種新穎環保的除銹方式。與傳統的除銹方式相比，干冰除銹有不損傷基體、高清潔度、無污染等優點［3-4］。干冰除銹的原理為干冰射流以高壓、高速沖擊試樣表面，使干冰顆粒在千分之幾秒內氣化［5］，并且氣體急劇膨脹，在沖擊點造成微型爆炸，從而有效擊落附著物及浮銹［6］。該工藝過程受工藝參數影響顯著，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重要指標［7］，因此本文主要研究干冰射流工藝參數對除銹后試樣螺栓粗糙度的影響規律，并探究合適的干冰射流工藝參數以使得扣件螺栓表面粗糙度達到最佳。

1 干冰制備

扣件螺栓干冰除銹試驗所用干冰制造流程（圖1）主要包括干冰制取單元、高壓氣體供應單元和干冰射流機。

圖1 干冰制備流程

CO2存儲系統用于提供干冰原料，干冰制造機用于制造合適粒度的干冰，干冰儲存系統用于儲存制造完的干冰；螺桿空壓機提供高壓氣源，空氣干燥器用于干燥高壓氣流。干冰射流機的功能是將干冰顆粒通過高壓氣源形成高速干冰射流，通過噴嘴到達試樣表面進行除銹，噴嘴內部流道對流動阻力、射流束形狀、噪聲等有重要影響。通過流體動力學仿真分析進行流道優化，改善了噴嘴的噴射性能，最終確定的干冰噴嘴結構見圖2。

圖2 干冰噴嘴結構示意

2 除銹試驗內容

在一條年久失修的鐵路線上選取銹蝕情況類似的螺栓作為試驗對象。對樣品螺栓進行分組，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N進行干冰除銹機除銹試驗。

扣件螺栓干冰除銹試驗裝置如圖3（a）所示。除銹過程中，噴嘴距離螺栓表面70 mm，噴嘴移動行程為螺栓長度（96 mm），移動速度為10 mm/s。經過一次移動行程的干冰射流稱一次掃描。干冰射流量可調范圍為0.5～ 1.5 kg/min，空壓機壓力可調范圍為0.6～1.5 MPa。每次除銹前后，選取樣品螺栓頂面3 mm ×3 mm區域測量粗糙度，如圖3（b）所示。

圖3 扣件螺栓除銹試驗

試驗結束后利用表面粗糙度、表面形貌來表征除銹效果。用激光共聚焦顯微鏡和掃描電子顯微鏡在每個樣品螺栓表面測量三次，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 試驗結果與分析

3.1 干冰射流量對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圖4。可知：當干冰射流流量小于1.1 kg/min 時，螺栓表面粗糙度隨干冰射流量增加而降低；當干冰射流量大于1.1 kg/min 時，螺栓表面粗糙度略微升高且趨勢較為平緩，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，除銹后螺栓表面形貌見圖5。可知：干冰射流量較低時，干冰碰撞爆炸點較稀疏，且爆炸覆蓋邊緣區域較大；射流量增大到一定值時，會造成干冰粒未到達螺栓表面即互相碰撞爆炸而后升華，無法進行高效除銹，故干冰射流量大于1.1 kg/min時螺栓表面粗糙度略微增大且趨于平緩，除銹效果開始下降。

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圖6?？芍涸诟杀淞髁亢透杀淞鞔螖迪嗤臈l件下，隨射流壓力增大，螺栓表面粗糙度逐漸減??；壓力達到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，在沖擊點造成微型爆炸的規模增大，螺栓表面粗糙度變?。桓杀淞鲏毫_到一定值后，干冰顆粒的爆炸規模趨于最大極限，繼續增大壓力螺栓表面粗糙度變化較?。ㄗ畲笤龇s4%）且趨于恒定。

3.3 干冰射流次數對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的變化曲線見圖7?？芍涸诟杀淞髁亢蜕淞鲏毫ο嗤臈l件下，隨著干冰射流次數增加，螺栓表面粗糙度減??；當掃描達到一定值后螺栓表面粗糙度下降幅度減小并趨于平緩。這是因為干冰射流次數的增加使銹蝕層的累計去除量增大。

圖7 不同工藝參數下螺栓表面粗糙度隨干冰射流次數的變化曲線

綜上所述，在試驗條件下扣件螺栓干冰除銹的適宜參數為：干冰射流量1.1 kg/min；射流壓力1.2 MPa；干冰射流次數20～ 25 次。在此參數條件下除銹結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果如圖8所示。

圖8 試樣螺栓在適宜工藝參數下表面形貌

4 結論

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的增大而減小，干冰射流次數達到一定值后粗糙度減小幅度平緩，趨于穩定。

4）試驗條件下當干冰射流量為1.1 kg/min，射流壓力為1.2 MPa，干冰射流次數為20～ 25 次時試樣螺栓表面粗糙度適宜，表面較為平整。