新型钢模板打磨除锈设备的研制与应用

杨帅

（德州市水利局,山东 德州 253000）

1 引言

近几年来，随着水利事业高质量发展，工程建设中钢模板使用量增长迅速。模板工程已成为重要的分部工程，决定着混凝土结构的外观质量，制约着施工进度，进而影响工程成本。查阅相关资料可知，模板工程在混凝土结构的费用占比约20%～30%，工程量占总工程量的30%～40%，工期占总工期的50%左右[1，2]。在大中型水利建设项目中，模板工程的造价在钢筋混凝土结构总成本中的占比为15%～30%，劳动用工占混凝土工程总用工的28%～45%，模板工程占用时间成本更高[3]。如何减少模板工程的时间成本已在本行业引起了广泛关注，并成为了研究焦点。笔者认为，在模板工程的设计拼装、打磨除锈、支撑加固和拆卸移除4个环节中，提高钢模板打磨除锈效率较容易实现降低模板工程的时间成本，并且对工程质量没有影响。研究发现，众多学者多以设计或引进新型打磨除锈工具为切入点。杨亚男[4]介绍了20世纪90年代的6种钢模板及配件清理机械，其中只有2种具有钢模板表面清理功能；薛龙等[5]、谢芝明[6]设计了固定式钢模板打磨除锈装置；程岩[7]介绍了一种引进自德国Monti公司的除锈工具；中铁十二局集团第四工程有限公司[8]研制了一种可行走式钢模板打磨除锈装置。以上装置都能提高钢模板打磨除锈效率，但是需要专门设计或引进，存在设计制造复杂、引进费用高的缺点。本文设计与研究研制的钢模板打磨除锈设备，除具有工作效率高的特点外，还具备设计简单、制造成本低的优点，在工程实践中得到广泛应用。

2 工作原理

实现钢模板打磨除锈常用的手段有机械除锈、手工除锈和化学除锈三种。

机械除锈法通常采用磨光机、喷砂机等机械设备进行。磨光机除锈后的模板过于光滑，不推荐采用。水利施工现场一般不具备喷砂条件，故很少使用喷砂机。

手工除锈法采用钢丝刷、钢丝球、砂布等工具进行人工打磨除锈。这种方法除锈效率低，产生的粉尘对身体有害。

化学除锈法是采用除锈液与铁锈反应生成可溶于水的盐后，再用水清洗干净。其优点是除锈效果好、工效高，缺点是用量控制不好容易发生过腐蚀或反应不完全，最终都将影响混凝土表观质量。

本文研制的新型打磨除锈设备属于机械除锈，是一种将混凝土抹光机特殊改装的打磨机具，其工作原理是汽油机驱动三角皮带使装有钢丝轮的钢圆盘高速旋转，钢丝轮与钢模板表面接触产生摩擦，将模板表面氧化皮、油污及碳垢磨除，从而实现清理的效果。

3 装置设计

根据混凝土结构物钢模板用量和加工场地布置情况,选用与现场条件配套的设备型号。该设备主要由驱动装置和打磨装置两部分组成。

3.1 驱动装置

驱动装置是对混凝土抹光机的简单改装，保留了抹光机的电动机、变速箱、框架防护网、扶手、可叠式行走轮、皮带、转轴等，不包括其抹刀和抹盘。

驱动装置类型可根据抹光机型号进行选择，按动力来源不同分为燃油型和电动型两种，两者工作原理一致，与打磨装置连接方式基本相同。

燃油型驱动装置以汽油为主要燃料，由汽油机带动三角皮带使驱动轴旋转，额定转速3200 r/min，平均每小时能处理100～300 m2作业面，与人工比较提高工效10倍以上。工作时，可以通过油门控制器调整转速，实现最佳的工况条件。可叠式行走轮代替人工搬运装置，移动省力，减少碰撞。框架防护网作为装置的物理障碍，将设备转动部分和人有效隔离，消除机械伤害，保障人员的人身安全。

电动型驱动装置工作时只需220 V或380 V电源，其工作原理与燃油型驱动装置相同。不同之处是电动型驱动装置属于临时用电设备，必须符合三相四线制低压电力系统要求[9]，详见表1。

表1 驱动装置技术参数

两种类型相比较而言，燃油型驱动装置的功率和转速均优于电动型，表现为燃油型更容易带动打磨装置运行，转速调节区间更广，工作时可以根据现场实际调整转速，快速达到最佳工况条件，实现高效打磨除锈。并且燃油型驱动装置重量轻，不接入电源，适用范围更广，安全性更高，减轻了搬运带来的机械伤害，避免了临时用电带来的触电风险。经两者整体评价，最终选定燃油型作为本装置的研制对象。

3.2 打磨装置

打磨除锈装置包括一个转盘，转盘上设置若干安装孔，每个安装孔均通过螺丝连接钢丝轮，并保证所有钢丝轮处于同一平面，如图1—2所示。

图1 打磨除锈装置示意

图2 打磨除锈设备示意

转盘是打磨装置的基础组件，以混凝土抹光机的抹盘直径为参考，将钢板切割成直径600 mm的转盘安装在框架防护网内。钢板厚度的选择较为关键，过薄，转盘质量较轻，打磨装置与钢模板表面贴合不紧密，造成钢模板表面清理不彻底，需要多次重复打磨，浪费时间；过厚，转盘质量过重，作业人员操作费力，钢模板表面除锈不均匀，设备停留过长，甚至对模板材质造成损害。可见这两种情况下打磨除锈效果都不佳。通过后期组装调试，发现200 mm厚的圆形钢板最为合适，其重量为π·302×2×7.8/1000=22.05 kg（钢板密度7.8 g/cm3）。转盘规格尺寸确定后，选取表面质量缺陷C级及以上的钢材现场加工完成，表面质量缺陷包括起皮、皱皮、裂纹、分层、剥落等，部分缺陷可采用局部打磨方式予以消除，详见表2。

表2 200 mm厚圆形钢板表面质量缺陷

钢丝轮是打磨装置的重要组件，属于损耗程度最大的易耗品，其使用304不锈钢缠丝压制而成，钢丝压盖在碗型双层钢板中，钢丝轮外径85～90 mm不等，内径16 mm。为了拆换钢丝轮方便，使用小于钢丝轮内径的M14螺丝固定在转盘上。钢丝轮的布置形式决定了打磨装置与钢模板接触面积的大小，接触面积越大，打磨遍数就越少，效率越高。通过布置方案比选，三圈圆形布置优于梅花形和两圈布置形式，其接触面积占转盘总面积的50%以上。

3.3 设备调试

调试是为了打磨除锈设备能正常更好的工作，将驱动装置和打磨装置组装成整机后，设备不可能一次性处在最佳的配合状态，所以组装后一定要进行设备调试。调试主要包括外观检查、结构调整和工效测试。以直观检查法进行外观检查，包括除锈后的钢模板平整度和清洁度检查、转盘和钢丝轮质量检查、设备行走检查、机内异物检查等。结构调整主要是检查组件和装置的固定是否牢靠、有无松动，控制和连接线路接触是否良好，机械转动是否灵活等。工效测试是将该设备与人工、传统打磨除锈工具三者横向对比，记录打磨相同面积钢模板所需的时间，测算其工作效率。

4 应用与效果

4.1 工程应用

目前在德州市引黄灌区农业节水工程建设项目中应用打磨除锈设备。该工程是使用国家专项债券资金的省重点水利建设项目，总投资9682万元，主要建设内容为新、改建7座节制闸，要求2020年9月开工，次年5月完工。整个工程跨越一个冬季和假期，而施工高峰期主要集中在这个时段，留给施工单位可利用的工期有限。从项目资金来源考虑，占用国家专项债券资金时间越长，对项目法人就越不利，后期偿还资金就越高。经参建各方研究决定，该项目7座节制闸同步开工，每处主体工程都要于2020年12月31日前完成。项目施工初期，考虑到钢模板周转和成本问题，每座闸计划租赁钢模板约400块（规格以1500 mm×1200 mm为主），钢模板总面积约700 m2，按照常规打磨除锈方式，清理700 m2钢模板需要约4.5 d（1 d按8 h工作制计），按照设计工程图纸测算，每处节制闸需要在12月31日前完成混凝土外表面积约2700 m2，打磨除锈则需要约17 d，对比计划工期，无法满足要求。使用新型打磨除锈设备后，要完成相同工作量的钢模板累计消耗5 d，缩短工期12 d，节约成本12万元，实现开工前设定的目标。

4.2 效果总结

经设备打磨后的钢模板，外观表面光洁、无污物，成型后混凝土无蜂窝、麻面、孔洞、裂缝等质量缺陷，平整度符合设计及规范要求。在工程质量得到保证的同时，安全、职业健康及经济三个方面取得了良好的效果。

（1）打磨装置属于设备转动部位，该装置安装在框架防护网内，符合《水利水电工程施工安全防护设施技术规范》3.5.3条款要求：“各类施工设备机具传动或转动的露出部分，必须安设在拆装方便符合安全要求的封闭的钢防护网罩内。”[10]

（2）该打磨除锈设备作业时，铁锈、颗粒粉尘消落在转盘内，减少了扬尘，避免作业人员吸入粉尘颗粒，实现了职业健康。

（3）该设备是传统打磨工具效率的8～10倍，大幅缩短了模板工程的占用时间，节约了劳动力，并且维修保养成本低，使用寿命长，组装拆卸简单，可将驱动装置更换成抹刀，恢复成混凝凝土抹光机，实现了设备一机两用，全方位降低了成本。

5 结语

本文研制的新型打磨除锈设备代替了手工和传统打磨工具，大大提高了工作效率，模板的质量和周转利用率得到了保障，真正解决了模板工程占用时间长、成本高的问题。该设备已获得国家实用新型专利，在多项水利工程建设中使用，具有较强的推广价值和应用前景。