一种纳米陶瓷涂层绝缘钢轨涂覆装备及工艺的制作方法

本发明属于轨道交通技术领域，具体涉及一种超高绝缘性能轨道系统绝缘钢轨。

背景技术：

轨道交通例如地铁、轻轨、有轨电车、新型轨道交通系统等，多采用直流电力牵引系统并把走行轨作为回流线路。该电流绝大部分能够经过走行轨流回到电源负极，但还有一小部分从轨道与地面绝缘不良的位置泄露到道床及周围的土壤中，形成杂散电流。杂散电流的存在会对钢轨本身及轨道周围的公共设施管路及建筑物等发生电化学腐蚀，降低轨道、埋地管线及建筑物等的使用寿命。特别对于有轨电车的轨道相对于地铁、轻轨而言，轨道完全埋入地下，其杂散电流的危害性更为严重。

对固定轨道钢轨的扣件系统通常采用绝缘设计及对埋入式轨道的钢轨外侧设置绝缘护块及护套，增大钢轨与周边构筑物之间的绝缘电阻；此方法虽可以有效地增加轨道的绝缘电阻，但绝缘护块及护套与扣件、绝缘护块及护套之间在安装及使用过程中会形成的缝隙，这种缝隙不仅在沿钢轨行车方向因绝缘零部件接头及扣件等的不连续结构造成的复杂工况造成，而且在轨道截面上由于钢轨在车辆载荷作用下会产生变形，无论是在垂直方向、水平方向及钢轨的扭转变形都会使钢轨和绝缘护块及护套之间产生动态间隙等，在实际运行环境条件及潮湿的环境下依然无法保持轨道系统的绝缘性能，无法从根本上解决轨道系统的杂散电流问题。

人类利用电以后，绝缘材料就成为研究课题。绝缘材料早期，20世纪80年代，开始出现新的F、H级绝缘材料体系，相继开发了聚酯亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚酰亚胺、聚马来酰亚胺、聚二苯醚等耐热性绝缘漆、粘合剂和薄膜，以及改性环氧、不饱和聚酯、聚芳酰胺纤维纸及其复合材料等系列新产品。电工产品耐热等级大多提升为B级，在冶金、吊车、机车电机等特殊电机中开始采用新的F、H级绝缘材料。90年代，相关机构大规模的自主开发F、H级绝缘材料，使其性能得到提高，如改性二苯醚、改性双马来酰亚胺、改性聚酯亚胺漆包线漆、聚酰胺酰亚胺漆包线漆、聚酰亚胺漆包线漆、F、H级玻璃纤维制品、高性能聚酰亚胺薄膜、F级环氧粉云母带等。无溶剂浸渍树脂和快干浸渍漆得到迅速发展，少胶粉云母带、VPI(真空压力浸渍)浸渍树脂开始应用。新一代耐高温耐磨陶瓷绝缘涂料，可在被涂物体表面形成一层具有较高体积电阻率，常温下大于10¹²Ωm和高的介电强度(击穿强度)大于10⁴kV/m。涂层能承受较强电场而不被击穿的陶瓷涂层，该涂层具有较高的机械强度和良好的化学稳定性，能耐老化，耐水，耐化学腐蚀，长时间耐火烧烤性，同时还具有耐机械冲击和热冲击性能，纳米材料的最新应用，大大提高了工程绝缘性能。

但纳米陶瓷绝缘涂层采用手工涂刷或简单的机械涂刷会因钢轨表面的凸凹很难保证涂层的均匀性及100％的覆盖率，同时钢轨在自然环境下特别是潮湿及高腐蚀条件下很快锈蚀，用非专业性的工具或手工除锈会遗留锈点或锈斑，在此上涂覆的纳米陶瓷绝缘涂层会容易脱落而影响绝缘性能。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能有效地保证涂覆质量和效率，同时减少了现场涂覆过程中受环境的影响及重复的除锈和保养工作等，并大大地降低涂覆成本。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种纳米陶瓷涂层绝缘钢轨涂覆装备，其特征在于，包括依次设置的传送钢轨的钢轨进料工装、钢轨表面除锈机、钢轨表面清理机、固定钢轨工装、纳米陶瓷涂覆机、钢轨干燥器系统。

所述的钢轨进料工装包括钢轨约束拖动装置I及钢轨约束拖动装置II；所述的钢轨约束装置I约束钢轨的垂直方向并使钢轨在纵向按设定的速度移动；所述的钢轨约束拖动装置II约束钢轨的横向并使钢轨在纵向按设定的速度移动，所述的纵向设定速度范围在1-500mm/s。

所述的钢轨表面除锈机包括除锈机箱体和与其连接的高压介质输送装置，所述的高压介质输送装置为高压泵或旋转装置，高压介质为气体，或流体，或丸状固体颗粒，所述的高压泵输送气体或流体，输送的压力范围20-200MPa，所述的旋转装置输送丸状固体颗粒，其旋转速度不低于1000转/分钟或等效丸状固体颗粒压力0.3-1.0MPa；在封闭的除锈机箱体内通过高压介质磨擦钢轨表面对钢轨进行除锈。

所述的钢轨表面清理机为强力吸尘器或清洗布。

所述的固定钢轨工装为电磁吸板或支承夹具，所述的电磁吸板的磁力不低于钢轨重量的2倍或100kg/m以上。

所述的纳米陶瓷涂覆机包括涂覆腔及涂覆主件，所述的涂覆主件是纳米陶瓷绝缘涂料输出头，所述的涂覆主件置于涂覆腔内，并连接涂覆腔外的输出装置，该输出装置通过涂料管道连接装有纳米陶瓷绝缘涂料的贮料桶；输出装置将贮料桶内的纳米陶瓷绝缘涂料输出，通过纳米陶瓷绝缘涂料输出头喷涂或刷涂或辊涂或雾化浸透或液化浸透位于涂覆腔内的钢轨；

所述的装有纳米陶瓷绝缘涂料的贮料桶包括并联的贮料桶A和贮料桶B，其中，贮料桶A内装的纳米陶瓷绝缘涂料包含粘附绝缘材料和增强绝缘材料，贮料桶B内装的纳米陶瓷绝缘涂料包含活性绝缘硬化剂。

所述的钢轨干燥器的加热温度范围为100-300℃。

一种采用上述装备在钢轨上涂覆纳米陶瓷绝缘涂料的工艺，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：进料，通过钢轨进料工装将钢轨按设定速度沿纵向移动；

第二步：除锈，在封闭的除锈机箱体内通过高压介质磨擦钢轨表面对钢轨进行除锈；

第三步：清理，采用钢轨表面清理机对除锈处理后的钢轨进行表面清理；

第四步：装夹钢轨，采用固定钢轨工装固定钢轨；钢轨顶面为非涂覆区，固定钢轨工装吸附或支承在钢轨的非涂覆区，从而使钢轨定位；钢轨顶面是指和车轮的滚动接触面及向邻近的上表面部分；

第五步：涂覆，通过纳米陶瓷涂覆机在钢轨上涂覆纳米陶瓷绝缘涂料，涂覆区域为除钢轨顶面之外的其他钢轨外表面部分；

第六步：固化，通过钢轨干燥器干燥固化；

第七步：根据涂层层数重复工序第五步和第六步；

第八步：出料。

在钢轨上涂覆的纳米陶瓷绝缘涂料的涂层包括一层粘结层和至少一层绝缘层，各涂层通过重复第五步和第六步进行涂覆，或设置两组以上的纳米陶瓷涂覆机和钢轨干燥器组成流水线进行涂覆。

所述的粘结层和各层绝缘层的厚度在50～200μm，钢轨表面涂覆纳米陶瓷绝缘涂料后的最后表面光洁度在国标GB/T3505三级及以上，涂层在钢轨表面的厚度差不大于100μm。

上述工艺所涉及的各装置按顺序排列并安置在同一工作场所，同一工作场所是在专门的纳米陶瓷绝缘钢轨的涂覆车间，或轨道铺设工地现场，或钢轨生产地基的后端工序地。

所述的纳米陶瓷涂覆机固定安装在一基础上，钢轨是按设定速度穿过纳米陶瓷涂覆机的进出口进行连续均匀涂覆，或钢轨由固定钢轨工装固定，纳米陶瓷涂覆机按设定速度沿设置的轨道连续均匀移动来涂覆钢轨。

所述的钢轨干燥器固定安装，钢轨是按设定速度穿过钢轨干燥器的进出口进行连续均匀干燥，或钢轨由固定钢轨工装固定，钢轨干燥器按设定速度沿设置的轨道连续均匀移动来干燥纳米陶瓷绝缘涂层。

所述的钢轨表面除锈机和钢轨表面清理机组成组合单元I；纳米陶瓷涂覆机和钢轨干燥器组成组合单元II，钢轨通过固定钢轨工装固定，组合单元I和组合单元II分别按设定速度沿设置的轨道连续均匀移动来分别完成钢轨的清洗和涂覆工艺。

与现有技术相比，本发明提出的一种纳米陶瓷涂层绝缘钢轨涂覆装备及工艺，能保证在轨道的钢轨的表面涂覆的作为绝缘涂层的高电阻率材料的涂覆均匀性和覆盖率，以及纳米陶瓷绝缘层的持久性和牢固性，绝缘钢轨的涂覆装备能有效地保证涂覆质量和效率，同时减少了现场涂覆过程中受环境的影响及重复的除锈和保养工作等，大大地降低涂覆成本。

附图说明

图1是本发明的涂覆装备的示意图；

图2a是图1中的钢轨进料工装结构示意的图；

图2b是图2a的A-A剖视图；

图3a是图1中的钢轨表面除锈机结构示意的图；

图3b是图3a的B-B剖视图；

图4a是图1中钢轨电磁吸板结构示意图；

图4b是图4a的C-C剖视图；

图4c是图1中钢轨支承夹具的结构示意图；

图4d是图4c的D-D剖视图；

图5a是图1中的纳米陶瓷涂覆机采用钢轨电磁吸板吸附钢轨进行涂覆涂层的结构示意图；

图5b是图5a的E-E剖视图；

图5c是图1中的纳米陶瓷涂覆机采用钢轨支承夹具支承钢轨进行涂覆涂层的结构示意图；

图5d是图5c的F-F剖视图；

图6是“进料-除锈-清理-装夹-涂覆-固化-出料”流程示意图；

图7a是本发明的涂层厚度示意图；

图7b是一层粘结层和两层绝缘层的示意图；

图7c是一层粘结层和一层绝缘层的示意图；

图中：

1、钢轨；2、钢轨进料工装；3、钢轨表面除锈机；4、钢轨表面清理机；5、固定钢轨工装；6、纳米陶瓷涂覆机；7、钢轨干燥器；11、钢轨约束拖动装置I；12、钢轨约束拖动装置II；31、除锈机箱体；32、高压介质；41、组合单元I；51、电磁吸板；52、支承夹具；61、涂覆腔；65、涂料管道；66、输出装置；67、贮料桶A；68、贮料桶B；69、组合单元II；71、纳米陶瓷绝缘涂层；80、钢轨外表面；81、粘结层；82、绝缘层；83、粘结涂覆厚度；84、绝缘涂覆厚度；101、非涂覆面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

如图1所示，一种纳米陶瓷绝缘钢轨的涂覆装备，包含传送钢轨1的钢轨进料工装2、钢轨表面除锈机3、钢轨表面清理机4、固定钢轨工装5、纳米陶瓷涂覆机6、钢轨干燥器7子系统；各子系统按涂覆工艺流程排列并安置在同一工作场所；所述的涂覆工艺流程是按照“进料-除锈-清理-装夹-涂覆-固化-出料”流程的工序，在钢轨1表面除非涂覆区101外的其他表面涂覆纳米陶瓷绝缘材料，得到纳米陶瓷绝缘涂层71，如图7a-7b所示，上述工序中“涂覆-固化”重复两次，所得纳米陶瓷绝缘涂层71由一层粘结层81和两层绝缘层82组成。

各子系统具体介绍如下：

所述的钢轨进料工装2，如图2a-2b所示，包括钢轨约束拖动装置I11及钢轨约束拖动装置II12；所述的钢轨约束装置I11约束钢轨的垂直方向并能够使钢轨1在纵向按10mm/s速度移动；所述的钢轨约束拖动装置II12约束钢轨的横向并能够使钢轨在纵向按钢轨约束装置I11相同的速度移动。

如图3a-3b所示，所述的钢轨表面除锈机3包括除锈机箱体31和与其连接的高压介质输送装置，在封闭除锈机箱体31内通过高压介质32磨擦钢轨表面对钢轨进行除锈，所述的高压介质输送装置为旋转装置，高压介质32为丸状固体颗粒，高压介质32通过高速旋转装置带动喷头射向钢轨表面来除锈，喷射压力0.4Pa，高压介质32是直径为0.5-2mm的钢丸，喷射除锈同时对钢轨1表面抛光强化处理。

所述的钢轨表面清理机4选用功率5kW的强力吸尘器，对除锈处理后的钢轨进行表面清理。钢轨表面除锈机3与钢轨表面清理机4组成组合单元I41，可对钢轨表面进行重复清理。

如图4a-4b所示所述的固定钢轨工装5为电磁吸板51利用钢轨顶面的非涂覆面101固定钢轨，所述的电磁吸板51可通过开关控制磁力接通及磁力大小，电磁吸板51的磁力不低于钢轨重量的2倍或100kg/m以上。

如图5a-5b所示，纳米陶瓷涂覆机6包括涂覆腔61及涂覆主件，所述的涂覆主件是纳米陶瓷绝缘涂料输出头，所述的涂覆主件置于涂覆腔61内，并连接涂覆腔61外的输出装置66，该输出装置66通过涂料管道65连接装有纳米陶瓷绝缘涂料的贮料桶；装有纳米陶瓷绝缘涂料的贮料桶包括并联的贮料桶A67和贮料桶B68，其中，贮料桶A67内装的纳米陶瓷绝缘涂料包含粘附绝缘材料和增强绝缘材料，贮料桶B68内装的纳米陶瓷绝缘涂料包含活性绝缘硬化剂。进行涂覆工艺时，输出装置66将贮料桶内的纳米陶瓷绝缘涂料输出，通过纳米陶瓷绝缘涂料输出头喷涂或刷涂或辊涂或雾化浸透或液化浸透位于涂覆腔61内的钢轨1；涂覆腔61用来限制纳米陶瓷绝缘涂料的涂覆空间及保持在密封环境内。

所述的钢轨干燥器7是采用热吹风对纳米陶瓷绝缘涂层71实施快速干燥养护，所述的钢轨干燥器7的加热温度范围为160-200℃。纳米陶瓷涂覆机6和钢轨干燥器7组成组合单元II69可对钢轨表面进行重复涂覆-固化工序，得到多层涂覆层。

采用上述装备在钢轨表面涂覆纳米陶瓷绝缘涂料的具体工序如下：

如图6所述，涂覆工序为“进料-除锈-清理-装夹-涂覆-固化-出料”，该工序涉及装备按涂覆工艺流程排列并安置在同一工作场所，其同一工作场所是在钢轨1生产基地的后端工序地。具体工艺步骤如下：

第一步：进料，通过钢轨进料工装2将钢轨1按设定速度沿纵向移动；

第二步：除锈，在封闭的除锈机箱体31内通过高压介质32磨擦钢轨1表面对钢轨进行除锈；

第三步：清理，采用钢轨表面清理机4对除锈处理后的钢轨进行表面清理；

第四步：装夹钢轨，采用电磁吸板51固定钢轨；钢轨顶面为非涂覆区，电磁吸板51吸附在钢轨的非涂覆区101，从而使钢轨1定位；钢轨顶面是指和车轮的滚动接触面及相邻近的上表面部分；

第五步：涂覆，纳米陶瓷涂覆机6是安装在一基础上固定不动而钢轨1是按一定的速度穿过纳米陶瓷涂覆机6的进出口进行，通过纳米陶瓷涂覆机6在钢轨1上涂覆纳米陶瓷绝缘涂料，涂覆区域为除钢轨顶面之外的其他钢轨外表面部分；

第六步：固化，钢轨干燥器7是固定不动的而钢轨1是按一定的速度穿过钢轨干燥器7的进出口，通过钢轨干器7进行连续均匀干燥；钢轨干燥器7的加热温度范围为160-200℃；

第七步：纳米陶瓷涂覆机6和钢轨干燥器7组成组合单元II69，通过组合单元II69重复工序第五步和第六步两次；

第八步：出料，所得钢轨1表面形成一层粘结层81和两层绝缘层82；粘结层81和两层绝缘层82组成纳米陶瓷绝缘涂层71，纳米陶瓷绝缘层71的粘结层81的粘结涂覆厚度83及绝缘层82的绝缘涂覆厚度84在50-100μm之间，如图7a-7b所示。所述的纳米陶瓷绝缘层71的最后表面光洁度在三级国标GB/T3505及以上，纳米陶瓷绝缘层71在钢轨表面的厚度差不大于100μm。

实施例2：

图1所示，一种纳米陶瓷绝缘钢轨的涂覆装备，涂覆装备包含传送钢轨1的钢轨进料工装2、钢轨表面除锈机3、钢轨表面清理机4、固定钢轨工装5、纳米陶瓷涂覆机6、钢轨干燥器7子系统；各子系统按涂覆工艺流程排列并安置在同一工作场所；所述的涂覆工艺流程是按照“进料-除锈-清理-装夹-涂覆-固化-出料”流程的工序组合进行。

如图2a-2b所示，所述的涂覆装备其钢轨进料工装2包括钢轨约束拖动装置I11及钢轨约束拖动装置II12；所述的钢轨约束装置I11约束钢轨的垂直方向并能够使钢轨在纵向按设计的速度移动；所述的钢轨约束拖动装置II12约束钢轨的横向并能够使钢轨在纵向按设计的速度移动。

如图3a-3b所示，所述的钢轨表面除锈机3是封闭在除锈机箱体31内通过高压介质32磨擦钢轨表面对钢轨进行除锈，所述的高压介质32是气体，高压介质32通过高压泵提供。高压泵气体压力范围20-200MPa。

所述的钢轨表面清理机4用高压气体对除锈处理后的钢轨进行表面清理。

如图4c-4d所示，所述的固定钢轨工装5为钢轨支承夹具52，通过钢轨支承夹具52支撑钢轨顶面的非涂覆面101从而固定钢轨1。

如图5c-5d所示，纳米陶瓷涂覆机6包括涂覆腔61及涂覆主件，所述的涂覆主件是纳米陶瓷绝缘涂料输出头，所述的涂覆主件置于涂覆腔61内，并连接涂覆腔61外的输出装置66，该输出装置66通过涂料管道65连接装有纳米陶瓷绝缘涂料的贮料桶；装有纳米陶瓷绝缘涂料的贮料桶包括并联的贮料桶A67和贮料桶B68，其中，贮料桶A67内装的纳米陶瓷绝缘涂料包含粘附绝缘材料和增强绝缘材料，贮料桶B68内装的纳米陶瓷绝缘涂料包含活性绝缘硬化剂。进行涂覆工艺时，输出装置66将贮料桶内的纳米陶瓷绝缘涂料输出，通过纳米陶瓷绝缘涂料输出头喷涂或刷涂或辊涂或雾化浸透或液化浸透位于涂覆腔61内的钢轨1；涂覆腔61用来限制纳米陶瓷绝缘涂料的涂覆空间及密封内。钢轨1通过钢轨支承夹具52支撑。

所述的钢轨干燥器7是对纳米陶瓷绝缘涂层71实施快速干燥养护。

采用上述装备在钢轨表面涂覆纳米陶瓷绝缘涂料的具体工序如下：

涂覆工序包括“进料-除锈-清理-装夹-涂覆-固化-出料”，其“涂覆-硬化”根据涂覆层的层数重复其工序，所述的钢轨表面除锈机3和钢轨表面清理机4组成组合单元I41；纳米陶瓷涂覆机6和钢轨干燥器7组成组合单元II69，钢轨1通过固定钢轨工装5固定，分别按一定的速度沿设置的轨道连续均匀移动通过组合单元I41和组合单元II69来分别完成钢轨1的清洗和涂覆工艺。清洗和涂覆工艺分别在一条生产线的两个不同工段。

在钢轨外表面除非涂覆面101外均匀涂覆纳米陶瓷绝缘材料得到纳米陶瓷绝缘层71，纳米陶瓷绝缘层71包括一层粘结层81和一层绝缘层82，粘结层81的粘结涂覆厚度83以及绝缘层82的涂覆厚度84均在50-200μm之间，如图7c所示。所述的涂覆工艺流程是用同一“涂覆-硬化”设备重复其工序。

涂覆装备各子系统按涂覆工艺流程排列并安置在同一工作场所，其同一工作场所是在专门的纳米陶瓷绝缘钢轨的涂覆车间。

所述的纳米陶瓷涂覆机6安装在一基础上固定不动，而钢轨1是按一定的速度穿过纳米陶瓷涂覆机6的进出口，进行连续均匀涂覆，钢轨1由固定钢轨工装5按一定的速度沿设置的轨道连续均匀移动来涂覆钢轨1。

所述的钢轨干燥器7固定不动的，而钢轨1是按一定的速度穿过钢轨干燥器7的进出口进行连续均匀干燥，钢轨1由固定钢轨工装5按一定的速度沿设置的轨道连续均匀移动来干燥纳米陶瓷绝缘涂层。其余同实施例1。

实施例3

钢轨表面除锈机内的高压介质为流体，通过高压泵提供，流体压力为20MPa；钢轨表面清理机为清晰布，钢轨干燥器的加热温度范围为300℃。

钢轨进料工装将钢轨按1mm/s的速度沿纵向拖动，在钢轨表面依次涂覆一层厚度为200μm的粘结层和一层厚度为200μm的绝缘层，最终得到纳米陶瓷绝缘层(71)在钢轨表面的厚度差为50μm。其余同实施例1。

实施例4

钢轨表面除锈机内的高压介质为流体，通过高压泵提供，流体压力为200MPa；钢轨干燥器的加热温度范围为100℃。

钢轨进料工装2将钢轨1按500mm/s的速度沿纵向拖动，在钢轨表面依次涂覆一层厚度为50μm的粘结层和三层厚度为50μm的绝缘层，最终得到纳米陶瓷绝缘层(71)在钢轨表面的厚度差为20μm。其余同实施例1。

实施例5

钢轨表面除锈机内的高压介质为丸状固体颗粒，通过旋转装置提供，旋转速度不低于1000转/分钟；等效丸状固体颗粒压力0.3MPa。

在进行“涂覆-固化”操作时，钢轨由固定钢轨工装固定不动，而由纳米陶瓷涂覆机和钢轨干燥器组成的组合单元II按一定的速度沿设置的轨道连续均匀移动来涂覆钢轨1。其余同实施例1。

实施例6

钢轨表面除锈机内的高压介质为丸状固体颗粒，通过旋转装置提供，旋转速度不低于1000转/分钟；等效丸状固体颗粒压力1.0MPa。其余同实施例1。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，无需经过创造性劳动就能够联想到的技术特征，还可以做出若干变型和改进，这些变化显然都应视为等同特征，仍属于本发明的保护范围之内。