軌道交通涂層抗石擊碎裂性檢測(cè)的探討

范 星，李 欣，彭金墩，李 標(biāo)，袁昌浩

（廣州合成材料研究院有限公司，廣東 廣州 510665）

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，軌道交通發(fā)展飛速且已成為未來幾年我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資的重點(diǎn)領(lǐng)域。根據(jù)鐵道部《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》,將在未來幾年投入數(shù)萬億資金用于鐵路及裝備建設(shè)，包括2萬多公里新的鐵路網(wǎng)和7000多公里高速鐵路網(wǎng)。城際鐵路、地鐵、輕軌也都在蓬勃發(fā)展[1]。2018年全國鐵路機(jī)車擁有量為2.1萬臺(tái)，全國鐵路客車擁有量為7.2萬輛，貨車擁有量為83.0萬輛，內(nèi)燃機(jī)車在減少，電動(dòng)機(jī)車在增加。各種機(jī)車復(fù)合增長率為35%。每年鐵路車輛新造、廠修近10萬輛，消耗涂料消費(fèi)量約4～5萬噸。其中90%以上的涂料為溶劑型涂料。2000年開始，阿爾斯通、西門子公司、龐巴迪等企業(yè)開始在地鐵車輛上使用水性涂料體系， 2008年我國鐵路貨車開始使用，2010年部分地鐵上批量應(yīng)用，2015年機(jī)車客車開始采用水性涂料體系。目前我國鐵路貨車成功應(yīng)用水性工業(yè)涂料涂裝有15000多輛。目前水性涂料涂裝體系比例還比較低。

1 高速動(dòng)車組涂料功能與各涂層體系

高速動(dòng)車組用涂料的作用從宏觀上看無外乎兩種，即功能性和裝飾性。功能性側(cè)重對(duì)基材的防護(hù)和功能性,這對(duì)全車各部位幾乎同等重要,當(dāng)然,由于工況不同具體性能要求也存在差別。裝飾性則強(qiáng)調(diào)外觀，主要涉及旅客人眼可及的表面。高速動(dòng)車組采用的涂料涂層體系大致分為內(nèi)部裝飾用涂料及涂層體系、車體外表面用涂料及涂層體系，尼涂料及涂層體系、轉(zhuǎn)向架用涂料及涂層體系、特殊功能涂料如防火涂料、防滑涂料、抗結(jié)冰涂料、抗電弧涂料、防閃污涂料等，各涂層體系采用配套涂料見表1[1]。

續(xù)表1

2 高速動(dòng)車組涂料涂層抗石擊碎裂性試 驗(yàn)需求

我國高速動(dòng)車組通常的運(yùn)行速度為200～350 km/h，每天運(yùn)行距離達(dá)到3000 km左右，1年就可達(dá)到1000000km甚至更多。相對(duì)汽車涂層來說，單位時(shí)間內(nèi)運(yùn)用里程超長，地區(qū)跨度大，氣候條件多變，加上由于風(fēng)壓增大，車體表面受到空氣中飛塵、砂石等雜物沖擊的強(qiáng)度更大，因此對(duì)表面涂層的要求要高得多[2]。標(biāo)準(zhǔn)Q/CR546《動(dòng)車組用涂料與涂裝》等制定的涂膜抗石擊碎裂性試驗(yàn)方法,專門用于模擬實(shí)際運(yùn)行條件下砂石等對(duì)車體外表面涂膜的影響，這種損壞現(xiàn)象在200km/h以上的高速動(dòng)車組中表現(xiàn)非常明顯，而普通中低速鐵路客車中基本上可以忽略；而汽車行業(yè)的類似方法對(duì)鐵路車輛并不適用[3]。

3 抗石擊碎裂性試驗(yàn)

3.1 動(dòng)車組涂層體系抗石擊碎裂性試驗(yàn)原理

將一定數(shù)量的特定沖擊物從一定的高度以自由落體的方式作用于試板涂膜表面，對(duì)涂膜形成撞擊，以模擬鐵路車輛運(yùn)行過程中石砟硬物或其他粒子對(duì)車輛表面沖擊所造成的涂層碎裂或其他破壞，通過考查損壞情況對(duì)表面涂層抗石擊性能做出評(píng)價(jià)。

圖1為裝置原理圖試驗(yàn)過程為：（1）將涂膜試板固定到位試驗(yàn)的涂膜面向上放置；（2）將沖擊物放入進(jìn)料口，沖擊物將沿導(dǎo)向裝置落向試板涂膜表面。整個(gè)過程應(yīng)在30s內(nèi)完成；（3）取出試板，用毛刷清除脫落的碎片，再用粘膠帶粘貼涂膜表面,全面壓實(shí)后撕去膠帶，記錄結(jié)果并評(píng)級(jí)。對(duì)于低溫試驗(yàn)的試板，應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下狀態(tài)調(diào)節(jié)16h后再用粘膠帶進(jìn)行粘貼。試驗(yàn)中對(duì)沖擊物的要求見表2 。

圖1 抗石擊碎裂性試驗(yàn)裝置原理圖Fig.1 Schematic diagram of test device for resistance to rock fragmentation

表2 沖擊物要求Table 2 Requirements for impact objects

3.2 動(dòng)車組涂層體系抗石擊碎裂性評(píng)價(jià)方法

3.2.1 裝飾性涂層

沖擊完成后，用布基膠帶去除試板表面松脫的碎裂涂膜(應(yīng)從各個(gè)方向反復(fù)進(jìn)行粘貼，以全部去除已松動(dòng)的涂膜)，用放大鏡進(jìn)行觀察，對(duì)表面破損脫落處進(jìn)行計(jì)數(shù)(對(duì)表面僅凹陷、失光但無碎裂處不計(jì)數(shù))。按破損的數(shù)量進(jìn)行評(píng)級(jí)，并以字母代號(hào)表示破損的大小和位置。

（1）破損數(shù)量：根據(jù)實(shí)際測(cè)試面積區(qū)域內(nèi)涂膜碎裂破損的數(shù)量見表3。

表3 碎裂破損數(shù)量評(píng)級(jí)方法Table 3 Rating method for the number of fragmentation and damage

（2）破損大小：以字母符號(hào)來表示碎裂破損處的大小。由于破損通常為不規(guī)則形狀，因此應(yīng)取其最大處粒徑，見表4。

表4 破損大小評(píng)級(jí)方法Table 4 Damage size rating method

（3）破損層位置：以字母符號(hào)(或組合符號(hào))表示碎裂處涂層的損壞位置，見表5和表6。

表5 涂層字母符號(hào)表示方法Table 5 Coating letter symbol representation method

表6 碎裂層位置表示方法Table 6 Representation method of fractured layer position

（4）結(jié)果評(píng)價(jià)

表示方式為組合符號(hào)形式，即數(shù)量+大小+位置。例如統(tǒng)計(jì)結(jié)果為：小于或等于1 mm破損5處，大于1 mm但小于或等于3mm破損20處，大于3mm但小于或等于6mm有3處,損壞主要為膩?zhàn)訉觾?nèi)聚破壞，綜合表示為4MSL（F），根據(jù)需要也可以表示為2S-3M-1L（F）。

3.2.2 保護(hù)性涂層

沖擊完成后，使用布基膠帶去除試板表面松脫的碎裂涂層（應(yīng)從各個(gè)方向反復(fù)進(jìn)行粘貼，全部去除已碎裂松動(dòng)的涂層），對(duì)試板封底和封邊處理后按GB/T 1771的規(guī)定進(jìn)行24h中性鹽霧試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)后試板沖擊區(qū)域(立管投影面積內(nèi))銹蝕面積的比例按表7進(jìn)行等級(jí)評(píng)定，結(jié)果以0～5級(jí)表示。需要時(shí)可提供試驗(yàn)后試板的彩色照片[3]。

表7 破損面積評(píng)級(jí)方法Table 7 Rating method of damaged area

3.3 高速動(dòng)車組涂料各涂層體系抗石擊碎裂性性能及測(cè) 試要求

高速動(dòng)車組涂料各涂層體系抗石擊碎裂性測(cè)試要求見表8，在動(dòng)車組高速行駛過程中動(dòng)車組車體各個(gè)結(jié)構(gòu)有較大可能與外界物體出現(xiàn)碰撞，故而需要進(jìn)行抗石擊碎裂性試驗(yàn)測(cè)試，根據(jù)所在部位和物理性能的不同，有著不同的測(cè)試指標(biāo)要求，試驗(yàn)中的試驗(yàn)條件（沖擊物和溫度條件）需根據(jù)實(shí)際過程中可能遇到的情況來進(jìn)行適當(dāng)設(shè)定，這樣才能真實(shí)地反映出動(dòng)車組涂料體系在動(dòng)車組機(jī)車高速行駛過程中抗砂石等沖擊物的磨損破壞性能。

表8 動(dòng)車組涂料涂層體系抗石擊碎裂性測(cè)試要求Table 8 EMU paint coating system resistance to stone chipping test requirements

4 現(xiàn)狀

高速動(dòng)車組涂料各涂層體系抗石擊碎裂性現(xiàn)在雖然有相應(yīng)的測(cè)試要求和測(cè)試原理，但是市場(chǎng)上無相應(yīng)的穩(wěn)定的試驗(yàn)裝置，現(xiàn)有的裝置可能是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中參數(shù)要求簡易安裝或者是拼接的裝置，但是這類裝置在進(jìn)行試驗(yàn)過程中存在諸多不足和不穩(wěn)定性。

簡易裝置的弊端：一、簡易裝置由于試驗(yàn)高度5m的緣故，試驗(yàn)場(chǎng)所與裝置固定場(chǎng)所難于尋找，同時(shí)在試驗(yàn)中由于無依托建筑進(jìn)行固定，試驗(yàn)導(dǎo)管可能無法完全垂直，試驗(yàn)參數(shù)無法滿足進(jìn)而影響試驗(yàn)結(jié)果的可靠性；二、試驗(yàn)中需要試驗(yàn)人員在5m高臺(tái)處投入沖擊物，試驗(yàn)過程需要多人同時(shí)操作才可以完成，過于繁瑣；三、標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)定的試驗(yàn)參數(shù)除常溫條件外，還需要在低溫條件（ -40±3）℃下進(jìn)行試驗(yàn)，并且要求在取出樣板30s內(nèi)完成試驗(yàn)，這些工作假如要完成，除了需要較大的試驗(yàn)場(chǎng)所、配備超低溫箱，還需要多人快速協(xié)調(diào)完成才能保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確與可靠，現(xiàn)實(shí)中很難做得到；四、人力控制試驗(yàn)導(dǎo)管無法保證試驗(yàn)過程各部件穩(wěn)定沖擊區(qū)域會(huì)出現(xiàn)散亂不集中等問題。

廣州合成材料研究院有限公司研發(fā)了一臺(tái)抗石擊碎裂性自動(dòng)測(cè)試儀如見圖2，裝置處在獨(dú)立穩(wěn)定的環(huán)境中，該裝置可在試驗(yàn)人員放置好試驗(yàn)樣板投放沖擊物后通過操作面板即可進(jìn)行試驗(yàn)，操作簡便，同時(shí)可靠性高。同時(shí)該設(shè)備還可在低溫條件下進(jìn)行抗石擊碎裂性試驗(yàn)，可全面滿足標(biāo)準(zhǔn)中的測(cè)試要求。現(xiàn)已申請(qǐng)實(shí)用新型專利，申請(qǐng)?zhí)枮?02121171864.1。

圖2 抗石擊碎裂性裝置圖Fig.2 Anti-rock chipping device diagram

抗石擊碎裂性自動(dòng)測(cè)試裝置與標(biāo)準(zhǔn)中簡易裝置相比較，試驗(yàn)更加穩(wěn)定，可在多個(gè)試驗(yàn)條件下進(jìn)行試驗(yàn)，在進(jìn)行抗石擊碎裂性試驗(yàn)試驗(yàn)中沖擊區(qū)域更加集中，便于更好的判斷，見圖3與圖4。

圖3 簡易裝置抗石擊碎裂性試驗(yàn)后 Fig.3 After the test of stone crush resistance of the

圖4 自動(dòng)裝置抗石擊碎裂性試驗(yàn)后 Fig.4 After the stone crush resistance test of the automatic de

5 結(jié)語

高速動(dòng)車組涂料抗石擊碎裂性是結(jié)合高速動(dòng)車組涂料實(shí)際應(yīng)用環(huán)境條件設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法，可真實(shí)反映出涂料在動(dòng)車組高速行駛過程中耐沖擊物磨損性能。此外，抗石擊碎裂性試驗(yàn)可以與耐人工氣候老化、耐高低溫循環(huán)、鹽霧老化試驗(yàn)結(jié)合進(jìn)行試驗(yàn)，在高速動(dòng)車組涂料進(jìn)行老化過程中分階段進(jìn)行抗石擊碎裂性試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)和總結(jié)在經(jīng)過老化試驗(yàn)及耐高低溫循環(huán)試驗(yàn)后高速動(dòng)車組涂料特殊性能的變化以及保持率，通過特殊性能的試驗(yàn)結(jié)果來表征高速動(dòng)車組涂料抗老化性能，也可以通過其他輔助檢測(cè)技術(shù)，如紅外光譜等更深入研究老化過程中高速動(dòng)車組涂層微觀變化，與抗石擊碎裂性能變化相結(jié)合，研究抗石擊碎裂性能影響因素與變化規(guī)律。