鐵道車輛抗石擊性能的試驗范文

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1涂層抗石擊性能試驗方法

對樣板涂層抗石擊性能試驗，是在模擬車輛運行狀態等條件下，利用硬物擊打涂層表面，通過測定和分析涂層的破壞程度與形式，來評定涂膜的抗石擊性能。具體做法是，使用特定的設備，在規定的時間內，將沖擊粒子（卵石、鐵丸、螺絲帽或其他等硬物）以一定的角度噴射或投射到涂層試板上，之后，去除樣板上碎裂松動的涂膜，按照標準對涂層的損壞情況做出評價。

1.1國外汽車行業相關標準目前，國外汽車行業制定的石擊試驗方法相關標準被汽車廠和涂料生產廠廣泛采用，如國際標準化組織的ISO20567-1：2007《涂料和清漆涂層的耐石片劃痕的測定第1部分：多次沖擊試驗》、德國工業標準DIN55996-1：2001《涂層材料的碎石沖擊強度檢驗第1部分：多重沖擊試驗》、美國汽車工程師協會的SAEJ400：2002《汽車表面涂層的抗石擊碎裂性測試》、美國材料實驗協會的ASTMD3170：2012《涂層抗石擊碎裂性試驗方法》、日本汽車協會的JASOM306：1988《車底涂層》和JASOM104：1986《汽車制動管試驗方法》等。這些標準可以劃分為DIN和SAE這2個標準體系，多數汽車公司的企業標準也主要是由這2個體系的標準衍生而來。DIN和SAE的涂層抗石擊性能標準在設備上有相近之處，二者都采用氣壓式噴丸（粒）沖擊試驗法，只是設備的具體尺寸規格、空氣壓力、噴射角和沖擊粒子材料的種類、數量有所不同。這2個標準體系在試驗前后對樣板的處理方式和評價方法不一樣。ISO20567-1：2007來源于DIN55996-1：2001，在歐洲被廣泛采用，多家汽車公司均引用或參照此標準建立了自己的檢測體系，如大眾公司、標致-雪鐵龍、福特公司和雷諾公司等，我國的奇瑞汽車和吉利公司也據此建立了自己的檢測體系。SAEJ400：2002與ASTMD3170：2012基本相同，多被美國的汽車公司采用，如通用汽車公司。日系汽車公司采用的涂層抗石擊試驗方法大體上與之相似。

1.2國外鐵道行業相關標準鐵道車輛涂層抗石擊試驗方法標準有法國的NFF19-201：2010《鐵路運輸車輛涂漆產品一般規定檢驗和試驗方法》和歐洲標準EN13261：2009《軌道交通-輪對和轉向架-車軸-產品要求》。這2個標準均在附錄D中規定了涂層抗石擊性能的具體試驗方法，試驗設備也完全相同，只是沖擊粒子和評價方法不同，是專門應用于高速列車表面涂層抗石擊試驗方法。NF的試驗方法有別于汽車行業，采用自由落體原理，從5m的高度用螺絲帽沖擊涂漆樣板，也被稱為落砂式試驗方法。

1.3國外相關標準基本要求DIN，SAE和NF石擊試驗方法基本參數和要求見表1。

2鐵道車輛涂層特點

與汽車不同，鐵路常速車輛車體是用低合金鋼焊接而成，近似為3m×3m×25m的長方體，主體為框架結構，蒙皮鋼板厚度約3mm；高速鐵路動車組車體多由中空鋁合金擠壓型材焊接而成，表層鋁合金材料厚度一般在5mm以上。通常情況下車輛車體外表面涂層由底漆、膩子、中間漆和面層涂料組成，對裝飾性有較高要求。由于焊接會引起表面變形或產生缺陷，為保證車體側墻的平整度，生產中大量使用膩子找平，最大厚度一般可達1mm甚至更多，這也是鐵道車輛與汽車涂層最大的差別。車體下部的轉向架構架一般由超過10mm厚的鋼板焊接而成，采用防銹底漆加面漆組成保護性涂層，涂層厚度通常為200~300μm。車頭等特殊形狀部位也有采用纖維增強顏料（玻璃鋼）做外殼的，表面同樣使用涂料進行裝飾。新造客車、機車或動車組所用涂料的數量較大，單車可達0.5~1t（不包括車體內側和底面的阻尼涂料），材料成本在5~10萬元。在涂料品種方面，車體的底漆多為雙組份環氧漆，膩子通常為不飽和聚脂類材料，中涂和面漆為聚氨酯，面層多數為色漆，部分車輛使用底色漆+罩光清漆；轉向架構架多為環氧底漆和環氧面漆配套使用。鐵道車輛的涂料施工方式一般為高壓無氣或空氣噴涂，只有小型零部件可能采用浸涂或粉末涂裝。由于鐵道車輛結構相對較大，無法應用汽車涂料的高溫干燥方式，實際現場多采用整車低溫烘烤，最高溫度為50~70℃。動車組車輛速度較高，隨著運用時間的延長，石擊損壞的現象趨于嚴重，對裝飾性和保護性均構成威脅。例如，經過一段時間運行后，高速動車組車頭前部清障器部位損壞嚴重；CRH380動車組轉向架構架及底部設備局部涂層嚴重破壞，出現類似于打砂的表面；有些CRH2型動車組側面門窗或風檔的邊緣處表面藍色的漆膜基本消失，露出底面的白色涂層、膩子層甚至鋁合金基體。

3鐵道車輛表面涂層抗石擊試驗方法

3.1運行速度與涂層損傷的關系根據大量現場觀察和統計分析，當列車運行速度在140km/h以下時，車上涂層基本良好；當列車運行速度達到160km/h時，石擊現象開始出現；當列車運行速度達到200km/h及以上時，車頭區域下部涂層的損壞非常明顯。通常情況下，車體下部受石擊損壞的程度比較嚴重，上部要輕許多。若通過室內試驗模擬列車涂層的各種損壞情況難度較大，有必要借鑒汽車行業的試驗方法。

3.2試驗參數石擊試驗方法中主要的可變參數有沖擊速度（空氣壓力或下落高度）和角度、沖擊粒子類型和數量、試驗溫度等。理論上沖擊物速度越快，沖擊能越大，破壞越嚴重；沖擊角度用于模擬不同部位的受擊打過程；沖擊物的尖銳程度和密度代表飛石物類型；試驗溫度用于模擬車輛的實際工況。

3.3國外標準的借鑒意義通過按照SAE和DIN標準對各種配套涂膜樣板的測試發現，可能是因為車體下部的轉向架構架涂膜與汽車相近，上述方法與現場的涂膜損壞情形有一定的相關性。相比之下，SAE的方法更好些，這也許與SAE選擇粒徑為9.5~16mm鵝卵石、模擬沖擊速度約為100km/h的試驗條件相關。但這2種方法對動車組車體外側的裝飾性涂層很難形成對照，大概是由于這類涂裝體系中大量使用了填充膩子。因此，按照汽車行業的標準進行石擊試驗對鐵道車輛外表面的裝飾涂層并不完全適用。NF標準采用落砂式石擊試驗裝置，沖擊粒子為高強度鋼制造的HM8螺絲帽，高度為5m。在不考慮空氣阻力的情況下，根據物理學中勢能的計算公式mgh=12mV2，物體自5m高度自由下落時對樣板的沖擊速度約為10m/s，即36km/h。從測試情況看，對于無膩子層的涂膜，破損涂膜的外觀與采用DIN方法的試驗結果相近，可能是因為試驗時這2種方法所用沖擊粒子都有棱角；但對有膩子層的裝飾性涂膜結果仍不理想，與車輛的實際沖擊情形有較大差別。EN13261：2009將這種方法用于車輛空心軸表面的保護性涂層的試驗。

3.4動車組表面涂層石擊試驗方法建議根據上述試驗結果，為了尋求適用于鐵道車輛表面涂層的石擊試驗方法，通過對上述標準方法的分析比較，采用不同類型的沖擊粒子進行試驗，測試多種涂料涂裝系和配套涂膜，最后確定使用不帶棱角的鵝卵石做為沖擊物。通過反復試驗，根據標準制定原則，提出以下適用于動車組表面涂層的石擊試驗方法。（1）選用不同的測試裝置以適應車體外側裝飾性涂層和轉向架構架涂膜：車體下部涂膜試驗利用氣壓式石擊試驗裝置，選用SAE方法；車體上部涂膜試驗利用落砂式石擊試驗裝置，即NF標準。圖2為落砂式石擊試驗裝置結構。（2）沖擊粒子：選用統一粒徑的鵝卵石，規定數量為1kg或1L。（3）試驗溫度：室溫和低溫（-30℃或-40℃）。（4）試驗后樣板的處理方式：布基膠帶粘貼，去除所有松動涂膜。（5）確定評級方法和結果表示形式：破損數量、碎裂大小和失效位置等。在與動車組車輛制造廠和涂料生產廠充分交流的基礎上，經多次試驗和反復修改，形成了《鐵路機車車輛表面涂層抗石擊碎裂性試驗方法》標準初稿，目前已有部分單位開始作為企業標準試行。根據這一標準方法對多種涂料涂裝系制成的樣板進行測試，無論是否含有膩子層，由于采用2種試驗設備，涂膜損壞情況均比較接近實際車輛的狀態。當然由于動車組的運用工況極為復雜，要達到完全模擬的程度還需要大量的實踐經驗驗證，目前只完成了初步工作，具備了測試現用涂料及涂裝系抗石擊性能的平臺。經過分析和對比測試數據，認為涂裝系各層涂膜性能之間的配合相當重要，采用上述方法可對機車車輛用涂料及涂裝系進行初步篩選、測試和研究，通過選用硬度搭配合理的底、中、面涂層，改善涂層的抗石擊碎裂性能，延緩涂膜老化過程，有助于改善動車組各部位涂料涂膜的保護和裝飾性能。

4結語

涂層抗石擊試驗對高速動車組有重要意義，鐵道車輛專用的表面涂層抗石擊試驗方法已經開始試用，對改善實際車輛涂層的耐久性和保護性將起到積極作用。

作者：楊松柏趙民張寶祥單位：中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所南車青島四方機車車輛股份有限公司唐山軌道客車有限責任公司