軌道交通涂層抗石擊碎裂性檢測的探討

范 星，李 欣，彭金墩，李 標，袁昌浩

（廣州合成材料研究院有限公司，廣東 廣州 510665）

近年來，隨著經濟的快速發展和人民生活水平的不斷提高，軌道交通發展飛速且已成為未來幾年我國基礎設施建設投資的重點領域。根據鐵道部《中長期鐵路網規劃》,將在未來幾年投入數萬億資金用于鐵路及裝備建設，包括2萬多公里新的鐵路網和7000多公里高速鐵路網。城際鐵路、地鐵、輕軌也都在蓬勃發展[1]。2018年全國鐵路機車擁有量為2.1萬臺，全國鐵路客車擁有量為7.2萬輛，貨車擁有量為83.0萬輛，內燃機車在減少，電動機車在增加。各種機車復合增長率為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用，2015年機車客車開始采用水性涂料體系。目前我國鐵路貨車成功應用水性工業涂料涂裝有15000多輛。目前水性涂料涂裝體系比例還比較低。

1 高速動車組涂料功能與各涂層體系

高速動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。功能性側重對基材的防護和功能性,這對全車各部位幾乎同等重要,當然,由于工況不同具體性能要求也存在差別。裝飾性則強調外觀，主要涉及旅客人眼可及的表面。高速動車組采用的涂料涂層體系大致分為內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]。

續表1

2 高速動車組涂料涂層抗石擊碎裂性試 驗需求

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

3 抗石擊碎裂性試驗

3.1 動車組涂層體系抗石擊碎裂性試驗原理

將一定數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，對涂膜形成撞擊，以模擬鐵路車輛運行過程中石砟硬物或其他粒子對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表面涂層抗石擊性能做出評價。

圖1為裝置原理圖試驗過程為：（1）將涂膜試板固定到位試驗的涂膜面向上放置；（2）將沖擊物放入進料口，沖擊物將沿導向裝置落向試板涂膜表面。整個過程應在30s內完成；（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,全面壓實后撕去膠帶，記錄結果并評級。對于低溫試驗的試板，應在標準環境條件下狀態調節16h后再用粘膠帶進行粘貼。試驗中對沖擊物的要求見表2 。

圖1 抗石擊碎裂性試驗裝置原理圖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 動車組涂層體系抗石擊碎裂性評價方法

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(應從各個方向反復進行粘貼，以全部去除已松動的涂膜)，用放大鏡進行觀察，對表面破損脫落處進行計數(對表面僅凹陷、失光但無碎裂處不計數)。按破損的數量進行評級，并以字母代號表示破損的大小和位置。

（1）破損數量：根據實際測試面積區域內涂膜碎裂破損的數量見表3。

表3 碎裂破損數量評級方法Table 3 Rating method for the number of fragmentation and damage

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

表4 破損大小評級方法Table 4 Damage size rating method

（3）破損層位置：以字母符號(或組合符號)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）結果評價

表示方式為組合符號形式，即數量+大小+位置。例如統計結果為：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,損壞主要為膩子層內聚破壞，綜合表示為4MSL（F），根據需要也可以表示為2S-3M-1L（F）。

3.2.2 保護性涂層

沖擊完成后，使用布基膠帶去除試板表面松脫的碎裂涂層（應從各個方向反復進行粘貼，全部去除已碎裂松動的涂層），對試板封底和封邊處理后按GB/T 1771的規定進行24h中性鹽霧試驗。根據試驗后試板沖擊區域(立管投影面積內)銹蝕面積的比例按表7進行等級評定，結果以0～5級表示。需要時可提供試驗后試板的彩色照片[3]。

表7 破損面積評級方法Table 7 Rating method of damaged area

3.3 高速動車組涂料各涂層體系抗石擊碎裂性性能及測 試要求

高速動車組涂料各涂層體系抗石擊碎裂性測試要求見表8，在動車組高速行駛過程中動車組車體各個結構有較大可能與外界物體出現碰撞，故而需要進行抗石擊碎裂性試驗測試，根據所在部位和物理性能的不同，有著不同的測試指標要求，試驗中的試驗條件（沖擊物和溫度條件）需根據實際過程中可能遇到的情況來進行適當設定，這樣才能真實地反映出動車組涂料體系在動車組機車高速行駛過程中抗砂石等沖擊物的磨損破壞性能。

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

4 現狀

高速動車組涂料各涂層體系抗石擊碎裂性現在雖然有相應的測試要求和測試原理，但是市場上無相應的穩定的試驗裝置，現有的裝置可能是根據標準中參數要求簡易安裝或者是拼接的裝置，但是這類裝置在進行試驗過程中存在諸多不足和不穩定性。

簡易裝置的弊端：一、簡易裝置由于試驗高度5m的緣故，試驗場所與裝置固定場所難于尋找，同時在試驗中由于無依托建筑進行固定，試驗導管可能無法完全垂直，試驗參數無法滿足進而影響試驗結果的可靠性；二、試驗中需要試驗人員在5m高臺處投入沖擊物，試驗過程需要多人同時操作才可以完成，過于繁瑣；三、標準中設定的試驗參數除常溫條件外，還需要在低溫條件（ -40±3）℃下進行試驗，并且要求在取出樣板30s內完成試驗，這些工作假如要完成，除了需要較大的試驗場所、配備超低溫箱，還需要多人快速協調完成才能保證試驗結果的準確與可靠，現實中很難做得到；四、人力控制試驗導管無法保證試驗過程各部件穩定沖擊區域會出現散亂不集中等問題。

廣州合成材料研究院有限公司研發了一臺抗石擊碎裂性自動測試儀如見圖2，裝置處在獨立穩定的環境中，該裝置可在試驗人員放置好試驗樣板投放沖擊物后通過操作面板即可進行試驗，操作簡便，同時可靠性高。同時該設備還可在低溫條件下進行抗石擊碎裂性試驗，可全面滿足標準中的測試要求。現已申請實用新型專利，申請號為202121171864.1。

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

抗石擊碎裂性自動測試裝置與標準中簡易裝置相比較，試驗更加穩定，可在多個試驗條件下進行試驗，在進行抗石擊碎裂性試驗試驗中沖擊區域更加集中，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后 Fig.3 After the test of stone crush resistance of the

圖4 自動裝置抗石擊碎裂性試驗后 Fig.4 After the stone crush resistance test of the automatic de

5 結語

高速動車組涂料抗石擊碎裂性是結合高速動車組涂料實際應用環境條件設計的試驗方法，可真實反映出涂料在動車組高速行駛過程中耐沖擊物磨損性能。此外，抗石擊碎裂性試驗可以與耐人工氣候老化、耐高低溫循環、鹽霧老化試驗結合進行試驗，在高速動車組涂料進行老化過程中分階段進行抗石擊碎裂性試驗，以評價和總結在經過老化試驗及耐高低溫循環試驗后高速動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結果來表征高速動車組涂料抗老化性能，也可以通過其他輔助檢測技術，如紅外光譜等更深入研究老化過程中高速動車組涂層微觀變化，與抗石擊碎裂性能變化相結合，研究抗石擊碎裂性能影響因素與變化規律。