【铁道标准设计杂志】铁道车辆抗石击性能的试验

  本文关键词：铁道标准设计杂志，由笔耕文化传播整理发布。

1涂层抗石击性能试验方法

对样板涂层抗石击性能试验，是在模拟车辆运行状态等条件下，利用硬物击打涂层表面，通过测定和分析涂层的破坏程度与形式，来评定涂膜的抗石击性能。具体做法是，使用特定的设备，在规定的时间内，将冲击粒子（卵石、铁丸、螺丝帽或其他等硬物）以一定的角度喷射或投射到涂层试板上，之后，去除样板上碎裂松动的涂膜，按照标准对涂层的损坏情况做出评价。

1.1国外汽车行业相关标准目前，国外汽车行业制定的石击试验方法相关标准被汽车厂和涂料生产厂广泛采用，如国际标准化组织的ISO20567-1：2007《涂料和清漆涂层的耐石片划痕的测定第1部分：多次冲击试验》、德国工业标准DIN55996-1：2001《涂层材料的碎石冲击强度检验第1部分：多重冲击试验》、美国汽车工程师协会的SAEJ400：2002《汽车表面涂层的抗石击碎裂性测试》、美国材料实验协会的ASTMD3170：2012《涂层抗石击碎裂性试验方法》、日本汽车协会的JASOM306：1988《车底涂层》和JASOM104：1986《汽车制动管试验方法》等。这些标准可以划分为DIN和SAE这2个标准体系，多数汽车公司的企业标准也主要是由这2个体系的标准衍生而来。DIN和SAE的涂层抗石击性能标准在设备上有相近之处，二者都采用气压式喷丸（粒）冲击试验法，只是设备的具体尺寸规格、空气压力、喷射角和冲击粒子材料的种类、数量有所不同。这2个标准体系在试验前后对样板的处理方式和评价方法不一样。ISO20567-1：2007来源于DIN55996-1：2001，在欧洲被广泛采用，多家汽车公司均引用或参照此标准建立了自己的检测体系，如大众公司、标致-雪铁龙、福特公司和雷诺公司等，我国的奇瑞汽车和吉利公司也据此建立了自己的检测体系。SAEJ400：2002与ASTMD3170：2012基本相同，多被美国的汽车公司采用，如通用汽车公司。日系汽车公司采用的涂层抗石击试验方法大体上与之相似。

1.2国外铁道行业相关标准铁道车辆涂层抗石击试验方法标准有法国的NFF19-201：2010《铁路运输车辆涂漆产品一般规定检验和试验方法》和欧洲标准EN13261：2009《轨道交通-轮对和转向架-车轴-产品要求》。这2个标准均在附录D中规定了涂层抗石击性能的具体试验方法，试验设备也完全相同，只是冲击粒子和评价方法不同，是专门应用于高速列车表面涂层抗石击试验方法。NF的试验方法有别于汽车行业，采用自由落体原理，从5m的高度用螺丝帽冲击涂漆样板，也被称为落砂式试验方法。

1.3国外相关标准基本要求DIN，SAE和NF石击试验方法基本参数和要求见表1。

2铁道车辆涂层特点

与汽车不同，铁路常速车辆车体是用低合金钢焊接而成，近似为3m×3m×25m的长方体，主体为框架结构，蒙皮钢板厚度约3mm；高速铁路动车组车体多由中空铝合金挤压型材焊接而成，表层铝合金材料厚度一般在5mm以上。通常情况下车辆车体外表面涂层由底漆、腻子、中间漆和面层涂料组成，对装饰性有较高要求。由于焊接会引起表面变形或产生缺陷，为保证车体侧墙的平整度，生产中大量使用腻子找平，最大厚度一般可达1mm甚至更多，这也是铁道车辆与汽车涂层最大的差别。车体下部的转向架构架一般由超过10mm厚的钢板焊接而成，采用防锈底漆加面漆组成保护性涂层，涂层厚度通常为200~300μm。车头等特殊形状部位也有采用纤维增强颜料（玻璃钢）做外壳的，表面同样使用涂料进行装饰。新造客车、机车或动车组所用涂料的数量较大，单车可达0.5~1t（不包括车体内侧和底面的阻尼涂料），材料成本在5~10万元。在涂料品种方面，车体的底漆多为双组份环氧漆，腻子通常为不饱和聚脂类材料，，中涂和面漆为聚氨酯，面层多数为色漆，部分车辆使用底色漆+罩光清漆；转向架构架多为环氧底漆和环氧面漆配套使用。铁道车辆的涂料施工方式一般为高压无气或空气喷涂，只有小型零部件可能采用浸涂或粉末涂装。由于铁道车辆结构相对较大，无法应用汽车涂料的高温干燥方式，实际现场多采用整车低温烘烤，最高温度为50~70℃。动车组车辆速度较高，随着运用时间的延长，石击损坏的现象趋于严重，对装饰性和保护性均构成威胁。例如，经过一段时间运行后，高速动车组车头前部清障器部位损坏严重；CRH380动车组转向架构架及底部设备局部涂层严重破坏，出现类似于打砂的表面；有些CRH2型动车组侧面门窗或风档的边缘处表面蓝色的漆膜基本消失，露出底面的白色涂层、腻子层甚至铝合金基体。

3铁道车辆表面涂层抗石击试验方法

3.1运行速度与涂层损伤的关系根据大量现场观察和统计分析，当列车运行速度在140km/h以下时，车上涂层基本良好；当列车运行速度达到160km/h时，石击现象开始出现；当列车运行速度达到200km/h及以上时，车头区域下部涂层的损坏非常明显。通常情况下，车体下部受石击损坏的程度比较严重，上部要轻许多。若通过室内试验模拟列车涂层的各种损坏情况难度较大，有必要借鉴汽车行业的试验方法。

3.2试验参数石击试验方法中主要的可变参数有冲击速度（空气压力或下落高度）和角度、冲击粒子类型和数量、试验温度等。理论上冲击物速度越快，冲击能越大，破坏越严重；冲击角度用于模拟不同部位的受击打过程；冲击物的尖锐程度和密度代表飞石物类型；试验温度用于模拟车辆的实际工况。

3.3国外标准的借鉴意义通过按照SAE和DIN标准对各种配套涂膜样板的测试发现，可能是因为车体下部的转向架构架涂膜与汽车相近，上述方法与现场的涂膜损坏情形有一定的相关性。相比之下，SAE的方法更好些，这也许与SAE选择粒径为9.5~16mm鹅卵石、模拟冲击速度约为100km/h的试验条件相关。但这2种方法对动车组车体外侧的装饰性涂层很难形成对照，大概是由于这类涂装体系中大量使用了填充腻子。因此，按照汽车行业的标准进行石击试验对铁道车辆外表面的装饰涂层并不完全适用。NF标准采用落砂式石击试验装置，冲击粒子为高强度钢制造的HM8螺丝帽，高度为5m。在不考虑空气阻力的情况下，根据物理学中势能的计算公式mgh=12mV2，物体自5m高度自由下落时对样板的冲击速度约为10m/s，即36km/h。从测试情况看，对于无腻子层的涂膜，破损涂膜的外观与采用DIN方法的试验结果相近，可能是因为试验时这2种方法所用冲击粒子都有棱角；但对有腻子层的装饰性涂膜结果仍不理想，与车辆的实际冲击情形有较大差别。EN13261：2009将这种方法用于车辆空心轴表面的保护性涂层的试验。

3.4动车组表面涂层石击试验方法建议根据上述试验结果，为了寻求适用于铁道车辆表面涂层的石击试验方法，通过对上述标准方法的分析比较，采用不同类型的冲击粒子进行试验，测试多种涂料涂装系和配套涂膜，最后确定使用不带棱角的鹅卵石做为冲击物。通过反复试验，根据标准制定原则，提出以下适用于动车组表面涂层的石击试验方法。（1）选用不同的测试装置以适应车体外侧装饰性涂层和转向架构架涂膜：车体下部涂膜试验利用气压式石击试验装置，选用SAE方法；车体上部涂膜试验利用落砂式石击试验装置，即NF标准。图2为落砂式石击试验装置结构。（2）冲击粒子：选用统一粒径的鹅卵石，规定数量为1kg或1L。（3）试验温度：室温和低温（-30℃或-40℃）。（4）试验后样板的处理方式：布基胶带粘贴，去除所有松动涂膜。（5）确定评级方法和结果表示形式：破损数量、碎裂大小和失效位置等。在与动车组车辆制造厂和涂料生产厂充分交流的基础上，经多次试验和反复修改，形成了《铁路机车车辆表面涂层抗石击碎裂性试验方法》标准初稿，目前已有部分单位开始作为企业标准试行。根据这一标准方法对多种涂料涂装系制成的样板进行测试，无论是否含有腻子层，由于采用2种试验设备，涂膜损坏情况均比较接近实际车辆的状态。当然由于动车组的运用工况极为复杂，要达到完全模拟的程度还需要大量的实践经验验证，目前只完成了初步工作，具备了测试现用涂料及涂装系抗石击性能的平台。经过分析和对比测试数据，认为涂装系各层涂膜性能之间的配合相当重要，采用上述方法可对机车车辆用涂料及涂装系进行初步筛选、测试和研究，通过选用硬度搭配合理的底、中、面涂层，改善涂层的抗石击碎裂性能，延缓涂膜老化过程，有助于改善动车组各部位涂料涂膜的保护和装饰性能。

4结语

涂层抗石击试验对高速动车组有重要意义，铁道车辆专用的表面涂层抗石击试验方法已经开始试用，对改善实际车辆涂层的耐久性和保护性将起到积极作用。

作者：杨松柏赵民张宝祥单位：中国铁道科学研究院金属及化学研究所南车青岛四方机车车辆股份有限公司唐山轨道客车有限责任公司

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