鐵道車輛抗石擊性能的試驗(yàn)-碎石沖擊試驗(yàn)機(jī)

1涂層抗石擊性能試驗(yàn)方法

對(duì)樣板涂層抗石擊性能試驗(yàn)，是在模擬車輛運(yùn)行狀態(tài)等條件下，利用硬物擊打涂層表面，通過測(cè)定和分析涂層的破壞程度與形式，來評(píng)定涂膜的抗石擊性能。具體做法是，使用特定的設(shè)備，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，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(dòng)的涂膜，按照標(biāo)準(zhǔn)對(duì)涂層的損壞情況做出評(píng)價(jià)。

1.1國外汽車行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)目前，國外汽車行業(yè)制定的石擊試驗(yàn)方法相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)被汽車廠和涂料生產(chǎn)廠廣泛采用，如標(biāo)準(zhǔn)化組織的ISO20567-1：2007《涂料和清漆涂層的耐石片劃痕的測(cè)定第1部分：多次沖擊試驗(yàn)》、德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN55996-1：2001《涂層材料的碎石沖擊強(qiáng)度檢驗(yàn)第1部分：多重沖擊試驗(yàn)》、美國汽車工程師協(xié)會(huì)的SAEJ400：2002《汽車表面涂層的抗石擊碎裂性測(cè)試》、美國材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)的ASTMD3170：2012《涂層抗石擊碎裂性試驗(yàn)方法》、日本汽車協(xié)會(huì)的JASOM306：1988《車底涂層》和JASOM104：1986《汽車制動(dòng)管試驗(yàn)方法》等。這些標(biāo)準(zhǔn)可以劃分為DIN和SAE這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系，多數(shù)汽車公司的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)也主要是由這2個(gè)體系的標(biāo)準(zhǔn)衍生而來。DIN和SAE的涂層抗石擊性能標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)備上有相近之處，二者都采用氣壓式噴丸（粒）沖擊試驗(yàn)法，只是設(shè)備的具體尺寸規(guī)格、空氣壓力、噴射角和沖擊粒子材料的種類、數(shù)量有所不同。這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系在試驗(yàn)前后對(duì)樣板的處理方式和評(píng)價(jià)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(biāo)準(zhǔn)建立了自己的檢測(cè)體系，如大眾公司、標(biāo)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(jù)此建立了自己的檢測(cè)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(yàn)方法大體上與之相似。

1.2國外鐵道行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)鐵道車輛涂層抗石擊試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)有法國的NFF19-201：2010《鐵路運(yùn)輸車輛涂漆產(chǎn)品一般規(guī)定檢驗(yàn)和試驗(yàn)方法》和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN13261：2009《軌道交通-輪對(duì)和轉(zhuǎn)向架-車軸-產(chǎn)品要求》。這2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)均在附錄D中規(guī)定了涂層抗石擊性能的具體試驗(yàn)方法，試驗(yàn)設(shè)備也*相同，只是沖擊粒子和評(píng)價(jià)方法不同，是專門應(yīng)用于高速列車表面涂層抗石擊試驗(yàn)方法。NF的試驗(yàn)方法有別于汽車行業(yè)，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(yàn)方法。

1.3國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)基本要求DIN，SAE和NF石擊試驗(yàn)方法基本參數(shù)和要求見表1。

2鐵道車輛涂層特點(diǎn)-鐵道車輛抗石擊性能的試驗(yàn)-碎石沖擊試驗(yàn)機(jī)

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(jié)構(gòu)，蒙皮鋼板厚度約3mm；高速鐵路動(dòng)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?zhàn)印⒅虚g漆和面層涂料組成，對(duì)裝飾性有較高要求。由于焊接會(huì)引起表面變形或產(chǎn)生缺陷，為保證車體側(cè)墻的平整度，生產(chǎn)中大量使用膩?zhàn)诱移?，zui大厚度一般可達(dá)1mm甚至更多，這也是鐵道車輛與汽車涂層zui大的差別。車體下部的轉(zhuǎn)向架構(gòu)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(hù)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(qiáng)顏料（玻璃鋼）做外殼的，表面同樣使用涂料進(jìn)行裝飾。新造客車、機(jī)車或動(dòng)車組所用涂料的數(shù)量較大，單車可達(dá)0.5~1t（不包括車體內(nèi)側(cè)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(huán)氧漆，膩?zhàn)油ǔ椴伙柡途壑惒牧?，中涂和面漆為聚氨酯，面層多?shù)為色漆，部分車輛使用底色漆+罩光清漆；轉(zhuǎn)向架構(gòu)架多為環(huán)氧底漆和環(huán)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(jié)構(gòu)相對(duì)較大，無法應(yīng)用汽車涂料的高溫干燥方式，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)多采用整車低溫烘烤，zui高溫度為50~70℃。動(dòng)車組車輛速度較高，隨著運(yùn)用時(shí)間的延長，石擊損壞的現(xiàn)象趨于嚴(yán)重，對(duì)裝飾性和保護(hù)性均構(gòu)成威脅。例如，經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后，高速動(dòng)車組車頭前部清障器部位損壞嚴(yán)重；CRH380動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架構(gòu)架及底部設(shè)備局部涂層嚴(yán)重破壞，出現(xiàn)類似于打砂的表面；有些CRH2型動(dòng)車組側(cè)面門窗或風(fēng)檔的邊緣處表面藍(lán)色的漆膜基本消失，露出底面的白色涂層、膩?zhàn)訉由踔龄X合金基體。

3鐵道車輛表面涂層抗石擊試驗(yàn)方法-碎石沖擊試驗(yàn)機(jī)

3.1運(yùn)行速度與涂層損傷的關(guān)系根據(jù)大量現(xiàn)場(chǎng)觀察和統(tǒng)計(jì)分析，當(dāng)列車運(yùn)行速度在140km/h以下時(shí)，車上涂層基本良好；當(dāng)列車運(yùn)行速度達(dá)到160km/h時(shí)，石擊現(xiàn)象開始出現(xiàn)；當(dāng)列車運(yùn)行速度達(dá)到200km/h及以上時(shí)，車頭區(qū)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(yán)重，上部要輕許多。若通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M列車涂層的各種損壞情況難度較大，有必要借鑒汽車行業(yè)的試驗(yàn)方法。

3.2試驗(yàn)參數(shù)石擊試驗(yàn)方法中主要的可變參數(shù)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(shù)量、試驗(yàn)溫度等。理論上沖擊物速度越快，沖擊能越大，破壞越嚴(yán)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(yàn)溫度用于模擬車輛的實(shí)際工況。

3.3國外標(biāo)準(zhǔn)的借鑒意義通過按照SAE和DIN標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各種配套涂膜樣板的測(cè)試發(fā)現(xiàn)，可能是因?yàn)檐圀w下部的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架涂膜與汽車相近，上述方法與現(xiàn)場(chǎng)的涂膜損壞情形有一定的相關(guān)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(yàn)條件相關(guān)。但這2種方法對(duì)動(dòng)車組車體外側(cè)的裝飾性涂層很難形成對(duì)照，大概是由于這類涂裝體系中大量使用了填充膩?zhàn)?。因此，按照汽車行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行石擊試驗(yàn)對(duì)鐵道車輛外表面的裝飾涂層并不*適用。NF標(biāo)準(zhǔn)采用落砂式石擊試驗(yàn)裝置，沖擊粒子為高強(qiáng)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(jù)物理學(xué)中勢(shì)能的計(jì)算公式mgh=12mV2，物體自5m高度自由下落時(shí)對(duì)樣板的沖擊速度約為10m/s，即36km/h。從測(cè)試情況看，對(duì)于無膩?zhàn)訉拥耐磕ぃ茡p涂膜的外觀與采用DIN方法的試驗(yàn)結(jié)果相近，可能是因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)這2種方法所用沖擊粒子都有棱角；但對(duì)有膩?zhàn)訉拥难b飾性涂膜結(jié)果仍不理想，與車輛的實(shí)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(hù)性涂層的試驗(yàn)。

3.4動(dòng)車組表面涂層石擊試驗(yàn)方法建議根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，為了尋求適用于鐵道車輛表面涂層的石擊試驗(yàn)方法，通過對(duì)上述標(biāo)準(zhǔn)方法的分析比較，采用不同類型的沖擊粒子進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試多種涂料涂裝系和配套涂膜，zui后確定使用不帶棱角的鵝卵石做為沖擊物。通過反復(fù)試驗(yàn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制定原則，提出以下適用于動(dòng)車組表面涂層的石擊試驗(yàn)方法。（1）選用不同的測(cè)試裝置以適應(yīng)車體外側(cè)裝飾性涂層和轉(zhuǎn)向架構(gòu)架涂膜：車體下部涂膜試驗(yàn)利用氣壓式石擊試驗(yàn)裝置，選用SAE方法；車體上部涂膜試驗(yàn)利用落砂式石擊試驗(yàn)裝置，即NF標(biāo)準(zhǔn)。圖2為落砂式石擊試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)。（2）沖擊粒子：選用統(tǒng)一粒徑的鵝卵石，規(guī)定數(shù)量為1kg或1L。（3）試驗(yàn)溫度：室溫和低溫（-30℃或-40℃）。（4）試驗(yàn)后樣板的處理方式：布基膠帶粘貼，去除所有松動(dòng)涂膜。（5）確定評(píng)級(jí)方法和結(jié)果表示形式：破損數(shù)量、碎裂大小和失效位置等。在與動(dòng)車組車輛制造廠和涂料生產(chǎn)廠充分交流的基礎(chǔ)上，經(jīng)多次試驗(yàn)和反復(fù)修改，形成了《鐵路機(jī)車車輛表面涂層抗石擊碎裂性試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)初稿，目前已有部分單位開始作為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)試行。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)多種涂料涂裝系制成的樣板進(jìn)行測(cè)試，無論是否含有膩?zhàn)訉?，由于采?種試驗(yàn)設(shè)備，涂膜損壞情況均比較接近實(shí)際車輛的狀態(tài)。當(dāng)然由于動(dòng)車組的運(yùn)用工況極為復(fù)雜，要達(dá)到*模擬的程度還需要大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證，目前只完成了初步工作，具備了測(cè)試現(xiàn)用涂料及涂裝系抗石擊性能的平臺(tái)。經(jīng)過分析和對(duì)比測(cè)試數(shù)據(jù)，認(rèn)為涂裝系各層涂膜性能之間的配合相當(dāng)重要，采用上述方法可對(duì)機(jī)車車輛用涂料及涂裝系進(jìn)行初步篩選、測(cè)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?fù)磕だ匣^程，有助于改善動(dòng)車組各部位涂料涂膜的保護(hù)和裝飾性能。

4結(jié)語

涂層抗石擊試驗(yàn)對(duì)高速動(dòng)車組有重要意義，鐵道車輛的表面涂層抗石擊試驗(yàn)方法已經(jīng)開始試用，對(duì)改善實(shí)際車輛涂層的耐久性和保護(hù)性將起到積極作用。