轨道交通涂层抗石击碎裂性检测的探讨

范 星，李 欣，彭金墩，李 标，袁昌浩

（广州合成材料研究院有限公司，广东 广州 510665）

近年来，随着经济的快速发展和人民生活水平的不断提高，轨道交通发展飞速且已成为未来几年我国基础设施建设投资的重点领域。根据铁道部《中长期铁路网规划》,将在未来几年投入数万亿资金用于铁路及装备建设，包括2万多公里新的铁路网和7000多公里高速铁路网。城际铁路、地铁、轻轨也都在蓬勃发展[1]。2018年全国铁路机车拥有量为2.1万台，全国铁路客车拥有量为7.2万辆，货车拥有量为83.0万辆，内燃机车在减少，电动机车在增加。各种机车复合增长率为35%。每年铁路车辆新造、厂修近10万辆，消耗涂料消费量约4～5万吨。其中90%以上的涂料为溶剂型涂料。2000年开始，阿尔斯通、西门子公司、庞巴迪等企业开始在地铁车辆上使用水性涂料体系， 2008年我国铁路货车开始使用，2010年部分地铁上批量应用，2015年机车客车开始采用水性涂料体系。目前我国铁路货车成功应用水性工业涂料涂装有15000多辆。目前水性涂料涂装体系比例还比较低。

1 高速动车组涂料功能与各涂层体系

高速动车组用涂料的作用从宏观上看无外乎两种，即功能性和装饰性。功能性侧重对基材的防护和功能性,这对全车各部位几乎同等重要,当然,由于工况不同具体性能要求也存在差别。装饰性则强调外观，主要涉及旅客人眼可及的表面。高速动车组采用的涂料涂层体系大致分为内部装饰用涂料及涂层体系、车体外表面用涂料及涂层体系，尼涂料及涂层体系、转向架用涂料及涂层体系、特殊功能涂料如防火涂料、防滑涂料、抗结冰涂料、抗电弧涂料、防闪污涂料等，各涂层体系采用配套涂料见表1[1]。

续表1

2 高速动车组涂料涂层抗石击碎裂性试 验需求

我国高速动车组通常的运行速度为200～350 km/h，每天运行距离达到3000 km左右，1年就可达到1000000km甚至更多。相对汽车涂层来说，单位时间内运用里程超长，地区跨度大，气候条件多变，加上由于风压增大，车体表面受到空气中飞尘、砂石等杂物冲击的强度更大，因此对表面涂层的要求要高得多[2]。标准Q/CR546《动车组用涂料与涂装》等制定的涂膜抗石击碎裂性试验方法,专门用于模拟实际运行条件下砂石等对车体外表面涂膜的影响，这种损坏现象在200km/h以上的高速动车组中表现非常明显，而普通中低速铁路客车中基本上可以忽略；而汽车行业的类似方法对铁路车辆并不适用[3]。

3 抗石击碎裂性试验

3.1 动车组涂层体系抗石击碎裂性试验原理

将一定数量的特定冲击物从一定的高度以自由落体的方式作用于试板涂膜表面，对涂膜形成撞击，以模拟铁路车辆运行过程中石砟硬物或其他粒子对车辆表面冲击所造成的涂层碎裂或其他破坏，通过考查损坏情况对表面涂层抗石击性能做出评价。

图1为装置原理图试验过程为：（1）将涂膜试板固定到位试验的涂膜面向上放置；（2）将冲击物放入进料口，冲击物将沿导向装置落向试板涂膜表面。整个过程应在30s内完成；（3）取出试板，用毛刷清除脱落的碎片，再用粘胶带粘贴涂膜表面,全面压实后撕去胶带，记录结果并评级。对于低温试验的试板，应在标准环境条件下状态调节16h后再用粘胶带进行粘贴。试验中对冲击物的要求见表2 。

图1 抗石击碎裂性试验装置原理图Fig.1 Schematic diagram of test device for resistance to rock fragmentation

表2 冲击物要求Table 2 Requirements for impact objects

3.2 动车组涂层体系抗石击碎裂性评价方法

3.2.1 装饰性涂层

冲击完成后，用布基胶带去除试板表面松脱的碎裂涂膜(应从各个方向反复进行粘贴，以全部去除已松动的涂膜)，用放大镜进行观察，对表面破损脱落处进行计数(对表面仅凹陷、失光但无碎裂处不计数)。按破损的数量进行评级，并以字母代号表示破损的大小和位置。

（1）破损数量：根据实际测试面积区域内涂膜碎裂破损的数量见表3。

表3 碎裂破损数量评级方法Table 3 Rating method for the number of fragmentation and damage

（2）破损大小：以字母符号来表示碎裂破损处的大小。由于破损通常为不规则形状，因此应取其最大处粒径，见表4。

表4 破损大小评级方法Table 4 Damage size rating method

（3）破损层位置：以字母符号(或组合符号)表示碎裂处涂层的损坏位置，见表5和表6。

表5 涂层字母符号表示方法Table 5 Coating letter symbol representation method

表6 碎裂层位置表示方法Table 6 Representation method of fractured layer position

（4）结果评价

表示方式为组合符号形式，即数量+大小+位置。例如统计结果为：小于或等于1 mm破损5处，大于1 mm但小于或等于3mm破损20处，大于3mm但小于或等于6mm有3处,损坏主要为腻子层内聚破坏，综合表示为4MSL（F），根据需要也可以表示为2S-3M-1L（F）。

3.2.2 保护性涂层

冲击完成后，使用布基胶带去除试板表面松脱的碎裂涂层（应从各个方向反复进行粘贴，全部去除已碎裂松动的涂层），对试板封底和封边处理后按GB/T 1771的规定进行24h中性盐雾试验。根据试验后试板冲击区域(立管投影面积内)锈蚀面积的比例按表7进行等级评定，结果以0～5级表示。需要时可提供试验后试板的彩色照片[3]。

表7 破损面积评级方法Table 7 Rating method of damaged area

3.3 高速动车组涂料各涂层体系抗石击碎裂性性能及测 试要求

高速动车组涂料各涂层体系抗石击碎裂性测试要求见表8，在动车组高速行驶过程中动车组车体各个结构有较大可能与外界物体出现碰撞，故而需要进行抗石击碎裂性试验测试，根据所在部位和物理性能的不同，有着不同的测试指标要求，试验中的试验条件（冲击物和温度条件）需根据实际过程中可能遇到的情况来进行适当设定，这样才能真实地反映出动车组涂料体系在动车组机车高速行驶过程中抗砂石等冲击物的磨损破坏性能。

表8 动车组涂料涂层体系抗石击碎裂性测试要求Table 8 EMU paint coating system resistance to stone chipping test requirements

4 现状

高速动车组涂料各涂层体系抗石击碎裂性现在虽然有相应的测试要求和测试原理，但是市场上无相应的稳定的试验装置，现有的装置可能是根据标准中参数要求简易安装或者是拼接的装置，但是这类装置在进行试验过程中存在诸多不足和不稳定性。

简易装置的弊端：一、简易装置由于试验高度5m的缘故，试验场所与装置固定场所难于寻找，同时在试验中由于无依托建筑进行固定，试验导管可能无法完全垂直，试验参数无法满足进而影响试验结果的可靠性；二、试验中需要试验人员在5m高台处投入冲击物，试验过程需要多人同时操作才可以完成，过于繁琐；三、标准中设定的试验参数除常温条件外，还需要在低温条件（ -40±3）℃下进行试验，并且要求在取出样板30s内完成试验，这些工作假如要完成，除了需要较大的试验场所、配备超低温箱，还需要多人快速协调完成才能保证试验结果的准确与可靠，现实中很难做得到；四、人力控制试验导管无法保证试验过程各部件稳定冲击区域会出现散乱不集中等问题。

广州合成材料研究院有限公司研发了一台抗石击碎裂性自动测试仪如见图2，装置处在独立稳定的环境中，该装置可在试验人员放置好试验样板投放冲击物后通过操作面板即可进行试验，操作简便，同时可靠性高。同时该设备还可在低温条件下进行抗石击碎裂性试验，可全面满足标准中的测试要求。现已申请实用新型专利，申请号为202121171864.1。

图2 抗石击碎裂性装置图Fig.2 Anti-rock chipping device diagram

抗石击碎裂性自动测试装置与标准中简易装置相比较，试验更加稳定，可在多个试验条件下进行试验，在进行抗石击碎裂性试验试验中冲击区域更加集中，便于更好的判断，见图3与图4。

图3 简易装置抗石击碎裂性试验后 Fig.3 After the test of stone crush resistance of the

图4 自动装置抗石击碎裂性试验后 Fig.4 After the stone crush resistance test of the automatic de

5 结语

高速动车组涂料抗石击碎裂性是结合高速动车组涂料实际应用环境条件设计的试验方法，可真实反映出涂料在动车组高速行驶过程中耐冲击物磨损性能。此外，抗石击碎裂性试验可以与耐人工气候老化、耐高低温循环、盐雾老化试验结合进行试验，在高速动车组涂料进行老化过程中分阶段进行抗石击碎裂性试验，以评价和总结在经过老化试验及耐高低温循环试验后高速动车组涂料特殊性能的变化以及保持率，通过特殊性能的试验结果来表征高速动车组涂料抗老化性能，也可以通过其他辅助检测技术，如红外光谱等更深入研究老化过程中高速动车组涂层微观变化，与抗石击碎裂性能变化相结合，研究抗石击碎裂性能影响因素与变化规律。