王飞，胡清寒，杨晶，周志刚，尹立成
( 中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130062)
摘要：为了促进高速列车车轴用抗石击涂料的国产化生产应用，参照欧洲标准EN13261中的车轴防腐蚀保护和防机械碰撞保护Ⅰ级标准．对我国高速动车组所使用的2种具有抗石击保护性能的涂料进行了相关项目测试研究．提出了聚氨酯类抗石击涂料更适合于温差跨度大的我国南北区间运行的高速动车组车轴保护涂料类型的使用建议。
关键词：高速动车组，车轴，抗石击保护涂料，聚氨酯类，聚脲类，抗石击性能
0 前言
车轴是保证高速列车运行安全的至关重要的部件。除了车轴本身的力学性能要符合设计要求外，表面涂覆一层防护性保护涂层也是相关标准所要求的。随着列车运行速度的提高，车轴运行中表面受到外部环境中机械力冲击而导致对车轴的损伤风险增大，因此车轴的防护涂层除了常规的防止大气腐蚀的涂层外，还应考虑采用适当的抗石击涂层。
我国对于高速动车组转向架车轴防护没有相关标准，国内的高速动车组是参照欧洲标准EN 13261( 车轴标准中第3．9 条) 进行设计，但是该标准只规定了测试项目，没有规定相关指标要求，需要供需双方根据具体情况来研究确定。
在早期引进的高速动车组转向架部分车轴上采用了聚脲类抗石击涂料，如我国引入的部分德国ICE与法国TGV 高速动车组转向架，但由于欧洲的高速动车组线路长度、运行时间以及地域情况与我国有着较大的差异，故导致运行一段时间后发现部分车轴出现涂层松动及局部脱落现象，特别是南北运行跨度大的车辆问题更为明显。究其原因可能是欧洲铁路环境条件与我国存在较大差异有关，而欧洲高速铁路里程有限，有关高速动车组转向架抗石击涂层的研究工作开展不够深入。
为了促进高速列车车轴用抗石击涂料的国产化生产应用，本工作参照EN 13261 标准中的车轴I 类防护涂层标准开展了对国产聚氨酯类防护涂料和聚脲类防护涂料的性能研究，同时根据国外高速动车组转向架轮对供应商德国BVV 和意大利LUSAK 提供的相关资料，以及国内部分相似涂层相关资料分析，确定了相关检测指标。
1 试验
1．1 试验任务及目的
对高速动车组转向架的2 ～ 6 mm 聚脲类防护涂料涂层样轴及2 ～ 6 mm 聚氨酯类防护涂料涂层样轴，参照欧洲标准EN 13261: 2011，按照防护等级1 对防护涂层材料进行测试。测试内容包括高低温耐冲击性、抗循环机械应力耐久性和耐磨性等性能。试验对象为聚氨酯类保护涂料、聚脲类保护涂料样轴各6 批40 件。
1．2 测试方法
1．2．1 耐冲击性试验
根据EN 13261: 2011－01 的规定，使用37 mm 气炮试验系统通过压缩空气对抛射弹丸( 硬度400 HV，直径32 mm，尖锥角度105°，质量60 g) 进行加速。同时为了进一步验证涂层的防护性能，提高标准冲量1．5 倍，2．0 倍和3．0 倍来提高冲击载荷进行进一步测试。抛射弹丸以初始速度19．4 m/s 撞击试验样轴和样板的防护涂层。经弹丸撞击后，如果涂层未被击穿、松脱开裂且车轴的金属表面未现损伤凹坑，则试验通过，符合要求。
为了更好地模拟高速动车组运行环境，对于待打击的样轴设置了不同的温度区间，并在高低温试验箱中进行处理，以模拟高速动车组在实际运行环境下的温度变化，具体制度见图1。
按照标准中的规定，标记撞击后产生的凹痕，并对撞击后的凹痕直径进行测量，以评估涂层的弹性参数。
1．2．2 耐机械性性能试验
涂层抗循环机械应力的耐久性能是指防护涂层在持续受到周期性弯曲应力的情况下，涂层不损坏和脱落，从而保护车轴金属表面不被损伤的能力。参照EN13261: 2011 检验涂层抗循环机械应力的耐久性能: 试验采用旋转弯曲疲劳模拟试验台进行，样轴一端夹持，并在一定转速下旋转，另一端施加一定的应力使试验部分的涂层产生弯矩，使样轴旋转13×106 次后，观察涂层是否有损坏和脱落。本试验采用的试验装置为旋转弯曲疲劳模拟试验台。试验时样轴转速为1 200r /min; 试验测试了3 个应力等级( 对应的弯矩载荷分别为105， 112， 119 N) 下的聚脲类保护涂料和聚氨酯类保护涂料的涂层抗循环机械应力的耐久性。
1．2．3 耐磨性能试验
耐磨性能是指防护涂层在持续受到碎石或沙石冲击的情况下，保护车轴金属表面不被损伤的能力。参照EN 13261: 2011 的方法检验涂层表面耐磨性能。试验时将喷射物射向待测样轴的涂层表面，并查看喷射后涂层表面状况是否有改变，是否存在漆膜脱落情况。分别测试标称厚度2～6 mm 样轴在室温下和低温下的涂层耐磨性能。试验装置采用一根5 m 高的立管。管内的喷射物为1 kg 强度等级为8．8 的HM6 螺母。
1．2．4 附着力试验
车轴保护材料的附着性能试验参照ISO 4624:2003 规定的拉拔附着力试验进行检测; 同时为了进一步更好地模拟高速动车组运行环境，同样对样轴设置了不同的温度区间，如图1 所示，将样轴放置在高低温循环箱中进行处理，即在第一阶段－40 ～ －45 ℃ 进行8h、第2 阶段10～15 ℃进行8 h、第3 阶段－40 ～ －45 ℃进行8 h，第4 阶段10～15 ℃ 进行8 h。
在高低温循环箱处理完毕后，用胶黏剂将试验柱粘结在聚脲类保护涂料和聚氨酯类涂料的样轴上，在胶黏剂固化后，立即将试验样轴置于拉拔式附着力检测仪下，通过拉力机与漆膜平面垂直方向施加拉伸应力，使该拉力以不超过1 MPa /s 的速度稳步增加，样轴所受到的破坏力从施加应力起的90 s 内完成。测试完成后需要对其破坏程度进行确认，即需要判断其破坏类型是基材内聚破坏、胶黏剂内聚破坏还是涂层内聚破坏。
根据国外高速动车组转向架轮对供应商德国BVV和意大利LUSAK 提供的相关资料和国内部分相似涂层相关资料分析，当车轴附着力≥5 MPa 时方可视为合格。
2 结果与讨论
按照以上试验方法，对试验用转向架车轴进行抗击打材料抗击打性能试验、抗循环机械应力试验、耐磨试验、附着力试验，并分别记录试验结果。
2．1 车轴保护材料抗击打性能
表1 为2 种车轴防护涂层的抗击打性能测试结果。从表1 可以看出，试验选用的聚脲类保护涂层只有当厚度≥5 mm 时方能通过抗击打试验，聚氨酯类保护涂层只有当厚度≥4 mm 时方能通过抗击打试验。
2．2 车轴保护材料抗循环应力试验
表2 为2 种车轴防护涂层的抗循环机械应力测试结果。从表2 可以看出，无论是聚脲类保护涂层还是聚氨酯类保护涂层，均能通过EN 13261: 2011 中循环机械应力的测试要求。
2．3 车轴保护材料的耐磨性能
表3 为2 种车轴防护涂层的耐磨测试结果。从表3 可以看出，无论是聚脲类保护涂层还是聚氨酯类保护涂层均能通过EN 13261: 2011 中抗耐磨的测试要求。
2．4 车轴保护材料的附着力
表4 为2 种车轴防护涂层的附着力试结果。从表4 可以看出，无论是聚脲类保护涂层还是聚氨酯类保护涂层均能通过EN 13261: 2011 中附着力的测试要求，但是在－40～ －45 ℃温度区间时，聚脲类保护涂层的附着力明显下降。
3 结论
( 1) 试验选用的聚脲类转向架车轴保护涂层材料( 厚度≥5 mm) 和聚氨酯类保护涂层材料( 厚度≥4mm) 均通过了低温抗冲击性、低温附着性能和抗循环机械应力的耐久性试验。两者相对比，聚氨酯涂料涂层的柔韧性、回弹性、耐磨性、抗冲击韧性特别是低温抗冲击韧性更优于聚脲涂层材料。
( 2) 厚度＜5 mm 的聚脲涂层材料不建议在高铁车辆车轴上使用，尤其是高纬度地区的低温环境下使用( 存在安全隐患，涂层受到冲击后，有碎裂脱落可能性) 。
( 3) 聚氨酯涂料涂层具有优异的柔韧性和耐磨性能，特别是突出的耐低温性能，－40～ －45 ℃时仍具有较好的冲击韧性，明显优于聚脲涂层材料。由于聚脲材料的低温脆性大，不能保证受冲击后涂层内部不存在肉眼看不到的微观裂纹，车辆高速运行过程中，由于涂层厚度的增加，离心力将成几何级数增加，极易由于材料的低温脆性产生微裂纹，并在离心力作用下使裂纹急剧扩展，形成飞脱。故厚度在6 mm 以上的聚氨酯涂层材料可在全天候和宽温域环境下长期使用，厚度在5mm 以上的聚氨酯涂层材料可在高纬度地区的低温环境下长期使用。
文章发表于《材料保护》2018年
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