Research on Micro Particle Erosion Mechanism and Evaluation Method of Coatings for High-speed Trains

Abstract

高铁列车在运行中，其表面涂层受到高速微细粒子的冲蚀而产生不同程度的磨损与破坏。而车体涂层选择缺少适宜方法，尤其在风沙环境中车体涂层的选择更缺少设计依据。本文采用有限元模拟计算及冲蚀磨损实验的方法进行研究，确定了车体涂层抗微细粒子高速冲蚀能力的评价方法，系统研究了微细粒子的速度、入射角度、粒子尺寸等对涂层冲蚀磨损率的影响规律，确定了涂层冲蚀破坏机制，为高铁列车在风沙环境中选择涂层提供了科学依据。 　　本文以高铁列车表面涂层为研究对象，建立高速微细粒子冲蚀模型，确立了聚氨酯涂层冲蚀磨损率的计算方法：在涂层应力与应变响应中考虑了等效塑性应变累积的效应，基于涂层单元移除得到了冲蚀磨损体积的计算模式，实现了冲蚀磨损率的准确计算。计算得出高铁列车运行环境下聚氨酯涂层冲蚀磨损率为Er=0.54mm3/g，气流喷砂式冲蚀实验结果表明，聚氨酯涂层冲蚀磨损率约为Er=0.50mm3/g，计算结果与之相吻合。 　　通过计算及冲蚀实验研究聚氨酯涂层冲蚀磨损机制及其冲蚀磨损率变化规律。结果表明，聚氨酯涂层冲蚀磨损机制为低角度冲蚀时微切削机制起主导作用，高角度冲蚀时脆性破碎机制起主导作用；冲蚀参数对涂层的冲蚀磨损率影响规律为：随粒子速度呈现指数增长，随入射角度先增后减规律（峰值在150-300），随着粒子粒径的增大而呈现增长趋势。 　　研究提出了高铁列车适应风沙环境涂层的抗冲蚀基本数据，表明风沙环境下涂层抗冲蚀标准以不大于Ev=0.36mm3/g为宜。提高涂层抗冲蚀性能的基本原则是针对性的提高其硬度和断裂韧性，从而提高其抗微切削磨损能力和脆性破碎磨损能力。研究得出，风沙环境下涂层方案在断裂韧性不减的情况下硬度应为聚氨酯涂层的1.4倍以上。基于抗冲蚀标准及抗冲蚀设计基本原则，研究提出新型涂层方案为韧性复合涂层和金属陶瓷涂层。冲蚀实验表明，其冲蚀磨损率约为Er=0.07mm3/g左右，符合风沙环境下的抗冲蚀标准