涂料讯：
于喜年，赵月红，刘军
（大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116028）
摘要：为解决转向架防腐厚涂层固化问题，依照相关标准和规范，对防腐涂层厚度作出规定，要求总干膜厚度为250μm左右，并对腻子的刮涂重量限制在5~8kg以内，对转向架的焊接质量提出了更高的要求；分析了转向架防腐厚涂层涂覆、固化工艺以及高速动车转向架专用防腐涂料的最优组合，有利于涂层强辐射固化工艺设计和工艺过程安排；短波辐射加热器为涂层固化的关键部件，采用抛物面与椭圆面组合的特殊结构设计，更有利于深层定向辐射，使防腐涂层的底部溶剂迅速挥发，增强了涂层的附着力，尤其适合轮对轴的厚涂层固化要求；强辐射固化设备参数化设计及虚拟装配，为不同厂家相关产品防腐涂层固化设备设计提供了快捷便利的参考。
关键词：转向架防腐；辐射固化；漆膜破损；石英玻璃；电化学腐蚀；铜包铝
中图分类号：TQ153文献标识码：B文章编号：1674-3261(2011)05-0313-04
转向架防腐厚涂层的固化与涂装工艺、涂层固化设备密切相关。涂层质量的优劣，关系到列车的使用性能和耐蚀寿命。目前对于高速列车转向架防腐涂层质量的要求越来越高，不但对防腐涂料性能与涂装工艺要求严格，而且对涂装设备，尤其是涂层固化设备的结构设计、设备的使用和维护也提出了更高的要求。本文针对防腐涂层厚度制定、涂装工艺与涂层固化设备设计等关键问题进行探讨。
1·防腐涂层厚度制定
转向架防腐涂层厚度，对固化工艺带来一定影响，厚涂层的固化时间较长，固化温度低，涂层底部溶剂挥发慢，容易造成漆膜表面气泡甚至涂层脱落等弊病产生。根据TB/T2879.1-6-1998《铁路机车车辆涂料及涂装》标准并参照国外同类厂家的涂装工艺规范，近年来高速列车转向架防腐涂层厚度的制定有所改变，要求干膜厚度最小150μm，总干膜厚度为250μm左右（包括漆膜底层腻子和外层阻尼漆厚度），轮对轴漆膜厚度局部可达1~3.5mm，如轮对空心主轴涂覆。制定涂层厚度基于两方面考虑，一方面考虑列车高速行驶中，转向架与路基之间形成瞬时“真空”，会使沙石被带起撞击转向架及其组件表面，造成漆膜破损，影响防腐效果，所以转向架及其组件（包括轮对）在涂覆底漆面漆后，在关键部位再涂覆具有减震降噪作用的抗撞击弹性阻尼漆，阻尼漆有很强的附着力，防腐效果非常理想。另一方面，对于焊接转向架，一定要控制焊接质量，防止焊接变形，对焊缝处打平抛光后即刻进行前处理和涂覆底漆面漆，控制漆膜厚度，尤其要减少腻子刮涂量，并限制腻子重量在5~8kg以内。腻子过厚，增加了转向架重量，使高速列车惯性及减速度值加大，导致制动力增加[1]，加剧了制动闸瓦的磨损，延长了制动时间和紧急制动距离，给列车运行安全带来隐患，7.23动车组特大追尾事故足以说明了高速列车制动不及时而酿成惨祸的沉痛教训。
2·防腐厚涂层涂覆及强辐射固化工艺分析
转向架的耐蚀性受基体材质、涂装工艺以及涂层固化等诸多因素影响[2]，其涂装工艺设计，已在文献[3-4]中阐述，在此不再赘述，仅就转向架防腐厚涂层强辐射固化工艺及关键部位防腐进行补充说明。
影响防腐厚涂层固化因素很多，与涂料种类、涂料涂覆工艺、涂层厚度、喷涂设备的选择等有直接关系。涂料性质决定了涂装工艺、涂层厚度以及固化温度和固化时间。
目前我国对转向架防腐厚涂层固化有多种形式。采用喷、烘一体化方式进行涂料涂覆和固化，加热方式为燃油或燃气加热。这种固化方式为间歇式，转向架前处理工艺落后，劳动强度大，生产效率低，涂层固化不彻底。传统的固化形式是采用流水线式的电加热直通烘道进行涂层固化，加热形式为电阻加热，强风循环。这种加热方式浪费电能，但固化温度均匀，漆膜固化彻底，适合复杂结构转向架防腐涂层固化；采用红外加热方式进行漆膜固化，加热形式为辐射加热，缺点是辐射加热仅为防腐涂层的表面层固化，固化层深度小于50μm，对于厚涂层的漆膜底部固化不彻底，溶剂滞留漆膜底层，涂层容易出现针孔、气泡、龟裂等现象，使腐蚀介质通过气孔针眼进入基体内部进行腐蚀而出现局部锈蚀斑点，甚至会使漆膜脱落[4]。采用超短波辐射加热固化，即采用高能量高密度的高温可见光及短波红外辐射加热技术对转向架防腐厚涂层进行固化,效果较为理想。文献[5]阐述了辐射波长越短,辐射力越强,工件漆膜对辐射的透射性越好，更适合于转向架防腐厚涂层的固化。
我国转向架用防腐涂料大致有如下组合：(1)双组分氟碳防腐底、面漆配套体系，对于厚涂层漆膜，其附着力一般，且漆膜表面较脆，尤其不适合转向架的拉杆和弹簧等部位防腐；(2)双组分环氧磷酸锌底漆和双组分聚氨酯面漆，涂层与被涂基体表面结合良好；(3)环氧金属底漆和环氧厚浆面漆，漆膜与基体附着力强，漆膜柔韧性较好，底、面漆之间有良好的配套适应性，适合于高速列车转向架防腐厚涂层涂装。
根据转向架专用防腐涂料性能指标以及涂装条件，转向架防腐厚涂层涂装线工艺流程如下[3]：探伤—消磁(清除磁粉)—抛丸或喷砂—清理—屏蔽保护（涂敷保护剂）—上件—除油—水洗1—水洗2—化学除锈—水洗3—水洗4—表调—磷化及钝化—水洗5—水洗6—热风干燥—连接部位蔽屏保护（贴膜）—刮腻子找平—喷底漆—找补流平—短波辐射固化—喷面漆—找补流平—短波辐射固化—喷涂阻尼漆—短波辐射固化—冷却—下件。
对于轮对的防腐，有其特殊性。轮对在运行过程中，由于轨道不平度造成列车颠簸以及快速列车行驶中不断的加减速，车轮与空心轴肩结合处的涂层，出现轻微裂纹而影响防腐效果。采取的措施是在轮对主轴涂覆阻尼漆后，车轮与空心轴肩结合处周边再喷涂抗震性、柔韧性更好的硅胶来克服震动裂纹。对于焊接转向架电化学腐蚀问题，目前没有更好的解决办法，只有采取涂层保护措施予以解决，在喷涂底漆面漆之前，在焊缝处涂敷磷酸锌（或铬酸锌）涂料，待彻底固化后再涂敷底漆和面漆涂料，以阻止或削弱电化学腐蚀[3]。转向架接线柱的电化学腐蚀较为严重，借鉴德国西门子公司的铜包铝技术对接线柱进行处理，防腐效果明显。
3·防腐厚涂层强辐射固化设备设计
针对焊接转向架的结构特点和防腐厚涂层的固化需要，强辐射固化设备（烘道）设计主要考虑以下几个关键问题。
3.1短波辐射加热器设计
短波辐射加热器为涂层固化的关键部件之一，其设计应全面考虑短波辐射加热器的寿命和辐射效果。影响短波辐射加热器寿命主要因素是石英辐射管（板）的真空度问题、辐射热源体与接线端子连接以及接线端子与过度玻璃的体膨胀系数是否接近或一致。短波辐射加热器的热源体为直径0.5~1.0的特殊发热体，它与接线柱之间采用热胀系数小的金属片焊接，经退火防氧化处理后用过度玻璃迅速密封。辐射热源体由抛物面状与椭圆状复合透明石英玻璃双抛管做外壁支撑，在抛物面状管壁外侧镀铬或镀金处理，镀层厚度为2~5μm，以利于定向辐射需要，见图1.石英管抽真空后填充惰性气体，真空度为99.999%，真空度达不到要求，特殊发热体极易被氧化烧断。对于短波辐射加热器的设计，还应考虑辐射波长问题，针对转向架防腐厚涂层强辐射固化所需波长和固化温度，对辐射热源体直径选择、缠绕圈数以及短波辐射器表面负荷都应有严格计算，以保证辐射波长和辐射温度与防腐厚涂层吸收波长和固化温度的匹配。对辐射加热器结构和加工工艺改进，经试验表明可以使短波辐射加热器寿命达到5000h以上。
3.2短波辐射加热系统温度控制设计
温度控制系统着重考虑加热过程中对电的冲击问题以及控温过程的平稳性问题。由于短波辐射加热系统冷态阻值可视为零，通电瞬间的启动电流在理论上达到无穷大，使供电系统电流过大并导致温控系统不稳定。为解决这一问题，设计了调压式自动温控系统并辅助调功控制，调整辐射元件的输入电压由0~220V自动调节，并保证输入频率和输入波形不被改变，即可解决开机加热时供电系统电流过高等问题。
3.3强辐射固化设备结构设计
对于连续式转向架防腐厚涂层固化设备（烘道）设计，应针对转向架的结构特点进行，如图2所示。首先将烘道设计成桥式结构，避免由于作业车间空气对流使烘道内热量外逸，造成热量浪费，烘道保温壁板采用断桥插接式结构，保温层为硅酸铝毡与岩棉板复合错位叠加。烘道设漆膜流平和升温段5~8m、中高温段10m、保温段5m、降温段5m，其中流平和升温段主要为转向架漆膜流平和防腐涂层底部溶剂挥发而设置。辐射加热系统采用辐照密度法与功率密度法相结合布置，利用自供式微风逆循环技术[5]，对烘道内的温度进行搅拌，使转向架各部位涂层表面固化温度均匀，并采用电动推杆调整辐射距离，以满足不同规格转向架及其组件的防腐厚涂层固化需要。循环风机的选择以固化烘道所需风量、风速和风压为依据，并采用变频调速，实现风机流量和循环次数的适度调节。烘道内部的工件悬挂输送机轨道采用1Cr13耐热钢制造，并增加温度伸缩轨道，留有热涨间隙。
图1 短波辐射加热器图
图2 桥式烘道结构
3.4固化设备参数化设计
固化设备一般为非标设计，为适应不同规格转向架防腐厚涂层的固化需要，建立固化设备结构及其零部件数据库，进行参数化设计和虚拟制造、虚拟装配很有必要。对固化烘道各零件进行参数化建模后，对固化烘道各零件进行参数化建模。零件建模后，根据各件的功能、结构特点和装配关系，对零件几何特征和结构属性等参数进行约束和评估[6]，以达到控制零件的几何外形和三维结构的目的。根据固化烘道整体结构对各零部件进行虚拟装配。利用Pro/toolkit与第三方软件无缝连接，采用C语言与函数库编写，使用户或第三方软件能够可控、安全访问Pro/E数据库和应用程序。固化烘道方案布局确定后，设计制造及装配路线即明确，但各零部件间的装配关系是否干涉往往不可预测，需利用计算机编程对烘道进行虚拟装配和动态仿真来加以验证。
Pro/E具有多叉树模块，可对烘道零件、子装配体以及总装配体进行结点设置，其中根结点是烘道装配体，叶结点是不可拆分零件，中间结点为子装配体。多叉树中结点间关系是从属关系。烘道装配体与子装配体或零件，子装配体与零件之间都呈递归属性。同时，Pro/E提供了封装结构体对象ProAsmcomppath，是对多叉树结构的数学描述。
ProAsmcomppath中的变量作为Pro/toolkit的函数输入变量。定义对象程序如下：
typedef struct
pro_comp_path
{ProSolid owner;
ProIdTable comp_id_table;
int table num;}
ProAsmcomppath;
在装配过程中，烘道零部件需控制位置和姿态，位资对应的空间信息需描述。在Pro/E中，由4阶方阵来描述位姿，此方阵如下式所示：
根据烘道零部件运动方向，输入动态帧数，形成交互关系，完成装配体的装配。此时Pro/E工作环境处于激活状态，操作者可通过变换视角来检查零部件间是否干涉。
Pro/toolkit完成上述内容的步骤如下：调用函数ProMdlCurrentGet()获取当前零件模型，利用函数Pro SelectQ完成零部件选取及其运动路径，采用函数ProAsmcomppathTrfGetQ获得变换矩阵初值并依要求对位资变换。最后用函数ProAnimmovie Create()等完成装配。固化烘道局部装配模型如图3所示。
图3 短波辐射加热固化设备装配示意图
4·结语
转向架防腐涂层厚度的制定以及涂层涂覆和固化工艺分析，有利于涂层强辐射固化工艺设计和工艺过程安排。强辐射固化烘道设计，解决了厚涂层短波辐射加热过程中辐射元件寿命短、控温过程对电的冲击以及固化温度平稳性等问题。短波辐射加热器外壁采用抛物面与椭圆面组合的特殊结构设计，有利于深层定向辐射，使转向架防腐涂层的底漆、腻子及面漆、阻尼漆底部溶剂迅速挥发，增强了涂层的附着力，尤其适合轮对轴的厚涂层固化要求。转向架固化烘道的参数化设计，利用Pro/toolkit对所有零部件进行虚拟装配，不仅可以发现装配干涉问题，也为不同厂家相关产品防腐涂层固化烘道设计提供了快捷便利的参考。
参考文献：
[1]雷俊卿,李宏年,冯东.铁路桥梁列车制动力的试验研究与计算分析[J].工程力学,2006,23(3):134-140.
[2]尹立成.转向架防腐涂装工艺研究[J].城市轨道交通研究,2008(5):35-38.
[3]傅振亮.铁道客车转向架腐蚀机理及涂层防腐工艺研究[D].大连:大连交通大学,2008.
[4]于喜年,傅振亮.焊接转向架涂层防腐研究[J].大连交通大学学报,2009,30(2):62-65.
[5]于喜年.超短波辐射与表面涂装[J].表面技术,2005,34(2):11-14.
[6]张杰.产品结构设计中Pro/E参数化特征造型技术的应用[J].华东电力,2001(10):41-43.