列车表面防护涂层紫外光老化试验加速因子的计算方法与流程

本发明属于环境试验技术领域，涉及一种涂层光老化试验加速因子的计算方法，尤其涉及一种针对列车表面防护涂层紫外光老化试验加速因子的计算方法。

背景技术：

目前，利用有机涂层防腐是应用普遍的防腐技术。在大气环境中，有机涂层受环境因素影响发生老化，是引起涂层失效的主要因素之一，可造成大量资源消耗和严重的经济损失，甚至酿成恶性事故，给设备和生命财产安全带来威胁。用于涂层评价的气候环境试验包括自然环境试验和实验室模拟加速环境试验。自然环境试验相对可靠，但是试验周期长、耗资大、可控性差，难以满足产品研制、试验和快速评价需求。实验室模拟加速试验具有试验周期短、重现性好的优点，能对涂层体系进行快速有效的评价，是目前广泛应用的气候环境试验技术。

阳光是有机涂层加速试验设计中必须考虑的环境变量。到达地面的太阳光所含紫外线能量一般介于314kJ/mol～419kJ/mol，而大部分聚合物的化学键离解能一般为200kJ/mol～500kJ/mol。可见，紫外线具有破坏有机涂层化学键的能量，可引发涂层的自动氧化反应从而造成老化分解。因此，对涂层的光老化研究主要集中在紫外光老化研究。

一般情况下，将自然环境下紫外辐射总量与光老化加速试验箱光辐射能量进行对比，即可得到实验室加速试验的加速因子。叶美琪等(2008)根据厦门海域大气海洋环境条件，通过研究实验室紫外辐射灯模拟的紫外辐射当量与实际太阳紫外辐射的关系，建立了厦门地区实验室加速试验的倍率模型。苏艳等(2008)在江津地区湿热环境下开展跟踪太阳反射聚能自然加速试验与朝南45°角自然暴露试验，计算了高日辐射季节的加速因子。王艳艳等(2010)采用金属卤素灯对聚苯乙烯进行实验室光源暴露试验，研究了相对于敦煌环境试验站户外自然暴露试验的加速因子。闫杰等(2011)在拉萨试验站研究了涂层太阳跟踪反射聚光户外加速试验相对于自然暴露试验的加速因子。

以上研究的不足之处在于：一是加速因子的研究仅是针对某一特定地区，面对列车这种具有大范围运行区间设备涂层的环境试验存在局限；二是叶美琪等(2008)自然环境下太阳辐射数据来源于经验公式，相对于观测数据准确性不足；三是苏艳(2008)、王艳艳等(2010)和闫杰等(2011)加速因子来自于与自然环境试验或自然环境加速试验的对比，工程上实施难度大、周期长、花费高。因此，有必要提供一种新的涂层紫外光老化试验加速因子的计算方法，解决列车这种跨越大范围区域的设备表面防护涂层紫外光老化试验加速因子的计算问题。

技术实现要素：

本发明的目的是，提供一种列车表面防护涂层紫外光老化试验加速因子的计算方法，旨在解决列车这种跨越大范围区域的设备表面防护涂层紫外光老化试验加速因子的计算问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：列车表面防护涂层紫外光老化试验加速因子的计算方法，包括如下步骤：

(1)确定列车运行区间的气象地理区划，包括一级气象地理区划(以下简称一级区划)和二级气象地理区划(以下简称二级区划)；

(2)确定参与计算的列车站点；

(3)计算站点月平均地面太阳辐射环境谱；

(4)确定列车站点环境变量在所处二级区划内的影响距离，具体为：

其中：X_m表示列车站点环境变量在所处二级区划内的影响距离；n表示沿列车运行方向自始发站开始经过的站点序号，1为始发站，N为终点站；S_m，m+1表示m站和m+1站之间距离，同理S_m-1，m表示m-1站和m站之间距离：A_m表示位于m-1站和m站之间的二级区划边界与m站的距离；B_m表示位于m+1站和m站之间的二级区划边界与m站的距离；

(5)确定一级区划和二级区划内列车运行区间的长度；

(6)计算二级区划内列车运行区间的月平均地面太阳辐射环境谱，具体为：

其中：U为二级区划内列车运行区间的月平均地面太阳辐射；W_m为m站的地面太阳辐射：m在此二级区划内的取值范围为P≤m≤Q，P≥1，Q≤N；

(7)计算一级区划内列车运行区间的月平均地面太阳辐射环境谱，具体为：

其中：E为一级区划内列车运行区间的月平均地面太阳辐射；H表示在此一级区划内的二级区划数量；U_i为在此一级区划内第i个二级区划的地面太阳辐射；Y_i表示在第i个二级区划内列车运行区间的长度；

(8)计算列车总运行区间的月平均地面太阳辐射环境谱，具体为：

其中：R为列车总运行区间的月平均地面太阳辐射；G表示在列车运行区间内一级区划数量；E_j为第j个一级区划内列车运行区间的地面太阳辐射；Z_j表示第j个一级区划内列车运行区间的长度；

(9)计算列车总运行区间的年平均地面太阳辐射和地面太阳紫外辐射，具体为：

UV_mean＝R_mean×η (6)

其中：R_mean为列车总运行区间的年平均地面太阳辐射；R_k表示k月列车总运行区间的地面太阳辐射；UV_mean为列车总运行区间的年平均地面太阳紫外辐射；η为紫外辐射占太阳总辐射比例；

(10)根据实验室紫外光老化试验条件计算加速因子，具体公式为：

F＝t₁/t₂ (7)

其中：F为加速因子；t₁为涂层自然环境试验时间；t₂为涂层在实验室条件下达到与自然环境试验接受相同剂量太阳紫外辐射所需时间。

优选地，所述气象地理区划的依据为《中国气象地理区划手册》(气象出版社，2006)。

优选地，所述参与计算的列车站点选取原则为站点地面太阳辐射数据资料的连续性。

优选地，步骤(3)、(6)-(9)所述地面太阳辐射单位为kWh/m²/day。

优选地，所述长度和距离单位为km。

优选地，所述η为7％。

优选地，所述t₁取1年(365天)。

本发明提供的列车表面防护涂层紫外光老化试验加速因子的计算方法，具有以下有益效果：

(1)简单实用，可对列车表面防护涂层实验室紫外光老化试验的加速性进行快速评价；

(2)可推广至飞机、轮船、汽车等需要跨越大范围区域的设备表面防护涂层以及金属等其他材料的紫外光暴露试验评价。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

图1为本发明实施例提供的兰新高铁站点月平均地面太阳辐射(单位：kWh/m²/day)；

图2为本发明实施例提供的兰新高铁二级区划内列车运行区间的月平均地面太阳辐射(单位：kWh/m²/day)；

图3为本发明实施例提供的兰新高铁总运行区间和一个一级区划的月平均地面太阳辐射(单位：kWh/m²/day)。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合附图对本发明实施例作进一步详细说明。

第一步，确定列车运行区间的气象地理区划。根据《中华人民共和国国家标准一中国气象地理区划》，兰新高速铁路全线均位于一级区划西北地区以内，并且大致以酒泉为界，以西部分位于西北地区西部二级区划以内，以东部分位于西北地区中部二级区划以内。

第二步，确定参与计算的列车站点。基于美国国家航空航天局(NASA)1983年7月至2005年6月共22年月平均地面太阳辐射资料，根据资料的连续性，选择兰州、西宁、门源、张掖、高台、酒泉、哈密、吐鲁番和乌鲁木齐9个站点地面太阳辐射资料进行计算。根据第一步确定的气象地理区划，兰州、西宁、门源、张掖和高台5站位于西北地区中部二级区划以内，哈密、吐鲁番和乌鲁木齐3站位于西北地区西部二级区划以内，酒泉位于两个二级区划边界上。

第三步，计算站点月平均地面太阳辐射环境谱。基于NASA月平均地面太阳辐射资料，建立站点月平均地面太阳辐射环境谱。图1给出了兰州等9个站点的月平均地面太阳辐射环境谱。

第四步，确定列车站点环境变量在所处二级区划内的影响距离。兰新高速铁路横跨甘肃、青海和新疆3省(自治区)，全长1777km，其中新疆段正线全长710km，甘肃段全长799km，青海段全长约268km。第二步选择的9个站点之间，兰州-西宁、西宁-门源、门源-张掖、张掖-高台、高台-酒泉、酒泉-哈密、哈密-吐鲁番、吐鲁番-乌鲁木齐的距离分别为188km、98km、199km、71km、120km、571km、372km、158km。由于酒泉位于西北地区西部和西北地区中部两个二级区划边界上，在两个二级区划内分别计算其影响距离。由公式(1)计算酒泉在西北地区中部和西北地区西部的影响距离分别为60km、285.5km，兰州、西宁、门源、张掖、高台、哈密、吐鲁番和乌鲁木齐其他8个站点的影响距离分别为94km、143km、148.5km、135km、95.5km、471.5km、265km、79km。

第五步，确定一级区划和二级区划内列车运行区间的长度。由第二步和第四步信息，可得到兰新高速铁路全线均位于一级区划西北地区以内，长度为1777km；二级区划西北地区中部和西北地区西部内列车运行区间的长度分别为676km、1101km。

第六步，计算二级区划内列车运行区间的月平均地面太阳辐射环境谱。根据第三步得到的站点月平均地面太阳辐射和第四步确定的站点环境变量影响距离，由公式(2)得到二级区划的月平均地面太阳辐射环境谱。图2给出了西北地区中部和西北地区西部两个二级区划内列车运行区间的月平均地面太阳辐射环境谱。

第七步，计算一级区划内列车运行区间的月平均地面太阳辐射环境谱。根据第五步得到的二级区划内列车运行区间长度和第六步得到的二级区划月平均地面太阳辐射，由公式(3)得到一级区划内列车运行区间月平均地面太阳辐射环境谱。图3给出了一级区划西北地区内列车运行区间月平均地面太阳辐射环境谱。

第八步，计算列车总运行区间的月平均地面太阳辐射环境谱。兰新高速铁路全线均位于一级区划西北地区以内，因此兰新高速铁路总运行区间月平均地面太阳辐射环境谱与一级区划西北地区内列车运行区间月平均地面太阳辐射环境谱相同，见图3。当然，根据第五步得到的一级区划内列车运行区间长度和第七步得到的一级区划内列车运行区间月平均地面太阳辐射，由公式(4)也可计算得到列车总运行区间的月平均地面太阳辐射环境谱。

第九步，计算列车总运行区间的年平均地面太阳辐射和地面太阳紫外辐射。根据第八步得到的列车总运行区间的月平均地面太阳辐射，由公式(5)得到年平均地面太阳辐射为：

4.52kWh/m²/day×365day＝1650kWh/m²

根据1kWh＝3.6×10⁶J＝3.6MJ的换算关系，得到：

1650kWh/m²＝1650×3.6MJ/m²＝5940MJ/m²

由公式(6)可得年平均地面太阳紫外辐射为：

5940MJ/m²×7％＝415.8MJ/m²

第十步，根据实验室紫外光老化试验条件计算加速因子。实验室紫外光老化试验采用UVB-313灯，在310nm波长辐照度为0.66W/m²，转换为模拟250～400nm紫外波段总辐照度的转换系数为47.91。在加速试验箱内，一个方向上设置4盏灯，其每天产生的紫外辐射为：

0.66W/m²×47.91×3600s/hr×24hr/day×4＝10.93MJ/m²/day

在紫外加速试验箱内产生相当于兰新高铁全线一年的紫外辐射量需要的时间为：

(415.8MJ/m²)/(10.93MJ/m²/day)＝38.04day

由公式(7)得到加速因子为：

365day/38.04day≈9.5。