軸溫傳感器防護(hù)膠管高溫加速壽命研究

肖明明，吳悠，周天朋，寧薇薇

（1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，唐山 100076； 2.天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300462）

引言

在動車組運(yùn)行過程中，列車控制系統(tǒng)會不斷采集軸溫傳感器信號，當(dāng)發(fā)現(xiàn)軸溫異常時，根據(jù)故障導(dǎo)向安全原則，動車組將減速或限速行駛，在特殊情況下會實(shí)施緊急制動，以保證人員和車輛的絕對安全。但是在運(yùn)用過程中，多次出現(xiàn)軸溫傳感器燒損等故障；而軸溫傳感器一旦出現(xiàn)燒損，為了確保安全，列車就會限速行駛，從而導(dǎo)致晚點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計，軸溫傳感器故障是所有導(dǎo)致晚點(diǎn)的故障中比較突出的原因之一。

動車組在運(yùn)行過程中車體與軌道之間存在電勢差，該電勢差直接考驗(yàn)轉(zhuǎn)向架各點(diǎn)的絕緣性，其中軸溫傳感器就是轉(zhuǎn)向架的最薄弱點(diǎn)之一。該電勢差穩(wěn)態(tài)情況下峰峰值在80 V左右，在某些區(qū)段軸端與車體之間電勢差的最大脈沖值可達(dá)500 V[1]。

軸溫傳感器的防護(hù)膠管是保障傳感器密封性和絕緣性的重要部件，防護(hù)膠管的失效將直接導(dǎo)致軸溫傳感器水和濕氣的進(jìn)入，導(dǎo)致絕緣性能下降[2]。本文開展軸溫傳感器防護(hù)膠管高溫加速壽命研究，給出防護(hù)膠管壽命退化特征量及高溫試驗(yàn)加速系數(shù)。

1 研究思路

通過實(shí)驗(yàn)室開展產(chǎn)品壽命研究，受限于時間和進(jìn)度要求，需要采取加速試驗(yàn)的方法。加速試驗(yàn)通過增加試驗(yàn)應(yīng)力的方式，使其對產(chǎn)品造成損傷，該損傷應(yīng)與產(chǎn)品壽命期內(nèi)預(yù)期應(yīng)力造成的累積損傷等效。加速試驗(yàn)基于具體失效機(jī)理，確定定量的加速因子，該加速因子表征了產(chǎn)品在特定試驗(yàn)應(yīng)力與其使用環(huán)境應(yīng)力下所能經(jīng)受的時間之間的關(guān)系。試驗(yàn)應(yīng)力水平比產(chǎn)品使用時要求的應(yīng)力水平高，但低于產(chǎn)品的極限應(yīng)力水平，確保失效機(jī)理一致。加速試驗(yàn)過程中測試產(chǎn)品性能退化特性，該退化特性是時間或應(yīng)力循環(huán)數(shù)的函數(shù)，應(yīng)用產(chǎn)品性能退化特性表征壽命退化特征量。

依據(jù)產(chǎn)品加速試驗(yàn)方法[3]，首先分析軸溫防護(hù)膠管的失效模式，針對失效模式，分析引起失效的環(huán)境應(yīng)力。根據(jù)失效模式及其環(huán)境應(yīng)力，選擇相應(yīng)的加速壽命模型和表征產(chǎn)品壽命退化的特征量，從而制定加速試驗(yàn)方案。

2 加速試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

軸溫傳感器防護(hù)膠管規(guī)格型號：DN8-14.6，材質(zhì)：三元乙丙橡膠。

軸溫傳感器防護(hù)膠管的失效模式為在溫度、彎折、曲撓等環(huán)境下的高溫老化、疲勞失效，防護(hù)膠管產(chǎn)生裂紋、破損等現(xiàn)象。

引起失效的主要環(huán)境應(yīng)力為高溫應(yīng)力和彎折應(yīng)力，本文主要研究防護(hù)膠管在高溫環(huán)境下的材料老化特性。

具體試驗(yàn)方案如下：

試驗(yàn)對象：試驗(yàn)對象選取全新樣品、三級修樣品和四級修樣品（三級修樣品對應(yīng)行駛里程為120萬公里、四級修樣品對應(yīng)行駛里程為240萬公里）。

通過熱失重試驗(yàn)，獲取防護(hù)膠管橡膠材料的活化能參數(shù)，并進(jìn)行高溫加速因子預(yù)估。

通過拉伸試驗(yàn)，獲取全新、三級修、四級修不同使用階段樣品拉伸斷裂力的退化數(shù)據(jù)。

通過高溫試驗(yàn)，研究高溫加速環(huán)境對樣品性能退化的影響。高溫試驗(yàn)后的樣品進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，獲取高溫試驗(yàn)后樣品拉伸斷裂力的退化數(shù)據(jù)。

分析全新、三級修、四級修不同使用階段樣品拉伸斷裂力的退化與高溫加速試驗(yàn)拉伸斷裂力退化之間的關(guān)系，給出高溫試驗(yàn)綜合加速因子。

2.2 熱失重試驗(yàn)[4]

試驗(yàn)樣品：全新樣品，重量至少為150 mg。

試驗(yàn)設(shè)備：熱重分析儀 PYRIS 1。

試驗(yàn)條件：溫度范圍（20～800）℃；溫度變化率：5℃ /min、10 ℃ /min、15 ℃ /min。

試驗(yàn)結(jié)果：熱失重曲線如圖1。

2.3 拉伸試驗(yàn)[5]

試驗(yàn)樣品：全新、三級修、四級修樣品，取樣長度300 mm，數(shù)量每類3根。

試驗(yàn)設(shè)備：電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)WDW-5。

試驗(yàn)條件：兩端通過工裝固定在電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，250 mm/min的速率進(jìn)行拉伸，拉斷為止。

試驗(yàn)測試：記錄最大拉力。

試驗(yàn)結(jié)果：斷裂拉力試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

斷裂拉力平均值與行駛里程繪制曲線如圖2所示，表明防護(hù)膠管斷裂拉力與行駛里程呈線性關(guān)系。

圖1 溫度-失重率曲線

線性擬合得到實(shí)際使用過程中拉力退化斜率：

式中：

2.4 高溫老化試驗(yàn)[6]

試驗(yàn)樣品：全新樣品，取樣長度300 mm，數(shù)量20根。

試驗(yàn)設(shè)備：高溫試驗(yàn)箱EBS-SDJ6025F。

試驗(yàn)條件：150 ℃；30天。

試驗(yàn)測試：每6天，取3根樣品進(jìn)行拉伸測試。

試驗(yàn)結(jié)果：高溫老化后拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

斷裂拉力平均值與試驗(yàn)天數(shù)繪制曲線如圖3所示，表明防護(hù)膠管斷裂拉力與高溫試驗(yàn)天數(shù)呈線性關(guān)系。

線性擬合得到高溫試驗(yàn)后拉力退化斜率：

式中：

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 活化能

活化能是晶體中晶格點(diǎn)陣上的原子運(yùn)動到另一點(diǎn)陣或間隙位置時所需的能量，是反映溫度應(yīng)力對材料壽命影響的一種指標(biāo)。阿倫尼斯認(rèn)為，對于某一確定反應(yīng)來說，活化能是不隨溫度變化的常數(shù)。也就是說，對應(yīng)某失效機(jī)理，活化能是不隨溫度變化的常數(shù)[7]。

表1 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖2 行駛里程與斷裂拉力關(guān)系曲線

表2 高溫老化后拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 高溫試驗(yàn)天數(shù)與斷裂拉力關(guān)系曲線

依據(jù)參考文獻(xiàn)[8]和ISO 11358-2-2014標(biāo)準(zhǔn)[9]，活化能計算公式為：

式中：

β=dT/dt—升溫速率；

C—常數(shù)；

Ea—活化能；

k—玻爾茲曼常數(shù)8.617×10-5eV/K；

T—絕對溫度。

在圖1曲線中，失重率分別為0.94、0.95、0.96時取lgβ與1/T值多組，繪制曲線如圖4所示。

根據(jù)圖4的斜率計算活化能，數(shù)據(jù)如表3。

3.2 高溫試驗(yàn)加速因子

加速因子亦稱為加速系數(shù)，阿倫尼斯模型[10]加速因子公式如下：

圖4 lgβ—1/T關(guān)系曲線

表3 活化能計算數(shù)據(jù)

式中：

T0—使用溫度；

T1—高溫試驗(yàn)溫度。

式（4）是基于同一失效模式的退化量導(dǎo)出的，無論產(chǎn)品是否失效，只要產(chǎn)品壽命特征退化量相同即可。利用產(chǎn)品某性能參數(shù)或特征退化數(shù)據(jù)對產(chǎn)品進(jìn)行加速壽命研究。

軸溫防護(hù)膠管在使用溫度為50 ℃，高溫試驗(yàn)溫度為150 ℃時，計算出高溫試驗(yàn)相對使用溫度的加速系數(shù)α=137.65。

3.3 拉伸率試驗(yàn)加速因子

根據(jù)2.3節(jié)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，防護(hù)膠管斷裂拉力退化率符合阿倫尼斯模型。定義膠管斷裂力的退化率模型為：

式中：

考慮高鐵運(yùn)行過程中的啟動和停站時間，設(shè)定高鐵運(yùn)行平均時速200 km/h，可得：

試驗(yàn)天數(shù)用小時來表示，可得：

由式（1）和式（6），可得實(shí)際使用樣品斷裂拉力退化率：

由式（2）和式（7），可得高溫試驗(yàn)樣品退化率：

由式（9）和式（11），可得高溫試驗(yàn)相對于實(shí)際使用樣品的加速系數(shù)：

3.4 數(shù)據(jù)比對

根據(jù)熱失重方法計算得到高溫試驗(yàn)加速因子為137.65，根據(jù)高溫試驗(yàn)和實(shí)際使用樣品拉伸試驗(yàn)獲得的加速因子為84.663。由于實(shí)際使用過程中，防護(hù)膠管的拉伸斷裂力的退化除了受高溫作為主要影響因素外，還受到振動、彎折疲勞等因素的影響，導(dǎo)致防護(hù)膠管實(shí)際拉伸斷裂力的退化比只承受溫度環(huán)境的退化更嚴(yán)酷，所以高溫試驗(yàn)和實(shí)際使用樣品的拉伸退化加速因子小于理想的熱失重法計算得到的加速因子。

根據(jù)高溫試驗(yàn)和實(shí)際使用樣品拉伸試驗(yàn)計算得到的加速因子包含了實(shí)際使用過程中除了溫度應(yīng)力以外的其他因素對斷裂拉力退化的影響，用其預(yù)測實(shí)際使用壽命更符合使用現(xiàn)狀。

4 結(jié)論

1）通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了軸溫傳感器防護(hù)膠管的斷裂拉力與行駛里程呈線性關(guān)系，其退化率為常數(shù)。軸溫傳感器防護(hù)膠管高溫試驗(yàn)后，其斷裂拉力與高溫試驗(yàn)時間呈線性關(guān)系，其退化率為常數(shù)。

2）在溫度環(huán)境下，軸溫傳感器防護(hù)膠管斷裂拉力的退化率符合阿倫尼斯模型，可以用斷裂拉力作為軸溫傳感器防護(hù)膠管的壽命特征量。

3）某型軸溫傳感器防護(hù)膠管在高溫150 ℃環(huán)境下的加速壽命，相對于實(shí)際使用環(huán)境的加速因子為84.663。