灌封型速度傳感器受熱應力影響的研究

劉丹 劉莉娜 鄭良廣 張燕亮

1. 寧波中車時代傳感技術有限公司，浙江省寧波市 315021；2. 湖南汽車工程職業學院，湖南省株洲市 412001

0 前言

中國城市規模和人口不斷擴大，經濟也進入快速發展時期，交通運輸問題日益凸顯[1-3]。鐵路運輸具有運量大、速度快、安全舒適、資源利用率高等優點，已成為交通運輸的骨干。鐵路按速度類型可分為高速鐵路、快速鐵路和普速鐵路。近幾年，隨著鐵路總體技術水平的提升，高速鐵路得到了快速發展及投入運營，高速列車需求不斷增加[4]。

為實現高速列車標準化、統型化、自主化和系列化，從2014年起，我國開始全面研發擁有自主知識產權的“中國標準動車組”和高速鐵路運營的完整標準體系，以統一、互聯和部件互換為總體目標，全面提升中國高速鐵路的發展質量[5]。同時，中國領土南北跨緯度大，存在地形復雜、氣候差異大等特點，高速列車面臨極寒、高海拔、濕熱及沿海的運行環境，因此高速列車科技含量高、運行速度快、安全責任重大，對其系統及部件的可靠性有嚴格的要求。牽引系統是列車中至關重要的組成部分[6-8]，而速度傳感器作為牽引系統的電五官，提供實時速度信息，作為車速控制的直接依據，如其發生故障，將導致列車發生安全類或運營類故障[9]，因此，速度傳感器的可靠性直接關系到列車安全運行。

可靠性指產品在規定條件下，在規定時間、區間內完成規定功能的能力。高速列車用速度傳感器長期應用于寬溫域（-40～+125 ℃）、快速溫變、復雜EMC和高水密性要求（IP68）等惡劣環境，常規設計無法滿足應用需求，需結合高速列車的實際應用環境進行可靠性極限研究。

可靠性試驗作為可靠性提升研究必不可少的方法，是可靠性設計的主要依據和可靠性評估的重要手段。其中可靠性驗證試驗為確定可靠性特征量是否達到所要求水平而進行的試驗，其目的在于指導設計、研制和維修，是可靠性試驗中的重要組成部分[10]。高速列車用速度傳感器需針對其應用環境特點開展可靠性極限試驗，才能真實反映其可靠性水平。目前，可靠性驗證領域還基于標準體系編制可靠性驗證方法及開展驗證工作。本文創新地在研發階段應用可靠性極限試驗暴露產品短板，綜合利用X-ray檢測、解剖和有限元分析等失效分析方法查找失效原因，確定引起失效的敏感參數；通過有限元仿真調整敏感參數，獲得規避失效風險的設計方案；通過可靠性驗證試驗確認優化方案的可行性和有效性。基于常規速度傳感器，研制一款適用于寬溫域、快溫變等極限環境的速度傳感器，滿足高速列車的應用需求。

1 灌封型速度傳感器構成

灌封型速度傳感器[11-13]由頭部組件和電纜線組件構成。電纜線組件主要由電纜線、外部防護管、管接頭和連接器構成，起電氣連接、傳輸作用；頭部組件由殼體組件、內芯組件及灌封材料（常規采用聚氨酯類）構成，為產品的核心部件，起到信號感應、轉換處理及輸出作用，其結構示意如圖1所示。

2 可靠性研究

2.1 可靠性極限試驗方法

傳感器可靠性采用平均故障率λ進行評價。平均故障率即在統計的走行公里和時間內，一只或多只傳感器發生故障的次數與累計走行公里或工作時間之比，其計算公式如下：

其中，Nf——一只或多只傳感器在所統計的走行公里或時間內發生的故障總數；

假設每一部分的壽命均服從指數分布，則有：

即：

由此可換算獲得平均基本故障間隔時間為：

根據高速列車的質量保證和可靠性分配原則，通常分配到每只傳感器的可靠性目標為：

MTBF（平均基本故障間隔時間）≥2.5×106h

以實現上述可靠性目標作為可靠性研究的目的，結合高速列車的溫度、濕度、振動等應用環境，依據機車車輛轉速傳感器系列鐵標TB/T 2760的相關試驗要求，選取長時高溫、長時低溫、溫度快變、模擬長壽命和溫度振動復合等試驗作為可靠性研究試驗的試驗內容。

2.2 可靠性極限試驗結果分析

選取若干樣機，并確認樣機性能合格，X-ray無損檢測正常。根據可靠性極限試驗方法進行試驗，并在試驗過程中實時監測樣機性能。對監測數據分析，發現個別樣機在溫度快變試驗過程中偶有丟信號問題，因此，對在可靠性極限試驗過程中發生異常的樣機開展分析，并針對異常點進行優化驗證。

2.2.1 X-ray和解剖分析

為查明異常點，對異常樣機進行X-ray和解剖分析，并與可靠性極限試驗前的樣機X-ray檢測情況進行對比，如圖2所示。

由圖2（a）可知，敏感元件和信號處理芯片的引腳焊點飽滿，且引腳與外圍包裹的焊錫連接良好，無移位、開裂等現象。

由圖2（b）可知，經過長期可靠性極限試驗后，兩個器件的焊點狀態發生了改變，敏感元件引腳與焊錫間出現了泛白裂紋，見紅框區域，即引腳與焊錫間發生了開裂；處理芯片的引腳在焊點上發生了移位，即與焊錫間形成了相對位移，在引腳底部與焊錫間形成開裂狀態，見紅框區域。正常情況下，焊錫使引腳與電路板焊盤形成連接，使電路形成回路，有效傳輸電信號，當引腳與焊錫間發生開裂，將導致引腳與電纜板焊盤無法有效連接，當外部環境發生變化時，如振動工況，會使傳感器內部信號鏈路接觸不良，進而影響輸出信號。

進一步解剖分析，確認PCB板上兩個封裝較大的器件焊點移位開裂。對樣機PCB進行帶電測試，確認觸碰器件焊點，輸出信號時有時無，復現試驗過程中的異常現象。

綜上，在可靠性極限試驗過程中，樣機內部器件受到了熱應力，導致焊點出現移位。

2.2.2 有限元分析

為查明樣機內部器件的熱應力產生原理，開展有限元仿真分析，建立仿真模型，如圖3所示。

以溫度快變試驗作為仿真條件，分別計算從 25 ℃上升到125 ℃過程中兩個器件焊點的最大應力和25 ℃～-40 ℃～25 ℃～125 ℃～25 ℃溫度循環過程中的殘余應力和殘余變形（模型中部分材料為彈塑性材料，在高低溫循環過程中，如果器件的應力超過材料屈服極限，恢復常溫后，器件中會有殘余變形和殘余應力）。從25 ℃上升到125 ℃過程中，兩個器件焊點的最大應力分布情況如圖4和表1所示，將計算所得值與器件構成材料的許用應力值進行比對，可知各處應力均超過許用應力，存在變形、斷裂風險。

表1 25 ℃上升到125 ℃過程中各元器件焊點的應力分布

25 ℃～-40 ℃～25 ℃～125 ℃～25 ℃溫度循環過程中的殘余應力和殘余變形情況如圖5和表2所示，從表2的數據可知，試驗過程中器件所受的應力已超過材料屈服極限，存在失效風險。

表2 25 ℃～-40 ℃～25 ℃～125 ℃～25 ℃溫度循環過程中的殘余應力

由上述仿真分析可知，樣機內部器件在溫度快變試驗過程中承受了熱應力，且熱應力集中在器件引腳及焊點處。

2.3 小結

由可靠性極限試驗及結果分析可知，在溫度快變環境下，灌封型速度傳感器內部灌封材料存在熱應力，且應力集中在器件引腳及焊點處，樣機存在失效風險，需要提升極限環境下的產品可靠性。

3 灌封型速度傳感器優化方案

根據前文分析結果，提升傳感器在極限環境下的應用可靠性，需消除熱應力集中問題。傳感器原灌封材料是填充整個殼體組件內腔，且殼體組件為金屬材料，當溫度發生快速變化時，灌封材料產生膨脹且無釋放空間，最終應力會集中作用在傳感器內部強度相對薄弱點。

綜上分析，對灌封型速度傳感器內部灌封材料形成的膠體進行空間設計，使膠體的熱應力進行釋放，尤其盡可能向器件相反方向進行釋放。

依據產品結構特點，選擇PCB兩側對稱開設鏤空槽，如圖6所示。

在傳感器結構空間限制下獲取最大的鏤空體積，盡可能為膠體膨脹釋放應力提供結構空間，如圖7所示。基于上述結構設計原則獲得基本輪廓，并進行膨脹空間冗余量的計算校核：

物體A與灌封膠R存在結合界面，A為受力點，受到來自R膠的力F。

R膠：線性熱膨脹系數C，膠體體積V，膠體長度L，與A的接觸面積S。

當溫度變化為Δt時，根據公式可計算出R膠體的體積變化：

組裝后，兩側鏤空槽與殼體組件內腔面之間因鏤空槽結構會形成兩個空腔，用于灌封膠受熱時的膨脹擠入。經三維模型測量，空腔體積和灌封膠體積分別為602.82 mm3和5016.75 mm3。選用一種灌封材料（C低壓注塑材料=2.7×10-6），當從常溫25 ℃升溫到125 ℃時，用公式（1）計算膨脹體積為：

通過以上計算可知，灌封材料膨脹體積4.06 mm3遠小于602.82 mm3，在溫度快變過程中，有足夠的空間預留給膠體膨脹，可釋放膨脹引起的熱應力。

4 試驗驗證

采用優化方案重新制作樣機，在-40 ～+125 ℃范圍內，采用與優化前產品的同等試驗條件，進行溫度快變試驗。試驗后，對樣機進行X-ray檢測和解剖分析，結果如圖8所示。由圖示對比可知，器件引腳及焊點無移位、開裂現象，可承受可靠性極限試驗。

5 結論

本文對灌封型速度傳感器在極限環境下的可靠性展開詳細研究，以可靠性極限試驗結果為分析源頭，通過X-ray檢測、解剖分析、有限元分析等手段分析產品的熱應力影響，優化產品方案，開展理論計算及可靠性極限試驗驗證，解決傳感器內部熱應力導致器件引腳及焊點移位、開裂問題，提升極限環境下的產品可靠性，研制了滿足高速列車應用需求的灌封型速度傳感器。