動車組制動系統用壓力傳感器的壽命研究*

溫熙圓，章 陽,2，付 波

（1 北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081）

在動車組制動系統中，壓力傳感器產品作為信號采集設備，將壓力信號轉換為電信號，用于常用制動控制、緊急制動控制、停放制動控制、空壓機啟停控制等。按其功能不同可劃分為：總風壓力傳感器、制動缸壓力傳感器、制動供風壓力傳感器、停放制動缸壓力傳感器、常用制動預控壓力傳感器、緊急制動預控壓力傳感器及空簧壓力傳感器7種，在制動控制系統中起到至關重要的作用，因此，研究壓力傳感器的壽命，分析其壽命分布及其關鍵技術指標退化規律，有助于制定合理的檢修策略，可有效降低制動系統的故障率，提高制動系統的可靠性和安全性。

1 制動系統用壓力傳感器

制動系統用壓力傳感器一般分為硅壓阻式和濺射薄膜式2種。工作時，壓縮空氣通過壓力接頭進入，經過硅壓阻芯片（或濺射薄膜）轉化為電信號，再經過信號調理及補償電路轉化為4~20 mA信號，通過電氣接頭輸出，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 壓力傳感器結構示意圖

壓力傳感器作為制動系統的關鍵零部件，其壽命會直接影響制動系統的可靠性和安全性。既有的國內外供應商常宣稱其產品的壽命在10~15 a，但是沒有一家傳感器供應商針對傳感器進行過具體的壽命分析，評估其壽命是否滿足檢修要求，業內也沒有標準的壓力傳感器產品的壽命評估方法。

要評估傳感器的壽命，首先需要對產品壽命進行準確的定義。產品的壽命通常是指產品從生產出來后，在規定的工作條件下能夠安全工作并符合產品性能的時間。產品的壽命通常符合浴盆曲線［1-2］，如圖2所示。

圖2 浴盆曲線

浴盆曲線準確地描述了產品的失效率變化趨勢。當產品的失效率趨勢發生變化，從浴盆底部恒定失效率轉換到失效率快速增加的階段也就預示著產品的壽命到了，如果再繼續使用就會導致故障增加。因此可以根據產品失效率變化來評估產品是否壽命終結。威布爾分布（Weibull Distribution）是描述產品壽命的一個重要分布為式（1）：

式中：λ為失效率；β為形狀參數；γ為位置參數。

失效率λ的變化趨勢是和形狀參數β大小相關的：當β小于1的時候，失效率λ隨著時間增加而減小；當β=1，失效率λ為常數，對應浴盆曲線的底部；當β大于1的時候，失效率λ隨著時間增加而增加，正好對應產品壽命。因此可以通過壽命測試數據分析，得到產品的壽命分布。

2 壓力傳感器壽命要求

2.1 工作條件

壓力傳感器安裝在動車組制動系統中，主要的工作條件如下：

工作溫度范圍：-40~85℃

振動條件： GB/T 21563-2018 2類轉向架安裝

壓力范圍： 0~10 bar，正常工作一般不超過9.8 bar

2.2 壽命要求

壓力傳感器作為壓力的采集部件，采集值直接參與控制，其精度直接影響制動控制的可靠性和安全性，又因壓力傳感器的自身結構，長期穩定性是其固有技術參數（即每年最大漂移量），考慮到系統的功能要求，其壽命一般不應低于12 a。

2.3 壽命指標確定

根據動車組正常的使用情況可以估算其具體的工作時間。按照每天工作12 h，1 a工作300 d，動車組1 a總的工作時間是3 600 h。10 a總的工作時間是36 000 h，15 a的壽命需要工作48 000 h，如果在正常條件下模擬傳感器15 a的壽命，需要不間斷測試約5.5 a的時間。

3 壽命評估方法

評估傳感器15 a的壽命情況，在正常工作條件下需要測試將近5.5 a的時間。這個測試時間過于漫長，因此，需要通過加速壽命測試的方法進行壽命評估。而加速壽命測試需要綜合考慮測試樣品數量、測試時間及測試應力。

3.1 失效模式分析

要評估壓力傳感器的壽命，首先需要了解壓力傳感器的結構和可能存在的壽命相關失效模式。以硅壓阻式壓力傳感器為例，其壽命相關失效主要包括3個方面：

（1）焊點老化：壓力傳感器內部具有調理電路板。電路板上元器件焊點在工作中受到振動、溫度和濕度的影響，焊點內部自身會產生蠕變和循環應力，焊點內部結構發生變化，產生空洞，其強度會逐漸減弱，如圖3、圖4所示。

圖3 焊點老化過程

圖4 焊點老化失效導致開裂

另外，焊點本身在低溫下脆性增加，對低溫下的振動更加敏感，因此在壽命評估過程中需要考慮焊點疲勞后在低溫工作時候由于脆性導致的失效模式。

（2）漏油：壓力傳感器內部密封著硅油，壓力接觸面與壓力采集模塊材料不同，溫度變化導致兩者之間存在應力，長時間工作有可能導致微小裂縫，最終導致漏油（和白熾燈燈絲通過玻璃燒結類似，一旦燒結位置漏氣就導致白熾燈無法散熱，最終鎢絲燒斷）。同時液壓油特性在低溫下也會發生變化，因此在測試中需要考慮高低溫下液壓油性能變化對密封性的影響。

（3）電子元器件失效：壓力傳感器控制電路的主要電子器件為電阻、二極管、貼片電容、三極管和熱敏電阻等，最大功耗不超過1 W（工作電壓為24 V，電流為20 mA），器件本身發熱量不大，失效的比例很小，通常不會影響到產品的壽命。但可以通過溫濕度加速來評估電子元器件的可靠性。

壓力傳感器可能還存在其他失效模式，比如IP65防水能力下降（呼吸部件老化），但在實際應用中壓力傳感器是安裝在制動控制裝置內，有相應的防水防塵保護，所以該失效模式對實際工作沒有影響。因此防水能力不作為壽命評估的重點。

3.2 敏感應力選擇

根據對壓力傳感器的關鍵失效模式分析，選擇的加速壽命測試的應力主要是溫度、濕度和振動。應力與失效模式關系見表1。

表1 應力和失效模式關系

從表1可以看出，溫濕度加速是主要的加速應力，也是最常用的加速應力，其加速因子可根據Peck’s模型［3-5］獲得式（2）：

式中：AF為加速因子；Eα為激活能；k為玻爾茲曼常數；Tuse為產品應用溫度；Ttest為加速測試溫度；RHtest為加速測試濕度；RHuse為產品應用的濕度。

溫濕度加速壽命是比較常用的加速測試條件，根據壓力傳感器的技術規格，可以選取最高的測試溫度為85℃，濕度為85%相對濕度；最低的工作溫度為-40℃。為了能夠模擬壓力傳感器在實際工作中存在的溫度變化（包括傳感器從非工作狀態到工作狀態由于自身和周圍電路發熱造成的溫度變化、環境溫度的變化（早晚溫差，地域溫差等）），試驗過程中通過高低溫和濕度交變的方式進行測試。

針對振動，可以直接根據GB/T 21563-2018鐵道設備沖擊和振動標準中9.1章節的長壽命測試條件進行，其要求見表2。

表2 長壽命振動測試要求

標準附錄A.5.2中規定，通過每個軸向5 h長時間振動以模擬在鐵道中的實際使用工況。

考慮到傳感器在實際工作中存在溫度、濕度和振動多應力疊加的情況，在振動的過程中也加入了高低溫和濕度變化。同時為了能夠觀察傳感器隨著加速壽命測試的進行，其性能發生的變化，將整個測試分成3個階段，在每個階段的加速壽命測試之后，對被測傳感器進行性能測試和內部結構檢測，以確認是否已經出現性能退化或者元器件老化的情況，整個加速壽命測試流程如下：

（1）高低溫、濕度交變及長壽命振動（模擬6 a壽命）。

（2）性能測試。

（3）重復步驟1~2（共3次），評估傳感器是否滿足18 a壽命要求。

（4）選取2個樣品對傳感器內部焊點分析。

4 測試結果

根據加速壽命測試流程，選取了24個壓力傳感器進行了加速壽命測試，每個測試階段完成性能檢測之后選取2個樣品進行切片分析，觀察焊點和電路板的變化。

4.1 壓力傳感器測試臺搭建

在加速壽命測試過程中，需要對壓力傳感器施加實時壓力，并監控壓力傳感器的輸出是否正常。采取3個不同的壓力條件、24個壓力傳感器同時測試，每個壓力24 h循環進行，并實時采集壓力傳感器數據。

測試樣品放置在溫濕度箱內，通過壓力管道提供氣壓到測試樣品上，輸出端連接到外部監控電路，以監控輸出的電壓。測試環境如圖5所示。

圖5 壓力傳感器測試環境

4.2 加速壽命測試數據

試驗過程中，采集每個階段的測試實時數據進行比對。

第1階段采集的數據樣品一致性非常好，波動原因是溫度變化引起的波動，但波動造成的電壓變化沒有超過0.1 V，如圖6所示。

圖6 第1階段實時采集數據

第2階段開始有1個樣品（橙色線）出現稍微的波動，在溫度穩定的階段輸出電壓偶爾出現0.2 V的尖峰，但仍然在可以接受的范圍內，如圖7所示。

圖7 第2階段實時采集數據

第3階段開始，有1個樣品的輸出電壓（箭頭指向）出現明顯波動，在溫度穩定的階段已經出現異常。這個階段共有3個樣品隨著加速壽命的進行出現了異常情況，如圖8所示。總的測試樣品出現異常的情況統計見表3。

圖8 第3階段實時采集數據

表3 失效數據統計

4.3 電路板分析

選取幾個關鍵器件進行切片分析，對焊點開裂情況、電路板老化情況進行微觀檢查。

由切片結果可見，在第3個階段的加速老化測試結束之后，電路板開始出現開裂，焊錫的空洞率變多，導致傳感器的性能出現明顯下降，如圖9~圖11所示。

圖9 第1階段加速老化測試之后

圖11 第3階段加速老化測試之后

4.4 壽命數據分析

根據加速壽命測試的結果（見表3）及其余21個樣品沒有失效數據進行威布爾分布分析。

圖10 第2階段加速老化測試之后

將壽命測試輸入Weibull++壽命分析軟件，見表4，經過計算得到壓力傳感器壽命分布數據如圖12所示。

圖12 Weibull分布概率圖

表4 威布爾數據導入

其中2個樣品在模擬6 a后取出分析，2個樣品在模擬12 a后取出，另外17個樣品在模擬18.7 a測試結束后仍然工作正常。

從壽命數據分析結果可以看出，經過長時間的加速老化測試之后，產品開始出現老化失效（β=7.29，大于1）。在90%的置信度條件下，累計5%失效率的時間將近是13.3 a，15 a時失效率已大于8%。

5 結論

通過對壓力傳感器的加速壽命測試，壓力傳感器的使用壽命年應在10~15 a之間，超過15 a使用時故障率已不滿足系統要求。主要失效原因是：隨著器件和材料的老化（電路板開裂變大，焊接阻抗變高等），傳感器的性能逐漸下降，有些傳感器性能出現波動，輸出電壓逐漸異常。因此，可以在不同維保階段，對傳感器抽樣檢查，進行性能測試和電路板的切片分析，以確定傳感器是否開始出現老化，根據老化程度，及時指導更換。

由于本次壓力傳感器加速壽命試驗采用溫度、濕度以及振動綜合應力進行測試，加速因子不一定完全適用于壓力傳感器。未來可以通過進行正交加速壽命測試對加速因子進行更準確的計算，從而更準確的評估壓力傳感器的壽命。

通過本次加速壽命測試，能夠看到壓力傳感器的主要失效模式和薄弱點，可以進一步通過分析找到提高壓力傳感器壽命的方向，為壓力傳感器的修程修制完善提供參考。