CRH380B動(dòng)車組軸溫傳感器線纜可靠性研究綜述

吳煦明

摘要：隨著科技水平的不斷發(fā)展，高鐵出行已經(jīng)成為人們生活的一部分，而380B型動(dòng)車組的軸溫傳感器大部分也到了3級(jí)修，4級(jí)修的修程，檢修的數(shù)量和維護(hù)的成本則每年在增加，本文綜述了380B型動(dòng)車組軸溫傳感器線纜的性能特點(diǎn)及應(yīng)用情況，通過(guò)多種方法總結(jié)其壽命預(yù)測(cè)方法，以及如何預(yù)防老化的方法。

關(guān)鍵詞：軸溫傳感器;CRH380B動(dòng)車組;壽命預(yù)測(cè);防老化

一、 380B動(dòng)車組軸溫傳感器

CRH380B動(dòng)車組是由中車唐山機(jī)車車輛有限公司所生產(chǎn)，軸溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用的是雙通道的PT100型溫度傳感器（如圖1）。

與一般的數(shù)字傳感器和熔斷式傳感器不同，380B動(dòng)車組軸溫傳感器為鉑電阻傳感器。這種傳感器的特點(diǎn)十分明顯，他檢測(cè)溫度范圍非常廣，其測(cè)量的精度十分的準(zhǔn)確，使用時(shí)也十分的穩(wěn)定，隨著環(huán)境溫度的不斷變化，他的電阻也會(huì)跟著改變，規(guī)律和性能參數(shù)如下：

R T = 100 + 0.38T （1）

R T = 1000 + 0.38T （2）

1.1 380B動(dòng)車組軸溫傳感器線纜

軸溫傳感器線纜由3部分組成（如圖2）分別由護(hù)套軟管，屏蔽電纜和芯線組成。

1.2基本參數(shù)（表1）

二、 壽命分析

2.1 380B動(dòng)車組軸溫傳感器線纜老化原因

CRH380軸溫傳感器的保護(hù)套的主要材料是三元乙丙橡膠，而且?guī)缀跞堪惭b在車底，受到周圍環(huán)境的影響十分大，其老化原因有這幾點(diǎn)：

1.陽(yáng)光

由于380B動(dòng)車組軸溫傳感器大部分安裝于車輛轉(zhuǎn)向架上，使其在運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間受陽(yáng)光照射，其中紫外光對(duì)其具有很強(qiáng)的破壞性。

2.熱

熱可以使傳感器護(hù)套發(fā)生交聯(lián)或降解，其分子鏈在高溫環(huán)境下發(fā)生斷裂，于是便產(chǎn)生了化學(xué)性質(zhì)較為活躍的自由基，接著繼續(xù)會(huì)與氧氣產(chǎn)生化學(xué)效應(yīng)，從而形成過(guò)氧自由基，進(jìn)一步使其斷裂。熱氧作用的最后結(jié)果會(huì)讓保護(hù)套的性能下降，慢慢老化失去其保護(hù)作用。

3.臭氧和氧

眾所周知氧氣的化學(xué)性質(zhì)十分的活潑，會(huì)與許多物體發(fā)生氧化反應(yīng)，而380B動(dòng)車組軸溫傳感器在線路運(yùn)行過(guò)程中一直與氧氣有接觸，在光和熱的共同作用下則會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，從而引起保護(hù)套的老化。

臭氧的性質(zhì)則比氧氣更活潑，從而發(fā)生氧化反應(yīng)更加強(qiáng)烈，甚至?xí)l(fā)生“臭氧龜裂”情況。

4水

由于降雨，雨水會(huì)沖刷掉線纜保護(hù)套外面的氧化層，水分子滲透其中，會(huì)溶解其中的親水基團(tuán)，加速保護(hù)套的老化。

5.機(jī)械力

線纜保護(hù)套由于在軸溫傳感器安裝過(guò)程中受到機(jī)械力的作用下會(huì)產(chǎn)生輕微的彎折變形，以及安裝線卡時(shí)受到的擠壓力，會(huì)使其中的分子鏈斷裂導(dǎo)致分子的降解，使保護(hù)套的性能變差。

6.生物

微生物也是使線纜保護(hù)套老化的原因之一，真菌與細(xì)菌在一定的環(huán)境下會(huì)分泌出一種特定的酶，從而產(chǎn)生催化作用，會(huì)使線纜保護(hù)套的的分子鏈斷裂產(chǎn)生降解，嚴(yán)重還會(huì)產(chǎn)生粉化。

2.2 380B軸溫傳感器線纜老化實(shí)驗(yàn)

380B動(dòng)車組軸溫傳感器的老化實(shí)驗(yàn)有兩種老化，分別是自然老化和人工加速老化，對(duì)于自然老化的研究到目前為止報(bào)道與研究十分的少，因?yàn)樽匀焕匣闹芷谑鞘致L(zhǎng)的，隨機(jī)性也十分的大。對(duì)于人工加速老化則有以下幾種方法：

1.熱分析法

熱分析是在程序控制溫度下，測(cè)量物質(zhì)的物理或化學(xué)參數(shù)與溫度之間關(guān)系的一類技術(shù)。

數(shù)學(xué)表達(dá)式為P=f（T）其中P是物質(zhì)的一種物理量T是物質(zhì)的溫度，其中T=φ（t）t為時(shí)間，也就是把溫度看作是時(shí)間的函數(shù)。其中主要的熱分析技術(shù)有熱重法（TG），微商熱重法（DTG），差熱分析（DTA）以及掃描量熱法（DSC）.其中熱重法（TG，Theromgravimetry）是指在程序控溫下，測(cè)量物質(zhì)的質(zhì)量與溫度（或時(shí)間）關(guān)系，而微商熱重法（DTG，Derivative Theromgravimetry）則是將得到TG曲線對(duì)溫度或時(shí)間取一階導(dǎo)數(shù)。（圖3 TG圖和DTG圖）

文獻(xiàn)列車用溫度傳感器線纜的老化研究及壽命評(píng)估（孫炎，黃文斌） 通過(guò)熱重分析法測(cè)定了列車溫度傳感器的線纜護(hù)套和屏蔽電纜的TGA曲線通過(guò)阿累尼烏斯方程計(jì)算出上述材料的活化能，并建立了熱壽命方程式：

其中：

——預(yù)估壽命，單位 min;

E—反應(yīng)活化能，單位 J·mol-1;

R—?dú)怏w常數(shù)，數(shù)值為 8.314 J ·（mol-1·K-1）;

—特定失重率對(duì)應(yīng)的失效溫度，單位 K;

β—升溫速率，單位 K·min-1;

a —積分常數(shù)，查表可得。

最后得出結(jié)論屏蔽電纜的在正常使用過(guò)程中其性能十分穩(wěn)定，而其線纜護(hù)套則具有不穩(wěn)定性，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)產(chǎn)生熱老化現(xiàn)象。

2.低溫曲撓實(shí)驗(yàn)

根據(jù)GB/T 5564- 2006的標(biāo)準(zhǔn)，低溫曲撓實(shí)驗(yàn)分為低溫剛性和低溫彎曲，低溫剛性實(shí)驗(yàn)是將膠管夾持在直徑為膠管內(nèi)徑12倍的扭轉(zhuǎn)輪上，在低溫下停放6小時(shí)后，在12s內(nèi)扭轉(zhuǎn)180°時(shí)測(cè)得的扭矩與標(biāo)準(zhǔn)溫度下測(cè)得的扭矩的比。低溫彎曲實(shí)驗(yàn)是將管夾持在直徑為膠管內(nèi)徑12倍的扭轉(zhuǎn)輪上，在低溫下停放24小時(shí)后，在10s內(nèi)扭轉(zhuǎn)180°，檢查內(nèi)外膠是否脆裂和破壞。 測(cè)量膠管低溫脆性最簡(jiǎn)單的試驗(yàn)是將試樣在低溫下彎曲90°，或?qū)⒁欢文z管冷凍后壓縮1/2看是否脆裂。文獻(xiàn)某型溫度傳感器防護(hù)套彎折疲勞試驗(yàn)的壽命研究（雷霆，寧薇薇，周天朋，閆旭東，呼東亮）通過(guò)此方法對(duì)軸溫傳感器進(jìn)行低溫彎折疲勞實(shí)驗(yàn)，并建立壽命退化模型：f（x） = a*exp（b*x）得出壽命預(yù)測(cè)結(jié)果（表2）四級(jí)修的防護(hù)膠管低溫彎折壽命退化為全新防護(hù)膠管壽命的 5.7 %，因此4級(jí)修時(shí)建議及時(shí)更換膠管，實(shí)驗(yàn)通過(guò)比較得出結(jié)果，發(fā)現(xiàn)新的樣本的彎折次數(shù)大約為10萬(wàn)多次，而三四級(jí)修的彎折次數(shù)只有3千到9千之間，通過(guò)這里也能看出線纜保護(hù)套的老化還是與其材料性質(zhì)有關(guān)，與公里數(shù)關(guān)系不大，且線卡處由于受外部機(jī)械力的作用，彎折數(shù)量明顯少于非線卡處，非常容易產(chǎn)生老化，斷裂等結(jié)果。

3.紫外光老化實(shí)驗(yàn)

根據(jù)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14522-2008，將所需實(shí)驗(yàn)樣品放入紫外箱中進(jìn)行人工加速老化實(shí)驗(yàn)，通過(guò)紫外燈管的長(zhǎng)時(shí)間光照，老化不同時(shí)間后對(duì)樣品進(jìn)行H-NMR，F(xiàn)T-IR和UV-Vis吸收光譜表征。文獻(xiàn)（三元乙丙的老化機(jī)理研究 李志輝）通過(guò)紫外光老化實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論三元乙丙橡膠的對(duì)紫外線的抗性十分不理想，通過(guò)在紫外線下照射了30分鐘后下就產(chǎn)生了羰基化合物，其化學(xué)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯得改變，而380B軸溫傳感器線纜的主要材料也是三元乙丙橡膠，因此他們的老化原理幾乎相同。所以在列車行駛過(guò)程中在周邊部分還是需要添加紫外光穩(wěn)定劑，從而提高軸溫傳感器的抗老化能力。

4.拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測(cè)定

這些年來(lái)，在航空領(lǐng)域、船舶領(lǐng)域、高速動(dòng)車組等領(lǐng)域有非常多關(guān)于橡膠研究預(yù)測(cè)壽命的結(jié)論，其中大部分使用人工加速老化后扯斷伸長(zhǎng)率、壓縮永久變形等性能衰減的原理也測(cè)其使用壽命。壽命預(yù)測(cè)原理如下，分別在60℃，80℃，100℃的溫度情況下，把扯斷伸長(zhǎng)率數(shù)值設(shè)為縱坐標(biāo)，而把時(shí)間設(shè)會(huì)橫坐標(biāo)，定時(shí)取出樣本，對(duì)其測(cè)試扯斷伸長(zhǎng)率，直到其到達(dá)臨界值，于是可以得出在這幾個(gè)溫度下老化所需要多少時(shí)間，通過(guò)獲得最后的數(shù)據(jù)點(diǎn)的30-40℃內(nèi)的失效時(shí)間數(shù)值與溫度的函數(shù)作出阿累尼烏斯圖，再經(jīng)函數(shù)變化得到的直線可以外推到使用溫度下的失效時(shí)間，外推法通常限制在超過(guò)最終數(shù)據(jù)點(diǎn)的30-40℃內(nèi)（馮志新，官健，謝宇芳.環(huán)氧樹脂覆銅板（CCL）耐熱老化的研究[J].合成材料老化與應(yīng)用）

通過(guò)整理擬合數(shù)據(jù)，得到扯斷伸長(zhǎng)率的老化函數(shù)。并且通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)GB/T20028-2005所得到結(jié)果電纜護(hù)套的使用壽命約為7.75年。

三、380B動(dòng)車組軸溫傳感器線纜防老化方法

關(guān)于線纜的防老化可以從其中外部原因和內(nèi)部原因進(jìn)行分析，內(nèi)因方面可以改善線纜的合成以及它的加工中工藝，使線纜擁有更好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，而外因方面則可以在原材料中添加防老劑來(lái)抵御外部環(huán)境對(duì)線纜的腐蝕與侵害。而防老劑則分為以下幾種，熱穩(wěn)定劑，光穩(wěn)定劑，抗氧劑等等。

1.熱穩(wěn)定劑

線纜在生產(chǎn)和使用過(guò)程中會(huì)受熱降解，在其中加入熱穩(wěn)定劑后可以有效抑制熱分解反應(yīng)，雖然用量很小，卻十分重要。

2.光穩(wěn)定劑

研究結(jié)果表明，紫外光對(duì)線纜具有十分強(qiáng)的破壞性，而軸溫傳感器線纜長(zhǎng)期遭紫外光照射，因此在其中添加抗紫外光防老劑則十分必要。光穩(wěn)定劑包括：光屏蔽劑，猝滅劑和紫外光吸收劑。

3.抗氧劑

添加抗氧劑可以抑制軸溫傳感器線纜老化過(guò)程中的自動(dòng)氧化反應(yīng)。

四、結(jié)束語(yǔ)

（1）到目前為止，CRH380軸溫傳感器線纜的壽命預(yù)測(cè)方面已有研究成果，其中大多數(shù)壽命預(yù)測(cè)方法僅考慮了一種環(huán)境因素，在多種環(huán)境因素影響下的壽命預(yù)測(cè)研究則十分不足。

（2）CRH380B軸溫傳感器線纜的老化因素主要還是受到熱和紫外線的影響的因素較大，根據(jù)部分人工加速熱老化研究得出結(jié)論，線纜護(hù)套的壽命一般在7到8年之間，但由于只考慮了單方面的環(huán)境因素（如溫度，光照等）實(shí)際使用壽命應(yīng)該低于這年份，由于車底軸溫傳感器無(wú)法受到光照，其受紫外線因素影響可以忽略不計(jì)，因此車底軸溫線纜使用壽命也應(yīng)該大于轉(zhuǎn)向架周邊傳感器使用壽命。

（3）為延長(zhǎng)線纜保護(hù)套使用壽命，可以根據(jù)不同線路的環(huán)境因素，可采取針對(duì)性的防老化措施，改善其存放環(huán)境，盡量存放于干燥環(huán)境，降低溫度濕度對(duì)其影響。

（4）經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)軸溫傳感器線卡處的壽命明顯小于未裝線卡處，因此在進(jìn)行3 4級(jí)修作業(yè)時(shí)應(yīng)該仔細(xì)檢查線卡處是否有老化斷裂情況發(fā)生，從而及時(shí)更換。

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