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(dòng)車組運(yùn)行過程中，列車控制系統(tǒng)會(huì)不斷采集軸溫傳感器信號，當(dāng)發(fā)現(xiàn)軸溫異常時(shí)，根據(jù)故障導(dǎo)向安全原則，動(dòng)車組將減速或限速行駛，在特殊情況下會(huì)實(shí)施緊急制動(dòng)，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(huì)限速行駛，從而導(dǎo)致晚點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(dòng)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(shí)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(shí)間之間的關(guān)系。試驗(yàn)應(yīng)力水平比產(chǎn)品使用時(shí)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(shí)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(dòng)到另一點(diǎn)陣或間隙位置時(shí)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(jì)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(shí)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(jì)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(jì)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(shí)，計(jì)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(dòng)和停站時(shí)間，設(shè)定高鐵運(yùn)行平均時(shí)速200 km/h，可得：

試驗(yàn)天數(shù)用小時(shí)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(jì)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(dòng)、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(jì)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(jì)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(shí)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。