灌封型速度傳感器受熱應(yīng)力影響的研究

劉丹 劉莉娜 鄭良廣 張燕亮

1. 寧波中車(chē)時(shí)代傳感技術(shù)有限公司，浙江省寧波市 315021；2. 湖南汽車(chē)工程職業(yè)學(xué)院，湖南省株洲市 412001

0 前言

中國(guó)城市規(guī)模和人口不斷擴(kuò)大，經(jīng)濟(jì)也進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，交通運(yùn)輸問(wèn)題日益凸顯[1-3]。鐵路運(yùn)輸具有運(yùn)量大、速度快、安全舒適、資源利用率高等優(yōu)點(diǎn)，已成為交通運(yùn)輸?shù)墓歉伞ｈF路按速度類(lèi)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(shù)水平的提升，高速鐵路得到了快速發(fā)展及投入運(yùn)營(yíng)，高速列車(chē)需求不斷增加[4]。

為實(shí)現(xiàn)高速列車(chē)標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)型化、自主化和系列化，從2014年起，我國(guó)開(kāi)始全面研發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車(chē)組”和高速鐵路運(yùn)營(yíng)的完整標(biāo)準(zhǔn)體系，以統(tǒng)一、互聯(lián)和部件互換為總體目標(biāo)，全面提升中國(guó)高速鐵路的發(fā)展質(zhì)量[5]。同時(shí)，中國(guó)領(lǐng)土南北跨緯度大，存在地形復(fù)雜、氣候差異大等特點(diǎn)，高速列車(chē)面臨極寒、高海拔、濕熱及沿海的運(yùn)行環(huán)境，因此高速列車(chē)科技含量高、運(yùn)行速度快、安全責(zé)任重大，對(duì)其系統(tǒng)及部件的可靠性有嚴(yán)格的要求。牽引系統(tǒng)是列車(chē)中至關(guān)重要的組成部分[6-8]，而速度傳感器作為牽引系統(tǒng)的電五官，提供實(shí)時(shí)速度信息，作為車(chē)速控制的直接依據(jù)，如其發(fā)生故障，將導(dǎo)致列車(chē)發(fā)生安全類(lèi)或運(yùn)營(yíng)類(lèi)故障[9]，因此，速度傳感器的可靠性直接關(guān)系到列車(chē)安全運(yùn)行。

可靠性指產(chǎn)品在規(guī)定條件下，在規(guī)定時(shí)間、區(qū)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。高速列車(chē)用速度傳感器長(zhǎng)期應(yīng)用于寬溫域（-40～+125 ℃）、快速溫變、復(fù)雜EMC和高水密性要求（IP68）等惡劣環(huán)境，常規(guī)設(shè)計(jì)無(wú)法滿(mǎn)足應(yīng)用需求，需結(jié)合高速列車(chē)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行可靠性極限研究。

可靠性試驗(yàn)作為可靠性提升研究必不可少的方法，是可靠性設(shè)計(jì)的主要依據(jù)和可靠性評(píng)估的重要手段。其中可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)為確定可靠性特征量是否達(dá)到所要求水平而進(jìn)行的試驗(yàn)，其目的在于指導(dǎo)設(shè)計(jì)、研制和維修，是可靠性試驗(yàn)中的重要組成部分[10]。高速列車(chē)用速度傳感器需針對(duì)其應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)開(kāi)展可靠性極限試驗(yàn)，才能真實(shí)反映其可靠性水平。目前，可靠性驗(yàn)證領(lǐng)域還基于標(biāo)準(zhǔn)體系編制可靠性驗(yàn)證方法及開(kāi)展驗(yàn)證工作。本文創(chuàng)新地在研發(fā)階段應(yīng)用可靠性極限試驗(yàn)暴露產(chǎn)品短板，綜合利用X-ray檢測(cè)、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(shù)；通過(guò)有限元仿真調(diào)整敏感參數(shù)，獲得規(guī)避失效風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)方案；通過(guò)可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)確認(rèn)優(yōu)化方案的可行性和有效性?；诔Ｒ?guī)速度傳感器，研制一款適用于寬溫域、快溫變等極限環(huán)境的速度傳感器，滿(mǎn)足高速列車(chē)的應(yīng)用需求。

1 灌封型速度傳感器構(gòu)成

灌封型速度傳感器[11-13]由頭部組件和電纜線(xiàn)組件構(gòu)成。電纜線(xiàn)組件主要由電纜線(xiàn)、外部防護(hù)管、管接頭和連接器構(gòu)成，起電氣連接、傳輸作用；頭部組件由殼體組件、內(nèi)芯組件及灌封材料（常規(guī)采用聚氨酯類(lèi)）構(gòu)成，為產(chǎn)品的核心部件，起到信號(hào)感應(yīng)、轉(zhuǎn)換處理及輸出作用，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

2 可靠性研究

2.1 可靠性極限試驗(yàn)方法

傳感器可靠性采用平均故障率λ進(jìn)行評(píng)價(jià)。平均故障率即在統(tǒng)計(jì)的走行公里和時(shí)間內(nèi)，一只或多只傳感器發(fā)生故障的次數(shù)與累計(jì)走行公里或工作時(shí)間之比，其計(jì)算公式如下：

其中，Nf——一只或多只傳感器在所統(tǒng)計(jì)的走行公里或時(shí)間內(nèi)發(fā)生的故障總數(shù)；

假設(shè)每一部分的壽命均服從指數(shù)分布，則有：

即：

由此可換算獲得平均基本故障間隔時(shí)間為：

根據(jù)高速列車(chē)的質(zhì)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(biāo)為：

MTBF（平均基本故障間隔時(shí)間）≥2.5×106h

以實(shí)現(xiàn)上述可靠性目標(biāo)作為可靠性研究的目的，結(jié)合高速列車(chē)的溫度、濕度、振動(dòng)等應(yīng)用環(huán)境，依據(jù)機(jī)車(chē)車(chē)輛轉(zhuǎn)速傳感器系列鐵標(biāo)TB/T 2760的相關(guān)試驗(yàn)要求，選取長(zhǎng)時(shí)高溫、長(zhǎng)時(shí)低溫、溫度快變、模擬長(zhǎng)壽命和溫度振動(dòng)復(fù)合等試驗(yàn)作為可靠性研究試驗(yàn)的試驗(yàn)內(nèi)容。

2.2 可靠性極限試驗(yàn)結(jié)果分析

選取若干樣機(jī)，并確認(rèn)樣機(jī)性能合格，X-ray無(wú)損檢測(cè)正常。根據(jù)可靠性極限試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，并在試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)樣機(jī)性能。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)個(gè)別樣機(jī)在溫度快變?cè)囼?yàn)過(guò)程中偶有丟信號(hào)問(wèn)題，因此，對(duì)在可靠性極限試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生異常的樣機(jī)開(kāi)展分析，并針對(duì)異常點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化驗(yàn)證。

2.2.1 X-ray和解剖分析

為查明異常點(diǎn)，對(duì)異常樣機(jī)進(jìn)行X-ray和解剖分析，并與可靠性極限試驗(yàn)前的樣機(jī)X-ray檢測(cè)情況進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示。

由圖2（a）可知，敏感元件和信號(hào)處理芯片的引腳焊點(diǎn)飽滿(mǎn)，且引腳與外圍包裹的焊錫連接良好，無(wú)移位、開(kāi)裂等現(xiàn)象。

由圖2（b）可知，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期可靠性極限試驗(yàn)后，兩個(gè)器件的焊點(diǎn)狀態(tài)發(fā)生了改變，敏感元件引腳與焊錫間出現(xiàn)了泛白裂紋，見(jiàn)紅框區(qū)域，即引腳與焊錫間發(fā)生了開(kāi)裂；處理芯片的引腳在焊點(diǎn)上發(fā)生了移位，即與焊錫間形成了相對(duì)位移，在引腳底部與焊錫間形成開(kāi)裂狀態(tài)，見(jiàn)紅框區(qū)域。正常情況下，焊錫使引腳與電路板焊盤(pán)形成連接，使電路形成回路，有效傳輸電信號(hào)，當(dāng)引腳與焊錫間發(fā)生開(kāi)裂，將導(dǎo)致引腳與電纜板焊盤(pán)無(wú)法有效連接，當(dāng)外部環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，如振動(dòng)工況，會(huì)使傳感器內(nèi)部信號(hào)鏈路接觸不良，進(jìn)而影響輸出信號(hào)。

進(jìn)一步解剖分析，確認(rèn)PCB板上兩個(gè)封裝較大的器件焊點(diǎn)移位開(kāi)裂。對(duì)樣機(jī)PCB進(jìn)行帶電測(cè)試，確認(rèn)觸碰器件焊點(diǎn)，輸出信號(hào)時(shí)有時(shí)無(wú)，復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中的異?，F(xiàn)象。

綜上，在可靠性極限試驗(yàn)過(guò)程中，樣機(jī)內(nèi)部器件受到了熱應(yīng)力，導(dǎo)致焊點(diǎn)出現(xiàn)移位。

2.2.2 有限元分析

為查明樣機(jī)內(nèi)部器件的熱應(yīng)力產(chǎn)生原理，開(kāi)展有限元仿真分析，建立仿真模型，如圖3所示。

以溫度快變?cè)囼?yàn)作為仿真條件，分別計(jì)算從 25 ℃上升到125 ℃過(guò)程中兩個(gè)器件焊點(diǎn)的最大應(yīng)力和25 ℃～-40 ℃～25 ℃～125 ℃～25 ℃溫度循環(huán)過(guò)程中的殘余應(yīng)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(huán)過(guò)程中，如果器件的應(yīng)力超過(guò)材料屈服極限，恢復(fù)常溫后，器件中會(huì)有殘余變形和殘余應(yīng)力）。從25 ℃上升到125 ℃過(guò)程中，兩個(gè)器件焊點(diǎn)的最大應(yīng)力分布情況如圖4和表1所示，將計(jì)算所得值與器件構(gòu)成材料的許用應(yīng)力值進(jìn)行比對(duì)，可知各處應(yīng)力均超過(guò)許用應(yīng)力，存在變形、斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

表1 25 ℃上升到125 ℃過(guò)程中各元器件焊點(diǎn)的應(yīng)力分布

25 ℃～-40 ℃～25 ℃～125 ℃～25 ℃溫度循環(huán)過(guò)程中的殘余應(yīng)力和殘余變形情況如圖5和表2所示，從表2的數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)過(guò)程中器件所受的應(yīng)力已超過(guò)材料屈服極限，存在失效風(fēng)險(xiǎn)。

表2 25 ℃～-40 ℃～25 ℃～125 ℃～25 ℃溫度循環(huán)過(guò)程中的殘余應(yīng)力

由上述仿真分析可知，樣機(jī)內(nèi)部器件在溫度快變?cè)囼?yàn)過(guò)程中承受了熱應(yīng)力，且熱應(yīng)力集中在器件引腳及焊點(diǎn)處。

2.3 小結(jié)

由可靠性極限試驗(yàn)及結(jié)果分析可知，在溫度快變環(huán)境下，灌封型速度傳感器內(nèi)部灌封材料存在熱應(yīng)力，且應(yīng)力集中在器件引腳及焊點(diǎn)處，樣機(jī)存在失效風(fēng)險(xiǎn)，需要提升極限環(huán)境下的產(chǎn)品可靠性。

3 灌封型速度傳感器優(yōu)化方案

根據(jù)前文分析結(jié)果，提升傳感器在極限環(huán)境下的應(yīng)用可靠性，需消除熱應(yīng)力集中問(wèn)題。傳感器原灌封材料是填充整個(gè)殼體組件內(nèi)腔，且殼體組件為金屬材料，當(dāng)溫度發(fā)生快速變化時(shí)，灌封材料產(chǎn)生膨脹且無(wú)釋放空間，最終應(yīng)力會(huì)集中作用在傳感器內(nèi)部強(qiáng)度相對(duì)薄弱點(diǎn)。

綜上分析，對(duì)灌封型速度傳感器內(nèi)部灌封材料形成的膠體進(jìn)行空間設(shè)計(jì)，使膠體的熱應(yīng)力進(jìn)行釋放，尤其盡可能向器件相反方向進(jìn)行釋放。

依據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇PCB兩側(cè)對(duì)稱(chēng)開(kāi)設(shè)鏤空槽，如圖6所示。

在傳感器結(jié)構(gòu)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(yīng)力提供結(jié)構(gòu)空間，如圖7所示。基于上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則獲得基本輪廓，并進(jìn)行膨脹空間冗余量的計(jì)算校核：

物體A與灌封膠R存在結(jié)合界面，A為受力點(diǎn)，受到來(lái)自R膠的力F。

R膠：線(xiàn)性熱膨脹系數(shù)C，膠體體積V，膠體長(zhǎng)度L，與A的接觸面積S。

當(dāng)溫度變化為Δt時(shí)，根據(jù)公式可計(jì)算出R膠體的體積變化：

組裝后，兩側(cè)鏤空槽與殼體組件內(nèi)腔面之間因鏤空槽結(jié)構(gòu)會(huì)形成兩個(gè)空腔，用于灌封膠受熱時(shí)的膨脹擠入。經(jīng)三維模型測(cè)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(dāng)從常溫25 ℃升溫到125 ℃時(shí)，用公式（1）計(jì)算膨脹體積為：

通過(guò)以上計(jì)算可知，灌封材料膨脹體積4.06 mm3遠(yuǎn)小于602.82 mm3，在溫度快變過(guò)程中，有足夠的空間預(yù)留給膠體膨脹，可釋放膨脹引起的熱應(yīng)力。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用優(yōu)化方案重新制作樣機(jī)，在-40 ～+125 ℃范圍內(nèi)，采用與優(yōu)化前產(chǎn)品的同等試驗(yàn)條件，進(jìn)行溫度快變?cè)囼?yàn)。試驗(yàn)后，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行X-ray檢測(cè)和解剖分析，結(jié)果如圖8所示。由圖示對(duì)比可知，器件引腳及焊點(diǎn)無(wú)移位、開(kāi)裂現(xiàn)象，可承受可靠性極限試驗(yàn)。

5 結(jié)論

本文對(duì)灌封型速度傳感器在極限環(huán)境下的可靠性展開(kāi)詳細(xì)研究，以可靠性極限試驗(yàn)結(jié)果為分析源頭，通過(guò)X-ray檢測(cè)、解剖分析、有限元分析等手段分析產(chǎn)品的熱應(yīng)力影響，優(yōu)化產(chǎn)品方案，開(kāi)展理論計(jì)算及可靠性極限試驗(yàn)驗(yàn)證，解決傳感器內(nèi)部熱應(yīng)力導(dǎo)致器件引腳及焊點(diǎn)移位、開(kāi)裂問(wèn)題，提升極限環(huán)境下的產(chǎn)品可靠性，研制了滿(mǎn)足高速列車(chē)應(yīng)用需求的灌封型速度傳感器。