某型溫度傳感器防護套彎折疲勞試驗的壽命研究

雷霆，寧薇薇，周天朋，閆旭東，呼東亮

（天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300462）

引言

本文的某型溫度傳感器是由精密級鉑熱電阻元件及經(jīng)過特殊工藝處理的防護套組成，該型傳感器主要應用于動車組的轉向架軸端，監(jiān)測動車組軸端的溫度情況并及時作出預警，防止因為溫度過高引起軌交事故，是動車組非常重要的組件。但是近年來，此型溫度傳感器運行時間已達到三級修、四級修的修程，通過這些拆卸下來進行檢修時，發(fā)現(xiàn)傳感器的防護套，有出現(xiàn)折斷、開裂、僵硬等情況，老化情況各異。根據(jù)動車組的行駛路線、路況、里程的原因，傳感器會經(jīng)歷各種嚴酷氣候、力學及其他復雜應力的環(huán)境。在安裝此型傳感器時，探針端與插針端固定，但是連接兩端的防護套只是間隔一定的距離，固定了兩個點的位置，有很大的自由度，在動車組運行時，出現(xiàn)顛簸、沖擊的路況，導致防護套受到反復的彎折影響，增加了防護套出現(xiàn)破損的機率。通過與傳感器的制作商及檢修單位共同確認，導致出現(xiàn)防護套破裂的主要原因定位為彎折疲勞。本文通過對某型溫度傳感器的全新、三級修、四級修樣品進行隨機采樣，施加相同條件的疲勞環(huán)境，研究防護套的彎折壽命。

1 試驗方案

根據(jù)防護套的材質特性為橡膠管，參照GB/T 5564-2006的標準[1]方法，充分考慮到低溫環(huán)境對橡膠管的影響，本試驗方案采取在最惡劣的低溫條件下進行低溫彎折試驗，評估防護套的彎折壽命。具體試驗條件如表1。

試驗要求：將每支試驗樣品的一端固定在扭轉輪上，而其余部分呈筆直狀態(tài)，要求扭轉輪的直徑是防護管公稱內徑的12倍，本防護套的公稱內徑為8 mm。本方法采取的彎曲頻率為1 Hz，每間隔一定時間后，檢查防護套的外表面有無龜裂或破損，若出現(xiàn)，立即停止試驗，記錄當前次數(shù)。

表1 低溫彎折疲勞試驗條件

根據(jù)防護套的安裝特點，選取樣品進行彎折試驗時，試驗具體安裝狀態(tài)見圖1。對彎折的位置選取了管夾處和非管夾處兩種，管夾處是防護套安裝固定的位置，非管夾處為除管夾固定以外的位置。同時對防護套承壓能力為27.6 MPa和6.8 MPa進行了隨機選擇。全新樣品的生產(chǎn)年份為2018年度，三級修、四級修的生產(chǎn)年份從2013～2015年度進行隨機選取，三級修的運行里程約為120萬公里，四級修運行里程約為240萬公里。具體選樣信息見表2。

2 試驗結果

彎折試驗結果見表2，對全新、三級修、四級修樣品數(shù)據(jù)趨勢進行折現(xiàn)圖比較，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)相對集中平穩(wěn)，具體情況見圖2。全新、三級修、四級修的平均值和方差結果見表3。

圖1 低溫彎折試驗件安裝狀態(tài)

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)結果的檢驗

針對低溫彎折壽命數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗，全新、三級修、四級修的檢驗圖見圖3～5，接近直線表明試驗數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。

表2 選樣信息及彎折試驗結果

圖2 低溫彎折試驗數(shù)據(jù)曲線

3.2 壽命退化模型的建立

針對低溫彎折平均疲勞試驗數(shù)據(jù)，使用指數(shù)模型進行擬合，壽命退化模型圖見圖6。

平均壽命指數(shù)模型參數(shù)如下：

f(x) = a*exp(b*x)

a =1.061e+05

b = -0.015

R-square: 0.9818

壽命標準差數(shù)據(jù)使用指數(shù)模型進行擬合，壽命退化模型見圖7。

標準差指數(shù)模型參數(shù)如下：

f(x) = a*exp(b*x)

a =4963

b =-0.006

R-square: 0.9601

根據(jù)此模型，使用正態(tài)分布累計函數(shù)，壽命預測結果如下：

1）240 萬公里，彎折疲勞壽命大于1次的可靠度為99.31 %；

2）360 萬公里，彎折疲勞壽命大于1次的可靠度為79.83 %；

3）480 萬公里，彎折疲勞壽命大于1次的可靠度為61.05 %。

從上述數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，四級修的防護膠管低溫彎折壽命退化為全新防護膠管壽命的5.7 %；結合實際運行的情況和現(xiàn)場膠管的現(xiàn)狀，建議四級修時防護膠管需要更換。

表3 低溫彎折試驗數(shù)據(jù)表

圖3 全新樣品疲勞壽命正態(tài)分布檢驗

圖4 三級修樣品疲勞壽命正態(tài)分布檢驗

圖5 四級修樣品疲勞壽命正態(tài)分布檢驗

3.3 結果的分析

低溫彎折試驗通過對次數(shù)、年份、裝夾位置、軸位等方面分析，發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

1）通過對比出現(xiàn)裂紋的彎折次數(shù)發(fā)現(xiàn)，全新的樣品的彎折次數(shù)基本保持在10萬余次，而三級修、四級修樣品的彎折次數(shù)驟減至3 000～9 000之間。三級修、四級修在運行里程上相差120萬公里，但是在彎折衰減方面相差無幾，充分說明了防護套在彎折壽命的快速衰減的特點，歸集主要原因是其自身的材料特性決定的，受行使里程影響不大。防護套本身是橡膠材質，為一種合成橡膠，橡膠老化的實質是橡膠分子鏈的主鏈、側鏈、交聯(lián)鍵斷裂，橡膠的分子鏈斷裂反應，老化呈現(xiàn)表面變硬、發(fā)脆、產(chǎn)生裂紋。在動車組運行過程中，會受到熱應力、光應力、濕度應力、振動應力、沖擊應力等多重影響，在受到熱/光應力，可引起橡膠的熱裂解、熱交聯(lián)、氧化鏈反應；在受到潮濕環(huán)境時，特別是在水浸泡和大氣暴露的交替作用下，會加速橡膠的破壞；在機械應力的反復作用下，會使橡膠分子鏈斷裂而生成游離荃，容易引發(fā)龜裂[2]，上述環(huán)境因素都會加劇降低防護套的使用壽命。

圖6 低溫彎折平均壽命退化模型圖

圖7 壽命標準差退化模型圖

2）選取了B02和B04管夾處和非管夾處防護套均進行疲勞試驗，以驗證管夾處與非管夾處是否存在區(qū)別。通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，管夾處彎折次數(shù)保持在3 000余次，而非管夾處基本可以保持在6 000余次及以上?？梢哉f明對于同一根防護套而言，在管夾固定位置處由于受外部緊固力的影響，更易出現(xiàn)裂紋或其他損傷，降低防護套的使用壽命。

3）根據(jù)防護套外表面的年份標注，發(fā)現(xiàn)2013年度、2014年度、2015年度生產(chǎn)的防護套，在彎折次數(shù)的衰減上，并無特別規(guī)律，次數(shù)上無較大差距，究其主要原因是防護套的生產(chǎn)時間與安裝運行存在一定的間隔，生產(chǎn)好的樣品會在庫房內存放1～2年后才組裝在動車組上，存放期間防護套受到空氣、溫度、濕度、臭氧以及光線的等影響，會加速其破壞，這是橡膠材質特性本身受環(huán)境因素引起的退化。故防護套受生產(chǎn)時間影響不大，主要是存放時間和貯存環(huán)境影響較大。

4）通過對比不同壓強的防護套，彎折次數(shù)并無明顯規(guī)律，說明不同壓力強度的防護套對使用壽命影響不大。

5）在動車組運行過程中，1、4軸位的車廂彎矩較大，2、3軸位相對小，通過對比不同軸位對應的彎折次數(shù)，數(shù)據(jù)相對分散，說明軸位對其彎折次數(shù)的影響不大。

4 小結

通過從生產(chǎn)年份、安裝位置、安裝軸位、行駛里程、材料特性等多方面分析低溫彎折數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，某型溫度傳感器防護套，主要受其自身材料特性和管夾位置的影響較大，其他因素影響可以忽略不計。當運行里程達到四級修時，應立即更換防護套，避免運行中發(fā)生溫度報警或事故。

為延長防護套的使用壽命，從成本方面考慮，建議改善存放周期與環(huán)境，根據(jù)材料特性，降低溫度、濕度、光照等環(huán)境因素對其的影響，減緩防護套因橡膠材質特性引起的老化；同時，在防護套的安裝方式上，應改善安裝方式并降低夾具對防護套的累積損失；如為從根本性提升防護套的耐用性，建議從原材料入手，從材質、設計工藝等方面進行實質性改變，研究成本和周期也會增加，但就軌道交通的長遠發(fā)展來看，可行性的研究非常必要。