城軌車輛空壓機用電磁閥線圈失效分析及改進*

劉 凱

(南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司，江蘇 南京 211800)

0 引 言

目前，在城市軌道交通車輛上多采用螺桿空壓機給列車制動系統(tǒng)進行供風[1]。該車型車下多采用裸露式布局設(shè)計。因此空壓機使用工況相對較為惡劣，故常發(fā)生電磁閥失效故障[2]。電磁閥在各行各業(yè)中應用廣泛，故對其失效模式分析也很全面，如王連生[3]發(fā)現(xiàn)電磁閥工作溫度過高是其發(fā)生汽蝕損壞的原因之一。蔡偉等[4]通過對電磁閥常見故障及特征型號的可測性分析，提出了一種基于磁場和振動敏感的電磁閥非介入式測試診斷技術(shù)。楊坤等[5]從結(jié)構(gòu)和性能角度分析了氣壓ABS電磁閥失效原因。

現(xiàn)有一款螺桿式空壓機上配裝的電磁閥，在運用過程中發(fā)生多起線圈燒毀故障，筆者結(jié)合空壓機使用環(huán)境、應用工況以及電磁閥工作特性，通過電學測試、開封檢查及電鏡能譜分析等手段開展了線圈失效模式分析，基于該失效機理形成了電磁閥線圈的優(yōu)化方案和加速壽命試驗驗證方法。同時為保證現(xiàn)車正常運營，筆者也給出了現(xiàn)車電磁閥臨時加改措施以及跟蹤測試方法。

1 工況介紹及故障問題

1.1 使用環(huán)境

(1) 使用溫度：-25～60 ℃。

(2) 海拔：≤1 500 m。

(3) 最大相對濕度：100%，平均相對濕度：≤79%(該月月平均最低溫度為25 ℃)。

(4) 裸露安裝于車底，應能承受風、沙、雨、雪的侵襲，并應能承受油污、紫外線和空氣中的鹽霧、酸堿、灰塵及臭氧、硫化物、氧化物等化學物質(zhì)的侵蝕。

1.2 應用工況

圖1為一款城軌車輛用螺桿空壓機，主要包括空氣壓縮機模塊、前置過濾器模塊、雙塔干燥器模塊以及后置過濾器模塊，通過吊架集成在一起。經(jīng)統(tǒng)計，所述空壓機配屬車輛正式運營應用工況如下。

圖1 電磁閥位置示意

(1) 車輛上線時間：早上6點至晚上10點，其余時間車輛停在庫內(nèi)或存車線。

(2) 空壓機工作時序：啟機3 min，停機10 min。

(3) 檢修時間：通常車輛入庫后進行日檢、月檢、年檢等常規(guī)檢查以及清潔等操作。

(4) 初充風時間：若車輛因檢修、調(diào)試等情況，導致總風缸壓力過低，一般需要約12 min初充風時間。

1.3 電磁閥工作特性

文中所述的電磁閥位于前置過濾器出口，為兩位兩通常開電磁閥，由時間繼電器控制得失電。在空壓機啟動時，保持120 s得電、2 s失電工作時序，失電時排污。

1.4 故障描述

自2017年10月至2021年底，從首列空壓機交付，經(jīng)整車測試，直至線路正式運營，期間共發(fā)生5起電磁閥線圈燒毀故障，個別電磁閥線圈在車輛正式運營初期發(fā)生故障。當電磁閥線圈失效后，電磁閥得電無法關(guān)閉，在啟機過程中空壓機會發(fā)生持續(xù)排氣，影響空壓機出口流量，導致供風效率下降。

注：電磁閥通徑為φ2.4 mm，當車輛正常運行時，若出現(xiàn)一個電磁閥失效，空壓機供風能力有所下降；若出現(xiàn)兩個排污電磁閥同時失效極端情況，輔空壓機仍可以滿足列車用風需求，故該故障不影響車輛安全使用。

2 失效分析

2.1 失效機理分析

對現(xiàn)車失效電磁閥線圈進行電學測試，電阻阻值為無窮大。開封后發(fā)現(xiàn)線圈內(nèi)部注塑棱邊處的漆包線存在明顯的機械損傷,如圖2(a)所示，緩慢解開漆包線，發(fā)現(xiàn)一根漆包線斷開，斷口處表面存在疏松狀物質(zhì)，如圖2(b)所示,目視漆包線端口，發(fā)現(xiàn)綠色物質(zhì)，如圖2(c)所示。

圖2 漆包線斷開處及斷口綠色物質(zhì)

參照GB/T19267.6《掃描電子顯微鏡/X射線能譜法》對漆包線開展SEM和EDS能譜分析，分析表明，漆包線斷口呈現(xiàn)明顯腐蝕形貌特征,如圖3所示，斷口表面可檢測到氯元素，如圖4所示。離子色譜分析結(jié)果表明，漆包線端口位置發(fā)現(xiàn)氯離子(Cl-),氯離子對漆包線中的銅導線具有很強的腐蝕性。因此電磁閥線圈失效機理為：漆包線受氯離子腐蝕斷裂。

圖3 斷口形貌特征 圖4 斷口表面元素

2.2 失效原因分析

基于電磁閥線圈受氯離子腐蝕失效機理，結(jié)合使用環(huán)境和應用工況，分析失效原因如下。

排污電磁閥線圈采用注塑工藝將外殼、金屬電樞以及插針、漆包線進行封裝，如圖5所示。當電磁閥得電工作時，內(nèi)部線圈會產(chǎn)生熱量，由于熱膨脹系數(shù)差別，塑封外殼在吸收熱量后會產(chǎn)生膨脹形變，與金屬電樞分離，形成一定微觀間隙。由于電磁閥安裝在車下，暴露在空氣中，空氣中的水分(潮濕空氣、檢漏噴劑、列車清洗劑等)易通過此間隙滲入，如圖6所示，沿著金屬電樞到達線圈內(nèi)部漆包線表面。因為水分中的氯離子對銅線具有很強的腐蝕性，故而漆包線在腐蝕作用后發(fā)生斷裂，造成失效。若電磁閥漆包線在繞線過程或者封裝過程中因工藝控制缺陷導致漆包線缺陷、損傷，其失效概率增大。

圖5 排污電磁閥線圈 圖6 電磁閥線圈

3 臨時處置方案

(1) 針對正常運營的車輛，若發(fā)生電磁閥線圈失效，及時進行更換。

(2) 為解決因環(huán)境中濕空氣滲入線圈內(nèi)部，腐蝕漆包線導致線圈燒毀故障，對電磁閥增加防潮套件，如圖7。防潮套件包括密封O形圈和緊固螺帽。

圖7 防潮套件示意

(3) 對加裝防潮套件電磁閥進行定期跟蹤，開展線圈阻值和匝間耐壓測試。

匝間耐壓測試方法：采用優(yōu)策儀器UC5815匝間耐壓儀進行測試，設(shè)置脈沖電壓值1 500 V，耐壓面積差≤10%。即通過現(xiàn)車電磁閥線圈與基準閥(新閥)脈沖曲線面積差來判定電磁閥狀態(tài)。

為確認匝間耐壓測試和阻值測試結(jié)合是否能夠有效預判線圈狀態(tài)，從正式運營車輛上篩選出4種狀態(tài)電磁閥線圈進行驗證，如表1所列。

表1 驗證說明

試驗表明，該跟蹤測試方案能夠為在線評估電磁閥狀態(tài)及失效預判提供數(shù)據(jù)支撐。

4 優(yōu)化改進

失效電磁閥線圈采用注塑的封裝工藝，通過壓力將封裝料注射至模具內(nèi)，并在一定壓力下快速成型。其優(yōu)點是生產(chǎn)過程依靠注塑機，過程簡單，生產(chǎn)效率高，適用于批量生產(chǎn)。缺點是在注塑過程存在一定壓力，存在漆包線受壓損傷的風險。

4.1 優(yōu)化方案說明

基于排污電磁閥失效機理，采用灌封膠封裝工藝進行改進，在無壓力狀態(tài)進行灌膠封裝，過程中在真空狀態(tài)下釋放內(nèi)部氣泡，并在高溫狀態(tài)下進行固化。其優(yōu)點是封裝過程中無壓力，無機械應力損傷漆包線的風險，以此來避免在封裝過程中出現(xiàn)漆包線損傷等缺陷。同時灌膠工藝從制作工藝上提升了線圈密封性和可靠性。該封裝工藝還具有優(yōu)異的電絕緣性、耐腐蝕、阻燃性、耐老化、耐冷熱沖擊等特性，可較好地適用于軌道交通車下裸露使用工況。雖然該封裝工藝過程復雜、周期長、成本高、產(chǎn)能較低，但在工業(yè)上已具備成熟的生產(chǎn)及使用業(yè)績。圖8為優(yōu)化后的電磁閥線圈。

圖8 優(yōu)化后線圈

4.2 優(yōu)化前后性能對比

優(yōu)化前后電磁閥主要技術(shù)參數(shù)對比如表2所列。

表2 技術(shù)參數(shù)對比

4.3 試驗驗證

4.3.1 常規(guī)地面試驗

線圈優(yōu)化后電磁閥目前已完成性能試驗、型式試驗驗證及耐久試驗，項點如表3所列。

表3 試驗項點明細

續(xù)表3 試驗項點明細

4.3.2 環(huán)境適應性加速壽命試驗

(1) 試驗方案說明

將電磁閥放置在環(huán)境箱內(nèi)，溫度：85 ℃，濕度：85%RH，供電電壓DC110 V。為模擬現(xiàn)車電磁閥工作狀態(tài)，通斷時序要求：3 min通電(先得電2 min，斷電2 s后再得電，總共3 min)，然后9 min持續(xù)斷電，如此循環(huán)18 h后持續(xù)斷電6 h，試驗時間≥2 000 h。期間每250 h后開展后續(xù)電阻、匝間耐壓試驗，跟蹤樣品狀態(tài)。在每個階段試驗結(jié)束前，在試驗箱中測量絕緣電阻。2 000 h后將電磁閥從試驗箱中取出，在樣品與室溫保持一致后，再次開展電阻、匝間耐壓、絕緣耐壓及性能等試驗。加速壽命試驗如圖9所示。

圖9 加速壽命試驗

電磁閥樣品包括：10個優(yōu)化后電磁閥、10個改進前加裝防潮套電磁閥、10個改進前無防潮套電磁閥。

(2) 驗證結(jié)果

① 10個優(yōu)化后電磁閥經(jīng)2 000 h的試驗后，電阻測試及匝間耐壓測試均正常，抽取2個進行開封分析，漆包線無異常。

② 10個改進前無防潮套電磁閥從750 h開始已有7個匝間耐壓測試超限，至1 750 h時，所有匝間耐壓測試均不合格，且出現(xiàn)1起電阻異常情況，抽取2個進行開封分析，漆包線存在腐蝕斷裂失效。

③ 10個改進前加裝防潮套電磁閥從750 h開始出現(xiàn)1個線圈匝間耐壓測試超限，至1 750 h時，所有匝間耐壓測試均不合格，且出現(xiàn)1起電阻異常情況，抽取2個進行開封分析，漆包線存在腐蝕斷裂失效。

4.3.3 裝車驗證

優(yōu)化后的電磁閥搭載在某城市地鐵正式運營的車輛上進行小批量考核，自2021年9月～2022年3月，完成20個電磁閥小批量裝車驗證，無任何故障報出。期間每3個月進行電阻及匝間耐壓測試跟蹤，無異常。考核結(jié)束后電磁閥隨車繼續(xù)運行。

5 后續(xù)工作

優(yōu)化后的電磁閥具有良好的技術(shù)性能及環(huán)境適應性，而加裝防潮套件臨時方案并不能有效避免線圈因腐蝕造成的失效問題，后續(xù)采用優(yōu)化后的電磁閥對所有在線運營產(chǎn)品進行批量更換，保證車輛用風安全。

6 結(jié) 語

文中對一款城軌車輛空壓機用電磁閥現(xiàn)車應用故障及其失效機理進行深入分析，明確了線圈燒毀失效機理，并進行了線圈封裝工藝優(yōu)化，由注塑工藝改為灌膠工藝。灌膠工藝可以有效避免在封裝過程中發(fā)生的漆包線損傷風險，并具備高密封性優(yōu)點。經(jīng)地面試驗、加速壽命試驗以及小批量裝車驗證，結(jié)果表明優(yōu)化后電磁閥性能更優(yōu)、環(huán)境適應性更好。在軌道交通車輛或其他裸露及高溫高濕工況中，電磁閥線圈推薦采用灌膠封裝工藝，以提升可靠性。

另外提出了一種電磁閥環(huán)境適應性加速壽命試驗方式，該試驗可應用在電磁閥開發(fā)的早期階段，以暴露產(chǎn)品潛在缺陷，是產(chǎn)品可靠性的有效驗證手段，可大大縮短產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)和批量應用周期。同時也提出了一種已裝車應用的電磁閥狀態(tài)測試方法，包括阻值及匝間耐壓測試，該方法能夠有效進行在線運行車輛上電磁閥線圈故障預判，其實操性好，對于現(xiàn)車維保具有很高的實用價值。