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(jí)鉑熱電阻元件及經(jīng)過(guò)特殊工藝處理的防護(hù)套組成，該型傳感器主要應(yīng)用于動(dòng)車(chē)組的轉(zhuǎn)向架軸端，監(jiān)測(cè)動(dòng)車(chē)組軸端的溫度情況并及時(shí)作出預(yù)警，防止因?yàn)闇囟冗^(guò)高引起軌交事故，是動(dòng)車(chē)組非常重要的組件。但是近年來(lái)，此型溫度傳感器運(yùn)行時(shí)間已達(dá)到三級(jí)修、四級(jí)修的修程，通過(guò)這些拆卸下來(lái)進(jìn)行檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)傳感器的防護(hù)套，有出現(xiàn)折斷、開(kāi)裂、僵硬等情況，老化情況各異。根據(jù)動(dòng)車(chē)組的行駛路線、路況、里程的原因，傳感器會(huì)經(jīng)歷各種嚴(yán)酷氣候、力學(xué)及其他復(fù)雜應(yīng)力的環(huán)境。在安裝此型傳感器時(shí)，探針端與插針端固定，但是連接兩端的防護(hù)套只是間隔一定的距離，固定了兩個(gè)點(diǎn)的位置，有很大的自由度，在動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)顛簸、沖擊的路況，導(dǎo)致防護(hù)套受到反復(fù)的彎折影響，增加了防護(hù)套出現(xiàn)破損的機(jī)率。通過(guò)與傳感器的制作商及檢修單位共同確認(rèn)，導(dǎo)致出現(xiàn)防護(hù)套破裂的主要原因定位為彎折疲勞。本文通過(guò)對(duì)某型溫度傳感器的全新、三級(jí)修、四級(jí)修樣品進(jìn)行隨機(jī)采樣，施加相同條件的疲勞環(huán)境，研究防護(hù)套的彎折壽命。

1 試驗(yàn)方案

根據(jù)防護(hù)套的材質(zhì)特性為橡膠管，參照GB/T 5564-2006的標(biāo)準(zhǔn)[1]方法，充分考慮到低溫環(huán)境對(duì)橡膠管的影響，本試驗(yàn)方案采取在最惡劣的低溫條件下進(jìn)行低溫彎折試驗(yàn)，評(píng)估防護(hù)套的彎折壽命。具體試驗(yàn)條件如表1。

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

表1 低溫彎折疲勞試驗(yàn)條件

根據(jù)防護(hù)套的安裝特點(diǎn)，選取樣品進(jìn)行彎折試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)具體安裝狀態(tài)見(jiàn)圖1。對(duì)彎折的位置選取了管夾處和非管夾處兩種，管夾處是防護(hù)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(shí)對(duì)防護(hù)套承壓能力為27.6 MPa和6.8 MPa進(jìn)行了隨機(jī)選擇。全新樣品的生產(chǎn)年份為2018年度，三級(jí)修、四級(jí)修的生產(chǎn)年份從2013～2015年度進(jìn)行隨機(jī)選取，三級(jí)修的運(yùn)行里程約為120萬(wàn)公里，四級(jí)修運(yùn)行里程約為240萬(wàn)公里。具體選樣信息見(jiàn)表2。

2 試驗(yàn)結(jié)果

彎折試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，對(duì)全新、三級(jí)修、四級(jí)修樣品數(shù)據(jù)趨勢(shì)進(jìn)行折現(xiàn)圖比較，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)相對(duì)集中平穩(wěn)，具體情況見(jiàn)圖2。全新、三級(jí)修、四級(jí)修的平均值和方差結(jié)果見(jiàn)表3。

圖1 低溫彎折試驗(yàn)件安裝狀態(tài)

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 數(shù)據(jù)結(jié)果的檢驗(yàn)

針對(duì)低溫彎折壽命數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布檢驗(yàn)，全新、三級(jí)修、四級(jí)修的檢驗(yàn)圖見(jiàn)圖3～5，接近直線表明試驗(yàn)數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。

表2 選樣信息及彎折試驗(yàn)結(jié)果

圖2 低溫彎折試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

3.2 壽命退化模型的建立

針對(duì)低溫彎折平均疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，使用指數(shù)模型進(jìn)行擬合，壽命退化模型圖見(jiàn)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(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)使用指數(shù)模型進(jìn)行擬合，壽命退化模型見(jiàn)圖7。

標(biāo)準(zhǔn)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(jì)函數(shù)，壽命預(yù)測(cè)結(jié)果如下：

1）240 萬(wàn)公里，彎折疲勞壽命大于1次的可靠度為99.31 %；

2）360 萬(wàn)公里，彎折疲勞壽命大于1次的可靠度為79.83 %；

3）480 萬(wàn)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(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 %；結(jié)合實(shí)際運(yùn)行的情況和現(xiàn)場(chǎng)膠管的現(xiàn)狀，建議四級(jí)修時(shí)防護(hù)膠管需要更換。

表3 低溫彎折試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖3 全新樣品疲勞壽命正態(tài)分布檢驗(yàn)

圖4 三級(jí)修樣品疲勞壽命正態(tài)分布檢驗(yàn)

圖5 四級(jí)修樣品疲勞壽命正態(tài)分布檢驗(yàn)

3.3 結(jié)果的分析

低溫彎折試驗(yàn)通過(guò)對(duì)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(guò)對(duì)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(wàn)余次，而三級(jí)修、四級(jí)修樣品的彎折次數(shù)驟減至3 000～9 000之間。三級(jí)修、四級(jí)修在運(yùn)行里程上相差120萬(wàn)公里，但是在彎折衰減方面相差無(wú)幾，充分說(shuō)明了防護(hù)套在彎折壽命的快速衰減的特點(diǎn)，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(hù)套本身是橡膠材質(zhì)，為一種合成橡膠，橡膠老化的實(shí)質(zhì)是橡膠分子鏈的主鏈、側(cè)鏈、交聯(lián)鍵斷裂，橡膠的分子鏈斷裂反應(yīng)，老化呈現(xiàn)表面變硬、發(fā)脆、產(chǎn)生裂紋。在動(dòng)車(chē)組運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)受到熱應(yīng)力、光應(yīng)力、濕度應(yīng)力、振動(dòng)應(yīng)力、沖擊應(yīng)力等多重影響，在受到熱/光應(yīng)力，可引起橡膠的熱裂解、熱交聯(lián)、氧化鏈反應(yīng)；在受到潮濕環(huán)境時(shí)，特別是在水浸泡和大氣暴露的交替作用下，會(huì)加速橡膠的破壞；在機(jī)械應(yīng)力的反復(fù)作用下，會(huì)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(huì)加劇降低防護(hù)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(biāo)準(zhǔn)差退化模型圖

2）選取了B02和B04管夾處和非管夾處防護(hù)套均進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，以驗(yàn)證管夾處與非管夾處是否存在區(qū)別。通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)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(shuō)明對(duì)于同一根防護(hù)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(hù)套的使用壽命。

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

4）通過(guò)對(duì)比不同壓強(qiáng)的防護(hù)套，彎折次數(shù)并無(wú)明顯規(guī)律，說(shuō)明不同壓力強(qiáng)度的防護(hù)套對(duì)使用壽命影響不大。

5）在動(dòng)車(chē)組運(yùn)行過(guò)程中，1、4軸位的車(chē)廂彎矩較大，2、3軸位相對(duì)小，通過(guò)對(duì)比不同軸位對(duì)應(yīng)的彎折次數(shù)，數(shù)據(jù)相對(duì)分散，說(shuō)明軸位對(duì)其彎折次數(shù)的影響不大。

4 小結(jié)

通過(guò)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(hù)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(jì)。當(dāng)運(yùn)行里程達(dá)到四級(jí)修時(shí)，應(yīng)立即更換防護(hù)套，避免運(yùn)行中發(fā)生溫度報(bào)警或事故。

為延長(zhǎng)防護(hù)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(duì)其的影響，減緩防護(hù)套因橡膠材質(zhì)特性引起的老化；同時(shí)，在防護(hù)套的安裝方式上，應(yīng)改善安裝方式并降低夾具對(duì)防護(hù)套的累積損失；如為從根本性提升防護(hù)套的耐用性，建議從原材料入手，從材質(zhì)、設(shè)計(jì)工藝等方面進(jìn)行實(shí)質(zhì)性改變，研究成本和周期也會(huì)增加，但就軌道交通的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來(lái)看，可行性的研究非常必要。