吳超云，李東東，黃英齡，明志茂

（廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司，廣州 510656）

引言

世界各國(guó)軌道交通的發(fā)展，擴(kuò)大了對(duì)軌道客車產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)需求，中國(guó)作為世界最大的軌道交通市場(chǎng)之一，近年來(lái)加大鐵路和城市軌道交通建設(shè)投入，軌道客車進(jìn)入高速發(fā)展的黃金時(shí)代[1-3]。軌道交通的迅速發(fā)展的同時(shí)，遍布車身的線纜作為傳輸電能、通信的渠道，其環(huán)境適應(yīng)性、可靠性至關(guān)重要[4-6]。

然而，在動(dòng)車組長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中，各種環(huán)境應(yīng)力會(huì)影響線纜的使用壽命，造成線纜老化、磨損或破壞，而由于線纜分布在整個(gè)客車的車身部位，如果重新更換整個(gè)線纜，工作量大，耗費(fèi)較多的人力和時(shí)間，不僅影響客車的使用進(jìn)程，也會(huì)提高維修成本。根據(jù)TB/T 3153-2007《機(jī)車車輛布線規(guī)則》中第5.12章規(guī)定：“對(duì)于截面積不大于6 mm2的導(dǎo)體，在修理和整修時(shí)可以使用絕緣的拼接連接器”。故認(rèn)為小線徑線纜可以重新連接[7-10]。因此在動(dòng)車組定期檢修時(shí)，通常去除破損或老化[11,12]等不合格的線纜部分，使用一定的材料和壓接工藝，對(duì)完好的線纜部分進(jìn)行重新連接，因此線纜重連的材料和壓接工藝顯得格外重要。重新連接的方法改變了線纜狀態(tài)，性能和可靠性無(wú)法保證與原線纜一致，同時(shí)需要考慮線纜連接部位的電接觸、機(jī)械強(qiáng)度和耐腐蝕性能。因此需進(jìn)行一系列的試驗(yàn)對(duì)重連后的線纜的性能和可靠性進(jìn)行驗(yàn)證[13,14]。

1 小線徑線纜重新連接工藝方法

電纜中端接頭是電纜線路的薄弱環(huán)節(jié)。導(dǎo)線連接的質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)線路能否安全可靠地長(zhǎng)期運(yùn)行[15,16]。目前線纜的連接方式主要為絞合連接、壓接、焊接和連接器連接，在鐵路中線纜連接應(yīng)用比較廣泛的為壓接和焊接兩種方式。壓接用于大批量生產(chǎn)，連接性能好，同時(shí)對(duì)電學(xué)性能影響比較小，而焊接方法增強(qiáng)導(dǎo)電系數(shù)。壓接是指用銅或鋁套管套在被連接的芯線上，再用壓接鉗或壓接模具壓緊套管使芯線保持連接。銅導(dǎo)線（一般是較粗的銅導(dǎo)線）和鋁導(dǎo)線都可以采用緊壓連接，銅導(dǎo)線的連接應(yīng)采用銅套管，鋁導(dǎo)線的連接應(yīng)采用鋁套管，緊壓連接前應(yīng)先清除導(dǎo)線芯線表面和壓接套管內(nèi)壁上的氧化層和粘污物，以確保接觸良好，如圖1所示。

圖1 線纜壓接示意圖

焊接是指將金屬（焊錫等焊料或?qū)Ь€本身）熔化融合而使導(dǎo)線連接。電工技術(shù)中導(dǎo)線連接的焊接種類有錫焊、電阻焊、電弧焊、氣焊、釬焊等，如圖2所示。

圖2 線纜焊接示意圖

動(dòng)車組小線徑線纜出現(xiàn)老化或損壞時(shí)，通常去掉老化或損壞的線纜部分，除去剩余兩段線纜的絕緣層，采用壓接和焊接的連接方法進(jìn)行，最后用熱縮管完成線纜的重新連接，具體流程如圖3。切線主要采用全自動(dòng)電腦剝線機(jī)制備，采用氣動(dòng)式端頭壓接機(jī)進(jìn)行壓接，焊接則采用了無(wú)鉛電焊臺(tái)進(jìn)行處理。

圖3 線纜重新連接流程

2 小線徑線纜失效模式分析及驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 重連線纜失效模式分析

由于重連后的動(dòng)車組線纜，在其連接處的典型失效模式和失效機(jī)理還處于新技術(shù)開發(fā)階段，無(wú)相關(guān)數(shù)據(jù)文獻(xiàn)可參考。從重連的結(jié)構(gòu)來(lái)看，相當(dāng)于在線纜上增加一個(gè)電連接器。因此可參考動(dòng)車組上電連接器的失效模式和失效機(jī)理進(jìn)行線纜重連的評(píng)估，根據(jù)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，電連接器的主要故障模式包括接觸不良、密封不良、固定不良、絕緣不良等。而前3種失效模式主要原因是重連結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，加工工藝不合理，或組裝工藝不良。這幾類故障可通過(guò)選擇合理的質(zhì)量管控和試驗(yàn)驗(yàn)證可以大幅度降低此類失效發(fā)生的幾率。而對(duì)于對(duì)于絕緣不良現(xiàn)象，主要原因是絕緣材料老化造成的。而導(dǎo)致絕緣材料老化[17-19]的原因主要有以下幾種：

1）熱老化

線纜長(zhǎng)期在高溫條件下工作，使絕緣材料發(fā)生熱分解及熱氧裂解，導(dǎo)致材料分子量、結(jié)晶度和交聯(lián)度改變，會(huì)使絕緣材料變脆變硬，質(zhì)量減小，出現(xiàn)裂紋，生成離子雜質(zhì)和揮發(fā)物，材料性能下降。

2）化學(xué)老化

線纜暴露在高濕環(huán)境中時(shí)，絕緣材料表面的缺陷處會(huì)把水分吸入聚合物鏈，這會(huì)導(dǎo)致材料膨脹，繼而更多的液體被吸入材料，破壞材料結(jié)構(gòu)，水分還會(huì)使導(dǎo)體氧化，增加導(dǎo)體電阻值。

3）機(jī)械老化

線纜在使用過(guò)程中，長(zhǎng)期承受環(huán)境溫度變化以及車體振動(dòng)導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力，在這些應(yīng)力持續(xù)作用下，絕緣材料表面的微觀缺陷會(huì)逐步出現(xiàn)，并持續(xù)發(fā)展，最終導(dǎo)致材料出現(xiàn)裂紋，并貫穿材料，導(dǎo)致局部放電甚至絕緣擊穿。

因此，根據(jù)失效模式的分析，針對(duì)重連后的線纜采用了溫度、振動(dòng)和電應(yīng)力綜合環(huán)境應(yīng)力，進(jìn)行產(chǎn)品的可靠性及性能驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.2 重連線纜可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)

動(dòng)車組重連線纜的可靠性需要驗(yàn)證以確保整車運(yùn)行可靠性。考慮到線纜安裝位置遍布整車各個(gè)部位，對(duì)不控溫的區(qū)域，線纜經(jīng)受溫度應(yīng)力，同時(shí)，動(dòng)車組行進(jìn)中線纜處于振動(dòng)應(yīng)力環(huán)境下工作，因此采取振動(dòng)-溫度綜合試驗(yàn)。振動(dòng)應(yīng)力量級(jí)參考IEC 61373-2010中的功能隨機(jī)振動(dòng)和模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)量級(jí)，溫度應(yīng)力參考EN 50467-2011的溫度等級(jí)規(guī)定確定，電應(yīng)力采用線纜的工作電壓。

為在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證線纜壽命，采取加速試驗(yàn)方式進(jìn)行。溫度循環(huán)是造成產(chǎn)品耗損型故障的主要因素。在合適的范圍內(nèi)，低周疲勞的破壞程度與高低溫溫差以及溫變速率有關(guān)。溫差和溫變速率的增大都將加快產(chǎn)品耗損型故障的發(fā)生。因此，根據(jù)GB/T 34986-2017，在試驗(yàn)中可進(jìn)行調(diào)整以減少溫度循環(huán)次數(shù)，從而縮短試驗(yàn)所需時(shí)間。

2.2.1 試驗(yàn)樣品

振動(dòng)應(yīng)力量級(jí)采用單芯和雙芯兩種規(guī)格的線纜，具體參數(shù)如表1和表2。采用壓接和焊接的連接方法對(duì)單芯線纜和雙芯線纜進(jìn)行重新連接。

表1 單芯線纜參數(shù)

表2 雙芯線纜參數(shù)

線纜加工要求包括：?jiǎn)涡揪€和雙芯線每段分別剪成10 cm；每?jī)蓷l線纜中間采用絕緣壓接管壓接，加工成重新連接的線纜；每?jī)蓷l線纜中間采用錫焊，加工成重新連接的線纜。

2.2.2 振動(dòng)應(yīng)力

振動(dòng)應(yīng)力量級(jí)參考GB/T 21563-2008軌道交通沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)和IEC 61373-2010中的模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)量級(jí)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中振動(dòng)應(yīng)力累計(jì)施加時(shí)間為15 h，超過(guò)15 h后的試驗(yàn)不施加振動(dòng)應(yīng)力，其振動(dòng)應(yīng)力施加如圖4所示。

圖4 振動(dòng)應(yīng)力ASD頻譜

2.2.3 溫度應(yīng)力

根據(jù)在軌道交通上的預(yù)期用途和特性進(jìn)行分類，我們選用的線纜主要安裝在艙內(nèi)，使用的環(huán)境溫度范圍為（5～35）℃，溫度剖面中Tmin選擇-10 ℃，Tmax選擇70 ℃。溫度循環(huán)曲線的剖面圖按照?qǐng)D5進(jìn)行。采用定時(shí)截尾方式進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為2000 h，每隔200 h定期監(jiān)測(cè)線纜電阻，并記錄。

圖5 溫度剖面圖

2.2.4 電應(yīng)力

此次試驗(yàn)在模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)應(yīng)力施加過(guò)程中不通電，其余時(shí)間均通電，電應(yīng)力為額定電應(yīng)力12 VDC。

3 結(jié)果分析與壽命評(píng)估

3.1 試驗(yàn)前線纜電阻測(cè)量結(jié)果

試驗(yàn)樣品試驗(yàn)前進(jìn)行線纜電阻測(cè)量，根據(jù)圖6所示。

圖6 電阻測(cè)量示意圖

使用低電阻測(cè)試儀測(cè)試T1以及T2兩端之間的電阻值，并記錄，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3所示。

表3中結(jié)果表明，單芯和雙芯的線纜電阻R20均小于規(guī)定的20 Ω/km要求，屬于合格范圍內(nèi)樣品，雙芯的線纜阻值總體略高于單芯線纜。

表3 單芯及雙芯線纜電阻值

3.2 重連后線纜可靠性試驗(yàn)結(jié)果與分析

重連后，采用綜合應(yīng)力試驗(yàn)方法進(jìn)行性能及壽命試驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4可知，重連后的小線徑線纜，其平均阻值均小于規(guī)定的20 Ω/km，且與完整的線纜均值相差不大，因此，可以得出兩種重連的工藝均能滿足線纜的連接要求。進(jìn)一步對(duì)線纜的阻值變化趨勢(shì)進(jìn)行擬合，如圖7所示。

表4 不同重連工藝單芯及雙芯線纜綜合試驗(yàn)電阻變化值（R20，Ω/km）

圖7中可以看出，單芯的線纜阻值變化相對(duì)于雙芯較慢，單芯的阻值上升變化率為0.0002～0.0003，而雙芯則達(dá)到0.0009，約為單芯的2～3倍，表明雙芯線纜更易受外部環(huán)境的作用，從而導(dǎo)致阻值的上升。從重連工藝的角度來(lái)看，兩者電阻的變化趨勢(shì)相同，且變化速率相差不大，但壓接工藝重連阻值總體要比焊接工藝小。可見(jiàn)，壓接工藝電阻變化的穩(wěn)定性優(yōu)于焊接工藝，壓接工藝方法可靠性相對(duì)更高。

3.3 重連后線纜壽命評(píng)估預(yù)測(cè)

動(dòng)車組線纜運(yùn)行期間是處于不維修狀態(tài)，通常需要經(jīng)歷至少一個(gè)高級(jí)修里程約480萬(wàn)公里或5年時(shí)間后[20]，回到主機(jī)廠維修車間后進(jìn)行相應(yīng)的檢查更換或維修，因此對(duì)其壽命周期有較高的要求。根據(jù)圖7的線性擬合公式，以其規(guī)格書規(guī)定的20 Ω/km為閾值，可以得出重連后線纜的壽命終結(jié)時(shí)間。根據(jù)Coffin Manson模型，采用等損傷原則，正常使用的環(huán)境溫度范圍為（5～35）℃，溫差為30 ℃，而實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)溫差為80 ℃。

圖7 重連線纜電阻變化趨勢(shì)擬合圖

其加速因子的計(jì)算模型如下：

式中：

AF—加速因子；

△T1—正常使用條件下的溫度差；

△T2—實(shí)驗(yàn)室加速條件下的溫度差；

m—常數(shù)，一般線纜產(chǎn)品取3～5，為保守起見(jiàn)，計(jì)算時(shí)取3。

因此經(jīng)計(jì)算后，得出線纜的壽命情況見(jiàn)表5所示。

表5 不同重連工藝單芯及雙芯線纜

總體來(lái)看，兩種重連工藝的線纜均可維持至少一個(gè)高級(jí)修里程，最短的雙芯焊接工藝重連后，可使用年限約為7.33年，而最長(zhǎng)的單芯壓接工藝可達(dá)34.46年，這基本上與車體等壽命。焊接工藝使用年限相對(duì)與壓接工藝要短，雙芯的使用年限則比單芯的要短。通過(guò)對(duì)線纜的重連工藝研究，為后續(xù)線纜產(chǎn)品的檢修或延遲修提供了決策依據(jù)。

4 結(jié)論

為了給現(xiàn)役動(dòng)車組小線徑線纜的重連維修和延壽提供數(shù)據(jù)支撐，我們對(duì)動(dòng)車組線纜進(jìn)行重連工藝及壽命評(píng)估試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1）對(duì)小線徑線纜分別進(jìn)行壓接和焊接工藝重連，結(jié)果表明重連后的線纜均能符合產(chǎn)品規(guī)格書要求。

2）通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的疲勞壽命試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)線纜的電阻呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)，雙芯線纜的上升速率要高于單芯線纜。而壓接工藝重連阻值總體要比焊接工藝小，壓接工藝電阻變化的穩(wěn)定性優(yōu)于焊接工藝，壓接工藝方法可靠性相對(duì)更高。

3）經(jīng)模擬計(jì)算表明，兩種重連工藝的線纜均可維持至少一個(gè)高級(jí)修里程，最短的雙芯焊接工藝重連后，可使用年限約為7.33年，而最長(zhǎng)的單芯壓接工藝可達(dá)34.46年。因此在整體策略上可以對(duì)重連線纜進(jìn)行至少一個(gè)高級(jí)修周期試運(yùn)行，通過(guò)依據(jù)試運(yùn)行結(jié)果對(duì)評(píng)估結(jié)果不斷的進(jìn)行修正。