肖明明，吳悠，周天朋，寧薇薇

（1.中車唐山機車車輛有限公司，唐山 100076； 2.天津航天瑞萊科技有限公司，天津 300462）

引言

在動車組運行過程中，列車控制系統(tǒng)會不斷采集軸溫傳感器信號，當發(fā)現(xiàn)軸溫異常時，根據(jù)故障導向安全原則，動車組將減速或限速行駛，在特殊情況下會實施緊急制動，以保證人員和車輛的絕對安全。但是在運用過程中，多次出現(xiàn)軸溫傳感器燒損等故障；而軸溫傳感器一旦出現(xiàn)燒損，為了確保安全，列車就會限速行駛，從而導致晚點。據(jù)統(tǒng)計，軸溫傳感器故障是所有導致晚點的故障中比較突出的原因之一。

動車組在運行過程中車體與軌道之間存在電勢差，該電勢差直接考驗轉向架各點的絕緣性，其中軸溫傳感器就是轉向架的最薄弱點之一。該電勢差穩(wěn)態(tài)情況下峰峰值在80 V左右，在某些區(qū)段軸端與車體之間電勢差的最大脈沖值可達500 V[1]。

軸溫傳感器的防護膠管是保障傳感器密封性和絕緣性的重要部件，防護膠管的失效將直接導致軸溫傳感器水和濕氣的進入，導致絕緣性能下降[2]。本文開展軸溫傳感器防護膠管高溫加速壽命研究，給出防護膠管壽命退化特征量及高溫試驗加速系數(shù)。

1 研究思路

通過實驗室開展產品壽命研究，受限于時間和進度要求，需要采取加速試驗的方法。加速試驗通過增加試驗應力的方式，使其對產品造成損傷，該損傷應與產品壽命期內預期應力造成的累積損傷等效。加速試驗基于具體失效機理，確定定量的加速因子，該加速因子表征了產品在特定試驗應力與其使用環(huán)境應力下所能經(jīng)受的時間之間的關系。試驗應力水平比產品使用時要求的應力水平高，但低于產品的極限應力水平，確保失效機理一致。加速試驗過程中測試產品性能退化特性，該退化特性是時間或應力循環(huán)數(shù)的函數(shù)，應用產品性能退化特性表征壽命退化特征量。

依據(jù)產品加速試驗方法[3]，首先分析軸溫防護膠管的失效模式，針對失效模式，分析引起失效的環(huán)境應力。根據(jù)失效模式及其環(huán)境應力，選擇相應的加速壽命模型和表征產品壽命退化的特征量，從而制定加速試驗方案。

2 加速試驗

2.1 試驗方案

軸溫傳感器防護膠管規(guī)格型號：DN8-14.6，材質：三元乙丙橡膠。

軸溫傳感器防護膠管的失效模式為在溫度、彎折、曲撓等環(huán)境下的高溫老化、疲勞失效，防護膠管產生裂紋、破損等現(xiàn)象。

引起失效的主要環(huán)境應力為高溫應力和彎折應力，本文主要研究防護膠管在高溫環(huán)境下的材料老化特性。

具體試驗方案如下：

試驗對象：試驗對象選取全新樣品、三級修樣品和四級修樣品（三級修樣品對應行駛里程為120萬公里、四級修樣品對應行駛里程為240萬公里）。

通過熱失重試驗，獲取防護膠管橡膠材料的活化能參數(shù)，并進行高溫加速因子預估。

通過拉伸試驗，獲取全新、三級修、四級修不同使用階段樣品拉伸斷裂力的退化數(shù)據(jù)。

通過高溫試驗，研究高溫加速環(huán)境對樣品性能退化的影響。高溫試驗后的樣品進行拉伸試驗，獲取高溫試驗后樣品拉伸斷裂力的退化數(shù)據(jù)。

分析全新、三級修、四級修不同使用階段樣品拉伸斷裂力的退化與高溫加速試驗拉伸斷裂力退化之間的關系，給出高溫試驗綜合加速因子。

2.2 熱失重試驗[4]

試驗樣品：全新樣品，重量至少為150 mg。

試驗設備：熱重分析儀 PYRIS 1。

試驗條件：溫度范圍（20～800）℃；溫度變化率：5℃ /min、10 ℃ /min、15 ℃ /min。

試驗結果：熱失重曲線如圖1。

2.3 拉伸試驗[5]

試驗樣品：全新、三級修、四級修樣品，取樣長度300 mm，數(shù)量每類3根。

試驗設備：電子萬能材料試驗機WDW-5。

試驗條件：兩端通過工裝固定在電子萬能材料試驗機，250 mm/min的速率進行拉伸，拉斷為止。

試驗測試：記錄最大拉力。

試驗結果：斷裂拉力試驗數(shù)據(jù)見表1。

斷裂拉力平均值與行駛里程繪制曲線如圖2所示，表明防護膠管斷裂拉力與行駛里程呈線性關系。

圖1 溫度-失重率曲線

線性擬合得到實際使用過程中拉力退化斜率：

式中：

2.4 高溫老化試驗[6]

試驗樣品：全新樣品，取樣長度300 mm，數(shù)量20根。

試驗設備：高溫試驗箱EBS-SDJ6025F。

試驗條件：150 ℃；30天。

試驗測試：每6天，取3根樣品進行拉伸測試。

試驗結果：高溫老化后拉伸試驗數(shù)據(jù)見表2。

斷裂拉力平均值與試驗天數(shù)繪制曲線如圖3所示，表明防護膠管斷裂拉力與高溫試驗天數(shù)呈線性關系。

線性擬合得到高溫試驗后拉力退化斜率：

式中：

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 活化能

活化能是晶體中晶格點陣上的原子運動到另一點陣或間隙位置時所需的能量，是反映溫度應力對材料壽命影響的一種指標。阿倫尼斯認為，對于某一確定反應來說，活化能是不隨溫度變化的常數(shù)。也就是說，對應某失效機理，活化能是不隨溫度變化的常數(shù)[7]。

表1 拉伸試驗結果

圖2 行駛里程與斷裂拉力關系曲線

表2 高溫老化后拉伸試驗數(shù)據(jù)

圖3 高溫試驗天數(shù)與斷裂拉力關系曲線

依據(jù)參考文獻[8]和ISO 11358-2-2014標準[9]，活化能計算公式為：

式中：

β=dT/dt—升溫速率；

C—常數(shù)；

Ea—活化能；

k—玻爾茲曼常數(shù)8.617×10-5eV/K；

T—絕對溫度。

在圖1曲線中，失重率分別為0.94、0.95、0.96時取lgβ與1/T值多組，繪制曲線如圖4所示。

根據(jù)圖4的斜率計算活化能，數(shù)據(jù)如表3。

3.2 高溫試驗加速因子

加速因子亦稱為加速系數(shù)，阿倫尼斯模型[10]加速因子公式如下：

圖4 lgβ—1/T關系曲線

表3 活化能計算數(shù)據(jù)

式中：

T0—使用溫度；

T1—高溫試驗溫度。

式（4）是基于同一失效模式的退化量導出的，無論產品是否失效，只要產品壽命特征退化量相同即可。利用產品某性能參數(shù)或特征退化數(shù)據(jù)對產品進行加速壽命研究。

軸溫防護膠管在使用溫度為50 ℃，高溫試驗溫度為150 ℃時，計算出高溫試驗相對使用溫度的加速系數(shù)α=137.65。

3.3 拉伸率試驗加速因子

根據(jù)2.3節(jié)試驗數(shù)據(jù)分析可知，防護膠管斷裂拉力退化率符合阿倫尼斯模型。定義膠管斷裂力的退化率模型為：

式中：

考慮高鐵運行過程中的啟動和停站時間，設定高鐵運行平均時速200 km/h，可得：

試驗天數(shù)用小時來表示，可得：

由式（1）和式（6），可得實際使用樣品斷裂拉力退化率：

由式（2）和式（7），可得高溫試驗樣品退化率：

由式（9）和式（11），可得高溫試驗相對于實際使用樣品的加速系數(shù)：

3.4 數(shù)據(jù)比對

根據(jù)熱失重方法計算得到高溫試驗加速因子為137.65，根據(jù)高溫試驗和實際使用樣品拉伸試驗獲得的加速因子為84.663。由于實際使用過程中，防護膠管的拉伸斷裂力的退化除了受高溫作為主要影響因素外，還受到振動、彎折疲勞等因素的影響，導致防護膠管實際拉伸斷裂力的退化比只承受溫度環(huán)境的退化更嚴酷，所以高溫試驗和實際使用樣品的拉伸退化加速因子小于理想的熱失重法計算得到的加速因子。

根據(jù)高溫試驗和實際使用樣品拉伸試驗計算得到的加速因子包含了實際使用過程中除了溫度應力以外的其他因素對斷裂拉力退化的影響，用其預測實際使用壽命更符合使用現(xiàn)狀。

4 結論

1）通過試驗發(fā)現(xiàn)了軸溫傳感器防護膠管的斷裂拉力與行駛里程呈線性關系，其退化率為常數(shù)。軸溫傳感器防護膠管高溫試驗后，其斷裂拉力與高溫試驗時間呈線性關系，其退化率為常數(shù)。

2）在溫度環(huán)境下，軸溫傳感器防護膠管斷裂拉力的退化率符合阿倫尼斯模型，可以用斷裂拉力作為軸溫傳感器防護膠管的壽命特征量。

3）某型軸溫傳感器防護膠管在高溫150 ℃環(huán)境下的加速壽命，相對于實際使用環(huán)境的加速因子為84.663。