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        某型溫度傳感器防護(hù)套彎折疲勞試驗(yàn)的壽命研究

        2021-03-19 03:13:58雷霆寧薇薇周天朋閆旭東呼東亮
        環(huán)境技術(shù) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:軸位正態(tài)分布動(dòng)車組

        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)車組的轉(zhuǎn)向架軸端,監(jiān)測(cè)動(dòng)車組軸端的溫度情況并及時(shí)作出預(yù)警,防止因?yàn)闇囟冗^高引起軌交事故,是動(dòng)車組非常重要的組件。但是近年來,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,通過這些拆卸下來進(jìn)行檢修時(shí),發(fā)現(xiàn)傳感器的防護(hù)套,有出現(xiàn)折斷、開裂、僵硬等情況,老化情況各異。根據(jù)動(dòng)車組的行駛路線、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120萬公里,四級(jí)修運(yùn)行里程約為240萬公里。具體選樣信息見表2。

        2 試驗(yàn)結(jié)果

        彎折試驗(yàn)結(jié)果見表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),具體情況見圖2。全新、三級(jí)修、四級(jí)修的平均值和方差結(jié)果見表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(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120萬公里,但是在彎折衰減方面相差無幾,充分說明了防護(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)車組運(yùn)行過程中,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,并無特別規(guī)律,次數(shù)上無較大差距,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)在庫房?jī)?nèi)存放1~2年后才組裝在動(dòng)車組上,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)通過對(duì)比不同壓強(qiáng)的防護(hù)套,彎折次數(shù)并無明顯規(guī)律,說明不同壓力強(qiáng)度的防護(hù)套對(duì)使用壽命影響不大。

        5)在動(dòng)車組運(yùn)行過程中,1、4軸位的車廂彎矩較大,2、3軸位相對(duì)小,通過對(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,說明軸位對(duì)其彎折次數(shù)的影響不大。

        4 小結(jié)

        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(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)展來看,可行性的研究非常必要。

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