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)
本文的某型溫度傳感器是由精密級鉑熱電阻元件及經(jīng)過特殊工藝處理的防護套組成,該型傳感器主要應(yīng)用于動車組的轉(zhuǎn)向架軸端,監(jiān)測動車組軸端的溫度情況并及時作出預(yù)警,防止因為溫度過高引起軌交事故,是動車組非常重要的組件。但是近年來,此型溫度傳感器運行時間已達到三級修、四級修的修程,通過這些拆卸下來進行檢修時,發(fā)現(xiàn)傳感器的防護套,有出現(xiàn)折斷、開裂、僵硬等情況,老化情況各異。根據(jù)動車組的行駛路線、路況、里程的原因,傳感器會經(jīng)歷各種嚴酷氣候、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,探針端與插針端固定,但是連接兩端的防護套只是間隔一定的距離,固定了兩個點的位置,有很大的自由度,在動車組運行時,出現(xiàn)顛簸、沖擊的路況,導(dǎo)致防護套受到反復(fù)的彎折影響,增加了防護套出現(xiàn)破損的機率。通過與傳感器的制作商及檢修單位共同確認,導(dǎo)致出現(xiàn)防護套破裂的主要原因定位為彎折疲勞。本文通過對某型溫度傳感器的全新、三級修、四級修樣品進行隨機采樣,施加相同條件的疲勞環(huán)境,研究防護套的彎折壽命。
根據(jù)防護套的材質(zhì)特性為橡膠管,參照GB/T 5564-2006的標準[1]方法,充分考慮到低溫環(huán)境對橡膠管的影響,本試驗方案采取在最惡劣的低溫條件下進行低溫彎折試驗,評估防護套的彎折壽命。具體試驗條件如表1。
試驗要求:將每支試驗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)輪的直徑是防護管公稱內(nèi)徑的12倍,本防護套的公稱內(nèi)徑為8 mm。本方法采取的彎曲頻率為1 Hz,每間隔一定時間后,檢查防護套的外表面有無龜裂或破損,若出現(xiàn),立即停止試驗,記錄當前次數(shù)。
表1 低溫彎折疲勞試驗條件
根據(jù)防護套的安裝特點,選取樣品進行彎折試驗時,試驗具體安裝狀態(tài)見圖1。對彎折的位置選取了管夾處和非管夾處兩種,管夾處是防護套安裝固定的位置,非管夾處為除管夾固定以外的位置。同時對防護套承壓能力為27.6 MPa和6.8 MPa進行了隨機選擇。全新樣品的生產(chǎn)年份為2018年度,三級修、四級修的生產(chǎn)年份從2013~2015年度進行隨機選取,三級修的運行里程約為120萬公里,四級修運行里程約為240萬公里。具體選樣信息見表2。
彎折試驗結(jié)果見表2,對全新、三級修、四級修樣品數(shù)據(jù)趨勢進行折現(xiàn)圖比較,發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)相對集中平穩(wěn),具體情況見圖2。全新、三級修、四級修的平均值和方差結(jié)果見表3。
圖1 低溫彎折試驗件安裝狀態(tài)
針對低溫彎折壽命數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗,全新、三級修、四級修的檢驗圖見圖3~5,接近直線表明試驗數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。
表2 選樣信息及彎折試驗結(jié)果
圖2 低溫彎折試驗數(shù)據(jù)曲線
針對低溫彎折平均疲勞試驗數(shù)據(jù),使用指數(shù)模型進行擬合,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
壽命標準差數(shù)據(jù)使用指數(shù)模型進行擬合,壽命退化模型見圖7。
標準差指數(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)分布累計函數(shù),壽命預(yù)測結(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),四級修的防護膠管低溫彎折壽命退化為全新防護膠管壽命的5.7 %;結(jié)合實際運行的情況和現(xiàn)場膠管的現(xiàn)狀,建議四級修時防護膠管需要更換。
表3 低溫彎折試驗數(shù)據(jù)表
圖3 全新樣品疲勞壽命正態(tài)分布檢驗
圖4 三級修樣品疲勞壽命正態(tài)分布檢驗
圖5 四級修樣品疲勞壽命正態(tài)分布檢驗
低溫彎折試驗通過對次數(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,而三級修、四級修樣品的彎折次數(shù)驟減至3 000~9 000之間。三級修、四級修在運行里程上相差120萬公里,但是在彎折衰減方面相差無幾,充分說明了防護套在彎折壽命的快速衰減的特點,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。防護套本身是橡膠材質(zhì),為一種合成橡膠,橡膠老化的實質(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。在動車組運行過程中,會受到熱應(yīng)力、光應(yīng)力、濕度應(yīng)力、振動應(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,特別是在水浸泡和大氣暴露的交替作用下,會加速橡膠的破壞;在機械應(yīng)力的反復(fù)作用下,會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)境因素都會加劇降低防護套的使用壽命。
圖6 低溫彎折平均壽命退化模型圖
圖7 壽命標準差退化模型圖
2)選取了B02和B04管夾處和非管夾處防護套均進行疲勞試驗,以驗證管夾處與非管夾處是否存在區(qū)別。通過數(shù)據(jù)對比發(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明對于同一根防護套而言,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,降低防護套的使用壽命。
3)根據(jù)防護套外表面的年份標注,發(fā)現(xiàn)2013年度、2014年度、2015年度生產(chǎn)的防護套,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套的生產(chǎn)時間與安裝運行存在一定的間隔,生產(chǎn)好的樣品會在庫房內(nèi)存放1~2年后才組裝在動車組上,存放期間防護套受到空氣、溫度、濕度、臭氧以及光線的等影響,會加速其破壞,這是橡膠材質(zhì)特性本身受環(huán)境因素引起的退化。故防護套受生產(chǎn)時間影響不大,主要是存放時間和貯存環(huán)境影響較大。
4)通過對比不同壓強的防護套,彎折次數(shù)并無明顯規(guī)律,說明不同壓力強度的防護套對使用壽命影響不大。
5)在動車組運行過程中,1、4軸位的車廂彎矩較大,2、3軸位相對小,通過對比不同軸位對應(yīng)的彎折次數(shù),數(shù)據(jù)相對分散,說明軸位對其彎折次數(shù)的影響不大。
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。當運行里程達到四級修時,應(yīng)立即更換防護套,避免運行中發(fā)生溫度報警或事故。
為延長防護套的使用壽命,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)境因素對其的影響,減緩防護套因橡膠材質(zhì)特性引起的老化;同時,在防護套的安裝方式上,應(yīng)改善安裝方式并降低夾具對防護套的累積損失;如為從根本性提升防護套的耐用性,建議從原材料入手,從材質(zhì)、設(shè)計工藝等方面進行實質(zhì)性改變,研究成本和周期也會增加,但就軌道交通的長遠發(fā)展來看,可行性的研究非常必要。