CRH380B動車組軸溫傳感器線纜可靠性研究綜述

吳煦明

摘要：隨著科技水平的不斷發展，高鐵出行已經成為人們生活的一部分，而380B型動車組的軸溫傳感器大部分也到了3級修，4級修的修程，檢修的數量和維護的成本則每年在增加，本文綜述了380B型動車組軸溫傳感器線纜的性能特點及應用情況，通過多種方法總結其壽命預測方法，以及如何預防老化的方法。

關鍵詞：軸溫傳感器;CRH380B動車組;壽命預測;防老化

一、 380B動車組軸溫傳感器

CRH380B動車組是由中車唐山機車車輛有限公司所生產，軸溫監測系統采用的是雙通道的PT100型溫度傳感器（如圖1）。

與一般的數字傳感器和熔斷式傳感器不同，380B動車組軸溫傳感器為鉑電阻傳感器。這種傳感器的特點十分明顯，他檢測溫度范圍非常廣，其測量的精度十分的準確，使用時也十分的穩定，隨著環境溫度的不斷變化，他的電阻也會跟著改變，規律和性能參數如下：

R T = 100 + 0.38T （1）

R T = 1000 + 0.38T （2）

1.1 380B動車組軸溫傳感器線纜

軸溫傳感器線纜由3部分組成（如圖2）分別由護套軟管，屏蔽電纜和芯線組成。

1.2基本參數（表1）

二、 壽命分析

2.1 380B動車組軸溫傳感器線纜老化原因

CRH380軸溫傳感器的保護套的主要材料是三元乙丙橡膠，而且幾乎全部安裝在車底，受到周圍環境的影響十分大，其老化原因有這幾點：

1.陽光

由于380B動車組軸溫傳感器大部分安裝于車輛轉向架上，使其在運行過程中長時間受陽光照射，其中紫外光對其具有很強的破壞性。

2.熱

熱可以使傳感器護套發生交聯或降解，其分子鏈在高溫環境下發生斷裂，于是便產生了化學性質較為活躍的自由基，接著繼續會與氧氣產生化學效應，從而形成過氧自由基，進一步使其斷裂。熱氧作用的最后結果會讓保護套的性能下降，慢慢老化失去其保護作用。

3.臭氧和氧

眾所周知氧氣的化學性質十分的活潑，會與許多物體發生氧化反應，而380B動車組軸溫傳感器在線路運行過程中一直與氧氣有接觸，在光和熱的共同作用下則會發生氧化反應，從而引起保護套的老化。

臭氧的性質則比氧氣更活潑，從而發生氧化反應更加強烈，甚至會發生“臭氧龜裂”情況。

4水

由于降雨，雨水會沖刷掉線纜保護套外面的氧化層，水分子滲透其中，會溶解其中的親水基團，加速保護套的老化。

5.機械力

線纜保護套由于在軸溫傳感器安裝過程中受到機械力的作用下會產生輕微的彎折變形，以及安裝線卡時受到的擠壓力，會使其中的分子鏈斷裂導致分子的降解，使保護套的性能變差。

6.生物

微生物也是使線纜保護套老化的原因之一，真菌與細菌在一定的環境下會分泌出一種特定的酶，從而產生催化作用，會使線纜保護套的的分子鏈斷裂產生降解，嚴重還會產生粉化。

2.2 380B軸溫傳感器線纜老化實驗

380B動車組軸溫傳感器的老化實驗有兩種老化，分別是自然老化和人工加速老化，對于自然老化的研究到目前為止報道與研究十分的少，因為自然老化的周期是十分漫長的，隨機性也十分的大。對于人工加速老化則有以下幾種方法：

1.熱分析法

熱分析是在程序控制溫度下，測量物質的物理或化學參數與溫度之間關系的一類技術。

數學表達式為P=f（T）其中P是物質的一種物理量T是物質的溫度，其中T=φ（t）t為時間，也就是把溫度看作是時間的函數。其中主要的熱分析技術有熱重法（TG），微商熱重法（DTG），差熱分析（DTA）以及掃描量熱法（DSC）.其中熱重法（TG，Theromgravimetry）是指在程序控溫下，測量物質的質量與溫度（或時間）關系，而微商熱重法（DTG，Derivative Theromgravimetry）則是將得到TG曲線對溫度或時間取一階導數。（圖3 TG圖和DTG圖）

文獻列車用溫度傳感器線纜的老化研究及壽命評估（孫炎，黃文斌） 通過熱重分析法測定了列車溫度傳感器的線纜護套和屏蔽電纜的TGA曲線通過阿累尼烏斯方程計算出上述材料的活化能，并建立了熱壽命方程式：

其中：

——預估壽命，單位 min;

E—反應活化能，單位 J·mol-1;

R—氣體常數，數值為 8.314 J ·（mol-1·K-1）;

—特定失重率對應的失效溫度，單位 K;

β—升溫速率，單位 K·min-1;

a —積分常數，查表可得。

最后得出結論屏蔽電纜的在正常使用過程中其性能十分穩定，而其線纜護套則具有不穩定性，存在一定的風險，會產生熱老化現象。

2.低溫曲撓實驗

根據GB/T 5564- 2006的標準，低溫曲撓實驗分為低溫剛性和低溫彎曲，低溫剛性實驗是將膠管夾持在直徑為膠管內徑12倍的扭轉輪上，在低溫下停放6小時后，在12s內扭轉180°時測得的扭矩與標準溫度下測得的扭矩的比。低溫彎曲實驗是將管夾持在直徑為膠管內徑12倍的扭轉輪上，在低溫下停放24小時后，在10s內扭轉180°，檢查內外膠是否脆裂和破壞。 測量膠管低溫脆性最簡單的試驗是將試樣在低溫下彎曲90°，或將一段膠管冷凍后壓縮1/2看是否脆裂。文獻某型溫度傳感器防護套彎折疲勞試驗的壽命研究（雷霆，寧薇薇，周天朋，閆旭東，呼東亮）通過此方法對軸溫傳感器進行低溫彎折疲勞實驗，并建立壽命退化模型：f（x） = a*exp（b*x）得出壽命預測結果（表2）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 %，因此4級修時建議及時更換膠管，實驗通過比較得出結果，發現新的樣本的彎折次數大約為10萬多次，而三四級修的彎折次數只有3千到9千之間，通過這里也能看出線纜保護套的老化還是與其材料性質有關，與公里數關系不大，且線卡處由于受外部機械力的作用，彎折數量明顯少于非線卡處，非常容易產生老化，斷裂等結果。

3.紫外光老化實驗

根據國家的標準GB/T 14522-2008，將所需實驗樣品放入紫外箱中進行人工加速老化實驗，通過紫外燈管的長時間光照，老化不同時間后對樣品進行H-NMR，FT-IR和UV-Vis吸收光譜表征。文獻（三元乙丙的老化機理研究 李志輝）通過紫外光老化實驗得出結論三元乙丙橡膠的對紫外線的抗性十分不理想，通過在紫外線下照射了30分鐘后下就產生了羰基化合物，其化學結構產生了明顯得改變，而380B軸溫傳感器線纜的主要材料也是三元乙丙橡膠，因此他們的老化原理幾乎相同。所以在列車行駛過程中在周邊部分還是需要添加紫外光穩定劑，從而提高軸溫傳感器的抗老化能力。

4.拉伸應力應變性能的測定

這些年來，在航空領域、船舶領域、高速動車組等領域有非常多關于橡膠研究預測壽命的結論，其中大部分使用人工加速老化后扯斷伸長率、壓縮永久變形等性能衰減的原理也測其使用壽命。壽命預測原理如下，分別在60℃，80℃，100℃的溫度情況下，把扯斷伸長率數值設為縱坐標，而把時間設會橫坐標，定時取出樣本，對其測試扯斷伸長率，直到其到達臨界值，于是可以得出在這幾個溫度下老化所需要多少時間，通過獲得最后的數據點的30-40℃內的失效時間數值與溫度的函數作出阿累尼烏斯圖，再經函數變化得到的直線可以外推到使用溫度下的失效時間，外推法通常限制在超過最終數據點的30-40℃內（馮志新，官健，謝宇芳.環氧樹脂覆銅板（CCL）耐熱老化的研究[J].合成材料老化與應用）

通過整理擬合數據，得到扯斷伸長率的老化函數。并且通過標準GB/T20028-2005所得到結果電纜護套的使用壽命約為7.75年。

三、380B動車組軸溫傳感器線纜防老化方法

關于線纜的防老化可以從其中外部原因和內部原因進行分析，內因方面可以改善線纜的合成以及它的加工中工藝，使線纜擁有更好的結構穩定性，而外因方面則可以在原材料中添加防老劑來抵御外部環境對線纜的腐蝕與侵害。而防老劑則分為以下幾種，熱穩定劑，光穩定劑，抗氧劑等等。

1.熱穩定劑

線纜在生產和使用過程中會受熱降解，在其中加入熱穩定劑后可以有效抑制熱分解反應，雖然用量很小，卻十分重要。

2.光穩定劑

研究結果表明，紫外光對線纜具有十分強的破壞性，而軸溫傳感器線纜長期遭紫外光照射，因此在其中添加抗紫外光防老劑則十分必要。光穩定劑包括：光屏蔽劑，猝滅劑和紫外光吸收劑。

3.抗氧劑

添加抗氧劑可以抑制軸溫傳感器線纜老化過程中的自動氧化反應。

四、結束語

（1）到目前為止，CRH380軸溫傳感器線纜的壽命預測方面已有研究成果，其中大多數壽命預測方法僅考慮了一種環境因素，在多種環境因素影響下的壽命預測研究則十分不足。

（2）CRH380B軸溫傳感器線纜的老化因素主要還是受到熱和紫外線的影響的因素較大，根據部分人工加速熱老化研究得出結論，線纜護套的壽命一般在7到8年之間，但由于只考慮了單方面的環境因素（如溫度，光照等）實際使用壽命應該低于這年份，由于車底軸溫傳感器無法受到光照，其受紫外線因素影響可以忽略不計，因此車底軸溫線纜使用壽命也應該大于轉向架周邊傳感器使用壽命。

（3）為延長線纜保護套使用壽命，可以根據不同線路的環境因素，可采取針對性的防老化措施，改善其存放環境，盡量存放于干燥環境，降低溫度濕度對其影響。

（4）經過試驗發現軸溫傳感器線卡處的壽命明顯小于未裝線卡處，因此在進行3 4級修作業時應該仔細檢查線卡處是否有老化斷裂情況發生，從而及時更換。

參考文獻：

[1]列車用溫度傳感器線纜的老化研究及壽命評估 孫炎 黃文斌.

[2]GB/T5564-2006， 橡膠和塑料軟管 低溫曲撓試驗 [S].

[3]某型溫度傳感器防護套彎折疲勞試驗的壽命研究 雷霆 寧薇薇 周天朋 閆旭東 呼東亮.

[4]溫度傳感器電纜護套的性能研究和壽命預測 鄧艷俊 王明軒 張軍.

[5]何廣霖.關于《GB/T531.1-2008硫化橡膠或熱塑性橡膠壓入硬度試驗方法邵氏硬度計法（邵爾硬度）》的解讀[J].中國標準化，2015（12）：113-118.

[6]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定：GB/T 528-2009[S].北京：中國標準出版社，2009：1.