魏婷 陳明

（湖南聯(lián)誠電氣科技有限公司，湖南 株洲 412000）

動車組走行部溫度傳感器可實時監(jiān)測軸箱、齒輪箱、牽引電機溫度，是反映動車組走行部狀態(tài)是否良好，能否安全運行的一項關(guān)鍵的技術(shù)指標，而因傳感器故障造成的誤報，會導(dǎo)致動車組限速運行或停車，影響列車的正常運營秩序。為了避免因傳感器故障而導(dǎo)致的誤報，需對故障件制定一套故障檢測方案。本文對溫度傳感器的故障及故障檢測方法進行了介紹，并對傳感器引腳斷裂和電纜線芯斷裂兩種故障進行深入分析，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化方案。

1 溫度傳感器主要故障及檢測方法

動車組軸溫實時檢測系統(tǒng)用溫度傳感器采用鉑電阻感溫元件，分度號為Pt100，其在0℃時的電阻值為100Ω，100℃時的電阻值為138.51Ω，溫度系數(shù)為3.851×10-3℃-1，傳感器在線運行故障主要為傳感器回路開路、短路、溫度異?；蛱儯斐蓚鞲衅鞴收系脑虬≒t100元件故障，Pt100 元件焊接不良或引腳斷裂，電纜疲勞斷裂及絕緣不良。

1.1 Pt100 元件故障判定

Pt100 元件故障主要為阻值異常或特定溫度阻值異常，會造成傳感器數(shù)據(jù)異常或跳變，該故障可以通過常溫電阻值檢測和精度檢測檢測出，精度檢測需包含低溫、0℃及高溫檢測，推薦檢測溫度為-30℃、0℃、150℃。

1.2 Pt100 元件焊接不良或引腳斷裂故障判定

Pt100 元件焊接不良可能會導(dǎo)致焊接部位斷開或虛接，從而造成傳感器阻值無窮大或跳變，只通過常規(guī)的常溫阻值檢測和精度檢測有時無法檢測出，還需要進行溫度-濕度-振動試驗，再通過X 光檢測確定故障點。Pt100 元件引腳斷裂會造成傳感器阻值跳變，精度檢測會有異常，通過X 光檢測可鎖定斷裂位置。因此針對Pt100 元件焊接不良或引腳斷裂故障需進行精度檢測、溫度-濕度-振動試驗及X 光檢測。

1.3 電纜線芯斷裂故障判定

電纜線芯斷裂分兩種情況：第一種為外力擊打造成電纜損傷，傳感器無阻值，系統(tǒng)顯示溫度無窮大；第二種為電纜疲勞斷裂，傳感器動車組運行過程中，一般會顯示溫度跳變。兩種情況的電纜損傷在進行溫度精度檢測時，都會出現(xiàn)異常，在確定傳感器故障后，可通過X 光檢測出電纜斷裂位置，另若為第一種情況，傳感器外觀也會出現(xiàn)異常，見圖1。

圖1 電纜線芯疲勞斷裂處的X 光照片

1.4 絕緣不良故障判定

傳感器對地絕緣不良可能會導(dǎo)致絕緣報警或傳感器阻值跳變，可通過絕緣電阻試驗、耐壓試驗檢測出，為查找絕緣不良的故障點，需對傳感器進行拆解。在拆解過程中，每拆一步都需進行絕緣電阻試驗和耐壓試驗確認，以便精準的找出故障點。

2 溫度傳感器檢測試驗方法

在軸溫報警系統(tǒng)檢測溫度異常后，需要對傳感器進行預(yù)防性更換，為準確的確定是否為傳感器故障，需要制定一套完善的檢測方案，根據(jù)上一章的分析可以得出，對于疑似故障件需要進行外觀檢測、絕緣電阻試驗、耐壓試驗、精度檢測試驗、X 光檢測及溫度-濕度-振動試驗，故障判斷流程圖見圖2。

圖2 故障判斷流程圖

2.1 外觀檢測

檢查并記錄溫度傳感器探頭是否存在彎曲、變形和磕碰傷，膠管是否存在穿透性損傷、斷裂等外觀問題。

2.2 精度檢測

將二等標準鉑電阻溫度計與傳感器同時插入恒溫槽同一高度處，待溫度穩(wěn)定后，檢測傳感器的溫度并與標準鉑電阻溫度計的溫度進行對比，允差值滿足B 級要求。

2.3 絕緣、耐壓檢測

2.3.1 絕緣電阻試驗

在常溫下用直流兆歐表對傳感器外殼和引線（包括屏蔽線）間進行絕緣電阻測試，電壓值按客戶要求執(zhí)行，絕緣電阻應(yīng)滿足技術(shù)要求。

2.3.2 耐壓試驗

在傳感器外殼和引線（包括屏蔽線）間逐漸升壓，電壓值按客戶要求執(zhí)行，保持1min，應(yīng)不產(chǎn)生閃絡(luò)擊穿，漏電流滿足技術(shù)要求。試驗后再次進行絕緣電阻試驗。

2.4 X 光檢測方法

使用X 射線多角度旋轉(zhuǎn)觀察并記錄傳感器探頭內(nèi)Pt100 引腳及焊點狀態(tài)，觀察的角度需大于等于90 度，電纜壓接部位進行X 射線觀察，如電線或膠管破損，也須對破損部位進行X 射線檢測，確認電纜芯線是否有斷線。

2.5 溫度-濕度-振動試驗

GB/T 21563-2008 軌道交通機車車輛設(shè)備沖擊和振動試驗中3 類車軸安裝進行功能性隨機振動試驗（參數(shù)見表1），溫度由常溫上升至150℃，在150℃下保持40min，再由150℃降溫至-40℃，在-40℃下保持30min（溫度變化速率為設(shè)備的最大速率，需大于10℃/min），溫度在10℃～90℃期間，相對濕度保持在90±5%。每個方向進行5 次循環(huán)，試驗過程中，需對傳感器阻值進行監(jiān)測，傳感器阻值應(yīng)無跳變或斷開，見圖3。

表1 振動試驗參數(shù)

圖3 溫度變化趨勢

3 故障原因及改進措施

3.1 引腳斷裂故障分析及改進措施Pt100 元件引腳斷裂可以通過X 光檢測出，導(dǎo)致引腳斷裂的原因有兩個方面，一是生產(chǎn)過程中對引腳造成了損傷，主要是焊接過程和封裝過程兩個過程的防護不當(dāng)。元件引腳受到損傷，在長期高溫、振動環(huán)境中最終導(dǎo)致斷裂；二是由于傳感器安裝在動車組軸箱、齒輪箱或牽引電機上，處于長期高強度的振動環(huán)境中，可能會引起Pt100 元件引腳的疲勞斷裂。針對造成Pt100 元件引腳斷裂兩種原因，需要對工藝過程和設(shè)計結(jié)構(gòu)兩個方面進行優(yōu)化。（1）工藝過程優(yōu)化。1 定制擺放盒，對焊接后的半成品分隔管控，可對Pt100 元件引腳起到有效的保護作用；2 加強Pt100 元件焊接過程管控，對焊接部位進行檢測。（2）Pt100 元件的封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化。Pt100 元件焊接部位先進行預(yù)封裝，元件及引腳部分通過導(dǎo)熱硅橡膠固定，在保證Pt100 元件傳熱的前提下，提高元件的抗振性能，與引腳連接的線芯通過環(huán)氧膠固定，提高電纜線芯及元件引腳的抗拉力。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)既提高了元件的抗振性能又提高了抗拉性能，可避免封裝時應(yīng)力對Pt100 元件影響，又可避免長期高強度振動運行過程中引起的元件引腳疲勞斷裂的風(fēng)險，見圖4。

圖4 元件引腳斷開

3.2 電纜線芯疲勞斷裂故障分析及改進措施故障傳感器的外觀檢測及常溫電阻值檢測無異常，在進行X 光檢測時，發(fā)現(xiàn)電纜出線部位線芯有異常，對斷裂部位進行拆解，電纜線芯有斷股，采用掃描電子顯微鏡對線芯截面進行觀察，結(jié)果顯示絕大部分線芯斷面因相互摩擦導(dǎo)致斷面破壞，斷面上未觀察到頸縮現(xiàn)象，說明線芯未經(jīng)塑性變形過程，即非過應(yīng)力斷裂；個別未完全磨損的線芯上觀察到疲勞痕跡，說明線芯未運行過程中的反復(fù)受載導(dǎo)致的疲勞斷裂；彎折導(dǎo)線的彎折區(qū)域觀察到表面開口性缺陷，未彎折的區(qū)域未觀察到該缺陷，說明該開口性缺陷是由彎折引起的，綜上確定線芯斷裂為運行過程中的振動應(yīng)力，使得線芯疲勞斷裂。電纜出線部位采用金屬件扣壓對電纜進行固定，為應(yīng)力集中部位，見圖5。

圖5 電纜出線位置示意圖

對溫度傳感器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化需考慮在電纜出線部分具有緩沖或消除反復(fù)應(yīng)力，改進方案有以下幾種方法：（1）在兩種硬度差異較大的材料之間加入硬度居中的過渡部分，以緩沖或分散金屬件邊緣過強的機械應(yīng)力，在過渡部分的尾部采用收口固定結(jié)構(gòu)，避免電纜在過渡部分的相對位移；（2）選用恰當(dāng)?shù)碾娎|護套類型，例如選用雙層擠出帶加強層的護套類型，以增強護套強度和硬度；（3）選用具有更小導(dǎo)體單絲直徑和更多單絲根數(shù)的電纜，以提高電纜柔軟性。優(yōu)化方案包括一是在電纜鎖緊部位增加過渡保護，可參照數(shù)據(jù)線或鼠標的過渡方式。

4 試驗驗證

4.1 元件封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案驗證

對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)樣品進行試驗驗證，試驗項點包括熱響應(yīng)時間、絕緣耐壓試驗、溫度老化試驗、振動沖擊試驗及拉力試驗，原有結(jié)構(gòu)產(chǎn)品及優(yōu)化結(jié)構(gòu)產(chǎn)品均能滿足熱響應(yīng)時間、絕緣耐壓試驗、溫度老化試驗、及振動沖擊試驗要求，熱響應(yīng)時間及拉力試驗的對比試驗結(jié)果見表2～表3。

表2 熱響應(yīng)時間對比

表3 不同型號Pt100 元件引腳拉力值對比

優(yōu)化后結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的熱響應(yīng)時間性能更優(yōu)，優(yōu)化后產(chǎn)品引腳所能承受的拉力值是原結(jié)構(gòu)引腳的抗拉值的4倍左右，在經(jīng)過多項驗證試驗后，Pt100 元件處灌封的導(dǎo)熱硅膠仍能保持完好，能夠?qū)t100 元件和焊點處起到固定和保護作用，電纜線芯與環(huán)氧膠能夠很好的粘接在一起，雖然粘接能力下降，但其抗拉能力依然是Pt100 元件引腳抗拉能力的1 倍，因此，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)更可靠。

4.2 電纜出線位置優(yōu)化方案驗證

針對電纜疲勞斷裂故障產(chǎn)品采用了第一種優(yōu)化方案，電纜鎖緊部位的電纜增加過渡保護，對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)、增加10mm 的保護及增加20mm 的保護三種結(jié)構(gòu)進行驗證。每種結(jié)構(gòu)各準備6 件樣品進行彎折試驗。試驗方法如下：彎折角度：±90°,彎折頻率：60 次/min，固定位置：電纜鎖緊處，懸掛的砝碼的重量：200g。試驗過程中用溫度檢測單元檢測傳感器電阻值（試驗布置見圖6），溫度記錄曲線出現(xiàn)異常時，記錄傳感器出現(xiàn)異常時彎折的次數(shù)，并將所有樣件進行X 光檢測（電纜壓接位置），X 光檢測完成后，全部樣件繼續(xù)做試驗，直至所有傳感器阻值出現(xiàn)異常。

圖6 試驗布置圖

試驗結(jié)果見表4，通過試驗結(jié)果可知，在±90°彎折試驗中電纜鎖緊部位增加10mm 保護的樣品平均彎折次數(shù)為21219 次。增加20mm 保護的樣品平均彎折次數(shù)為20665 次，原有結(jié)構(gòu)平均彎折次數(shù)為15026 次，電纜鎖緊部位增加10mm 保護的樣品與增加20mm 保護的樣品彎折次數(shù)接近，優(yōu)于原有未優(yōu)化結(jié)構(gòu)溫度傳感器。

結(jié)束語

本文列舉了溫度傳感器的主要故障，包括Pt100 元件本身故障、元件引腳斷裂、電纜線芯疲勞斷裂及絕緣不良并介紹了針對以上故障的檢測方法，從而制定了一套故障溫度傳感器的檢測方案，并詳細介紹試驗方法。引起Pt100 元件引腳斷裂故障原因有兩種可能：一是生產(chǎn)過程中對元件引腳造成了損傷，二是產(chǎn)品在運行過程中的受到長期振動應(yīng)力，可能造成引腳的疲勞斷裂，針對該故障從工藝過程和設(shè)計方案兩個方面進行優(yōu)化；電纜線芯斷裂確定為疲勞斷裂，對溫度傳感器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化需考慮在電纜出線部分具有緩沖或消除反復(fù)應(yīng)力，給出了三種優(yōu)化方案。