动车组探针式温度传感器失效分析及改进验证.pdf
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1、Research&Development 研究动态传感器世界 2023.04Vol.29 NO.04 Total 3341注:国家重点研发计划(No.2021YFB3203200)摘要:探针式温度传感器实时反馈动车组轴箱、齿轮箱及电机等关键部件的温升信息,保障行车安全。因安装环境的限制,传感器探针在恶劣振动工况下易产生疲劳失效,存在安全隐患。首先,对某型高速动车组上探针式温度传感器断裂失效现象进行分析;随后,提出结构优化方案,调整焊缝位置及焊接工艺,增大探针受力面。为了验证优化前后结构可靠性,基于 Dirlik 频域疲劳计算理论,建立结构优化前后有限元模型对关键薄弱位置进行振动疲劳分析,并通过
2、振动试验验证了结构优化效果。关键词:高速动车组;温度传感器;振动疲劳;结构优化;可靠性中图分类号:U270.7 文献标志码:A 文章编号:1006-883X(2023)04-0001-08收稿日期:2023-03-13 DOI:10.16204/j.sw.issn.1006-883X.2023.04.001Failure Analysis and improvement Verification of Probe Temperature Sensor for EMU ZHANG Yanliang,GU Zhonghui,ZHENG Huaxiong,LV Yang,LIU Dan,KE Bia
3、o(Ningbo CRRC Times Transducer Technology Co.,Ltd.,Ningbo 315021,China)Abstract:The probe temperature sensor feedbacks the temperature rise information of the core components such as axle box,gearbox and motor of EMU in real time to ensure the traffic safety.Due to the limitation of installation env
4、ironment,the sensor probe is prone to fatigue failure under harsh vibration conditions,which is harmful to traffic safety.Firstly,the paper analyzes the failure phenomenon of probe temperature sensor on a high-speed EMU.Subsequently,the structural optimization scheme was proposed to adjust the weld
5、position and welding process,and increase the force surface of the probe.In order to verify the reliability of the structure before and after optimization,based on the Dirlik frequency domain fatigue calculation theory,the finite element model of the structure was established to carry out the vibrat
6、ion fatigue analysis on the key weak positions,and the structural optimization effect was verified through the vibration test.Key words:high-speed EMU;temperature sensor;vibratory fatigue;structural optimization;reliability动车组探针式温度传感器失效分析及改进验证张燕亮 顾忠辉 郑华雄 吕阳 刘丹 柯飙 宁波中车时代传感技术有限公司,浙江宁波 3150210 前言新世纪以来,
7、随着我国经济建设的持续进步以及公众交通出行需求的不断提升,中国铁路现代化蓬勃发展,高速动车组运营速度突破 300 km/h,运营里程居世界第一1。在取得这些辉煌成就的同时,保障列车安全运行成为重中之重。获取列车运行实时状态,实现列车健康监测,智能化运营是当下轨道交通车辆现代化、智能化发展的大趋势2。由此,动车组转向架及车体上布置有许多传感器,用以获取关键部件振动、应力、温度等信息,排查故障,保障行车安全。其中,轴温传感器是车辆走行部温度检测的重要部件,其实时反馈轴箱、齿轮箱等核心部件温升信息,是轴承故障诊断的关键依据3。在列车运行过程中,轴承承受高转速、强振动的复杂激励,易出现磨损、剥落等问题
8、,影响动力传输,危及行车安全。探针式温度传感器作为目前高速动车组轴承温度检测主型产品,结构简单,信号可靠性高,但受限于安装位置的要求,其长期承受轮轨激扰引起的剧烈振动4,容易造成机械结构的疲劳失效。因此,优化探针式温度传感器结构,提高产品使用寿命和可靠性,对于保障列车行车安全有重要意义。本文针对某型探针式温度传感器探针与基座连接处出现的疲劳断裂失效现象,从产品结构及振动环境特征着手,分析失效原因并提出改进措施,通过仿真和可靠性试验,对比改进前后产品结构振动疲劳特性,验证产品改进措施的有效性。研究动态 Research&Development传感器世界 2023.04Vol.29 NO.04 T
9、otal 33421 产品异常失效问题分析在某型高速动车组三级修过程中,检修转向架时发现轴箱位置探针式温度传感器存在探针与基座连接处存在裂纹或断裂失效现象,如图 1 所示。经检查,有多只动车组探针式温度传感器发生了相同失效形式,产品安装位置均在走行部轴箱处。以 SEM 对断口状态进行微观检测,如图 2 所示。可以看出,断口形貌特征存在明显疲劳条纹、韧窝、磨损,属于典型疲劳断裂失效形式。断口位置为探针与基座连接处,该处为焊缝连接。进一步分析疲劳断裂原因,对探针与基座连接焊缝进行微观金相分析,发现产品焊缝处存在未熔合、分层及内部裂纹等缺陷,如图 3 所示。在轮轨激扰引起的交变载荷作用下产生裂纹扩展
10、,引起结构疲劳断裂失效。综上,本文基于传感器探针疲劳断裂失效问题,从产品结构角度出发,提出产品结构优化方案,建立仿真模型对优化前后结构可靠性进行仿真分析,并结合可靠性试验验证。2 结构分析及改进优化受限于轴温传感器应用环境,产品结构设计空间有限,为满足传感器使用要求及性能,本节在保留原产品主体结构的同时,针对探针与基座连接方式进行优化改进。2.1 原结构分析探针式温度传感器探头体结构主要由探头基座和探针组成,如图 4 所示。激光焊接填料+自熔工艺圆角探针探头基座4:1Research&Development 研究动态传感器世界 2023.04Vol.29 NO.04 Total 3343探头基
11、座用以实现传感器安装定位,探针中灌封PT100 铂电阻以检测温度。探针压入基座内孔,由台阶面进行限位,外侧采用激光填料焊接形成圆周焊缝。从受力角度分析,受外侧圆周焊缝影响,探针与基座配合面基本不受力,探针可视为由圆周焊缝固定于基座基面的悬臂梁,如图 5 所示,因此,在振动环境下,焊缝连接处是主要承力部位,易发生失效现象。2.2 结构改进方案基于对产品原结构的分析,在保证传感器满足设计功能的前提下对其进行改进优化,如图 6 所示。打通基座内孔,将探针与基座连接焊缝由基座外侧移至基座内侧,同时采用“自熔”取代原来“自熔+填料”的焊接方法,提高焊接一致性和焊缝质量。优化改进后,结构承力面为焊缝与配合
12、面共同承力,将危险受力区域由焊缝受力转为母材受力,产品结构受力更为合理,如图7所示。改进前后传感器探针实物对比如图8所示。3 基于 Dirlik 法的结构随机振动疲劳分析对于振动疲劳问题,计算结构疲劳损伤通常有时域法和频域法5。时域法能较准确还原实际环境下结构疲劳损伤情况,但需要获取大量实际振动响应信息,且试验时间长,数据量和工作量大。由此,研究人员以功率谱密度函数来表征随机振动信号均方根值、峰值频率等关键信息,可以更直观、简洁地从频域角度对结构应力响应进行分析。本节从频域角度出发,基于Dirlik疲劳计算理论6,建立改进前后产品有限元仿真模型,对比分析改进前后结构振动疲劳特性,如图 9 所示
13、。焊缝承力探头基座探针熔合后形成光滑圆弧面激光焊接自熔 4:1焊缝及配合面共同承力 ASD激励仿真模型ANSYSMATLABDirlik应力分布模型疲劳损伤输入S-N曲线Miner累积损伤结构应力响应PSD研究动态 Research&Development传感器世界 2023.04Vol.29 NO.04 Total 33443.1 Dirlik 频域疲劳计算理论对于随机振动过程 X(t),其功率谱密度函数的数字特征通常由谱距 mn描述,其表达式为:(1)其中,GX(f)表示随机过程单边功率谱密度。为量化功率谱密度形状特征,区分宽带随机过程和窄带随机过程,定义不规则因子,如式(2)。趋于 1
14、时,随机过程为窄带随机过程;反之,趋于 0时,随机过程为宽带随机过程。(2)其中,表示随机过程数据以正斜率穿过零均值次数的数学期望;,表示随机过程数据峰值出现次数的数学期望。根据 Miner 线性累积损伤理论7,结构疲劳损伤表达式如式(3):(3)其中,ni表示应力水平为 Si时实际应力循环次数;Ni表示材料 S-N 曲线应力 S 对应下的寿命。那么,在时间 T 及应力范围(Si,Si+Si)内的应力循环次数为:ni=vTP(Si)Si (4)其中,对于宽带随机过程 v=E(P);对于窄带随机过程v=E(0)。联立 2 式可得:(5)可以看出,幅值概率密度分布函数 p(S)是频域法计算结构疲劳
15、损伤的关键。国内外学者对随机振动的功率谱密度与雨流幅值概率密度函数之间的关系进行研究,提出了许多幅值概率密度分布模型,如Dirlik法、Lalanne/Rice 法、窄带法等。其中,Dirlik 法具有较高的精度,在随机振动疲劳损伤计算中应用广泛。学者 Dirlik 对七十多种功率谱密度进行了研究,于 1985 年提出基于蒙特卡洛时域模拟技术的 Dirlik 幅值分布模型,其表达式如式(6):(6)其中,D3=1-D1-D2;Z 表示归一化幅值;xm表示平均频率;Di表示第 i 阶段累计损伤量;mi表示第 i 阶惯性矩;S 表示应力范围。3.2 有限元模型建立及模态分析建立探头体优化前后结构有
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