动车组探针式温度传感器失效分析及改进验证.pdf

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 Biao(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 environment,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 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 vibration 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，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，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 Total 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，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。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 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限元模型，如图 10 所示，采用六面体与四面体单元对优化前后探头体进行网格划分，以 mass21 和 rbe 单元模拟实际探头体内部配件及灌封胶的质量分布情况，并对探头体固定位置和安装面进行边界约束。表 1 给出优化前后结构模态信息，可以看出，传感器结构模态主要体现为探针部分的弯曲模态。探头体改进前后结构中低频模态基本一致，探针前两阶模态均表现为探针部分在Z方向和Y方向上的一阶弯曲。0402PEEmmm 02/0mmE 24/mmPE iiikiNnDD1 dSSNSpvTD)()(0 02322212)(222mZeDeRZDeQDSpZRZQZ 02 mSZ；4201mmmmxm；2211)(2mxD；123)(25.1DRDDQ 211211DDDxRm；表 1 优化前后结构模态对比1 阶2 阶3 阶4 阶5 阶改进前33.133.3285.4286.1436.1改进后35.535.7280.6282.4442.26 阶7 阶8 阶9 阶10 阶改进前468.1728.7733.0780.9950.4改进后504.4695.3729.7749.1890.2dffGfmXnn)(0 Research&Development 研究动态传感器世界 2023.04Vol.29 NO.04 Total 3345在高频段，改进前后结构模态频率存在差异，但模态振型一致，导致模态频率差异的主要原因是探针与探头主体装配关系的变化。图 11 给出了部分改进前后结构模态振型对比图。3.3 优化前后结构振动疲劳分析根据 GB/T 215632018轨道交通 机车车辆设备冲击和振动试验8，选取 3 类车轴安装 ASD 谱作为振动激励条件，对探头体结构进行振动疲劳分析，ASD 谱如图 12 所示。由计算可知优化前后结构薄弱位置均表现在探针露出部分根部，如图 13 所示，在 Z 方向 ASD 激励下，结构应力最大。其中优化前结构最大应力 21 MPa；优化后结构最大应力 18 MPa。可见优化后结构薄弱位置等效应力有所下降。随后，提取最大应力节点数据，分析结构应力响应情况。图 14 给出了 Z 向 ASD 激励下优化前后结构的应力功率谱。结果表明，Z 向 ASD 激励下，结构一阶模态被激发，模态共振是影响结构应力响应的关键因素。同时，优化后结构应力响应峰值有所降低。对应力功率谱进行处理，获取结构薄弱位置 Dirlik应力幅值分布模型，如图 15 所示。优化前后结构薄弱位置一致，结构低阶模态差异较小，因而优化前后结构应力分布模型较为相似。最后，参考 IIW 标准给定钢材料 S-N 曲线9，如图 16 所示。优化前结构焊缝疲劳等级 FAT50，优化后 频率（Hz）100101101102102103ASD/(m/s2)2/HzZYX441.2545.2110.39 dB/Oct-6 dB/Oct050100150应力功率谱/(MPa)2/Hz优化后优化前（35.5，104.5）（33.1，132.8）频率（Hz）101102研究动态 Research&Development传感器世界 2023.04Vol.29 NO.04 Total 3346结构薄弱位置为母材，故取疲劳等级 FAT160。由此，基于 Dirlik 分布模型和 Miner 累积疲劳损伤理论，对优化前后结构薄弱位置损伤进行计算。结果表明，优化前结构疲劳损伤值 D1=0.36；优化后结构疲劳损伤值 D2=8e-4，如图 17 所示。由此可见，优化后结构疲劳损伤大幅下降，结构可靠性得到有效提升。4 优化前后结构可靠性试验验证为充分验证优化前后结构可靠性，本节参考 GB/T 10010110210010110200.10.20.30.400.10.20.30.4ZXYZXY概率密度应力幅值（MPa）应力幅值（MPa）（b）优化后（a）优化前概率密度101104105106循环次数N107108109102103应力幅值S/MPa125112100908071635650454036160215632018 标准，借助三轴振动试验台分别对结构优化前后探头体进行加速长寿命振动试验，对比分析试验过程中产品失效情况。4.1 试验方案振动疲劳试验系统主要由控制系统、振动台及安装台面组成，如图 18 所示。根据仿真计算结果，垂向振动工况下，探针式温度传感器振动疲劳损伤较大，结构易发生疲劳失效，因此，试验中借助工装，将探针式温度传感器水平与振动台呈水平安装，振动台施加 3 类车轴安装垂向振动 ASD 谱进行长寿命随机振动试验。产品安装于工装内进行试验（如图 19 所示），本次振动试验中，以探针式温度传感器探针开裂或断裂作为疲劳失效判断依据。探针式温度传感器成品探头体内部装有铂电阻、灌封胶、芯线等零件，为提高振动严酷等级，加速传感器探针的疲劳失效，对试验探头体进行配重，通过试验，当配重小于 2 g 时，优化前后的传感器结构在标准 GB/T 21563 规定的长寿命时间内均未发现失效现象，因此，本文以 2 g 为基准配优化前优化后D2=0.0008D1=0.3610010-110-210-310-4随机振动控制系统振动台被试产品试验工装数字振动控制系统计算机功率放大器信号放大器加速度传感器振动方向Research&Development 研究动态传感器世界 2023.04Vol.29 NO.04 Total 3347重，采用步进应力加速试验方法10，保持振动台 ASD频谱不变，通过增加探针配重逐步提高结构薄弱位置应力水平，对比结构改进前后产品失效情况，试验流程示意图如图 20 所示。4.2 试验结果随着配重和振动时间的步进累加，优化前传感器出现失效现象，如图 21 所示，失效形式均为探针根部（露出部分）的疲劳断裂，与实际运营情况下失效形式一致。图 22 给出了试验记录，试验振动时间持续 25 h，配重增加至 2.4 g 后，优化前传感器失效率达50%，此时优化后传感器仍未发生疲劳失效现象。对比可知，优化后传感器结构可靠性明显增强，更能适应高速动车组走行部强振动环境，满足列车应用需求。5 结束语本文对某型动车组探针式温度传感器失效原理进行分析并提出结构优化方案，基于 Dirlik 分布模型对结构进行随机振动疲劳分析，识别了结构薄弱位置及应力响应情况，并对优化前后传感器薄弱位置进行损伤计算和寿命分析。最后，通过随机振动试验对仿真结果进行验证，分析结构优化方案可行性。结论如下：（1）传感器原结构焊缝处直接受力导致疲劳失效，调整焊缝位置及焊接工艺，增大探针与探头基座接触面，优化后结构受力更合理。（2）优化前后传感器薄弱位置均表现为探针裸露部分根部。模态共振对薄弱位置动应力影响明显，影响结构动应力响应的模态主要为探针一阶弯曲模态。（3）基于 Dirlik 法对优化前后结构薄弱位置进行疲劳分析表明，优化前后结构应力幅值分布密度较为相似，但优化后结构薄弱位置累积损伤远小于原结构损伤，结构优化方案大大提高了结构可靠性。（4）通过随机振动试验验证，传感器结构优化后，探针疲劳断裂现象显著下降，优化后传感器能更适应动车组运营环境。20191714920202020200510152025051015202522.12.22.32.4振动持续时间（h）无异常产品个数配重（g）随机振动试验统计图优化前优化后振动持续时间试验终止开始试验配重+0.1 gYYNNYNYN是否出现探针失效现象是否优化后结构失效当前配重试验时间5 h原结构失效率50%研究动态 Research&Development传感器世界 2023.04Vol.29 NO.04 Total 3348参考文献1 国家铁路局.2020 年铁道统计公报 EB/OL.(2021-04-13)2021-04-19.http:/ 寸怡鹏.面向轨道交通的低功耗无线传感器网络研究与实现 D.北京:北京交通大学,2020.3 杨晓明.基于轴温特征的高速列车轴承实时故障预警研究D.北京:北京交通大学,2021.4 韩博.地铁车辆转向架天线梁疲劳强度研究 D.北京:北京交通大学,2021.5 MRSNIK M,SLAVIC J,BOLTEZAR M.Frequency domain methods for a vibration fatigue-life estimation-Application to real dataJ.International Journal of Fatigue,2013,47:8-17.6 AKMAKD,TOMIEVI Z,WOLF H,et al.Explicit solution of Rice/Lalanne peak probability distribution for statistical fatigue assessment in the frequency domainJ.Procedia Structural Integrity,2021,31(8):98-104.7 张醒.随机载荷作用下的高速列车车体振动疲劳分析方法研究 D.成都:西南交通大学,2018:14-17.8 中国国家标准化管理委员会.GB/T 21563-2018轨道交通 机车车辆设备冲击和振动试验S.2018:1-40.9 XIII-1823-07 IIW Recommendations for fatigue design of welded joints and components 2008S.Paris,France,International Institute of Welding,2008:43-74.10 郑何妍.高速列车车体加速寿命试验载荷谱编制及疲劳寿命预测仿真 D.成都:西南交通大学,2020.作者简介张燕亮：宁波中车时代传感技术有限公司，高级工程师，主要从事传感器研发。顾忠辉：宁波中车时代传感技术有限公司，高级工程师，主要从事传感器研发。郑华雄：宁波中车时代传感技术有限公司，高级工程师，主要从事传感器研发。吕阳：宁波中车时代传感技术有限公司，高级工程师，主要从事传感器研发。刘丹：宁波中车时代传感技术有限公司，高级工程师，主要从事传感器研发。柯飙（通讯作者）：宁波中车时代传感技术有限公司，工程师，主要从事传感器研发。通信地址：浙江省宁波市江北区振甬路 138 号邮编：315000邮箱：1.我刊只接受电子邮件投稿。除文章外，同时请提供图片源文件、中英文摘要、关键词、参考文献、所有作者的简介（包括工作单位、技术职称及研究方向），第一作者或通讯作者的联系方式（地址、邮编、电话、E-MAIL）。外文译稿请附原文及原作者授权书。2.作者对文章责任自负。学生论文应保证本人导师知悉。3.本刊有权对已录用的文章酌情修改、删节，不愿本刊修改、删节者请投稿时注明。4.我刊在收到稿件后 2 个月内以电子邮件方式通知是否录用。2 个月后若无录用通知，请作者另行处理。在此期间请勿一稿多投。录用通知书发出后作者不得退稿。文章刊出后，我刊将按作者人数寄送杂志及书面录用通知书。稿费在文章发表后一个月左右统一汇出。5.凡本刊通知录用之文章，有各级基金项目资助者、申请专利者、具备成果鉴定证书者、获国家、省部级奖励者，提供相应证明材料可优先刊发。6.我刊为 CNKI 中国引文数据库来源期刊、中国学术期刊综合评价数据库来源期刊、中国科技期刊数据库来源期刊、中国核心期刊（遴选）数据库来源期刊、中国期刊网等全文收录期刊、超星期刊域出版平台收录期刊。所有录用文章除在以上各数据库收录，亦将在我刊的网络版及电子版上发表。以上的著作权使用费与本刊稿酬一次性给付。如作者不同意文章上网，请在来稿时注明，我刊将作相应处理。7.凡在本刊发表之文章，本刊享有 2 年专有出版物权。在此期间，任何报刊、网站、出版单位等如需转载、改编、缩写本刊发表之文章，均须事先征得本刊同意。投稿专用邮箱： 邮件主题：投稿+第一作者+论文标题有意投稿者请仔细阅读本说明，凡投稿者均被认为自动接受上述之约定。诚邀投稿