动车组轴温实时检测系统用温度传感器故障检测方法及改进

魏婷 陈明

（湖南联诚电气科技有限公司，湖南 株洲 412000）

动车组走行部温度传感器可实时监测轴箱、齿轮箱、牵引电机温度，是反映动车组走行部状态是否良好，能否安全运行的一项关键的技术指标，而因传感器故障造成的误报，会导致动车组限速运行或停车，影响列车的正常运营秩序。为了避免因传感器故障而导致的误报，需对故障件制定一套故障检测方案。本文对温度传感器的故障及故障检测方法进行了介绍，并对传感器引脚断裂和电缆线芯断裂两种故障进行深入分析，并提出了相应的优化方案。

1 温度传感器主要故障及检测方法

动车组轴温实时检测系统用温度传感器采用铂电阻感温元件，分度号为Pt100，其在0℃时的电阻值为100Ω，100℃时的电阻值为138.51Ω，温度系数为3.851×10-3℃-1，传感器在线运行故障主要为传感器回路开路、短路、温度异常或跳变，造成传感器故障的原因包括Pt100元件故障，Pt100 元件焊接不良或引脚断裂，电缆疲劳断裂及绝缘不良。

1.1 Pt100 元件故障判定

Pt100 元件故障主要为阻值异常或特定温度阻值异常，会造成传感器数据异常或跳变，该故障可以通过常温电阻值检测和精度检测检测出，精度检测需包含低温、0℃及高温检测，推荐检测温度为-30℃、0℃、150℃。

1.2 Pt100 元件焊接不良或引脚断裂故障判定

Pt100 元件焊接不良可能会导致焊接部位断开或虚接，从而造成传感器阻值无穷大或跳变，只通过常规的常温阻值检测和精度检测有时无法检测出，还需要进行温度-湿度-振动试验，再通过X 光检测确定故障点。Pt100 元件引脚断裂会造成传感器阻值跳变，精度检测会有异常，通过X 光检测可锁定断裂位置。因此针对Pt100 元件焊接不良或引脚断裂故障需进行精度检测、温度-湿度-振动试验及X 光检测。

1.3 电缆线芯断裂故障判定

电缆线芯断裂分两种情况：第一种为外力击打造成电缆损伤，传感器无阻值，系统显示温度无穷大；第二种为电缆疲劳断裂，传感器动车组运行过程中，一般会显示温度跳变。两种情况的电缆损伤在进行温度精度检测时，都会出现异常，在确定传感器故障后，可通过X 光检测出电缆断裂位置，另若为第一种情况，传感器外观也会出现异常，见图1。

图1 电缆线芯疲劳断裂处的X 光照片

1.4 绝缘不良故障判定

传感器对地绝缘不良可能会导致绝缘报警或传感器阻值跳变，可通过绝缘电阻试验、耐压试验检测出，为查找绝缘不良的故障点，需对传感器进行拆解。在拆解过程中，每拆一步都需进行绝缘电阻试验和耐压试验确认，以便精准的找出故障点。

2 温度传感器检测试验方法

在轴温报警系统检测温度异常后，需要对传感器进行预防性更换，为准确的确定是否为传感器故障，需要制定一套完善的检测方案，根据上一章的分析可以得出，对于疑似故障件需要进行外观检测、绝缘电阻试验、耐压试验、精度检测试验、X 光检测及温度-湿度-振动试验，故障判断流程图见图2。

图2 故障判断流程图

2.1 外观检测

检查并记录温度传感器探头是否存在弯曲、变形和磕碰伤，胶管是否存在穿透性损伤、断裂等外观问题。

2.2 精度检测

将二等标准铂电阻温度计与传感器同时插入恒温槽同一高度处，待温度稳定后，检测传感器的温度并与标准铂电阻温度计的温度进行对比，允差值满足B 级要求。

2.3 绝缘、耐压检测

2.3.1 绝缘电阻试验

在常温下用直流兆欧表对传感器外壳和引线（包括屏蔽线）间进行绝缘电阻测试，电压值按客户要求执行，绝缘电阻应满足技术要求。

2.3.2 耐压试验

在传感器外壳和引线（包括屏蔽线）间逐渐升压，电压值按客户要求执行，保持1min，应不产生闪络击穿，漏电流满足技术要求。试验后再次进行绝缘电阻试验。

2.4 X 光检测方法

使用X 射线多角度旋转观察并记录传感器探头内Pt100 引脚及焊点状态，观察的角度需大于等于90 度，电缆压接部位进行X 射线观察，如电线或胶管破损，也须对破损部位进行X 射线检测，确认电缆芯线是否有断线。

2.5 温度-湿度-振动试验

GB/T 21563-2008 轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验中3 类车轴安装进行功能性随机振动试验（参数见表1），温度由常温上升至150℃，在150℃下保持40min，再由150℃降温至-40℃，在-40℃下保持30min（温度变化速率为设备的最大速率，需大于10℃/min），温度在10℃～90℃期间，相对湿度保持在90±5%。每个方向进行5 次循环，试验过程中，需对传感器阻值进行监测，传感器阻值应无跳变或断开，见图3。

表1 振动试验参数

图3 温度变化趋势

3 故障原因及改进措施

3.1 引脚断裂故障分析及改进措施Pt100 元件引脚断裂可以通过X 光检测出，导致引脚断裂的原因有两个方面，一是生产过程中对引脚造成了损伤，主要是焊接过程和封装过程两个过程的防护不当。元件引脚受到损伤，在长期高温、振动环境中最终导致断裂；二是由于传感器安装在动车组轴箱、齿轮箱或牵引电机上，处于长期高强度的振动环境中，可能会引起Pt100 元件引脚的疲劳断裂。针对造成Pt100 元件引脚断裂两种原因，需要对工艺过程和设计结构两个方面进行优化。（1）工艺过程优化。1 定制摆放盒，对焊接后的半成品分隔管控，可对Pt100 元件引脚起到有效的保护作用；2 加强Pt100 元件焊接过程管控，对焊接部位进行检测。（2）Pt100 元件的封装结构优化。Pt100 元件焊接部位先进行预封装，元件及引脚部分通过导热硅橡胶固定，在保证Pt100 元件传热的前提下，提高元件的抗振性能，与引脚连接的线芯通过环氧胶固定，提高电缆线芯及元件引脚的抗拉力。优化后的结构既提高了元件的抗振性能又提高了抗拉性能，可避免封装时应力对Pt100 元件影响，又可避免长期高强度振动运行过程中引起的元件引脚疲劳断裂的风险，见图4。

图4 元件引脚断开

3.2 电缆线芯疲劳断裂故障分析及改进措施故障传感器的外观检测及常温电阻值检测无异常，在进行X 光检测时，发现电缆出线部位线芯有异常，对断裂部位进行拆解，电缆线芯有断股，采用扫描电子显微镜对线芯截面进行观察，结果显示绝大部分线芯断面因相互摩擦导致断面破坏，断面上未观察到颈缩现象，说明线芯未经塑性变形过程，即非过应力断裂；个别未完全磨损的线芯上观察到疲劳痕迹，说明线芯未运行过程中的反复受载导致的疲劳断裂；弯折导线的弯折区域观察到表面开口性缺陷，未弯折的区域未观察到该缺陷，说明该开口性缺陷是由弯折引起的，综上确定线芯断裂为运行过程中的振动应力，使得线芯疲劳断裂。电缆出线部位采用金属件扣压对电缆进行固定，为应力集中部位，见图5。

图5 电缆出线位置示意图

对温度传感器结构进行优化需考虑在电缆出线部分具有缓冲或消除反复应力，改进方案有以下几种方法：（1）在两种硬度差异较大的材料之间加入硬度居中的过渡部分，以缓冲或分散金属件边缘过强的机械应力，在过渡部分的尾部采用收口固定结构，避免电缆在过渡部分的相对位移；（2）选用恰当的电缆护套类型，例如选用双层挤出带加强层的护套类型，以增强护套强度和硬度；（3）选用具有更小导体单丝直径和更多单丝根数的电缆，以提高电缆柔软性。优化方案包括一是在电缆锁紧部位增加过渡保护，可参照数据线或鼠标的过渡方式。

4 试验验证

4.1 元件封装结构优化方案验证

对现有结构、优化结构样品进行试验验证，试验项点包括热响应时间、绝缘耐压试验、温度老化试验、振动冲击试验及拉力试验，原有结构产品及优化结构产品均能满足热响应时间、绝缘耐压试验、温度老化试验、及振动冲击试验要求，热响应时间及拉力试验的对比试验结果见表2～表3。

表2 热响应时间对比

表3 不同型号Pt100 元件引脚拉力值对比

优化后结构产品的热响应时间性能更优，优化后产品引脚所能承受的拉力值是原结构引脚的抗拉值的4倍左右，在经过多项验证试验后，Pt100 元件处灌封的导热硅胶仍能保持完好，能够对Pt100 元件和焊点处起到固定和保护作用，电缆线芯与环氧胶能够很好的粘接在一起，虽然粘接能力下降，但其抗拉能力依然是Pt100 元件引脚抗拉能力的1 倍，因此，优化后的结构更可靠。

4.2 电缆出线位置优化方案验证

针对电缆疲劳断裂故障产品采用了第一种优化方案，电缆锁紧部位的电缆增加过渡保护，对现有结构、增加10mm 的保护及增加20mm 的保护三种结构进行验证。每种结构各准备6 件样品进行弯折试验。试验方法如下：弯折角度：±90°,弯折频率：60 次/min，固定位置：电缆锁紧处，悬挂的砝码的重量：200g。试验过程中用温度检测单元检测传感器电阻值（试验布置见图6），温度记录曲线出现异常时，记录传感器出现异常时弯折的次数，并将所有样件进行X 光检测（电缆压接位置），X 光检测完成后，全部样件继续做试验，直至所有传感器阻值出现异常。

图6 试验布置图

试验结果见表4，通过试验结果可知，在±90°弯折试验中电缆锁紧部位增加10mm 保护的样品平均弯折次数为21219 次。增加20mm 保护的样品平均弯折次数为20665 次，原有结构平均弯折次数为15026 次，电缆锁紧部位增加10mm 保护的样品与增加20mm 保护的样品弯折次数接近，优于原有未优化结构温度传感器。

结束语

本文列举了温度传感器的主要故障，包括Pt100 元件本身故障、元件引脚断裂、电缆线芯疲劳断裂及绝缘不良并介绍了针对以上故障的检测方法，从而制定了一套故障温度传感器的检测方案，并详细介绍试验方法。引起Pt100 元件引脚断裂故障原因有两种可能：一是生产过程中对元件引脚造成了损伤，二是产品在运行过程中的受到长期振动应力，可能造成引脚的疲劳断裂，针对该故障从工艺过程和设计方案两个方面进行优化；电缆线芯断裂确定为疲劳断裂，对温度传感器结构进行优化需考虑在电缆出线部分具有缓冲或消除反复应力，给出了三种优化方案。