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‍在動(dòng)車組長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中，各種環(huán)境應(yīng)力會(huì)影響線纜的使用壽命，重新更換工作量大，耗費(fèi)多，需研究現(xiàn)役動(dòng)車組小線徑線纜重連修復(fù)的工藝及修復(fù)后的使用壽命。本文圍繞重連后線纜性能變化及壽命評(píng)估的問題，選用壓接和焊接兩種不同的重連工藝，根據(jù)其故障模式分析，設(shè)計(jì)模擬服役環(huán)境的加速壽命試驗(yàn)，對(duì)線纜的性能狀態(tài)及疲勞壽命進(jìn)行評(píng)估。兩種工藝重連線纜的電阻呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)，雙芯的線纜阻值上升速率約為單芯線纜的2-3倍；最短的雙芯線纜重連后，可使用年限約為7.33年，而最長(zhǎng)的單芯壓接工藝可達(dá)34.46年。最終結(jié)果表明，采用兩種工藝重連后的線纜均能符合產(chǎn)品規(guī)格書要求，均可使用超過一個(gè)高級(jí)修里程壽命，且采用壓接工藝的重連線纜可靠性及壽命要優(yōu)于焊接工藝。

 

小線徑線纜重新連接工藝方法

 

電纜中端接頭是電纜線路的薄弱環(huán)節(jié)。導(dǎo)線連接的質(zhì)量直接關(guān)系到整個(gè)線路能否安全可靠地長(zhǎng)期運(yùn)行。目前線纜的連接方式主要為絞合連接、壓接、焊接和連接器連接，在鐵路中線纜連接應(yīng)用比較廣泛的為壓接和焊接兩種方式。壓接用于大批量生產(chǎn)，連接性能好，同時(shí)對(duì)電學(xué)性能影響比較小，而焊接方法增強(qiáng)導(dǎo)電系數(shù)。壓接是指用銅或鋁套管套在被連接的芯線上，再用壓接鉗或壓接模具壓緊套管使芯線保持連接。銅導(dǎo)線（一般是較粗的銅導(dǎo)線）和鋁導(dǎo)線都可以采用緊壓連接，銅導(dǎo)線的連接應(yīng)采用銅套管，鋁導(dǎo)線的連接應(yīng)采用鋁套管，緊壓連接前應(yīng)先清除導(dǎo)線芯線表面和壓接套管內(nèi)壁上的氧化層和粘污物，以確保接觸良好，如圖1所示。

 

 

圖1  線纜壓接示意圖

 

焊接是指將金屬（焊錫等焊料或?qū)Ь€本身）熔化融合而使導(dǎo)線連接。電工技術(shù)中導(dǎo)線連接的焊接種類有錫焊、電阻焊、電弧焊、氣焊、釬焊等，如圖2所示。

 

 

圖2 線纜焊接示意圖

 

動(dòng)車組小線徑線纜出現(xiàn)老化或損壞時(shí)，通常去掉老化或損壞的線纜部分，除去剩余兩段線纜的絕緣層，采用壓接和焊接的連接方法進(jìn)行，最后用熱縮管完成線纜的重新連接，具體流程如圖3。切線主要采用全自動(dòng)電腦剝線機(jī)制備，采用氣動(dòng)式端頭壓接機(jī)進(jìn)行壓接，焊接則采用了無鉛電焊臺(tái)進(jìn)行處理。

 

 

圖3 線纜重新連接流程

 

小線徑線纜失效模式分析及驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)

 

01重連線纜失效模式分析

 

由于重連后的動(dòng)車組線纜，在其連接處的典型失效模式和失效機(jī)理還處于新技術(shù)開發(fā)階段，無相關(guān)數(shù)據(jù)文獻(xiàn)可參考。從重連的結(jié)構(gòu)來看，相當(dāng)于在線纜上增加一個(gè)電連接器。因此可參考動(dòng)車組上電連接器的失效模式和失效機(jī)理進(jìn)行線纜重連的評(píng)估，根據(jù)運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，電連接器的主要故障模式包括接觸不良、密封不良、固定不良、絕緣不良等。而前3種失效模式主要原因是重連結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，加工工藝不合理，或組裝工藝不良。這幾類故障可通過選擇合理的質(zhì)量管控和試驗(yàn)驗(yàn)證可以大幅度降低此類失效發(fā)生的幾率。而對(duì)于對(duì)于絕緣不良現(xiàn)象，主要原因是絕緣材料老化造成的。而導(dǎo)致絕緣材料老化的原因主要有以下幾種：

 

1）熱老化

線纜長(zhǎng)期在高溫條件下工作，使絕緣材料發(fā)生熱分解及熱氧裂解，導(dǎo)致材料分子量、結(jié)晶度和交聯(lián)度改變，會(huì)使絕緣材料變脆變硬，質(zhì)量減小，出現(xiàn)裂紋，生成離子雜質(zhì)和揮發(fā)物，材料性能下降。

 

2）化學(xué)老化

線纜暴露在高濕環(huán)境中時(shí)，絕緣材料表面的缺陷處會(huì)把水分吸入聚合物鏈，這會(huì)導(dǎo)致材料膨脹，繼而更多的液體被吸入材料，破壞材料結(jié)構(gòu)，水分還會(huì)使導(dǎo)體氧化，增加導(dǎo)體電阻值。

 

3）機(jī)械老化

線纜在使用過程中，長(zhǎng)期承受環(huán)境溫度變化以及車體振動(dòng)導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力，在這些應(yīng)力持續(xù)作用下，絕緣材料表面的微觀缺陷會(huì)逐步出現(xiàn)，并持續(xù)發(fā)展，最終導(dǎo)致材料出現(xiàn)裂紋，并貫穿材料，導(dǎo)致局部放電甚至絕緣擊穿。

 

因此，根據(jù)失效模式的分析，針對(duì)重連后的線纜采用了溫度、振動(dòng)和電應(yīng)力綜合環(huán)境應(yīng)力，進(jìn)行產(chǎn)品的可靠性及性能驗(yàn)證試驗(yàn)。

 

02重連線纜可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)

 

動(dòng)車組重連線纜的可靠性需要驗(yàn)證以確保整車運(yùn)行可靠性?？紤]到線纜安裝位置遍布整車各個(gè)部位，對(duì)不控溫的區(qū)域，線纜經(jīng)受溫度應(yīng)力，同時(shí)，動(dòng)車組行進(jìn)中線纜處于振動(dòng)應(yīng)力環(huán)境下工作，因此采取振動(dòng)-溫度綜合試驗(yàn)。振動(dòng)應(yīng)力量級(jí)參考IEC 61373-2010中的功能隨機(jī)振動(dòng)和模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)量級(jí)，溫度應(yīng)力參考EN 50467-2011的溫度等級(jí)規(guī)定確定，電應(yīng)力采用線纜的工作電壓。

 

為在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證線纜壽命，采取加速試驗(yàn)方式進(jìn)行。溫度循環(huán)是造成產(chǎn)品耗損型故障的主要因素。在合適的范圍內(nèi)，低周疲勞的破壞程度與高低溫溫差以及溫變速率有關(guān)。溫差和溫變速率的增大都將加快產(chǎn)品耗損型故障的發(fā)生。因此，根據(jù)GB/T 34986-2017，在試驗(yàn)中可進(jìn)行調(diào)整以減少溫度循環(huán)次數(shù)，從而縮短試驗(yàn)所需時(shí)間。

 

1.試驗(yàn)樣品

振動(dòng)應(yīng)力量級(jí)采用單芯和雙芯兩種規(guī)格的線纜，具體參數(shù)如表1和表2。采用壓接和焊接的連接方法對(duì)單芯線纜和雙芯線纜進(jìn)行重新連接。

線纜加工要求包括：?jiǎn)涡揪€和雙芯線每段分別剪成10cm；每?jī)蓷l線纜中間采用絕緣壓接管壓接，加工成重新連接的線纜；每?jī)蓷l線纜中間采用錫焊，加工成重新連接的線纜。

 

表1 單芯線纜參數(shù)

 

 

表2 雙芯線纜參數(shù)

 

 

2.振動(dòng)應(yīng)力

振動(dòng)應(yīng)力量級(jí)參考GB/T 21563-2008軌道交通沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)和IEC 61373-2010中的模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)量級(jí)。整個(gè)試驗(yàn)過程中振動(dòng)應(yīng)力累計(jì)施加時(shí)間為15h，超過15h后的試驗(yàn)不施加振動(dòng)應(yīng)力，其振動(dòng)應(yīng)力施加如圖4所示。

 

 

圖4 振動(dòng)應(yīng)力ASD頻譜

 

3.溫度應(yīng)力

根據(jù)在軌道交通上的預(yù)期用途和特性進(jìn)行分類，我們選用的線纜主要安裝在艙內(nèi)，使用的環(huán)境溫度范圍為5~35℃，溫度剖面中Tmin選擇-10℃，Tmax選擇70℃。溫度循環(huán)曲線的剖面圖按照?qǐng)D5進(jìn)行。采用定時(shí)截尾方式進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為2000h，每隔200小時(shí)定期監(jiān)測(cè)線纜電阻，并記錄。

 

 

圖5溫度剖面圖

 

4.電應(yīng)力

此次試驗(yàn)在模擬長(zhǎng)壽命振動(dòng)應(yīng)力施加過程中不通電，其余時(shí)間均通電，電應(yīng)力為額定電應(yīng)力12VDC。

 

結(jié)果分析與壽命評(píng)估

 

01.試驗(yàn)前線纜電阻測(cè)量結(jié)果

 

試驗(yàn)樣品試驗(yàn)前進(jìn)行線纜電阻測(cè)量，根據(jù)圖6所示。

 

 

圖6 電阻測(cè)量示意圖

 

使用低電阻測(cè)試儀測(cè)試T1以及T2兩端之間的電阻值，并記錄，試驗(yàn)結(jié)果見表3所示。

 

表3單芯及雙芯線纜電阻值

 

 

表3中結(jié)果表明，單芯和雙芯的線纜電阻R20均小于規(guī)定的20 Ω/km要求，屬于合格范圍內(nèi)樣品，雙芯的線纜阻值總體略高于單芯線纜。

 

02.重連后線纜可靠性實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

 

重連后，采用綜合應(yīng)力試驗(yàn)方法進(jìn)行性能及壽命試驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如表4所示。

 

表4 不同重連工藝單芯及雙芯線纜綜合試驗(yàn)電阻變化值（R20，Ω/km）

 

 

表4可知，重連后的小線徑線纜，其平均阻值均小于規(guī)定的20Ω/km，且與完整的線纜均值相差不大，因此，可以得出兩種重連的工藝均能滿足線纜的連接要求。進(jìn)一步對(duì)線纜的阻值變化趨勢(shì)進(jìn)行擬合，如圖7所示。

 

 

圖7 重連線纜電阻變化趨勢(shì)擬合圖

 

圖7中可以看出，單芯的線纜阻值變化相對(duì)于雙芯較慢，單芯的阻值上升變化率為0.0002-0.0003，而雙芯則達(dá)到0.0009，約為單芯的2-3倍，表明雙芯線纜更易受外部環(huán)境的作用，從而導(dǎo)致阻值的上升。從重連工藝的角度來看，兩者電阻的變化趨勢(shì)相同，且變化速率相差不大，但壓接工藝重連阻值總體要比焊接工藝小?？梢姡瑝航庸に囯娮枳兓姆€(wěn)定性優(yōu)于焊接工藝，壓接工藝方法可靠性相對(duì)更高。

 

03.重連后線纜壽命評(píng)估預(yù)測(cè)

 

動(dòng)車組線纜運(yùn)行期間是處于不維修狀態(tài)，通常需要經(jīng)歷至少一個(gè)高級(jí)修里程約480萬公里或5年時(shí)間后，回到主機(jī)廠維修車間后進(jìn)行相應(yīng)的檢查更換或維修，因此對(duì)其壽命周期有較高的要求。根據(jù)圖7的線性擬合公式，以其規(guī)格書規(guī)定的20Ω/km為閾值，可以得出重連后線纜的壽命終結(jié)時(shí)間。根據(jù)Coffin Manson模型，采用等損傷原則，正常使用的環(huán)境溫度范圍為5~35℃，溫差為30℃，而實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)溫差為80℃。

其加速因子的計(jì)算模型如下：

AF=（△T2/△T1）m

式中：

AF—加速因子；

△T1—正常使用條件下的溫度差；

△T2—實(shí)驗(yàn)室加速條件下的溫度差；

m—常數(shù)，一般線纜產(chǎn)品取3-5，為保守起見，計(jì)算時(shí)取3。

 

因此經(jīng)計(jì)算后，得出線纜的壽命情況見表5所示。

 

表5不同重連工藝單芯及雙芯線纜

 

 

總體來看，兩種重連工藝的線纜均可維持至少一個(gè)高級(jí)修里程，最短的雙芯焊接工藝重連后，可使用年限約為7.33年，而最長(zhǎng)的單芯壓接工藝可達(dá)34.46年，這基本上與車體等壽命。焊接工藝使用年限相對(duì)與壓接工藝要短，雙芯的使用年限則比單芯的要短。通過對(duì)線纜的重連工藝研究，為后續(xù)線纜產(chǎn)品的檢修或延遲修提供了決策依據(jù)。

 

結(jié)論

 

為了給現(xiàn)役動(dòng)車組小線徑線纜的重連維修和延壽提供數(shù)據(jù)支撐，我們對(duì)動(dòng)車組線纜進(jìn)行重連工藝及壽命評(píng)估試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1)對(duì)小線徑線纜分別進(jìn)行壓接和焊接工藝重連，結(jié)果表明重連后的線纜均能符合產(chǎn)品規(guī)格書要求。

2)通過長(zhǎng)時(shí)間的疲勞壽命試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)線纜的電阻呈現(xiàn)逐步上升的趨勢(shì)，雙芯線纜的上升速率要高于單芯線纜。而壓接工藝重連阻值總體要比焊接工藝小，壓接工藝電阻變化的穩(wěn)定性優(yōu)于焊接工藝，壓接工藝方法可靠性相對(duì)更高。

3)經(jīng)模擬計(jì)算表明，兩種重連工藝的線纜均可維持至少一個(gè)高級(jí)修里程，最短的雙芯焊接工藝重連后，可使用年限約為7.33年，而最長(zhǎng)的單芯壓接工藝可達(dá)34.46年。因此在整體策略上可以對(duì)重連線纜進(jìn)行至少一個(gè)高級(jí)修周期試運(yùn)行，通過依據(jù)試運(yùn)行結(jié)果對(duì)評(píng)估結(jié)果不斷的進(jìn)行修正。

 

引用本文：

 

吳超云、李東東、黃英齡、明志茂.動(dòng)車組小線徑線纜重連工藝與壽命研究[J].環(huán)境技術(shù),2022,40(02):64-69.