CN114578033A - 一种高铁用聚氨酯弹性体防护挡板失效的综合分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种高铁用聚氨酯弹性体防护挡板失效的综合分析方法。具体为：了解挡板的工艺参数、运行工况；对失效的挡板进行外观检查；采用三维体视显微镜等方法对失效的挡板进行更为细致的观察；采用表征方法对清洗挡板用到的清洗剂的成分进行分析；采用表征方法对失效挡板的成分、性能进行分析；采用将全新挡板简单浸泡在清洗剂中的方式对全新挡板进行实验，对浸泡结果进行收集和总结以模拟失效过程，验证实验结论；综合以上步骤，从现象到本质，从实验事实到最终结论，确定挡板失效的主要原因。本发明可以准确、快速地判断出挡板失效的原因，进而采取针对性的预防。本方法对轨道车辆领域聚氨酯防护挡板的安全使用也具有实用参考价值。
Description
技术领域
本发明属于高铁装置检测技术领域，具体涉及一种高铁装置防护挡板失效的综合分析方法，特别是涉及一种过分相感应器聚氨酯弹性体防护挡板失效的综合分析方法。
背景技术
动车组长距离行驶过程中，接触网供电会来自不同的变电所，两变电所接触网供电交接处会有一段无电区。自动过分相装置能使机车在过分相时，不再需要机车主断路器断电,而靠电源的切换使列车以正常运行速度通过分相区段，由于不产生常规状态下列车过分相的减速，从而缩短了列车占用区间的时间，提高了线路的通过能力。自动过分相感应器是自动过分相系统的重要组成部分，为了保证其在列车高速运行过程中不被损伤，常采用前后各加一块挡板的方式对感应器进行防护。这也意味着一旦挡板出现失效的情况，自动过分相感应器就失去了保护屏障，感应器就极易被破坏，轻者导致动车电力供应出现问题影响列车正常运行，重者可能造成严重的生命和财产损失。
高铁过分相感应器挡板发生过若干起过早失效的案例，如某CRH型高铁上的感应器挡板在仅使用了12.5万公里后就发生了严重的开裂，而其预期使用寿命为480万公里，发生这一情况后，相关工作人员对所有该类车辆的挡板进行了检查，又发现多个挡板开裂的情况，这些失效的挡板不得不被手动拆除换新，但由于挡板失效的根本原因未找到，这给整个高铁的安全运行带来了巨大的安全隐患。目前国内外尚缺乏系统有效的聚氨酯挡板的失效分析方法，难以对其失效原因进行准确分析。因此研究聚氨酯挡板失效原因的分析方法，采用一系列的表征方式对聚氨酯挡板的失效开展系统的分析，正确确定聚氨酯挡板失效的起因，可以为快速、正确、有效地解决复杂的聚氨酯挡板失效问题提供重要的依据。研究成果不但对确保我国在用的高铁上聚氨酯挡板的安全使用有重要意义，对轨道车辆的稳定运行也具有实用参考价值。
发明内容
本发明针对背景技术中存在的问题，提出了一种可以快速、正确、有效地判断自动过分相感应器挡板失效原因的方法。
本发明提出的高铁用聚氨酯弹性体防护挡板的失效原因判定方法，具体步骤如下：
（1）：询问并了解聚氨酯弹性体防护挡板的工艺参数、使用工况，所述工艺参数包括材料、尺寸、所在位置，所述使用工况包括具体作用、装配方式以及运行维护检修历史方面；
（2）：对失效的聚氨酯弹性体防护挡板进行外观检查，所述外观检查包括失效的聚氨酯弹性体防护挡板是否完好、颜色是否有变化、是否发粘或变脆、是否发生溶胀或收缩、是否发生开裂或断裂、是否发生扭曲或异常变形、是否表面有磨损、气泡缺陷等类似缺陷等；
（3）：采用三维体视显微镜（3D-SM）、扫描电镜（SEM）等方法对全新聚氨酯弹性体防护挡板表面、失效聚氨酯弹性体防护挡板的裂纹和断面进行更为细致的观察，包括失效聚氨酯弹性体防护挡板裂纹与断口的形貌特征、失效聚氨酯弹性体防护挡板的起裂点及裂纹扩展方式、失效聚氨酯弹性体防护挡板有无明显表面缺陷等；
（4）：采用气相色谱质谱联用仪（GC-MS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）或拉曼光谱（Raman）中的一种或多种对高铁维护时使用到的可能接触到聚氨酯弹性体防护挡板的清洗剂进行成分分析，确定这些清洗剂是否会对挡板造成影响；
（5）：采用傅里叶变换红外光谱、邵氏硬度计、核磁共振（NMR）、热失重分析仪（TGA）或差示扫描量热仪（DSC）等检测手段对失效聚氨酯弹性体防护挡板的成分、性能进行测试，并与未使用库存和全新件的测试数据进行对比分析，确定失效聚氨酯弹性体防护挡板的材质是否符合聚氨酯弹性体防护挡板的使用条件及技术要求；
（6）：采用将全新聚氨酯弹性体防护挡板浸泡在清洗剂中不同时长、测量全新聚氨酯弹性体防护挡板的硬度、长度、重量的方式，来归纳和总结清洗剂对挡板的影响，通过实验复现的方式验证前期所得的结论；
（7）：聚氨酯弹性体防护挡板的失效往往是多种因素交互作用的结果，综合以上的分析步骤，从现象到本质，从实验事实到最终结论，确定挡板失效的主要原因，失效原因包括4种：环境应力开裂（ESC）、交联不足、成型加工时存在气泡、表面缺陷。
本发明中，步骤（1）中，手触摸时可明显感觉到挡板表面发粘，可以判定挡板性能下降。
本发明中，步骤（3）中，挡板截面处存在明显的起裂点和疲劳裂纹，全新挡板外表面存在气泡，可以判定挡板的加工工艺存在问题并受到了疲劳载荷。
本发明中，步骤（5）中，根据挡板的邵氏硬度计、核磁共振（NMR）、热失重分析仪（TGA）、差示扫描量热仪（DSC）等实验方式可以分别得到硬度变化情况、交联密度变化情况、耐热性变化情况和玻璃化转变温度（Tg）的变化情况，可以判度挡板的交联、耐热性、硬度的下降程度。
本发明中，步骤（6）中，根据各类全新挡板在不同清洗剂中的浸泡情况，可以判定哪种清洗剂对样品性能的影响最大并进一步验证实验结论。
本发明中，步骤（7）中， 失效原因为接触到了腐蚀性较强的清洗剂，发生了环境应力开裂，具体为：失效的挡板表面发粘，硬度、耐热性和交联密度明显下降，浸泡结果表明602清洗剂会使得全新挡板硬度下降、表面发粘。
本发明中，步骤（7）中，失效原因为挡板在制造时交联不足，交联密度过低，具体为：核磁共振检测结果表明仅使用一天的失效挡板交联密度仅为全新件交联密度的2/5。
本发明中，步骤（7）中，失效原因为挡板成型时内部存在一些气泡，具体为：在3D-SM观察时发现全新件表面均存在大量气泡。
本发明中，步骤（7）中，失效原因为感应器挡板裂纹起裂点处存在缺陷，具体为：在微观观察时发现起裂点处均存在凹坑。
本发明的有益效果在于：
1、本方法综合运用了多种仪器分析技术，可以系统、完整、准确地判断出聚氨酯弹性体挡板的失效原因。
2、本方法可以快速、有效地找到聚氨酯弹性体挡板的失效原因，从而采取针对性的预防和改进措施。
3、本方法采用实验验证的方式再次证明所得结论，不仅证据确凿有效还可为以后同类失效分析提供别样的研究思路。
4、本方法对轨道车辆领域的聚氨酯失效的原因分析和有效预防也具有实用参考价值。
附图说明
图1为5种挡板的外观形貌。其中，（a）1#开裂的挡板，（b）2#缺失的挡板，（c）3#库存件，（d）4#全新件，（e）5#国外全新件。
图2为1#样品断口形貌。其中，（a）疲劳辉纹，（b）整体形貌，（c）起裂点处缺陷。
图3为2#样品断口形貌。其中，（a）整体形貌，（b）第一处疲劳辉纹，（c）第二处疲劳辉纹，（d）第三处疲劳辉纹。
图4为3#样品表面气泡。
图5为1#样品断口的显微形貌。其中，(a) 龟裂，(b) 整体性毛，（c）起裂点处缺陷。
图6为602清洗剂的GC-MS结果。
图7为1#-4#样品的红外光谱图。
图8为1#-4#样品的TGA曲线。
图9为1#-4#样品的DSC曲线。
图10为浸泡6天后3#、4#样品测量硬度后的表面形貌。其中，（a）3#样品表面粉化情况，（b）4#样品表面粉化情况。
图11为全新挡板在四种清洗剂中浸泡后硬度的变化情况。其中，（a）3#硬度变化情况，（b）4#样品硬度变化情况，（c）5#样品硬度变化情况。
具体实施方式
下面结合具体失效案例——高铁用聚氨酯弹性体挡板异常开裂的失效分析，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1：
图1为聚氨酯弹性体防护挡板全新件与失效件的整体形貌，为了便于区分，按图中顺序分别将其命名为1#、2#、3#、4#、5#。其中图1（a）（b）是1#、2#样品，即失效的聚氨酯弹性体防护挡板的形貌，可以看出1#样品出现了严重的开裂、2#样品出现了开裂更为严重以致下半部分缺失。为便于对比分析，在此分别列出3#库存件、4#全新件、5#国外全新件。这些挡板均是聚氨酯材质，聚氨酯弹性体防护挡板一端固定在高铁的转向架上，挡板使用温度为室温，高铁运行最大速度为380km/h。
在3D-SM下对失效的挡板进行形貌观察，可以看出1#样品断面处存在明显的疲劳辉纹（图2（a）），起裂点处存在明显的凹坑（图2（c））。观察2#样品断面可以看到2#样品断面处也存在明显的疲劳辉纹（图3），但与1#样品不同的是2#样品存在3个起裂点，且起裂点处均存在缺陷（图3），此外观察库存件3#样品，可以看到挡板表明存在明显的气泡（图4），这些气泡应是加工过程中留下的，气泡的存在会降低聚氨酯橡胶板的力学性能，并产生应力集中，不利于挡板的安全使用。此外，挡板材料存在气泡也会导致其与溶剂接触时，由于毛细作用而导致溶剂更容易侵蚀挡板。
进一步采用SEM对失效的聚氨酯挡板进行观察。1#挡板断面出存在明显的龟裂，起裂点处有明显的凹坑缺陷（2#挡板也可观察到明显的起裂点处凹坑），如图5所示。结合3D-SM观察到的结果可以推测，1#挡板从缺陷处开始起裂，在循环载荷的作用下发生了疲劳开裂，龟裂形貌表明该挡板还受到了环境因素的影响。
对四种可能接触到挡板的清洗剂进行GC-MS检测，检测结果表明，602清洗剂中有机物成分最高，含有97.8%的二乙二醇丁醚（图6）。其他三种清洗剂有机物成分低，且含有的有机物中占大多数的是醇类物质。
为确定失效的1#、2#样品是否有新物质生成，将1#、2#、3#、4#样品的红外光谱放在同一坐标系中进行对比，分析结果如图7所示。从图7中可以看出，四个样品的红外光谱高度重合，未发现失效的1#、2#样品与3#、4#样品之间存在明显的差别，因此可以基本判定失效的1#、2#样品没有新物质生成，未发生新的化学变化，
采用核磁共振的方式测试感应器挡板样品的交联密度，测试结果表明3#库存件和4#全新件的交联密度均高于18×10-4mol/mL且变异系数相对较小，这表明新件的交联密度高且交联均匀性好。1#开裂件和2#缺失件的交联密度分别为11.308×10-4mol/L和4.699×10-4mol/L，二者均低于新件，其中2#样品交联密度极低，已不能满足聚氨酯橡胶的基本性能。此外，1#、2#样品的变异系数也较大，这表明1#、2#样品交联密度下降表现出不均匀性。
为了解失效前后挡板的热失重曲线的变化情况，对挡板样品进行了热失重分析，结果如图8所示。图8表明，所有样品的失重率基本一致，但2#样品的最大失重速率明显提前，这表明2#样品的耐热性明显降低，结合2#样品仅使用一天就损坏，且其交联密度极低的事实，再次证明2#样品是由于制造时交联密度过低，导致其分子链更容易运动，进而使得其耐热性下降。
采用差示扫描量热法对当班的失效前后的玻璃化转变温度（Tg）进行分析，分析结果如图9所示。3#、4#样品与1#、2#样品Tg的对比可以发现，3#和4#样品的Tg接近，而1#开裂件和2#缺失件与全新件相比Tg有明显的降低，且2#缺失件的Tg（破坏程度更严重的件）比1#开裂件的Tg下降更严重，这表明2#样品性能下降更严重。结合核磁共振和TGA的测试结果，可以合理推测1#样品受到了ESC的作用，导致1#样品的交联键部分被破坏、分子链更容易运动，从而导致它的Tg明显降低。结合2#样品仅使用1天就断裂以及核磁共振和TGA的测试结果，可以得出2#样品由于制造过程中交联不足，导致其交联密度过低，分子流动性增强，从而导致其Tg明显降低。
采用邵氏D型硬度计对全新件和失效件进行便面硬度测试，结果表明，失效的1#、2#样品的硬度，明显低于全新件3#、4#，这是由于3#样品受到了ESC的作用导致硬度下降；4#样品由于制造时交联不足，交联密度过低，导致其硬度明显不足。
将不同的挡板的新件放入四种不同的清洗剂中，在不同的时间测量挡板性能的变化情况，结果发现浸泡后测硬度时，在602清洗剂中浸泡的挡板表面明显出现粉化（图10），挡板的硬度明显下降（图11），这表明602清洗剂是导致挡板发生环境应力开裂的原因。
因此，综合以上的分析，可以得出如下的结论：
1、3种全新的挡板材料浸泡在602清洗剂时，均出现表面硬度明显下降且表面粉化的情况。因此，在对转向架清洗维护时，少量602清洗剂被喷洒到1#感应器挡板上，引起环境应力开裂（ESC），这是导致1#感应器挡板发生过早开裂的根本原因。
2、2#感应器挡板在制造时交联不足，交联密度过低，导致其力学性能不能满足感应器挡板的使用要求，这是导致2#感应器挡板仅使用一天就发生断裂的根本原因。
3、感应器挡板成型时内部存在一些气泡，致使部分力学性能有所下降，加上毛细管的作用，使清洗液更易进入挡板气泡内溶胀而引发ESC，这是导致感应器挡板发生过早开裂的而断裂的一个重要原因。
4、微观观察表明感应器挡板裂纹起裂点处存在表面缺陷，导致表面缺陷处产生应力集中，是引起感应器挡板失效的另一个重要原因。
5、感应器挡板承受开停车时惯性产生的弯应力、自重产生的重力、路基不平产生的跳动力以及风阻力，这些力为1#感应器挡板出现ESC作用和2#感应器挡板因力学性能不足而断裂提供了拉应力及疲劳载荷，这是感应器挡板发生过早开裂而断裂的一个力学原因。
Claims (6)
1.一种高铁用聚氨酯弹性体防护挡板失效的综合分析，其特征在于具体步骤如下：
（1）：询问并了解聚氨酯弹性体防护挡板的工艺参数、使用工况，所述工艺参数包括材料、尺寸、所在位置，所述使用工况包括具体作用、装配方式以及运行维护检修历史；
（2）：对失效的聚氨酯弹性体防护挡板进行外观检查，所述外观检查包括失效的聚氨酯弹性体防护挡板是否完好、颜色是否有变化、是否发粘或变脆、是否发生溶胀或收缩、是否发生开裂或断裂、是否发生扭曲或异常变形、是否表面有磨损、气泡缺陷；
（3）：采用三维体视显微镜或扫描电镜方法对全新聚氨酯弹性体防护挡板表面、失效聚氨酯弹性体防护挡板的裂纹和断面进行更为细致的观察，包括失效聚氨酯弹性体防护挡板裂纹与断口的形貌特征、失效聚氨酯弹性体防护挡板的起裂点及裂纹扩展方式、失效聚氨酯弹性体防护挡板有无明显表面缺陷；
（4）：采用气相色谱质谱联用仪、傅里叶变换红外光谱或拉曼光谱中的一种或多种对高铁维护时使用到的可能接触到弹性体防护挡板的清洗剂进行成分分析，确定这些清洗剂是否会对挡板造成影响；
（5）：采用傅里叶变换红外光谱、邵氏硬度计、核磁共振、热失重分析仪或差示扫描量热仪中一种或几种检测仪器对失效聚氨酯弹性体防护挡板的成分、性能进行测试，并与未使用库存和全新件的测试数据进行对比分析，确定失效聚氨酯弹性体防护挡板的材质是否符合聚氨酯弹性体防护挡板的使用条件及技术要求；
（6）：采用将全新聚氨酯弹性体防护挡板浸泡在清洗剂中不同时长、测量全新聚氨酯弹性体防护挡板的硬度、长度、重量的方式，来归纳和总结清洗剂对聚氨酯弹性体防护挡板的影响，通过实验复现的方式验证前期所得的结论；
（7）：聚氨酯弹性体防护挡板的失效是多种因素交互作用的结果，综合以上的分析步骤，从现象到本质，从实验事实到最终结论，确定挡板失效的主要原因，失效原因包括4种：环境应力开裂、交联不足、成型加工时存在气泡、表面缺陷。
2.根据权利要求1所述的判定方法，其特征在于步骤（1）中：手触摸时可明显感觉到失效的聚氨酯弹性体防护挡板表面发粘，判定失效的聚氨酯弹性体防护挡板性能下降。
3.根据权利要求1所述的判定方法，其特征在于步骤（3）中：聚氨酯弹性体防护挡板截面处存在明显的起裂点和疲劳裂纹，全新聚氨酯弹性体防护挡板外表面存在气泡，可以判定聚氨酯弹性体防护挡板的加工工艺存在问题，并受到了疲劳载荷。
4.根据权利要求1所述的判定方法，其特征在于步骤（5）中：
根据聚氨酯弹性体防护挡板的邵氏硬度计、核磁共振、热失重分析仪、差示扫描量热仪可以分别得到硬度变化情况、交联密度变化情况、耐热性变化情况和玻璃化转变温度（Tg）的变化情况，从而可以判度失效的聚氨酯弹性体防护挡板的交联、耐热性、硬度的下降程度。
5.根据权利要求1所述的判定方法，其特征在于步骤（6）中：根据各类全新聚氨酯弹性体防护挡板在不同清洗剂中的浸泡情况，判定哪种清洗剂对样品性能的影响最大并进一步验证实验结论。
6.根据权利要求1所述的判定方法，其特征在于步骤（7）中：
失效原因为接触到了腐蚀性较强的清洗剂，发生了环境应力开裂，具体为：失效的挡板表面发粘，硬度、耐热性和交联密度明显下降，浸泡结果表明602清洗剂会使得全新挡板硬度下降、表面发粘；
失效原因为挡板在制造时交联不足，交联密度过低，具体为：核磁共振检测结果表明仅使用一天的失效挡板交联密度仅为全新件交联密度的2/5；
失效原因为挡板成型时内部存在一些气泡，具体为：在三维体视显微镜或扫描电镜观察时发现全新件表面均存在大量气泡；
失效原因为感应器挡板裂纹起裂点处存在缺陷，具体为：在微观观察时发现起裂点处均存在凹坑。
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