作为柴油机状态信息参数之一的排气温度 ( 简称排温) 反映了柴油机工作状态的好坏,是柴油机电子控制系统排温保护功能实施的基本依据。柴油机运行过程中,电控系统实时检测柴油机涡轮后排气温度,若排温高于保护限 ( 出厂默认值) ,控制系统将输出排温高报警信号,同时在柴油机当前工况下,电控系统还会减少供油量来降低柴油机输出功率,从而保护柴油机可靠工作; 若排气温度低于保护限,则电控系统取消排温保护,恢复正常供油控制。因此排温传感器信号异常可能会造成柴油机在排温超出保护限时得不到及时地保护,导致柴油机损坏。

某型柴油机在交付使用过程中,批量地出现排温传感器故障报警、排温显示值异常的现象。现场技术人员读取多辆故障报警车辆的柴油机电控系统的随车记录数据,整理发现柴油机运行过程中排温信号异常波动,甚至时有时无; 同时电气检查发现:柴油机线束中继插头中与排温传感器相关的管脚间直流电阻不稳定,时而正常,时而异常大,甚至无穷大。图1所示为柴油机怠速空载工况下排温值异常情况。

图1显示,柴油机在怠速空载工况下,故障单元指示值为128( 即故障码) ,表示排温传感器故障。

所用热电偶排温传感器属于K型热电偶( 镍铬-镍硅) ,热电偶两端补偿导线[1]的材质为: 正极镍铬( KPX) ,负极-镍硅( KNX) ,正负极均采用的是单芯线,其表面有一层氧化层。正常情况下,线束插头中排温传感器相应管脚间的电阻值应不大于5Ω( 常温环境) ,且电阻值应稳定( 变化在1Ω之内) 。排温传感器如图2所示。

针对上述故障,运用故障树分析方法对其进行了定性分析,列出了所有可能的故障源。以排温传感器阻值异常为顶事件建立故障树如图3:

由图3初步判断,造成上述异常发生的可能原因是:

a. 排温传感器故障;

b. 传感器信号线与壳体地搭接;

c. 传感器补偿导线与线束导线搭接不可靠;

d. 线束插头中相应导线与对应接触件虚接。

分别对故障树列出的基本事件进行排查分析。

分别测量线束插头中传感器2个管脚与壳体地是否存在搭接短路的异常情况,结果未发现管脚与壳体地存在短路。

按照相应的入所检验规范对排温传感器进行检测。具体方法为剖开故障线束,从传感器两端的补偿导线直接测量传感器电阻及输出m V电压信号。检验结果为常温下测得传感器电阻值均正常; 加热传感器,其输出m V电压信号随温度升高而增大。结果表明排温传感器无故障。

a. 按压搭接部位并从线束插头端测量与传感器相对应管脚间的电阻值。按压过程中,故障现象复现,测得电阻值不稳定,阻值变化大,甚至电阻变为无穷大。

b. 检查线束导线与传感器补偿导线的搭接处,发现靠近热电偶芯线端搭接处压接点有不同程度的松动现象。

搭接处压接结构见图4和图5。图5中搭接处所使用的压线筒为铜镀金材质的圆筒型闭式压线筒。

剖开故障线束的插头与线束的连接处,查看插头中与排温传感器相对应导线同接触件的连接情况,连接处焊接牢靠,未发现焊点处有虚焊、拉尖、假焊等焊接等不良现象。

由上述排查结果可知: 排温传感器补偿导线与压线筒端接部位( 见图5右端) 松动是造成补偿导线与压线筒电连续性变差,导致中继插头中与传感器相关管脚间的直流电阻不稳定,排温信号传输不连续的原因。上述故障属于柴油机线束故障。

针对排温传感器补偿导线芯线与压线筒压接部位松动的问题,本文对照文献[2]进行了分析。上述压接采用的是坑压式压接。

分析结果如下:

a. 补偿导线芯线质地硬,不易产生形变,且芯线材质较压线筒材质硬度大,造成压接后的芯线不能与压线筒内壁产生良好的塑性变形,导致芯线与压线筒接触面积小,静摩擦力不足,抗拉强度低,从而在振动冲击环境下容易引起补偿导线芯线在压线筒中出现轴向滑动。

b. 为了使压接达到冷焊的效果,压接前需要将排温传感器芯线压接部分的氧化层清理干净。剖开故障线束发现: 补偿导线芯线表面氧化层去除程度不均匀,造成芯线与压线筒压接后,芯线导电面与压线筒内壁接触程度不一致,导致芯线与压线筒内壁形成的静摩擦力不同,引起压接点在振动冲击下出现松动。

c. 传感器补偿导线为单芯线,按照GJB 5020—2001《压接连接技术要求》中相关规定,单芯线不适于用坑压式压接方法。

综上所述,导致线束导线与传感器补偿导线端接处发生松动的根本原因是搭接方式选取不合理。

为保证排温传感器补偿导线芯线与压线筒端接部位具有良好的电连续性和抗拉强度,必须选择合理的搭接方式。柴油机电控系统线束制作中,搭接方式主要是指焊接( 锡焊) 和压接( 坑压) 。

压接就是接线端的金属压线筒包住裸导线,用手动或自动的专用压接工具对压线筒进行机械压紧而产生的连接。该连接是让金属在规定的限度内发生变形将导线连接到压线筒上的一种技术,其类似于一种“冷焊”连接。压接方法一般分为坑压式压接和模压式压接。本文中提到的压接指的是坑压式压接方式。

a. 压接方式特点

1压接可以使压线筒与导线之间产生较大的接触面积,端接处具有较小的接触电阻。

2好的压接可以使压接点处芯线与压线筒内壁之间的金属分子相互渗透,形成“冷焊”现象,使得端接处得到好的机械强度和电连续性。

b. 压接要求

压接用导线及压接件及相应的压接工艺必须符合GJB 5020—2001《压接连接技术要求》中的相关规定。

本文中提到的焊接指的是锡焊[3],其是一种通过熔融的焊料合金与2个被焊接金属表面之间生成金属间合金层,从而实现2个被焊接金属之间电气与机械连接的焊接技术。

a. 焊接方式特点

焊接方式适用范围广,只要焊接对象具有良好的可焊性即可选用,对焊接对象的材质、硬度等较压接要求少。高质量的焊接和合理的焊接点设计同样可以保证端接部位具有良好的电连续性和抗拉强度。

b. 焊接要求

1焊接对象必须具有良好的可焊性;

2焊接点需进行合理性设计及防护,以保证端接处得到好的机械强度和电连续性;

3焊接操作需制定合理的规范和工艺流程,以保证焊接质量。

根据上述故障分析及搭接方式的对比结果,同时鉴于传感器单芯补偿导线不适用压接方式与线束导线搭接,因此提出焊接方式下的改进方案。

a. 为保证补偿导线焊接部分具有很好的可焊性,采用锉刀或砂纸将热电偶补偿导线芯线焊接部分的氧化层去除干净。如果条件允许,最好采用化学方法去除热电偶芯线表面的氧化层。

b. 合理设计焊接点,按照图6结构,采用勾形接线柱连接方法: 将已去除氧化层的传感器补偿导线线芯弯曲成勾形; 线束导线芯线在勾形接线柱上缠绕至少3圈以上,这样不仅可以使焊点有足够的机械强度,保证被焊点在受振动或冲击时不致脱落、松动,而且焊锡可以充满缝隙,补偿氧化层去除不均匀的不足,同时有效地增大导线与芯线的接触面积。

c. 焊接完成后焊接点质量检查,需通过目视检查焊接点是否有虚焊,以保证焊接点处焊料与焊接表面形成合金结构。

d. 焊接处外部防护,在焊接处用热缩管热缩保护,并将线束芯线( AFPS导线: 屏蔽高温线) 迂回保护,避免搭接处焊点受力。

e. 电气检查,线束与传感器搭接完成后增加对传感器直流电阻值的检测,从线束连接器处测量其值要保持稳定( 变化值在1Ω内) 且不大于5Ω。

a. 采用4. 3中的改进方案重新制作柴油机线束,并装配在柴油机上随其通过了台架验收试验,试验过程中与台架试验设备排温检测值进行了对比,柴油机电控系统排温值检测正常同时未出现排温传感器故障误报警现象。图7为柴油机空载怠速工况下排温值变化情况。

图7显示,柴油机从起动转至空载怠速工况,故障单元指示值为0( 表示无部件发生故障) ,排温值无异常波动。

b. 故障线缆按照改进方案进行批量修复并复装后,经现场使用验证,未出现柴油机电控系统排温传感器故障误报警、排温显示异常的现象。

a. 柴油机电控系统在使用过程中批量出现排温传感器故障报警是由于传感器与线束端接部位出现松动造成的,而导致松动发生的原因是搭接方式选取不合理。

b. 线束搭接方式需根据端接对象的材质、硬度等技术参数,按照相关规范或技术文件要求进行选取。

c. 采用焊接方式可保证搭接处的牢固可靠性和较好的电连续性,但需对焊接点进行合理的设计,同时要考虑对焊点的防护。

d. 在生产、试用阶段,故障树分析可以帮助故障诊断,指导故障原因分析。

e. 经过试验验证,改进方案合理有效,能够满足排温传感器可靠性使用需求。