鐵路繼電器溫度加速壽命試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與分析

李文華，王立國，趙正元，高繼輝

(1. 河北工業(yè)大學(xué)，天津 300130；2. 沈陽鐵路信號有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110020；3. 天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，天津 300130)

鐵路作為國民經(jīng)濟(jì)大動脈、國家重要基礎(chǔ)設(shè)施和大眾化交通工具，在我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中的地位和作用至關(guān)重要。鐵路繼電器的可靠運(yùn)行是列車安全以及整個(gè)鐵路系統(tǒng)得以正常運(yùn)行不可或缺的條件，因此對鐵路繼電器在環(huán)境應(yīng)力作用下的壽命分布、失效數(shù)據(jù)和可靠性水平等進(jìn)行分析是十分必要的[1]。作為鐵路用的繼電器，在使用過程中會遭受到各種環(huán)境應(yīng)力的影響，溫度和振動是影響電器元件可靠性最大的環(huán)境因素，因此有必要開展鐵路繼電器溫度應(yīng)力和振動應(yīng)力結(jié)合的試驗(yàn)方案研究，確定繼電器在溫度和振動環(huán)境應(yīng)力作用下的壽命分布、失效方程和可靠性水平等，并為以后的溫度、振動和濕度3種應(yīng)力的綜合環(huán)境應(yīng)力下的可靠性試驗(yàn)與研究打下基礎(chǔ)[2]。本文以普通接點(diǎn)無極型鐵路信號繼電器為研究對象，根據(jù)該繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與失效機(jī)理，確定了繼電器在雙應(yīng)力下的試驗(yàn)方案，并建立了其在環(huán)境溫度和振動應(yīng)力綜合作用下的失效物理方程和可靠性統(tǒng)計(jì)模型，以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性分析方法。

1 鐵路繼電器的失效模式與機(jī)理分析

鐵路繼電器主要由絕緣系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成，由于鐵路繼電器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外部的絕緣罩和內(nèi)部組成部件以及內(nèi)部各對動、靜觸頭都有發(fā)生失效的可能。因此，對其的失效分析與失效檢測過程較為繁瑣，其失效模式概括起來有絕緣系統(tǒng)的失效、機(jī)械系統(tǒng)失效和電氣系統(tǒng)失效形式[3]。本文中分析了溫度和振動應(yīng)力對鐵路繼電器機(jī)械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)的影響。

鐵路繼電器在溫度應(yīng)力和振動應(yīng)力下工作的失效機(jī)理有多種原因，具體如圖1所示。

溫度的升高會促進(jìn)繼電器觸頭表面的氧化，振動應(yīng)力會引起繼電器的部分結(jié)構(gòu)、引線松動、相對運(yùn)動或磨損甚至脫落；使產(chǎn)品的微小缺陷和損傷擴(kuò)大。繼電器在溫度應(yīng)力和振動應(yīng)力共同作用下，加快了繼電器的老化和疲勞損傷。此外溫度與振動彼此之間也會相互影響，如增加電氣材料的擊穿率、摩擦生熱等。

圖1 溫度和振動應(yīng)力下繼電器的失效機(jī)理Fig. 1 Failure mechanism of relays under temperature stress

1.1 機(jī)械特性的失效分析

在雙應(yīng)力作用下動作的鐵路繼電器，其底座、插針和插孔之間會產(chǎn)生一定的相對運(yùn)動，此外，也會對動、靜觸頭的閉合與分開過程有較大的影響，造成接觸部位不一致，觸頭發(fā)生變形，觸頭松動。機(jī)械部件是加工過程中受到外機(jī)械應(yīng)力而成形的，由于機(jī)械部件使用的是金屬材料，具有一定的鋼性，經(jīng)過一段時(shí)間后會通過應(yīng)力釋放而發(fā)生變形。另一方面，機(jī)械部件在使用過程中長期受到應(yīng)力作用也會發(fā)生疲勞變形。各個(gè)機(jī)械部件中，動觸簧、靜觸簧、推動桿的變形會導(dǎo)致觸頭行程不夠而失效。而支架的變形會使運(yùn)動橋兩側(cè)支架和整體支架間隙變小，導(dǎo)致拔桿的微小變形，拔桿珠到動觸頭的間距變大，從而造成虛行程過大。以上因素都對絕對間隙、托片間隙、接點(diǎn)齊度和磁路間隙產(chǎn)生較大的影響。繼電器動作時(shí)，動觸簧、靜觸簧彈性量的改變，動作過程中線圈的吸力大小及長時(shí)間動作摩擦力的增大也會影響到接觸壓力而造成繼電器失效[4]。

1.2 電氣特性的失效分析

鐵路繼電器在雙應(yīng)力作用下動作，其電氣特性會隨著機(jī)械特性的改變而發(fā)生變化。絕對間隙、托片間隙、接點(diǎn)齊度和磁路間隙必然會影響到繼電器動作的電氣特性和時(shí)間參數(shù)。動作的繼電器在雙應(yīng)力下作用，動作過程伴隨有碰撞和摩擦，這種摩擦運(yùn)動會導(dǎo)致動、靜觸頭的粘著磨損，這一過程會伴隨有材料轉(zhuǎn)移并產(chǎn)生磨損碎屑；并進(jìn)一步導(dǎo)致鍍銀層的破損使得基體銅合金裸露，裸露的基體金屬因?yàn)槭ャy層的保護(hù)，當(dāng)內(nèi)部摩擦或者高溫環(huán)境下迅速氧化，形成氧化膜，極大的影響了接觸電阻的增加[5]；動、靜觸頭分合時(shí)發(fā)生電弧放電產(chǎn)生高溫使觸頭表面融化，并伴隨有噴濺現(xiàn)象，材料轉(zhuǎn)移等，這一過程對動、靜觸頭的表面形貌有極大的影響；繼電器的長時(shí)間工作使觸頭發(fā)生疲勞損傷，和老化現(xiàn)象。這些都會對鐵路繼電器的電氣特性產(chǎn)生較大影響。如接觸電阻急劇增大，此外也影響到繼電器的吸合電壓和釋放電壓等其它電氣參數(shù)，而造成鐵路繼電器失效。

2 振動應(yīng)力下溫度的加速壽命試驗(yàn)方案的確定

鐵路繼電器在工作環(huán)境下同時(shí)受到多種環(huán)境應(yīng)力的作用，如溫度、振動、濕度和氣壓等應(yīng)力，其中溫度應(yīng)力和振動應(yīng)力是影響其失效的主要應(yīng)力[6]。本試驗(yàn)樣品選取鐵路繼電器，試驗(yàn)過程施加溫度和振動應(yīng)力。目前，試驗(yàn)中應(yīng)力施加方式有恒定應(yīng)力法、步進(jìn)應(yīng)立法、序進(jìn)應(yīng)力法、步退應(yīng)力法，本試驗(yàn)中應(yīng)用恒定應(yīng)力法，選取4個(gè)溫度點(diǎn)與振動應(yīng)力結(jié)合做加速壽命試驗(yàn)。

對于溫度和振動應(yīng)力下的試驗(yàn)，必須保證以下3點(diǎn)要求：

1) 不同應(yīng)力下的失效機(jī)理要保持一致；

2) 應(yīng)力的選取有一定的依據(jù)，便于數(shù)據(jù)的分析與統(tǒng)計(jì)；

3) 處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)的模型具有相應(yīng)的規(guī)律性和統(tǒng)一性。

2.1 試驗(yàn)裝置的介紹

本試驗(yàn)溫度應(yīng)力與振動應(yīng)力由三綜合(溫度、濕度和振動)試驗(yàn)箱實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)過程中，某一溫度應(yīng)力下的大小與持續(xù)時(shí)間，通過試驗(yàn)箱的操作界面設(shè)定試驗(yàn)的運(yùn)行程序即可。試驗(yàn)振動應(yīng)力是由振動臺實(shí)現(xiàn)。振動應(yīng)力的程序設(shè)定由PC機(jī)完成，且振動應(yīng)力的控制由傳感器采集數(shù)據(jù)的反饋，通過PC機(jī)對反饋數(shù)據(jù)的處理按照程序設(shè)定運(yùn)行。

2.2 溫度應(yīng)力水平的確定

最低溫度應(yīng)力水平T1與正常應(yīng)力水平T0比較接近，若 T1遠(yuǎn)大于 T0，則用加速方程進(jìn)行外推的誤差會迅速增加，但 T1又不能太接近 T0，否則起不到縮短試驗(yàn)時(shí)間的作用，因此最低應(yīng)力水平 T1應(yīng)取40 ℃。最高應(yīng)力水平Tn(或Tn+1)的選取原則是，在不改變失效機(jī)理的條件下，盡可能選得大一些，繼電器觸頭材料銀氧化鎘(AgCdO)-銀(Ag)所能承受的最高溫度為140 ℃，而繼電器絕緣系統(tǒng)中的塑料材料在受到 120 ℃以上的溫度時(shí)會逐漸發(fā)生軟化，影響繼電器的機(jī)械系統(tǒng)，極大影響繼電器觸頭的動作過程而改變失效機(jī)理，因此最高應(yīng)力水平取120 ℃。恒定溫度應(yīng)力下選取Arrhenius方程來確定另外2個(gè)點(diǎn)的溫度，由溫度的倒數(shù)等間隔取得[7]，公式為：

由此確定另外2個(gè)溫度點(diǎn)T2和T3分別為52 ℃和72 ℃。

2.3 振動應(yīng)力水平的確定

鐵路繼電器受到的振動應(yīng)力主要由列車經(jīng)過鐵路軌道運(yùn)行過程中產(chǎn)生的，受到的振動頻率與功率譜密度值大小不僅隨著安裝位置的不同而改變，而且也與列車的運(yùn)行速度和經(jīng)過的路面情況不同而改變。考慮到繼電器在貯存、運(yùn)輸和工作環(huán)境中承受的多是隨機(jī)振動，且能量主要集中在垂直方向上，而且隨機(jī)振動能使所有諧振頻率在整個(gè)振動時(shí)間內(nèi)同時(shí)受到激勵(lì)，缺陷激發(fā)能力大大加強(qiáng)；因此，為縮短試驗(yàn)時(shí)間、提高試驗(yàn)效果并切合工程實(shí)際情況，本試驗(yàn)采用隨機(jī)振動作為試驗(yàn)應(yīng)力對鐵路繼電器進(jìn)行垂直方向上的加速壽命試驗(yàn)[8?9]。

鐵路繼電器正常工作的振動頻率為5~15 Hz，而高速列車通過鐵路軌道時(shí)最高頻率可達(dá) 2 000 Hz，根據(jù)en50125-3中高速鐵路軌道旁1~3 m隨機(jī)振動的頻譜圖和我國高速鐵路旁的實(shí)際振動情況，確定隨機(jī)振動試驗(yàn)的振動譜線，即最小振動頻率 5 Hz，功率譜密度值為2×10?2g2/Hz，最大振動頻率2 000 Hz，功率譜密度值為1×10?3g2/Hz，拐點(diǎn)頻率為600 Hz，功率譜密度值為1×10?3g2/Hz。隨機(jī)振動頻譜圖如圖2所示。

圖2 隨機(jī)振動頻譜圖Fig. 2 Random vibration spectrum

2.4 試驗(yàn)的準(zhǔn)備及失效判據(jù)的確定

本試驗(yàn)中繼電器在動作時(shí)施加隨機(jī)振動應(yīng)力，同時(shí)再施加溫度應(yīng)力，試驗(yàn)取4個(gè)溫度應(yīng)力水平，每個(gè)應(yīng)力水平下的樣品數(shù)量為4臺。即試驗(yàn)的應(yīng)力水平表，如表1所示。

表1 試驗(yàn)的應(yīng)力水平表Table 1 Stress levels of the test table

根據(jù)GB-T7417—2010規(guī)定在電壽命試驗(yàn)中普通接點(diǎn)繼電器的動作15~20次，本試驗(yàn)中設(shè)定繼電器在電壽命試驗(yàn)中每分鐘動作次數(shù)的最大值20次。鐵路繼電器的額定電壽命試驗(yàn)的次數(shù)為2×106次，試驗(yàn)中繼電器施加的電壓為24 V，電流為1 A。

不同樣品數(shù)對應(yīng)不同的試驗(yàn)結(jié)果評估有不同的置信度，因此每組應(yīng)力水平投入試驗(yàn)樣品數(shù)n選取原則由式(3)確定。

式中：CL為試驗(yàn)評估結(jié)果的置信度；R為目標(biāo)可靠度；n為樣本量，本試驗(yàn)中每溫度應(yīng)力等級下放置4臺樣品。

每個(gè)溫度和振動應(yīng)力水平下的試驗(yàn)樣品在不失效的情況下動作2×106次，如果未能達(dá)到2×106次失效，記錄每個(gè)試驗(yàn)樣品的失效時(shí)間，試驗(yàn)終止。

在本試驗(yàn)中觀測鐵路繼電器在機(jī)械特性和電氣特性部分參數(shù)值大小判斷是否失效。機(jī)械特性的檢查有接點(diǎn)間隙、接點(diǎn)壓力、絕對間隙、托片間隙、接點(diǎn)齊度和磁路空氣隙。機(jī)械參數(shù)的檢測由指針壓力計(jì)和自制的游標(biāo)千分尺測量得到。定期的檢查繼電器的機(jī)械特性參數(shù)，及時(shí)記錄數(shù)據(jù)，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)繼電器失效。根據(jù)GB/T 7417—2010的規(guī)定，制定出鐵路繼電器每個(gè)觸頭在機(jī)械特性方面的失效判據(jù)表，如表2所示。

表2 觸頭機(jī)械特性的失效判據(jù)表Table 2 Contact failure criterion of mechanical characteristics of table

應(yīng)用繼電器檢測設(shè)備對試驗(yàn)中繼電器的電氣特性參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測并自動記錄，監(jiān)測的電氣參數(shù)主要有接觸電阻、釋放電壓、吸合電壓。根據(jù) GB/T 7417—2010的規(guī)定，制定出鐵路繼電器及每個(gè)觸頭在電氣特性方面的失效判據(jù)表，如表3所示。

表3 觸頭電氣特性的失效判據(jù)表Table 3 Contact electrical characteristics of the failure criterion of table

2.5 觸頭動作特性及三維表面形貌

繼電器在環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)期間，隨著觸頭機(jī)械特性中接點(diǎn)間隙、絕對間隙、托片間隙、接點(diǎn)齊度和磁路空氣隙以及觸頭電氣特性中釋放電壓、吸合電壓的改變，勢必會影響到各對觸頭每次動作時(shí)的位移、速度和加速度。位移、速度和加速度的測量需要由高速攝像機(jī)拍攝繼電器的動作特性得到，在各個(gè)應(yīng)力下試驗(yàn)的繼電器每動作5×104次，應(yīng)用高速攝像機(jī)對繼電器內(nèi)各個(gè)觸頭的動作情況拍照，軟件分析照片得到繼電器各個(gè)觸頭的位移、速度和加速度。

除此之外，繼電器在在環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)期間，觸頭每次動作時(shí)的碰撞、磨損、氧化以及動作過程中的電弧現(xiàn)象，都會影響動、靜觸頭的表面形貌，如動、靜觸頭發(fā)生材料損失、材料轉(zhuǎn)移、形成化合物，電弧放電使動、靜觸頭材料融化形成熔池、熔焊和繼電器動作時(shí)伴隨有的噴濺現(xiàn)象等[10?11]。為了能更準(zhǔn)確表達(dá)觸頭的表面形貌，本文應(yīng)用三維形貌測量儀對試驗(yàn)中在各個(gè)應(yīng)力下每動作 1×105次繼電器內(nèi)的各對觸頭進(jìn)行觀測，得到相應(yīng)的三維參數(shù)，如表面算術(shù)平均偏差 Sa，表面均方根偏差 Sq，表面高度分布的偏斜度 Ssk和表面高度分度的峭度Sku等[12]。

繼電器動作時(shí)觸頭的速度、加速度、位移和觸頭表面形貌的三維參數(shù)是繼電器失效分析不可或缺的部分，因此試驗(yàn)過程中對速度、加速度、位移和觸頭表面形貌的三維參數(shù)的定期觀測與記錄是十分必要的。

3 加速壽命試驗(yàn)的模型分析

3.1 鐵路繼電器在溫度和振動應(yīng)力下的可靠性統(tǒng)計(jì)模型

繼電器在溫度和振動綜合應(yīng)力作用下，溫度應(yīng)力和振動應(yīng)力是一個(gè)相互促進(jìn)的過程，其退化過程在雙應(yīng)力的作用下更為迅速。振動應(yīng)力引起繼電器內(nèi)部器件的相對運(yùn)動，不僅破壞繼電器內(nèi)部的機(jī)械系統(tǒng)，此外相對運(yùn)動伴隨有熱量的產(chǎn)生，加速觸頭的使接觸件表面溫度不斷升高，從而加快了觸頭的氧化。

按照質(zhì)量作用定律和麥克斯韋—玻爾茲曼定律，可得繼電器壽命與環(huán)境溫度和振動應(yīng)力的模型關(guān)系為：

式中：S為振動應(yīng)力；ΔE為激活能，eV；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為環(huán)境溫度，K；A和α為待定系數(shù)。

根據(jù)以往數(shù)據(jù)可知，繼電器在環(huán)境應(yīng)力下的失效數(shù)據(jù)大多服從威布爾分布。在本試驗(yàn)中假設(shè)繼電器在溫度和振動應(yīng)力的綜合作用下的壽命服從二參數(shù)的分布[13?14]，其分布函數(shù)為：

相應(yīng)的概率密度函數(shù)為：

式中：m>0為形狀參數(shù)；η>0為特征壽命。

若在不同的溫度和振動應(yīng)力的綜合作用下，繼電器的失效機(jī)理保持不變，則其具體的統(tǒng)計(jì)模型為：

1) 產(chǎn)品壽命在統(tǒng)計(jì)上相互獨(dú)立且服從兩參數(shù)分布

2) 在不同應(yīng)力水平下，分布的形狀參數(shù)保持不變

3) 產(chǎn)品特征壽命與兩應(yīng)力之間的關(guān)系符合廣義模型，為：

式中：T為絕對溫度，℃；S為隨機(jī)振動應(yīng)力，g2/Hz；B和α為待定系數(shù)。

若令 y = l nt ，所示的威布爾分布就轉(zhuǎn)化為極值分布，其概率密度函數(shù)為

這樣，上述廣義統(tǒng)計(jì)模型就轉(zhuǎn)化為更具一般性的線性統(tǒng)計(jì)模型，產(chǎn)品壽命的分布參數(shù)μ是應(yīng)力x，y的線性函數(shù)，即

式中： γ0= l nB ，γ1=ΔE / 1000k ，γ2=-α ，x=103/(T + 2 73.15)， y = l nS，分布參數(shù)σ保持不變。

3.2 加速壽命試驗(yàn)無失效數(shù)據(jù)的可靠性分析

在鐵路繼電器內(nèi)有多對觸頭，只要有一對接觸件失效，就會導(dǎo)致整個(gè)繼電器失效，也就是說鐵路繼電器觸頭的接觸壽命取決于它的多對觸頭中第一個(gè)發(fā)生失效時(shí)的壽命。本試驗(yàn)是在規(guī)定的隨機(jī)振動應(yīng)力下選取4個(gè)溫度點(diǎn)，即在組合加速應(yīng)力水平Z1，Z2，Z3和 Z4下進(jìn)行壽命試驗(yàn)，加速應(yīng)力水平Z1，Z2，Z3和Z4為規(guī)定隨機(jī)振動應(yīng)力下分別施加溫度應(yīng)力為40，52，72和120 ℃，繼電器在各個(gè)應(yīng)力下動作時(shí)間 ti，產(chǎn)品未失效，試驗(yàn)中止。根據(jù)線性模型得到其無失效數(shù)據(jù)加速壽命試驗(yàn)示意圖，如圖3所示。

圖3 無失效數(shù)據(jù)加速壽命試驗(yàn)示意圖Fig. 3 No failure data accelerated life test schemes

A點(diǎn)表示的是產(chǎn)品的最大加速應(yīng)力Zm，其對應(yīng)的壽命為tm，在本試驗(yàn)中最大加速應(yīng)力為Z4，試驗(yàn)確定其繼電器相應(yīng)的壽命t4。設(shè)直線AHI為產(chǎn)品真實(shí)的對數(shù)壽命特征隨加速應(yīng)力變化的曲線。但是直線AHI往往無法獲得。由線性模型可知，假設(shè)繼電器在 Z1，Z2和 Z3應(yīng)力下動作一定時(shí)間，繼電器均為失效，對應(yīng)的試驗(yàn)終止點(diǎn)分別為B，C和D點(diǎn)?，F(xiàn)分別連接A點(diǎn)與B，C和D點(diǎn)，并延長與正常應(yīng)力水平交于E，F(xiàn)和G點(diǎn)。則直線 ABE，ACF和ADG為一條相對于直線AHI更為保守，但更為安全的對數(shù)壽命特征隨應(yīng)力變化的曲線．其表示如果產(chǎn)品在加速應(yīng)力水平Zi(i=1，2，3)下工作了ti長時(shí)間沒有發(fā)生失效，則相當(dāng)于在正常的應(yīng)力水平下至少能正常工作t0長時(shí)間而不發(fā)生失效[15]。

由圖3可知，直線ADG的對數(shù)壽命特征最為保守，直線ABE的對數(shù)壽命特征最接近真實(shí)值，由3條直線的2點(diǎn)坐標(biāo)，可分別得到各線性模型表達(dá)式的數(shù)值：

i=1，2，3。所以，各直線下正常應(yīng)力水平下的等效壽命t(0,i)為：

產(chǎn)品壽命服從兩參數(shù) weibull分布，即其在正常應(yīng)力水平下，置信水平為ε的給定可靠度R的壽命置信下限tR,low，及給定壽命t的可靠度置信下限Rlow分別為：

通過以上的模型可以對恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分析可知，在試驗(yàn)截止時(shí)間相同時(shí)，應(yīng)力越大壽命置信下限tR,low越大，給定壽命t的可靠度置信下限Rlow越小，應(yīng)力越小壽命置信下限tR,low越小，給定壽命t的可靠度置信下限Rlow越大。本文方法能夠充分利用產(chǎn)品在各個(gè)加速應(yīng)力水平下的壽命信息，并將其轉(zhuǎn)換到正常的應(yīng)力水平，從而在正常應(yīng)力水平下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性評估與壽命預(yù)測。能夠很好地解決了加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理的問題。

4 結(jié)論

1) 確定了鐵路繼電器在振動應(yīng)力下溫度的加速壽命試驗(yàn)的試驗(yàn)方案，根據(jù)繼電器的工作條件確定了試驗(yàn)過程中的隨機(jī)振動條件和溫度應(yīng)力大小。

2) 制定試驗(yàn)過程中相關(guān)參數(shù)的記錄表，如機(jī)械特性和電氣特性參數(shù)，觸頭的動作特性參數(shù)和三維參數(shù)記錄的時(shí)間與方式。

3) 根據(jù)鐵路繼電器的失效壽命概率分布類型，以及與溫度應(yīng)力和振動應(yīng)力間的數(shù)學(xué)關(guān)系；確定了鐵路繼電器在溫度和振動雙應(yīng)力下的失效方程。

4) 根據(jù)失效方程確定了鐵路繼電器在振動和溫度應(yīng)力下無失效數(shù)據(jù)時(shí)的可靠性統(tǒng)計(jì)模型與線性分析方法。

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