ZPW-2000A中發(fā)送器和接收器常見故障分析及可靠性評估

吳朝輝 中國鐵路上海局集團有限公司上海電務(wù)段

1 引言

在中國，鐵路是國家的重要基礎(chǔ)設(shè)施、大眾化的交通工具，在中國綜合交通運輸體系中處于骨干地位。中國地域遼闊、人口眾多、資源分布不均，所以經(jīng)濟、快捷的鐵路普遍占有更大的優(yōu)勢，成為一種被廣泛使用的運輸方式。

鐵路信號設(shè)備是保證鐵路行車安全的重要環(huán)節(jié)。隨著鐵路信號技術(shù)的發(fā)展和鐵路信號的廣泛應(yīng)用，鐵路信號也成為提高鐵路區(qū)間和車站通過能力、增加鐵路運輸經(jīng)濟效益、改善鐵路員工勞動條件的一種現(xiàn)代化科學(xué)管理手段和技術(shù)。

ZPW-2000A型無絕緣軌道電路是在法國UM71無絕緣軌道技術(shù)引進、國產(chǎn)化基礎(chǔ)上、結(jié)合國情進行的技術(shù)再開發(fā)，較之UM71，ZPW-2000A無絕緣軌道電路在傳輸安全性、系統(tǒng)可靠性、傳輸長度上在結(jié)合了我國國情的基礎(chǔ)上，在性價比、降低工程造價上都有了顯著提高。

但到目前為止，我國在鐵路信號設(shè)備上還處于起步階段。對ZPW-2000A軌道電路的研究，缺乏以維修數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的實際定量分析，僅僅停留在失效率和平均無故障時間兩個可靠性理論上。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 數(shù)據(jù)收集及統(tǒng)計

由于我國鐵路系統(tǒng)可靠性分析與研究處于起步階段，ZPW-2000A發(fā)送器和接收器生產(chǎn)廠商沒有產(chǎn)品壽命試驗數(shù)據(jù)的整理和記錄，因此，無法獲得試驗數(shù)據(jù)。

為了實現(xiàn)發(fā)送器和接收器的可靠性分析，經(jīng)過反復(fù)研究，本文確定了收集2018年1至6月不同廠家生產(chǎn)的發(fā)送器和接收器的返廠維修相關(guān)數(shù)據(jù)，力求通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行可靠性分析。

2018年1月至6月，設(shè)備返所器材數(shù)量76件，其中不良設(shè)備數(shù)量45件?，F(xiàn)針對我車間設(shè)備器材不良返所情況，在設(shè)備生產(chǎn)廠家、器材分類、設(shè)備型號、故障返所原因等方面對器材返所情況分析匯總，并制作2018年1月～6月數(shù)據(jù)分析圖如圖1所示。

圖1 2018年1月～6月數(shù)據(jù)分析圖

（1）按生產(chǎn)廠家返所統(tǒng)計，可以得出主要不良設(shè)備的生產(chǎn)廠家為北京鐵路信號工廠、上海鐵路通信工廠、上海瑞信電器有限公司、天水鐵路信號電力等。

（2）進行核實統(tǒng)計并進行比對，設(shè)備使用情況以上海瑞信器材有限公司生產(chǎn)的設(shè)備使用量最大。其中上半年北京鐵路信號工廠不良設(shè)備返所主要是ZPW-2000類ZPW.F（3臺）和ZPW.F-K（7臺）發(fā)送器。

（3）發(fā)送器材故障原因：現(xiàn)場主要反映測試無電壓輸出、電壓波動、現(xiàn)場使用絕緣不良、發(fā)送盒回所測試無數(shù)據(jù)采集為突出原因。

（4）返所不良測試原因：熱穩(wěn)定差，熱機狀態(tài)故障，冷卻后正常，檢修正常再使用一段時間后又故障。

（5）預(yù)防措施：對設(shè)備返廠進行整改，須廠家加強對進廠的原材料、元器件的篩選，加強供應(yīng)商管理確保設(shè)備質(zhì)量。

2.2 分析結(jié)論

根據(jù)收集到的返修數(shù)據(jù)進行分析，再通過以往檢修經(jīng)驗可以了解到，發(fā)送器的功放板、數(shù)字板，接收器的CPU板、數(shù)字板都是較易出現(xiàn)故障的。這些部分由于要執(zhí)行發(fā)送器和接收器的主要功能，集成的元件較多，電路較為復(fù)雜，故比較容易出現(xiàn)故障。

發(fā)送器中晶振、電源模塊、變壓器、電阻的故障較多，尤其是有一個特定的元器件—三極管的故障數(shù)也較高。接收器中電源模塊和CPU板上的集成電路的故障也較高。

建議設(shè)計、生產(chǎn)部門應(yīng)重點對這幾個部分重新進行分析，盡量降低這些故障的發(fā)生，以提高設(shè)備的可靠性。

另外，因底座簧片、底座端子、網(wǎng)罩、減震墊等的故障導(dǎo)致設(shè)備不能正常工作的情況也不少見，建議應(yīng)重視這些外圍非電子裝置。同時，從環(huán)境應(yīng)力篩選的角度看，建議在出廠前的老化試驗中增加檢測環(huán)節(jié)。

同時也要加強對現(xiàn)場人員在設(shè)備使用及維修檢測方面的培訓(xùn)，以免返廠維修造成額外的損失。

3 評估試驗

針對ZPW-2000A發(fā)送器和接收器的常見故障分析，在鐵路信號設(shè)備進廠前，可以對產(chǎn)品進行一個整體的評估，對不同廠家不同產(chǎn)品的分析評價也是提高設(shè)備質(zhì)量和減少故障發(fā)生的重要手段。

評估體系的建立可以通過不同的試驗進行驗證，例如環(huán)境應(yīng)力篩選試驗，以提高產(chǎn)品的固有可靠性為目的。

3.1 環(huán)境應(yīng)力篩選試驗

環(huán)境應(yīng)力篩選是利用外加的環(huán)境應(yīng)力，使?jié)摯嬗诋a(chǎn)品制造過程中因較弱零組件或不良工藝等因素造成的缺陷提早暴露出來，然后利用適當(dāng)?shù)臋z測方法將這些帶有瑕疵的產(chǎn)品找出來予以剔除，或?qū)ζ溥M行檢修，以便提高產(chǎn)品的制造質(zhì)量，維持設(shè)計時賦予的可靠水平。

環(huán)境應(yīng)力篩選的原理是基于“浴盆曲線”的基本理論。產(chǎn)品的可靠性有時取決于產(chǎn)品的失效率，產(chǎn)品的失效率隨著工作的時間變化會具有不一樣的曲線。

圖2 失效率的“浴盆”曲線圖

依據(jù)可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計和理論研究，發(fā)現(xiàn)由許多失效率曲線或組成部件的設(shè)備系統(tǒng)的典型形態(tài)如圖2所示，它主要分為三個階段：

第一段曲線稱為早期失效期，在最開始的時候，失效率非常高，隨著工作時間的增加，失效率又會快速降低，呈現(xiàn)遞減型。這一現(xiàn)象失效的原因大多為設(shè)計、原料和制造過程中存在明顯的缺陷。這個時期的變化隨系統(tǒng)的規(guī)模和以上情況不同而異。為了減少這一階段的時間，在投入運用以前要進行環(huán)境應(yīng)力篩選，便于及早修正、發(fā)現(xiàn)和除去缺陷，使產(chǎn)品盡可能的到達穩(wěn)定的失效期。

第二段曲線稱為偶然失效期，也稱為隨機失效期。這個階段的特點是失效率低并且相對穩(wěn)定，往往可看作為常數(shù)，失效率為恒定類型。進行產(chǎn)品可靠性指標(biāo)也在這個時期，這一時期的產(chǎn)品失效率是由多種偶然因素引起的，這一階段要盡力做好產(chǎn)品的保養(yǎng)和維護工作，使這一階段盡可能延長。

第三段曲線稱為耗損失效期，這一階段的失效率隨時間的變化而急劇上升，失效率不斷遞增。這一階段，大多數(shù)產(chǎn)品都會失效，這時就可對類似情況采取不同補救措施。

從廠家處了解，ZPW-2000A的發(fā)送器和接收器在出廠檢驗前應(yīng)全部進行高溫運行試驗，設(shè)備在（50±3）°C條件下不通電放置2 h，然后維持低溫條件通電進行測試。測試完成后關(guān)閉低溫設(shè)置，不開啟箱門將設(shè)備再放置約2 h，使其自然恢復(fù)常溫晾干，再將設(shè)備取出低溫箱進入下一步流程。

3.2 老化篩選

老化試驗并不是適用于所有的產(chǎn)品，它只適用于那些失效率符合浴盆曲線的或者其失效率在早期有遞減趨勢的產(chǎn)品。如果產(chǎn)品的失效率一直處于穩(wěn)定狀態(tài)或者有一個遞增的失效率，就沒有必要進行老化篩選，否則只會損害產(chǎn)品的有效壽命。

根據(jù)過去幾年的生產(chǎn)經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)ZPW-2000A的發(fā)送器和接收器，在早期較容易發(fā)生故障，隨后產(chǎn)品就進入穩(wěn)定。這表明發(fā)送器和接收器的早期失效率確實是遞減的，應(yīng)該進行老化篩選。

很多資料表明，關(guān)于恒定高溫老化的溫度，普通的元器件可達125°C。印刷電路板產(chǎn)品則為（60～80）°C。說明目前50°C的高溫老化在溫度上還有提升的空間。

根據(jù)電子設(shè)備的壽命的經(jīng)驗法則：環(huán)境溫度從室溫每上升10°C，壽命就減少為原來的1/2至1/3。如果使用60°C的老化溫度，則老化時間可以縮短至一半或者更少。

綜合上述分析結(jié)果，并考慮工廠實際情況，考慮值班安排的方便與否，建議可以將發(fā)送器（50±2）°C下的老化時間提高，接收器可以維持目前時間，或是可以縮短一定時間。

通過試驗，進一步完善了整套可靠性評價體系，通過建立可靠性評價體系可以詳細了解不同廠家不同型號設(shè)備的常見故障分布，從而通過精準(zhǔn)施策來降低故障率，提升設(shè)備質(zhì)量。

4 結(jié)束語

本論文以可靠性分析的角度論述，通過收集ZPW-2000A軌道電路發(fā)送器和接收器的現(xiàn)場使用情況，對產(chǎn)品的幾種常見故障進行了分析，同時對發(fā)送器和接收器進行了評估。