基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的機(jī)車變流器功率模塊可靠性預(yù)測(cè)

趙節(jié)芳 馬連鳳 靳曉姣

摘要：本文通過(guò)研究現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)特性后進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，基于數(shù)據(jù)利用可靠性分析軟件分析了最佳失效分布類型及對(duì)應(yīng)的分布參數(shù)，并對(duì)擬合的失效分布進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，確定了功率模塊的失效分布函數(shù)和可靠度函數(shù)，以此開(kāi)展了功率模塊使用階段的可靠性預(yù)測(cè)，為預(yù)防性維修修程的制定提供數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，本文提供的方法為軌道交通行業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析時(shí)提供參考。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，可靠性預(yù)測(cè)，預(yù)防性維修，失效分布，假設(shè)檢驗(yàn)

引言

目前，軌道交通機(jī)車組檢修修程多以計(jì)劃預(yù)防修為主，修程通常較為保守。例如變流器功率模塊一般在未達(dá)到使用壽命就被更換下來(lái)，造成維修成本增加，給軌道交通系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)造成了壓力。如何在保證安全可靠的同時(shí)延長(zhǎng)維修更換周期，降低維修成本，需要進(jìn)行可靠性分析，預(yù)測(cè)現(xiàn)行預(yù)防性維修周期下功率模塊的可靠度及中位壽命。本文通過(guò)收集及統(tǒng)計(jì)分析大量的機(jī)車變流器功率模塊實(shí)際運(yùn)用數(shù)據(jù)，進(jìn)行可靠性預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果可為延長(zhǎng)維修周期、降低成本提供數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

可靠性數(shù)據(jù)特性

可靠性數(shù)據(jù)來(lái)源于產(chǎn)品壽命周期各階段的一切可靠性活動(dòng)，本次分析數(shù)據(jù)是從實(shí)際使用現(xiàn)場(chǎng)收集得到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)品開(kāi)始工作至故障的時(shí)間（故障時(shí)間）及開(kāi)始工作至統(tǒng)計(jì)時(shí)還未故障的工作時(shí)間（無(wú)故障工作時(shí)間），這類似于隨機(jī)截尾試驗(yàn)，因此現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)具有隨機(jī)截尾的特性。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

根據(jù)隨機(jī)截尾特性進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，首先確定樣本范圍為從產(chǎn)品上線至今，再統(tǒng)計(jì)可靠性數(shù)據(jù)，包括故障時(shí)間和無(wú)故障工作時(shí)間。統(tǒng)計(jì)故障時(shí)間時(shí)，僅統(tǒng)計(jì)能反映產(chǎn)品可靠性的有效關(guān)聯(lián)故障，統(tǒng)計(jì)項(xiàng)點(diǎn)包含產(chǎn)品編號(hào)、上線日歷時(shí)間t1、故障日歷時(shí)間t2、每天平均工作小時(shí)數(shù)h，將統(tǒng)計(jì)截止日歷時(shí)間設(shè)為t3，則：

2可靠性預(yù)測(cè)

2.1 數(shù)據(jù)擬合及最優(yōu)分布分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的目標(biāo)是獲取產(chǎn)品總體的性質(zhì)，根據(jù)所選取的樣本對(duì)總體的分布做出合理的統(tǒng)計(jì)推斷。本次基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)利用RELEX軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合及擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，采用點(diǎn)估計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，常用的點(diǎn)估計(jì)有：矩估計(jì)、極大似然估計(jì)等，其中極大似然估計(jì)具有通用性且最精確。擬合結(jié)果如圖1，可以看出最優(yōu)分布是兩參數(shù)指數(shù)分布，大量的試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)證明，電子產(chǎn)品的壽命服從指數(shù)分布，本次以兩參數(shù)指數(shù)分布進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。

2.1.1 參數(shù)估計(jì)

指數(shù)分布的失效分布函數(shù)F（t）和可靠度函數(shù)R（t）分別為：

使用RELEX對(duì)兩參數(shù)指數(shù)分布進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，得到刻度參數(shù)θ為66074，位置參數(shù)γ為6.732，同時(shí)得到可靠度與時(shí)間關(guān)系圖（圖2），獲得功率模塊失效時(shí)間分布，以便進(jìn)行可靠性分析，預(yù)測(cè)給定可靠度下功率模塊的運(yùn)行時(shí)間以及給定運(yùn)行時(shí)間下功率模塊的可靠度。

2.1.2 假設(shè)檢驗(yàn)

參數(shù)估計(jì)后需通過(guò)假設(shè)檢驗(yàn)判斷原假設(shè)的真實(shí)性，本次選用檢驗(yàn)精度更高、計(jì)算更簡(jiǎn)便的K-S檢驗(yàn)法進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)，步驟為：先將分析數(shù)據(jù)從小到大排列，再計(jì)算每個(gè)失效數(shù)據(jù)的 ，將其與經(jīng)驗(yàn)分布函數(shù)的 進(jìn)行比較并計(jì)算差值，取差值的絕對(duì)值最大值即為K-S檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量 （式5）; 為在顯著性水平α下的檢驗(yàn)臨界值;當(dāng) ≤ 時(shí)，不拒絕原假設(shè)，否則拒絕原假設(shè)。對(duì)于大于50的大樣本數(shù)據(jù)，在顯著性水平α為5%下，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式6計(jì)算檢驗(yàn)臨界值 。

2.2 可靠性預(yù)測(cè)

根據(jù)以上可靠性模型、失效分布函數(shù)、可靠度函數(shù)及可靠性參數(shù)，進(jìn)行功率模塊可靠性預(yù)測(cè)。

現(xiàn)行的機(jī)車功率模塊維修策略為C5修時(shí)進(jìn)行維修，C6修時(shí)更換，現(xiàn)計(jì)算C5、C6修時(shí)的可靠度。C5修時(shí)的工作時(shí)間約為6年即12504小時(shí)，C6修時(shí)的工作時(shí)間約為12年即25008小時(shí)，代入式8計(jì)算可靠度分別為0.7937、0.63。同理，可計(jì)算可靠度為0.5時(shí)的工作時(shí)間為37546小時(shí)，即此時(shí)在線使用的功率模塊將有50%失效，該時(shí)間遠(yuǎn)大于C6修更換功率模塊的時(shí)間，該結(jié)果可為延長(zhǎng)維修功率模塊更換周期提供數(shù)據(jù)支撐。

同樣地，將可靠性參數(shù)和C5、C6修對(duì)應(yīng)的時(shí)間代入式7可分別得到C5、C6修時(shí)的失效概率為0.2063、0.37，該結(jié)果可為備件策略的制定提供數(shù)據(jù)支撐。

3結(jié)論

本次基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，利用可靠性分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，分析失效分布，并進(jìn)行參數(shù)估計(jì)和假設(shè)檢驗(yàn)，確定了失效分布類型及函數(shù)，最終對(duì)功率模塊進(jìn)行了可靠性預(yù)測(cè)，分析結(jié)論可為延長(zhǎng)功率模塊的維修更換周期和制定備件策略提供數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻(xiàn)

【1】趙宇，楊軍，馬小兵.可靠性數(shù)據(jù)分析教程【M】 北京：北京航空航天大學(xué)出版社 2009.

【2】鮑超.基于Minitab的地鐵車輛光電式速度傳感器可靠性分析【J】 機(jī)電工程技術(shù)2019年第48卷第05期.

作者簡(jiǎn)介：趙節(jié)芳（1979年5月—），女，漢族，籍貫：山西省運(yùn)城市，本科學(xué)歷，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榭煽啃约夹g(shù)及工程應(yīng)用。