動(dòng)車(chē)組用LED主照明燈具壽命特性研究

段曉霞,吳超云,吳志遠(yuǎn),趙計(jì)勝,郭云健

(1.中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司，河北 唐山 063000；2.廣電計(jì)量檢測(cè)(北京)有限公司，北京 102600)

LED燈具有節(jié)能環(huán)保、智能操控、響應(yīng)時(shí)間短、壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此采用LED做燈具照明已成為軌道交通車(chē)輛照明的趨勢(shì)，但在運(yùn)用中LED燈具出現(xiàn)明顯光衰、照度均勻性變差、頻閃、燈具異響等問(wèn)題，嚴(yán)重影響照明效果[1]。因此評(píng)估LED燈具的剩余壽命特性，量化高級(jí)修時(shí)的照明指標(biāo)，對(duì)于判斷燈具能否繼續(xù)服役至關(guān)重要[2]。

1 燈具壽命特性

試驗(yàn)樣品為12件某型動(dòng)車(chē)組內(nèi)部照明系統(tǒng)部件，產(chǎn)品標(biāo)稱(chēng)功率為18 W，使用時(shí)間約為8年左右。

對(duì)照明系統(tǒng)部件的壽命特性研究，關(guān)鍵在于分析其性能技術(shù)參數(shù)隨使用時(shí)間的衰減趨勢(shì)，并根據(jù)衰減量選取主要性能指標(biāo)。通過(guò)利用功率分析儀、積分球測(cè)試系統(tǒng)和分布光度計(jì)測(cè)試系統(tǒng)等檢測(cè)設(shè)備，測(cè)試12組待高級(jí)修的LED燈具(表1)的功率、光效、顯色指數(shù)、色漂移等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，分析產(chǎn)品性能衰減情況，確定燈具剩余壽命評(píng)估的關(guān)鍵指標(biāo)。

表1 燈具實(shí)測(cè)參數(shù)平均值

(1)樣品實(shí)際測(cè)量的光效平均為79.9 lm/W，而近兩年LED燈具光效水平為120 lm/W左右，樣品質(zhì)量欠佳。樣品燈具經(jīng)6 000 h室溫點(diǎn)燈試驗(yàn)后光通量相較于初始值下降了4%～5%，衰減較為明顯。

(2)平均實(shí)測(cè)功率約為15.6 W，功率衰減13%左右。

(3)顏色指標(biāo)：樣品為暖白色調(diào)，色溫在4 000 K左右。實(shí)測(cè)6 000 h室溫點(diǎn)燈試驗(yàn)后顏色指標(biāo)衰減基本在0.3%以?xún)?nèi)，幾乎無(wú)衰減。

綜上可知，從樣品的衰減趨勢(shì)來(lái)看，光效(光通量與輸入功率之比)和功率衰減相對(duì)較為明顯，顏色指標(biāo)衰減不明顯。因此選取光通量衰減趨勢(shì)作為燈具剩余壽命評(píng)估的關(guān)鍵指標(biāo)[3]。

2 壽命特性研究

2.1 樣品試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)相關(guān)國(guó)標(biāo)要求，對(duì)上述12件樣品進(jìn)行6 000 h室溫點(diǎn)燈試驗(yàn)及1 000 h的55 ℃高溫加速試驗(yàn)，通過(guò)分析試驗(yàn)每階段光通量的衰減量并擬合光通量的衰減曲線，從而得到光通量的衰減常數(shù)、燈具的激活能以及高溫加速因子，并最終對(duì)LED燈具的剩余壽命[4-5]進(jìn)行預(yù)估。

2.2 室溫點(diǎn)燈試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 33720—2017《LED 照明產(chǎn)品光通量衰減加速試驗(yàn)方法》及GB/T 33721—2017《LED 燈具可靠性試驗(yàn)方法》要求，在溫度(25±1)℃、最大相對(duì)濕度65%的無(wú)對(duì)流風(fēng)空間下，使LED燈具穩(wěn)定工作6 000 h，并每隔1 000 h測(cè)試其光通量。樣件為上述12件樣品中抽取的2件，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 室溫點(diǎn)燈光通量測(cè)試數(shù)據(jù) lm

對(duì)被試樣本6 000 h后光通量測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)0數(shù)據(jù)的歸一化處理，并對(duì)歸一化得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均值計(jì)算，得到該組樣品在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)相對(duì)于0 光通量的光通維持率的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 樣品光通維持率

根據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，燈具光通量衰減遵循自然指數(shù)規(guī)律，則使用以下公式進(jìn)行擬合

lnφ=lnB-α×t

(1)

式中：φ——平均歸一化后流明輸出；

B——初始常數(shù)；

α——衰減系數(shù)；

t——點(diǎn)燈時(shí)間，h。

對(duì)每型號(hào)光通維持率取對(duì)數(shù)，表4為對(duì)數(shù)值結(jié)果。

表4 樣品光通維持率對(duì)數(shù)值

分別對(duì)其中的2個(gè)樣件點(diǎn)燈時(shí)長(zhǎng)和光通維持率對(duì)數(shù)進(jìn)行線性擬合，圖1為擬合結(jié)果。

y.光通維持率對(duì)數(shù)；x.老化時(shí)長(zhǎng)；R2.擬合度。

由圖1可知，在(25±1)℃時(shí)燈具衰減系數(shù)α1為5.93×10-6。并初步推斷當(dāng)光通維持率為0.7時(shí)，18 W燈具剩余壽命為60 314 h≈6.9年。

2.3 加速老化試驗(yàn)

軌道交通車(chē)輛上LED燈具受溫度的影響較大[6-7]，因此溫度應(yīng)力是加速試驗(yàn)的環(huán)境應(yīng)力。目前國(guó)內(nèi)外熱老化壽命研究預(yù)測(cè)中，最重要和最常用的方法是基于Arrhenius模型進(jìn)行外推的計(jì)算方法，選用恒定應(yīng)力加速老化方法，可信度較高[8]。根據(jù)GB/T 33720—2017《LED 照明產(chǎn)品光通量衰減加速試驗(yàn)方法》及GB/T 36361—2018《LED加速壽命試驗(yàn)方法》要求，在(55±2)℃，最大相對(duì)濕度65%的無(wú)對(duì)流風(fēng)空間，LED燈具穩(wěn)定工作1 000 h或測(cè)試光通維持率低于70%時(shí)停止，每250 h測(cè)試一次光通量。表5為樣品加速老化光通量測(cè)試數(shù)據(jù)。

表5 樣品加速老化光通量測(cè)試數(shù)據(jù) lm

對(duì)10個(gè)被試樣本1 000 h光通量測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)0 數(shù)據(jù)的歸一化處理，并對(duì)歸一化得到的多組數(shù)據(jù)進(jìn)行算數(shù)平均值計(jì)算，得到該組樣品在各個(gè)時(shí)間點(diǎn)相對(duì)于0 光通量的光通維持率的數(shù)據(jù)，表6為具體數(shù)據(jù)。

表6 樣品加速老化光通維持率

燈具光通量衰減遵循自認(rèn)指數(shù)規(guī)律lnφ=lnB-α×t，根據(jù)以上數(shù)據(jù)處理，圖2為擬合曲線。通過(guò)擬合公式計(jì)算，55 ℃環(huán)境下，燈具衰減系數(shù)α2為8.05×10-5。根據(jù)擬合結(jié)果，在55 ℃環(huán)境下燈具光通維持率為0.7時(shí)的剩余壽命為4 332 h。

圖2 高溫加速點(diǎn)燈擬合曲線

2.4 LED燈具激活能計(jì)算

根據(jù)以上6 000 h和1 000 h點(diǎn)燈測(cè)試數(shù)據(jù)處理結(jié)果，表7為18 W燈具測(cè)試處理結(jié)果。

表7 18 W燈具測(cè)試數(shù)據(jù)處理結(jié)果

高溫加速老化的Arrhenius加速模型公式如式(2)所示：

(2)

式中：α——衰減常數(shù)；

A——前指因子；

Ea——激活能，eV；

Ts,i——試驗(yàn)溫度，℃；

KB——玻爾茲曼常數(shù)，8.62×10-5eV/K。

(1)通過(guò)Ts,1(25 ℃)及Ts,2(55 ℃)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，推導(dǎo)并計(jì)算LED燈具的激活能Ea：

(3)

將α1、α2、KB帶入上式，得出18 W燈具的激活能為Ea=0.725 eV。

(2)根據(jù)室溫實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與高溫加速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到LED燈具的激活能Ea，并通過(guò)Arrhenius 加速模型計(jì)算55 ℃下LED燈具的加速老化因子AF，計(jì)算公式如式(4)所示。

(4)

式中：Tnormal——使用條件下(非加速條件下)的溫度值，Tnormal=Ts,1=25 ℃；

Tstress——測(cè)試條件下(加速條件下)的溫度值，Tstress=Ts,2=55 ℃。

將Ea、KB、Ts,1、Ts,2帶入上式，得出加速因子AF=13.21。

2.5 小結(jié)

(1)LED燈具(18 W)在55 ℃高溫加速老化環(huán)境下，加速倍數(shù)為13.2倍。

(2)當(dāng)光通量衰減率為0.7時(shí)，燈具55 ℃下剩余壽命為4 332 h相當(dāng)于室溫環(huán)境(25 ℃)下57 240 h(約6.5年)，這一結(jié)論與室溫點(diǎn)燈壽命預(yù)測(cè)結(jié)果幾乎相同。

3 結(jié)論

本文基于 Arrhenius模型原理的加速老化壽命預(yù)測(cè)法，來(lái)對(duì)LED燈具壽命進(jìn)行評(píng)估。選取五級(jí)修修正產(chǎn)品作為研究對(duì)象，得到了產(chǎn)品高溫加速老化試驗(yàn)加速因子的計(jì)算公式。

通過(guò)高溫點(diǎn)燈試驗(yàn)，根據(jù)光通量自認(rèn)指數(shù)規(guī)律擬合退化曲線，以此評(píng)估室溫點(diǎn)燈產(chǎn)品的剩余壽命。光通量自認(rèn)指數(shù)規(guī)律可用于LED室內(nèi)燈具產(chǎn)品在車(chē)輛設(shè)計(jì)最多使用年限及燈具剩余使用年限的評(píng)估，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供參考。