薛淑勝 周愛(ài)萍 張 琳

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,210031,南京∥第一作者,教授級(jí)高級(jí)工程師)

基于運(yùn)行信息的機(jī)電繼電器故障率預(yù)測(cè)

薛淑勝 周愛(ài)萍 張 琳

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,210031,南京∥第一作者,教授級(jí)高級(jí)工程師)

電子設(shè)備元器件故障率的預(yù)測(cè)目前大部分根據(jù)通用標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展,降低了故障率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可信性。提出了基于運(yùn)行信息預(yù)測(cè)機(jī)電繼電器故障率的方法。為消除設(shè)計(jì)應(yīng)力的影響,定義了額定故障率,并給出了基于多項(xiàng)目運(yùn)行信息建立額定故障率的模型及計(jì)算方法。以深圳軌道交通4號(hào)線二期工程項(xiàng)目中繼電器的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為例,說(shuō)明額定故障率計(jì)算理論以及在新項(xiàng)目中故障率預(yù)測(cè)的應(yīng)用方法。

機(jī)電繼電器; 故障率; 預(yù)測(cè)

Author′s address CRRC Nanjing Puzhen Co.,Ltd.,210031,Nanjing,China

可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性(RAMS)是產(chǎn)品的內(nèi)在屬性。GB/T 21562—2008[1]規(guī)定,在產(chǎn)品壽命周期的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)階段，需通過(guò)審查、分析、試驗(yàn)和數(shù)據(jù)評(píng)估執(zhí)行RAM程序,通過(guò)審查、分析、試驗(yàn)和數(shù)據(jù)評(píng)估執(zhí)行安全計(jì)劃。組成產(chǎn)品元器件的故障率是數(shù)據(jù)評(píng)估的基礎(chǔ),因此預(yù)測(cè)元器件的故障率就成為關(guān)鍵。

電子設(shè)備元器件故障率多依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。目前，元器件的故障率預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)主要使用國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)為“國(guó)軍標(biāo)”)、美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)為“美軍標(biāo)”)等標(biāo)準(zhǔn)[2-3],這些標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)的是通用元器件故障率預(yù)測(cè)的方法和數(shù)據(jù)。對(duì)于第一次使用的電子設(shè)備元器件,由于沒(méi)有以往的運(yùn)行數(shù)據(jù),用這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)測(cè)是可行的。但對(duì)于已運(yùn)行的電子設(shè)備元器件,利用這些標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)測(cè)卻有不足。這是由于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)是通用的,不是依據(jù)某一供應(yīng)商的產(chǎn)品,因此會(huì)影響預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可信性。

如能基于以往元器件的運(yùn)行數(shù)據(jù),同時(shí)結(jié)合元器件變化的設(shè)計(jì)應(yīng)力進(jìn)行故障率的預(yù)測(cè),就可提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可信性。此外,由于在故障率預(yù)測(cè)時(shí)只需考慮變化的設(shè)計(jì)應(yīng)力因素影響,也減少了預(yù)測(cè)工作量。本文結(jié)合機(jī)電繼電器說(shuō)明基于運(yùn)行信息的元器件故障率預(yù)測(cè)方法。

1 合理確定機(jī)電繼電器設(shè)計(jì)應(yīng)力

美軍標(biāo)MIL—HDBK—217F[2]中，機(jī)電繼電器的故障率預(yù)測(cè)模型為:

式中:

λp——預(yù)測(cè)故障率;

λb——基本故障率;

πL——載荷應(yīng)力系數(shù);

πC——觸點(diǎn)形式系數(shù);

πCYC——?jiǎng)幼魉俾氏禂?shù);

πF——應(yīng)用和結(jié)構(gòu)系數(shù);

πQ——質(zhì)量系數(shù);

πE——環(huán)境系數(shù)。

要預(yù)測(cè)機(jī)電繼電器的故障率,除λb外,還需通過(guò)應(yīng)力模型來(lái)查表[2]或計(jì)算6種應(yīng)力系數(shù)。

影響機(jī)電繼電器故障率的應(yīng)力因素可按圖1進(jìn)行分類。通常情況下,同一供應(yīng)商、同一種規(guī)格的元器件,其質(zhì)量控制、結(jié)構(gòu)是相同的。用于車輛的元器件屬于相同的“平穩(wěn)地面移動(dòng)”環(huán)境,且元器件的使用環(huán)境溫度差別可忽略不計(jì)。因此,對(duì)于車輛用機(jī)電繼電器,影響其設(shè)計(jì)的應(yīng)力因素可定義為載荷應(yīng)力、觸點(diǎn)形式應(yīng)力和動(dòng)作速率三種。當(dāng)然，根據(jù)關(guān)注點(diǎn)不同,也可定義不同的應(yīng)力因素,確定相應(yīng)的設(shè)計(jì)應(yīng)力。

2 額定故障率的定義與計(jì)算公式

額定故障率是設(shè)計(jì)應(yīng)力系數(shù)為1的故障率。對(duì)于機(jī)電繼電器，其設(shè)計(jì)應(yīng)力系數(shù)為:

定義機(jī)電繼電器的額定故障率λr為:

式中:

λw——機(jī)電繼電器的工作故障率。

圖1 機(jī)電繼電器應(yīng)力因素模型

同一項(xiàng)目、起不同作用功能的元器件，可根據(jù)運(yùn)用時(shí)間權(quán)重進(jìn)行項(xiàng)目元器件額定故障率的計(jì)算。同理,也可得到該規(guī)格元器件的額定故障率。 對(duì)于應(yīng)用于多個(gè)項(xiàng)目、起不同功能的機(jī)電繼電器,其額定故障率的計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖2 機(jī)電繼電器額定故障率計(jì)算模型

?實(shí)際故障率λj,k,p的計(jì)算：

式中:

Nj,k——項(xiàng)目j用于功能k的元器件故障數(shù)量;

tj,k——元器件i的功能k在項(xiàng)目j運(yùn)用的時(shí)間;

nj,k——項(xiàng)目j用于功能k的元器件數(shù)量;

kj,k,t——用于功能k的元器件工作時(shí)間與項(xiàng)目j的工作時(shí)間的比例,即使用系數(shù);

tj——項(xiàng)目j的工作時(shí)間。

?功能k額定故障率λj,k,r的計(jì)算：

式中:

Cj,k——項(xiàng)目j用于功能k的元器件設(shè)計(jì)應(yīng)力系數(shù)。

?項(xiàng)目j額定故障率λj,r的計(jì)算：

?元器件在項(xiàng)目j的運(yùn)用時(shí)間tj的計(jì)算：

?元器件額定故障率λr的計(jì)算：

3 基于額定故障率的預(yù)測(cè)

對(duì)于新項(xiàng)目，若選用同一供應(yīng)商、同一規(guī)格的元器件,只要用元器件額定故障率與設(shè)計(jì)應(yīng)力影響系數(shù)相乘，即可得到元器件在新項(xiàng)目中的工作故障率預(yù)測(cè)值。這樣，既提高了可信度,也解決了用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行故障率預(yù)測(cè)時(shí)信息不全無(wú)法預(yù)測(cè)的問(wèn)題,同時(shí)可簡(jiǎn)化故障率預(yù)測(cè)工作量。

新項(xiàng)目機(jī)電繼電器工作故障率值λw為:

式中:

Cnew——機(jī)電繼電器在新項(xiàng)目所用功能的設(shè)計(jì)應(yīng)力系數(shù)。

4 額定故障率計(jì)算與預(yù)測(cè)應(yīng)用舉例

以深圳軌道交通4號(hào)線二期工程項(xiàng)目運(yùn)行的繼電器為例，說(shuō)明額定故障率的計(jì)算,以及在新項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)工作故障率的預(yù)測(cè)。

在深圳軌道交通4號(hào)線二期工程項(xiàng)目中應(yīng)用的機(jī)電繼電器(F670-H4V-XUUY)運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1所示。統(tǒng)計(jì)期間,4號(hào)線二期工程列車?yán)塾?jì)帶電時(shí)間為426 096 h。

?功能額定故障率的計(jì)算：

計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 機(jī)電繼電器F670-H4V-XUUY的運(yùn)行數(shù)據(jù)

表2 功能額定故障計(jì)算結(jié)果

?項(xiàng)目額定故障率的計(jì)算：

?元器件額定故障率的計(jì)算：

對(duì)于已運(yùn)行多個(gè)項(xiàng)目的元器件,可根據(jù)各項(xiàng)目運(yùn)行參數(shù)、設(shè)計(jì)參數(shù)、項(xiàng)目額定故障率數(shù)據(jù),計(jì)算元器件更高級(jí)的額定故障率。

?新項(xiàng)目元器件工作故障率的預(yù)測(cè)：

在新項(xiàng)目中,設(shè)計(jì)時(shí)選用相同規(guī)格的機(jī)電繼電器F670-H4V-XUUY,其設(shè)計(jì)應(yīng)力如表3所示。則設(shè)計(jì)應(yīng)力系數(shù)C=πL×πC×πCYC=10.56。新項(xiàng)目機(jī)電繼電器工作故障率為:λw=λr×C=7.82×10-6。

表3 機(jī)電繼電器F670-H4V-XUUY的設(shè)計(jì)應(yīng)力

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于以往電子設(shè)備元器件的運(yùn)行信息獲得元器件額定故障率的方法,用于新項(xiàng)目的故障率預(yù)測(cè)。給出了機(jī)電繼電器額定故障率的計(jì)算模型和計(jì)算公式,并舉例予以說(shuō)明。該方法可提高故障率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,并獲得高的可信性,從而為進(jìn)一步開(kāi)展可靠性和安全性提供基礎(chǔ)。為做好基于運(yùn)行信息的元器件故障率預(yù)測(cè)工作,建議如下:

(1) 通過(guò)故障報(bào)告、分析和糾正措施系統(tǒng)(FRACAS)收集運(yùn)行信息,為基于運(yùn)行信息的故障率預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐。

(2) 包括機(jī)電繼電器的電子設(shè)備元器件,其故障通常服從指數(shù)分布,但故障的發(fā)生存在偶然性,隨著運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)的增加,預(yù)測(cè)的故障率準(zhǔn)確性和可信性也會(huì)增加。

[1] Department of Defense United States of America.Reliability prediction of electronic equipment:MIL-HDBK-217F[S].1991.

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.軌道交通可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性規(guī)范及示例：GB/T 21562—2008[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008：15-21.

[3] 中國(guó)人民解放軍總裝備部.電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)：GJB/Z 299C—2006[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006:137-147.

Failure Rate Prediction of the Electromechanical Relays Based on Operational Information

XUE Shusheng, ZHOU Aiping, ZHANG Lin

At present, most of the failure rate predictions of electronic components are based on the working standards, which reduced the accuracy and credibility of the failure rate prediction. In this paper, a method to predict the failure rate of electromechanical relays based on the actual operational information is presented. In order to eliminate the effect of designed stress, a rated failure rate is defined, a model and calculation method of the rated failure rate is built up with consideration of the multi-project operating information. In addition, the operating data of the electromechanical relays in the 2nd stage of Shenzhen rail transit Line 4 project are used to describe the calculation theory of the rated failure rate and the application method of the failure rate prediction in new projects.

electromechanical relay; failure rate; prediction

TM 581.7

10.16037/j.1007-869x.2017.01.008

2015-03-20)