基于運行信息的機電繼電器故障率預測

薛淑勝 周愛萍 張 琳

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

基于運行信息的機電繼電器故障率預測

薛淑勝 周愛萍 張 琳

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

電子設備元器件故障率的預測目前大部分根據通用標準開展,降低了故障率預測的準確性和可信性。提出了基于運行信息預測機電繼電器故障率的方法。為消除設計應力的影響,定義了額定故障率,并給出了基于多項目運行信息建立額定故障率的模型及計算方法。以深圳軌道交通4號線二期工程項目中繼電器的實際運行數據為例,說明額定故障率計算理論以及在新項目中故障率預測的應用方法。

機電繼電器; 故障率; 預測

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

可靠性、可用性、可維護性和安全性(RAMS)是產品的內在屬性。GB/T 21562—2008[1]規定,在產品壽命周期的設計與實現階段，需通過審查、分析、試驗和數據評估執行RAM程序,通過審查、分析、試驗和數據評估執行安全計劃。組成產品元器件的故障率是數據評估的基礎,因此預測元器件的故障率就成為關鍵。

電子設備元器件故障率多依據標準進行預測。目前，元器件的故障率預測標準主要使用國家軍用標準(以下簡為“國軍標”)、美國軍用標準(以下簡為“美軍標”)等標準[2-3],這些標準針對的是通用元器件故障率預測的方法和數據。對于第一次使用的電子設備元器件,由于沒有以往的運行數據,用這些標準進行預測是可行的。但對于已運行的電子設備元器件,利用這些標準進行預測卻有不足。這是由于標準數據是通用的,不是依據某一供應商的產品,因此會影響預測的準確性和可信性。

如能基于以往元器件的運行數據,同時結合元器件變化的設計應力進行故障率的預測,就可提高預測的準確性和可信性。此外,由于在故障率預測時只需考慮變化的設計應力因素影響,也減少了預測工作量。本文結合機電繼電器說明基于運行信息的元器件故障率預測方法。

1 合理確定機電繼電器設計應力

美軍標MIL—HDBK—217F[2]中，機電繼電器的故障率預測模型為:

式中:

λp——預測故障率;

λb——基本故障率;

πL——載荷應力系數;

πC——觸點形式系數;

πCYC——動作速率系數;

πF——應用和結構系數;

πQ——質量系數;

πE——環境系數。

要預測機電繼電器的故障率,除λb外,還需通過應力模型來查表[2]或計算6種應力系數。

影響機電繼電器故障率的應力因素可按圖1進行分類。通常情況下,同一供應商、同一種規格的元器件,其質量控制、結構是相同的。用于車輛的元器件屬于相同的“平穩地面移動”環境,且元器件的使用環境溫度差別可忽略不計。因此,對于車輛用機電繼電器,影響其設計的應力因素可定義為載荷應力、觸點形式應力和動作速率三種。當然，根據關注點不同,也可定義不同的應力因素,確定相應的設計應力。

2 額定故障率的定義與計算公式

額定故障率是設計應力系數為1的故障率。對于機電繼電器，其設計應力系數為:

定義機電繼電器的額定故障率λr為:

式中:

λw——機電繼電器的工作故障率。

圖1 機電繼電器應力因素模型

同一項目、起不同作用功能的元器件，可根據運用時間權重進行項目元器件額定故障率的計算。同理,也可得到該規格元器件的額定故障率。 對于應用于多個項目、起不同功能的機電繼電器,其額定故障率的計算模型見圖2。

圖2 機電繼電器額定故障率計算模型

?實際故障率λj,k,p的計算：

式中:

Nj,k——項目j用于功能k的元器件故障數量;

tj,k——元器件i的功能k在項目j運用的時間;

nj,k——項目j用于功能k的元器件數量;

kj,k,t——用于功能k的元器件工作時間與項目j的工作時間的比例,即使用系數;

tj——項目j的工作時間。

?功能k額定故障率λj,k,r的計算：

式中:

Cj,k——項目j用于功能k的元器件設計應力系數。

?項目j額定故障率λj,r的計算：

?元器件在項目j的運用時間tj的計算：

?元器件額定故障率λr的計算：

3 基于額定故障率的預測

對于新項目，若選用同一供應商、同一規格的元器件,只要用元器件額定故障率與設計應力影響系數相乘，即可得到元器件在新項目中的工作故障率預測值。這樣，既提高了可信度,也解決了用標準進行故障率預測時信息不全無法預測的問題,同時可簡化故障率預測工作量。

新項目機電繼電器工作故障率值λw為:

式中:

Cnew——機電繼電器在新項目所用功能的設計應力系數。

4 額定故障率計算與預測應用舉例

以深圳軌道交通4號線二期工程項目運行的繼電器為例，說明額定故障率的計算,以及在新項目設計時工作故障率的預測。

在深圳軌道交通4號線二期工程項目中應用的機電繼電器(F670-H4V-XUUY)運行數據如表1所示。統計期間,4號線二期工程列車累計帶電時間為426 096 h。

?功能額定故障率的計算：

計算結果如表2所示。

表1 機電繼電器F670-H4V-XUUY的運行數據

表2 功能額定故障計算結果

?項目額定故障率的計算：

?元器件額定故障率的計算：

對于已運行多個項目的元器件,可根據各項目運行參數、設計參數、項目額定故障率數據,計算元器件更高級的額定故障率。

?新項目元器件工作故障率的預測：

在新項目中,設計時選用相同規格的機電繼電器F670-H4V-XUUY,其設計應力如表3所示。則設計應力系數C=πL×πC×πCYC=10.56。新項目機電繼電器工作故障率為:λw=λr×C=7.82×10-6。

表3 機電繼電器F670-H4V-XUUY的設計應力

5 結語

本文介紹了基于以往電子設備元器件的運行信息獲得元器件額定故障率的方法,用于新項目的故障率預測。給出了機電繼電器額定故障率的計算模型和計算公式,并舉例予以說明。該方法可提高故障率預測的準確性,并獲得高的可信性,從而為進一步開展可靠性和安全性提供基礎。為做好基于運行信息的元器件故障率預測工作,建議如下:

(1) 通過故障報告、分析和糾正措施系統(FRACAS)收集運行信息,為基于運行信息的故障率預測提供數據支撐。

(2) 包括機電繼電器的電子設備元器件,其故障通常服從指數分布,但故障的發生存在偶然性,隨著運行時間統計的增加,預測的故障率準確性和可信性也會增加。

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

[2] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.軌道交通可靠性、可用性、可維護性和安全性規范及示例：GB/T 21562—2008[S].北京:中國標準出版社，2008：15-21.

[3] 中國人民解放軍總裝備部.電子設備可靠性預計手冊：GJB/Z 299C—2006[S].北京:中國標準出版社，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)