ZPW-2000A中發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段

1 引言

在中國，鐵路是國家的重要基礎設施、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，所以經濟、快捷的鐵路普遍占有更大的優勢，成為一種被廣泛使用的運輸方式。

鐵路信號設備是保證鐵路行車安全的重要環節。隨著鐵路信號技術的發展和鐵路信號的廣泛應用，鐵路信號也成為提高鐵路區間和車站通過能力、增加鐵路運輸經濟效益、改善鐵路員工勞動條件的一種現代化科學管理手段和技術。

ZPW-2000A型無絕緣軌道電路是在法國UM71無絕緣軌道技術引進、國產化基礎上、結合國情進行的技術再開發，較之UM71，ZPW-2000A無絕緣軌道電路在傳輸安全性、系統可靠性、傳輸長度上在結合了我國國情的基礎上，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，缺乏以維修數據為基礎的實際定量分析，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 數據分析

2.1 數據收集及統計

由于我國鐵路系統可靠性分析與研究處于起步階段，ZPW-2000A發送器和接收器生產廠商沒有產品壽命試驗數據的整理和記錄，因此，無法獲得試驗數據。

為了實現發送器和接收器的可靠性分析，經過反復研究，本文確定了收集2018年1至6月不同廠家生產的發送器和接收器的返廠維修相關數據，力求通過現場數據進行可靠性分析。

2018年1月至6月，設備返所器材數量76件，其中不良設備數量45件。現針對我車間設備器材不良返所情況，在設備生產廠家、器材分類、設備型號、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月數據分析圖如圖1所示。

圖1 2018年1月～6月數據分析圖

（1）按生產廠家返所統計，可以得出主要不良設備的生產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）進行核實統計并進行比對，設備使用情況以上海瑞信器材有限公司生產的設備使用量最大。其中上半年北京鐵路信號工廠不良設備返所主要是ZPW-2000類ZPW.F（3臺）和ZPW.F-K（7臺）發送器。

（3）發送器材故障原因：現場主要反映測試無電壓輸出、電壓波動、現場使用絕緣不良、發送盒回所測試無數據采集為突出原因。

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

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

2.2 分析結論

根據收集到的返修數據進行分析，再通過以往檢修經驗可以了解到，發送器的功放板、數字板，接收器的CPU板、數字板都是較易出現故障的。這些部分由于要執行發送器和接收器的主要功能，集成的元件較多，電路較為復雜，故比較容易出現故障。

發送器中晶振、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。

建議設計、生產部門應重點對這幾個部分重新進行分析，盡量降低這些故障的發生，以提高設備的可靠性。

另外，因底座簧片、底座端子、網罩、減震墊等的故障導致設備不能正常工作的情況也不少見，建議應重視這些外圍非電子裝置。同時，從環境應力篩選的角度看，建議在出廠前的老化試驗中增加檢測環節。

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

3 評估試驗

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

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

3.1 環境應力篩選試驗

環境應力篩選是利用外加的環境應力，使潛存于產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，然后利用適當的檢測方法將這些帶有瑕疵的產品找出來予以剔除，或對其進行檢修，以便提高產品的制造質量，維持設計時賦予的可靠水平。

環境應力篩選的原理是基于“浴盆曲線”的基本理論。產品的可靠性有時取決于產品的失效率，產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

依據可靠性數據統計和理論研究，發現由許多失效率曲線或組成部件的設備系統的典型形態如圖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，呈現遞減型。這一現象失效的原因大多為設計、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的規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境應力篩選，便于及早修正、發現和除去缺陷，使產品盡可能的到達穩定的失效期。

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定，往往可看作為常數，失效率為恒定類型。進行產品可靠性指標也在這個時期，這一時期的產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品的保養和維護工作，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，大多數產品都會失效，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的發送器和接收器在出廠檢驗前應全部進行高溫運行試驗，設備在（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。測試完成后關閉低溫設置，不開啟箱門將設備再放置約2 h，使其自然恢復常溫晾干，再將設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品。如果產品的失效率一直處于穩定狀態或者有一個遞增的失效率，就沒有必要進行老化篩選，否則只會損害產品的有效壽命。

根據過去幾年的生產經驗，發現ZPW-2000A的發送器和接收器，在早期較容易發生故障，隨后產品就進入穩定。這表明發送器和接收器的早期失效率確實是遞減的，應該進行老化篩選。

很多資料表明，關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。

根據電子設備的壽命的經驗法則：環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備的常見故障分布，從而通過精準施策來降低故障率，提升設備質量。

4 結束語

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