地鐵車輛小型電器設備加速試驗在線測試系統

尹洪權

（中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

地鐵車輛小型電器設備是關系車輛運行安全的重要電子器件，對小型電器設備進行實時狀態監測、準確提出維修維護建議、預測剩余壽命，不僅可以保證車輛運行安全，還可以降低當前維修維護模式的經濟損失[1?4]。

加速試驗是在不改變產品失效機理前提下對產品加載高于正常使用條件的應力，加快產品失效或性能退化，通過對加速應力下的電性能退化數據進行統計分析，預測產品正常使用壽命指標的一種技術途徑[5]。對于高可靠的小型電器設備采用加速試驗可以大大縮短試驗周期，提高試驗效率，節約試驗經費[6]。對各電器設備進行加速壽命試驗是進行可靠性研究的重要基礎，也是獲取小型電器設備性能狀態評估指標的重要手段。

目前國內外現有的針對小型電器設備的在線測試平臺設備種類、數量較少，且大多存在操作復雜、制作成本高、功能單一等問題，尤其少有能夠對車輛小型電器設備進行集中統一的加速試驗平臺。主要因為存在以下幾個難點：（1）不同地鐵車輛小型電器部件對電源要求不同，測試系統的電源需要能夠同時實現交直流、可調壓、大功率、高精度等要求；（2）小型電器設備加速試驗需要測量的參數較多，無法依靠單一測試設備進行測試；（3）測試過程人為誤差難以避免。

基于以上難點及小型電器的在線測試需求，本文提出了一種基于加速試驗的地鐵車輛小型電器設備在線測試系統，下文對該系統進行詳述。

1 測試系統組成及工作原理

本文在線測試系統由加速試驗的老化試驗箱、電源、測試鏈路、測試設備、計算機測試系統組成。老化試驗箱根據加速試驗的溫度、濕度、振動要求提供相應的加速環境，電源依據小型電器設備的工作要求提供電壓保證小型電器設備的正常工作，測試設備對不同被測件進行測試參數采集，計算機測試系統實現對采集數據的檢查、存儲、處理，以便后續可靠性研究。

本文設計的基于加速試驗的地鐵車輛小型電器設備在線測試系統，具備以下功能：（1）依據加速試驗和被測件的工作要求，為小型電器設備提供程控、可調壓的交直流電源；（2）對地鐵車輛的多種小型電器設備單獨試驗，根據不同被測件的工作特性，設置相應負載完成電性能參數的測試；（3）實時檢測小型電器設備的電特性參數，將測試數據經過計算機測試系統展示以便測試人員檢查，并依據測試數據判斷被測件的失效情況；（4）在被測件發生失效故障或達到老化試驗要求時，發出警報提示工作人員及時終止試驗。

本文設計的測試系統具有以下特點：（1）能夠滿足小型電器設備加速壽命試驗需要的基本測試項目，可測試的電性能參數如表1 所示；（2）測試依靠在線平臺插件進行，減少人為操作的誤差，測試精度高；（3）無需反復調整測試設備，測試操作簡便。

表1 測試項目表

2 測試平臺硬件設計

硬件平臺硬件系統組成如圖1 所示。應力加載區實現對被測件的溫度、濕度、振動3 個方面的老化加速加載，電源為被測件提供脈沖式電源以實現被測件的規律通斷模擬實際工作，可調負載電阻用于進行電參數測試，集成測試設備對被測件進行各項電性能參數測試，交換機用于存儲、訪問、傳輸數據，測試計算機負責將測試的數據進行統一處理。

圖1 測試系統硬件示意圖

2.1 電源設計

為了覆蓋地鐵車輛小型電器設備電性能測試時的電源需要交直流轉換及調壓的需求，本測試系統提供程控、可調壓的直流以及交流電源。電源設計原理圖如圖2所示。

圖2 電源設計原理圖

直流供電部分利用交直流變換器將市電輸入的交流電壓變換為固定電壓，再通過開關預穩壓和線性穩壓同步調節器保證電源調整管的電壓差為恒定值，提高效率[7?8]。

交流供電部分采用正弦脈寬調制技術，以任意波形發生器的輸出為參考基準，根據等效面積原理，生成所需波形的等效PWM 波[9?10]。通過控制逆變電路中開關的通斷，獲得恒幅值的高頻調制波形，整形濾波后得到需要的輸出波形。ARM 是程控電源的核心，實現了電源高精度實時控制和波形任意發生的需求。

2.2 測試鏈路設計可行性驗證

為了驗證測試平臺測試電路的可行性及可靠性，以地鐵車輛電磁繼電器為被測對象，對電磁繼電器進行累計50 小時溫度載荷為124 ℃，濕度載荷為95%RH 的溫度濕度雙應力加速試驗。在試驗過程中對電磁繼電器進行在線測試并記錄電磁繼電器各項電性能參數。圖3為使用設計的測試電路單次測試所得數據，可以清晰觀測出電磁繼電器的工作狀態，驗證了測試電路設計的可行性及可靠性。

圖3 測試電路測試結果

2.3 加速老化工況加速因子

2.3.1 溫度、濕度試驗加速因子

溫度、濕度試驗加速因子可使用哈爾伯格-佩克模型（Hallberg-Peck Model）進行計算，Hallberg-Peck 模型綜合考慮了溫度、濕度影響，是在Arrhenius 模型上的延伸。Hallberg-Peck 模型中的溫、濕度加速因子計算模型如式（1）所示[11]。

式中，RHs 為試驗應力時施加的相對濕度；RHu 為實際工作相對濕度；n為濕度加速率常數，選擇3；Ea 為激活能，介于0.3 eV～1.2 eV，電子產品取0.6 eV；K 為玻爾茲曼常數；Tu為實際工作環境溫度，絕對溫度（單位為K）；Ts為試驗應力時環境溫度，絕對溫度（單位為K）。

2.3.2 隨機振動試驗加速因子

振動試驗通過對元器件、零部件及整機施加振動載荷評定產品在實際使用環境中的抗振能力。振動試驗中，試驗時間和實際壽命時間與試驗加速度和實際應力加速度的關系可依據GB/T 21563-2008《軌道交通機車車輛設備沖擊和振動試驗》[12]確定。

式中,Ts為實際運行壽命；Tt為振動試驗時間；AS為運行加速度；At為試驗加速度；m為常數，金屬材料選4。

3 測試平臺軟件架構設計

計算機測試系統軟件由服務端軟件和測試客戶端軟件組成，測試客戶端軟件采用通用平臺+插件架構。通用平臺應能夠實現系統基礎、核心功能，并能夠自動加載、運行、管理各個插件模塊的功能。各種功能模塊和顯示界面模塊以插件的形式存在。

計算機測試系統采用分層式體系架構，如圖4 所示。應用層提供一體化界面展現，并支持插件式動態加載；業務服務層提供測試及數據處理功能，且功能可擴展；基礎設施層提供測試系統運行必需的硬件基礎。

圖4 計算機測試系統軟件層次結構圖

數據采集模塊主要功能：通過插件接入接口實現各項性能參數的測試子系統，通過通用平臺按照實際情況設置參數對測試終端進行控制，如小型電器的工作電壓、工作時間、通斷頻率等。

數據處理模塊主要功能：（1）測試數據存儲：將測試所得數據進行集中存儲并備份。（2）測試數據顯示：將測試所得數據通過程序運行顯示，以便試驗中進行實時檢查、校正。（3）原始電信號處理：對試驗采集到的數據進行處理、計算，得出小型電器設備的電性能參數，為之后的電壽命分析做準備。（4）異常數據剔除：在進行電壽命分析之前，對原始信號預處理模塊處理所得的電器設備電性能參數進行處理，使用3σ 原則對數據進行篩選，剔除偏離數據的異常值，并對缺少的數據進行補充。

以所測電磁繼電器1 為例，圖3 為數據處理模塊對在線測試數據進行實時顯示，表2 為數據處理模塊對原始電信號處理及異常數據剔除后的電磁繼電器性能參數，表明了測試平臺軟件系統設計的可行性。

表2 電磁繼電器參數表

4 在線測試流程

傳統小型電器設備的加速老化試驗測試任務通常需要通過手動配置方式進行測試，本系統可支持自動化流程執行測試任務，在線測試流程示意圖如圖5所示。

圖5 在線測試流程示意圖

首先確定加速老化試驗方案，根據電壽命分析要求，通過查閱文獻及標準確定被測件需要測試的參數，確定老化因子并換算出加速老化試驗的溫度、濕度。在做好理論基礎之后，即可依托本文設計系統進行加速老化試驗并進行在線測試。

在準備階段，將老化試驗箱設置指定的溫度、濕度，調試測試系統硬件設備，運行在線測試軟件；待準備完畢，即可設定當次測試時長，調整電源設置以滿足被測件工作要求，調節測試硬件設備以進行在線測試，開始測試。

測試過程中，老化試驗箱將保持設置的溫度、濕度及振動條件加速被測件的老化進程，電源將以設置的頻率向測試回路供電使被測件有規律地通斷來模擬實際工作，測試設備將在設定的參數下對被測件進行各電性能參數表征數據的測試，通過實時傳輸，測試計算機將所得數據進行存儲并通過程序繪圖顯示每次測試所得數據情況。

當老化試驗箱運行時長達到當次測試設置時間，將自動恢復至室溫，測試終止。測試計算機對數據進一步預處理獲得電性能參數并顯示各參數在試驗過程中的變化曲線，備份原始數據。

5 結論

本文探討了在同一測試平臺實現多種地鐵車輛小型電器設備加速試驗電性能參數在線測試方法，通過可行性試驗驗證在線測試系統中加速老化試驗測試鏈路的有效性及可靠性，提出了面向服務的服務端軟件設計和平臺＋插件的應用端軟件架構，可支持數據存儲、數據顯示化、數據預處理等功能，能夠顯著提升測試效率，具有良好的擴展性。

本文提出的設計思路及測試方法具有良好的測試性能和工程實用性，可為地鐵車輛小型電器設備加速試驗的在線測試平臺提供設計參考。