一種基于加速退化試驗的車端連接器壽命評估方法

昝海斌，盧一鵬，楊存平，杜勝杰，徐立立，吳超云

（1.成都中車四方所科技有限公司，成都 610511；2.資陽中車電氣科技有限公司，資陽 641300；3.廣州廣電計量檢測股份有限公司，廣州 510656）

引言

電連接器要求在各種惡劣的環(huán)境、各種苛刻的條件下可靠地溝通電路、傳遞信息、實現(xiàn)特定的功能[1]，其可靠性直接影響到系統(tǒng)能否可靠地工作，由于電連接器的失效而導(dǎo)致系統(tǒng)故障的事例時有發(fā)生。YH400 系列連接器主要用在動車組間主電路、輔助電路跨接連接，已大批量在CRH2 系列動車組、CRH6 系列動車組、CRH380 系列動車組裝車運用，其失效時有發(fā)生，因此確認(rèn)其故障模式，掌握其使用壽命分步情況，對連接器檢修周期的確定提供參考。

1 壽命試驗方案

根據(jù)連接器的使用環(huán)境，確定對連接器影響最大的環(huán)境應(yīng)力，并通過收集連接器在線上使用過程中出現(xiàn)的故障，分析其故障模式，確定其主要的失效模式。

1.1 故障模式分析

車端連接器最長運行時間已超過10 年，其運行過程中，主要出現(xiàn)的故障模式如表1 所示。

表1 連接器的典型失效模式

經(jīng)分析研究，其中連接器脫落主要是因為在維護保養(yǎng)過程中，操作不當(dāng)而造成，屬于非責(zé)任故障，因此不作為本次研究的主要故障模式。本項目對連接器的密封失效、絕緣失效及接觸對連接失效三種故障模式開展壽命評估研究。

1.2 環(huán)境影響分析

經(jīng)統(tǒng)計分析，該型車端連接器的外部使用自然環(huán)境因素包括：

1）環(huán)境溫度范圍（-55 ～+70）℃；

2）環(huán)境相對濕度95 %以下（該月月平均最低溫度為25 ℃）；

3）海拔高度不大于2 500 m。

車輛運行環(huán)境因素包括：

1）機械振動沖擊環(huán)境作用；

2）濕熱環(huán)境作用；

3）電應(yīng)力環(huán)境作用。

根據(jù)電連接器的主要故障模式，主要為燒損類故障及插針鍍層氧化，此類故障多由于連接器密封失效導(dǎo)致水汽侵入、絕緣電阻降低、接觸電阻變大等現(xiàn)象，從而產(chǎn)生放電、燒損等現(xiàn)象[1～2]?？紤]溫度對連接器尤其是密封件、絕緣件影響較大[3～4]，高溫環(huán)境下易加速此類密封件與絕緣件老化，因此本項目將溫度應(yīng)力作為主要的加速試驗的應(yīng)力。同時，由于振動沖擊等機械應(yīng)力對與連接器的結(jié)構(gòu)破壞較大，有可能造成連接器脫落，但從車輛運行的故障統(tǒng)計來看，此類的故障模式極少概率發(fā)生，并且型式試驗過程中已經(jīng)考核了振動環(huán)境對連接器的影響。因此在連接器壽命試驗方案設(shè)計時，主要考慮溫度環(huán)境對于連接器性能的影響，兼顧振動應(yīng)力對產(chǎn)品壽命的影響，采用施加多應(yīng)力的方式加速連接器失效。

2 連接器壽命研究

2.1 試驗樣品情況及試驗方案設(shè)計

通過調(diào)研被試品主要組件的溫度耐受范圍確定連接器的高溫老化試驗溫度不超過125 ℃。結(jié)合連接器規(guī)范中規(guī)定的高溫工作溫度，確定高溫加速試驗的三個應(yīng)力分別為125 ℃、115 ℃、105 ℃。結(jié)合振動及插拔次數(shù)要求，確定以下（表2）試驗方案，YH400-G50 型連接器及關(guān)鍵部件按照表3 進行高溫老化試驗[3～7]。

每個周期老化、振動及插拔結(jié)束后，按以下要求對被試樣品進行性能測試[8]：

1）連接器檢測順序按照外觀及結(jié)構(gòu)—外殼防護—接觸電阻—溫升—絕緣電阻—耐電壓；

2）電纜密封襯墊樣件、O 型密封圈樣件檢測順序按照：外觀—硬度—拉伸（按照表2 要求送樣至廣電計量）。其中，硬度測試位置在拉伸樣件的兩端進行；

表2 YH400-G50 連接器試驗

3）插頭絕緣臺檢測順序按照：外觀—擊穿電壓。

2.2 試驗結(jié)果分析

2.2.1 關(guān)鍵部件試驗結(jié)果分析

連接器關(guān)鍵部件隨連接器進行了高溫老化試驗，試驗情況如下：

1）O 型密封圈（氯丁橡膠）在125 ℃、115 ℃、105 ℃老化一個周期后顯著硬化，測試YH400-G50 型連接器密封性（IPX7），樣件全部漏水，密封失效；

2）密封襯墊硅橡膠標(biāo)樣，完成了125 ℃下1 000 h，115 ℃下1 500 h，105 ℃下2 000 h 老化試驗，硬度和拉伸強度均呈現(xiàn)增大趨勢，測試結(jié)果均未超出初始值的30 %；

3）插頭絕緣臺，完成了125 ℃下1 000 h，115 ℃下1 500 h，105 ℃下2 000h 老化試驗，硬度及擊穿電壓隨老化時間延長變化不明顯，性能相對較穩(wěn)定；

基于關(guān)鍵部件的試驗結(jié)果分析，確定O 型密封圈為連接器最薄弱部件，密封圈硬化導(dǎo)致連接器密封失效，并以此推斷，O 型密封圈壽命在一定程度上可以等效為連接器壽命，因此建議在車輛檢修過程中重點關(guān)注O 型密封圈的狀態(tài)及時更換。此型號O 型密封圈使用材料為氯丁橡膠，因在125 ℃下200 h 即全部硬化，連接器全部密封失效，其使用壽命相對較短，因此在其材料選型上建議考慮性能更優(yōu)的材料。

2.2.2 連接器試驗結(jié)果分析

在各應(yīng)力水平下，樣品的性能退化，根據(jù)試驗方案假定同一溫度下，連接器性能退化規(guī)律遵循線性退化規(guī)律[]，將測試數(shù)據(jù)使用以下公式進行擬合：

式中：

L—特征參數(shù)壽命；

t —老化時間，單位為小時（h）；

b—初始常數(shù)；

m—衰減系數(shù)。

按照線性擬合公式的一般形式，式（1）可以寫成

根據(jù)式（1）和式（2）可知，y=L，x=1/t

式中：

n—擬合用測試數(shù)據(jù)的點數(shù)。

在線性擬合分析中，需要對x、y 之間相關(guān)程度做出判斷，這就要計算相關(guān)系數(shù)，如果r2越接近于1，表明擬合程度越好。該數(shù)值應(yīng)在報告中給出。r 的計算公式如下：

YH400-G50 型連接器更換密封圈后，完成了125 ℃下1 000 h，115 ℃下1 500 h，105 ℃下2 000 h 老化試驗，性能參數(shù)無失效。根據(jù)試驗結(jié)果依據(jù)上述公式進行擬合，可以看出隨著老化時間的延長，其接觸電阻和漏電流變化不大，溫升呈現(xiàn)明顯增長趨勢，如圖1～3 所示，因此將溫升作為YH400-G50 型連接器的特征參數(shù)，分析其測試數(shù)據(jù)，進行壽命研究。

圖1 連接器接觸電阻隨老化時間變化

2.3 連接器壽命研究

2.3.1 加速模型

本文中選用Arrhenius 加速模型。通過對連接器加速模型的外推得到其偽失效壽命數(shù)據(jù)，將其視為完全壽命數(shù)據(jù)，進行加速試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計推斷，采用威布爾分布的概率密度函數(shù)估計分布的未知參數(shù)以及加速試驗的參數(shù)模型中的未知參數(shù)，給出了加速試驗可靠性評估方法，并基于建立的可靠性統(tǒng)計模型，對系統(tǒng)在不同應(yīng)力下的特征壽命進行可靠性評估[9～11]。

高溫加速老化符合Arrhenius 加速模型：

式中：

v—反應(yīng)速率；

A0—與材料相關(guān)的常數(shù)；

Ea—激活能（eV）；

T—試驗溫度（K）；

k—玻爾茲曼常數(shù)（8.617 3×10-5eV/K）。

由于特征參數(shù)的失效時間與反應(yīng)速率的倒數(shù)成正比，因此公示（6）可以寫成：

式中：

L—壽命；

A—常數(shù)。

為方便數(shù)據(jù)分析，將公式8 兩邊取對數(shù)進行線性化處理，公式（7）可以寫成：

式中：

a—ln(A)為常數(shù)；

b—Ea/k。

按照線性擬合公式的一般形式，公式（8）可以寫成

根據(jù)公式（8）和公式（9）可知，y=ln(L)為壽命的對數(shù)，x=1/T 為溫度的倒數(shù)，m= Ea/k，n= ln(A)為常數(shù)。

2.3.2 壽命評估

通過隨溫升測試數(shù)據(jù)進行分析，考慮105 ℃在第4和第5 周期性能測試環(huán)境改變，測試數(shù)據(jù)異常，因此只選取前3 個周期測試結(jié)果（表3～5）進行數(shù)據(jù)分析擬合，擬合結(jié)果見圖4。以溫升55 K 為截止點，推測三個溫度下溫升55 K 的截止時間如表6 所示。

表6 連接器壽命壽命預(yù)測結(jié)果

圖4 連接器溫升數(shù)據(jù)擬合結(jié)果

表3 連接器125 ℃下溫升隨老化時間變化

圖2 連接器漏電流隨老化時間變化

圖3 連接器溫升隨老化時間變化

高溫加速老化符合Arrhenius 加速模型，壽命預(yù)測結(jié)果按照2.3.1 節(jié)（8）～（10）進行數(shù)據(jù)線性擬合，擬合結(jié)果件表7 和圖5。

圖5 連接器壽命分析結(jié)果

表7 連接器壽命預(yù)測結(jié)果

根據(jù)壽命預(yù)測結(jié)果進行數(shù)據(jù)擬合得到線性關(guān)系：

根據(jù)上式確定m=Ea/k=8 248.1，YH400-50 型連接器激活能Ea=8 248.1×8.617 3×10-5=0.711 eV。

考慮溫升使用過程中，連接器通入大電流，連接器的連接部位處于高溫使用環(huán)境，按照平均使用環(huán)境為65 ℃（338 K）進行預(yù)估，即x=1/T=1/338，帶入公式（10）中得出計算y=ln（L）= 10.955 7，從而得出溫升失效時間為L=57 278 h。按照連接器線上每天使用10 h 進行預(yù)估，則連接器的溫升失效時間約為15.7 年。

表4 連接器115 ℃下溫升隨老化時間變化

表5 連接器105 ℃下溫升隨老化時間變化

2.3.3 加速因子計算

根據(jù)Arrhenius 加速模型，計算高溫環(huán)境下連接器參數(shù)退化的加速因子Af：

式中：

T—連接器使用溫度，按開式溫度338 K（65 ℃）計算；

T′—加速溫度；

Ea—激活能0.711 eV。

將加速溫度帶入公式（11）中，得出398 K（125 ℃）溫度下的加速倍數(shù)約39.6 倍，388 K（115 ℃）溫度下加速倍數(shù)約23.2 倍，378 K（105 ℃）溫度下加速倍數(shù)約13.2 倍。

3 結(jié)論

1）連接器激活能約為0.71 eV；

2）以溫升為壽命特征參量推測連接器性能失效時間：考慮溫升使用過程中，連接器通入大電流，連接器的連接部位處于高溫使用環(huán)境，按其工作狀態(tài)平均溫度65 ℃進行計算，其失效時間為57 277 h。按照連接器線上每天使用10 h 進行預(yù)估，則連接器的性能失效時間約為15.7 年。

3）車端連接器中O 型密封圈為其最薄弱部分，在車輛檢修中應(yīng)重點關(guān)注，同時在材料選型上建議選用性能更優(yōu)的材料。