繼電器貯存可靠性研究方法綜述*

李久鑫, 王召斌, 朱佳淼

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

電磁繼電器是一種電子控制器件,作為經(jīng)典的低壓電器器件,在許多領(lǐng)域都有應(yīng)用,如航空航天、通信、自動(dòng)控制等領(lǐng)域,對(duì)系統(tǒng)能否正常工作起著重要作用。電磁繼電器是通過電路控制線圈,產(chǎn)生電磁吸力來驅(qū)動(dòng)磁路中的可動(dòng)部分,從而控制觸點(diǎn)的控制元件,作為關(guān)鍵元件,有著保護(hù)、控制、調(diào)節(jié)的作用[1]。電磁繼電器結(jié)構(gòu)精密復(fù)雜,因此可靠性較低。隨著使用時(shí)間的增長,電磁繼電器的性能會(huì)進(jìn)行退化,其中電磁繼電器的退化參數(shù)和數(shù)據(jù)對(duì)繼電器可靠性和壽命預(yù)測有著重要參考價(jià)值。通過對(duì)繼電器的退化參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納,得出退化模型,在現(xiàn)有的理論基礎(chǔ)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,并對(duì)退化過程中的特性參數(shù)進(jìn)行研究總結(jié)[2]。

1 繼電器貯存可靠性

1.1 繼電器貯存失效機(jī)理研究

在繼電器可靠性領(lǐng)域,研究電磁繼電器貯存失效機(jī)理對(duì)繼電器壽命預(yù)測有著重要幫助。通過對(duì)繼電器的結(jié)構(gòu)研究處理,分析歸納繼電器貯存失效的原因[3]。通過分析繼電器貯存失效機(jī)理,可延長繼電器使用壽命,使其貯存可靠性得到提升。

產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能稱為失效。如果某個(gè)電器元件在正常工作或運(yùn)行狀態(tài)下,仍具有一定的功能,但在某一時(shí)刻功能就全部失效,一般稱為偶發(fā)失效,如工程上造成的機(jī)械卡死、電路短路等。如果電器元件隨著時(shí)間的增加,性能就逐漸降低,直到無法完成基本的功能,一般稱為退化失效,如元器件電性能的衰退、機(jī)械電子器件的磨損等。在可靠性領(lǐng)域里,通?？煽啃苑治鐾ㄟ^大量的壽命預(yù)測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測分析,從而得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)論。通過研究電磁繼電器的貯存失效機(jī)理和退化過程,有助于進(jìn)一步改善繼電器可靠性。

通過研究繼電器可靠性,歸根到底是收集退化數(shù)據(jù),運(yùn)用可靠性分析方法,推斷繼電器是偶發(fā)失效或退化失效,獲得可靠性指標(biāo)。與繼電器的觸點(diǎn)電侵蝕失效相對(duì)比,越來越多的機(jī)構(gòu)開始研究繼電器故障分析。河北工業(yè)大學(xué)的劉幗巾等[4]對(duì)接觸器式繼電器的失效分析進(jìn)行研究,對(duì)普遍采用的觸點(diǎn)形式進(jìn)行可靠性試驗(yàn),從而分析不同觸點(diǎn)形式的失效水平。貴州大學(xué)張富貴等[5]通過闡述密封繼電器的幾種失效模式,分析各種失效模式的形成機(jī)理,最終得出提高密封繼電器可靠性的措施。

對(duì)于不同負(fù)載的繼電器失效機(jī)理分析,國內(nèi)外研究內(nèi)容相對(duì)較少。如周國鳳[6]運(yùn)用容性負(fù)載和阻性負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn),從試驗(yàn)中找出規(guī)律從而替代電阻負(fù)載。通過數(shù)據(jù)整理得出5 A與10 A觸點(diǎn)負(fù)載對(duì)繼電器可靠性的影響。不同負(fù)載的研究僅停留于分析模擬負(fù)載對(duì)壽命影響。通過材料性質(zhì)來分析負(fù)載對(duì)繼電器壽命預(yù)測的影響,找出切實(shí)有效的可行方法,但并沒有從繼電器失效機(jī)理分析其可靠性[7]。

1.2 貯存可靠性研究現(xiàn)狀

貯存可靠性是指處于一定的貯存空間內(nèi),在一定的時(shí)間內(nèi)器件是良好的狀態(tài),并可以獨(dú)立完成指定的功能任務(wù)。貯存可靠性大多應(yīng)用于導(dǎo)彈武器領(lǐng)域,通常國外相較于國內(nèi)發(fā)展更快,我國對(duì)貯存可靠性方面還有很長的路需要走[8]。

20世紀(jì)60年代初,以美國為首的科研機(jī)構(gòu)開展導(dǎo)彈貯存可靠性試驗(yàn),通過對(duì)器件進(jìn)行貯存,從而對(duì)武器進(jìn)行壽命預(yù)測評(píng)估[9]。20世紀(jì)80年代,我國在貯存可靠性領(lǐng)域研究取得了突破,得到了技術(shù)上的提高。第二次世界大戰(zhàn)后,我國也開始了自主武器的研發(fā)工作,貯存可靠性的研究變得迫在眉睫[10],現(xiàn)在更應(yīng)對(duì)加速貯存試驗(yàn)開始進(jìn)行研究。在六十年代初期,我國通過對(duì)發(fā)射導(dǎo)彈進(jìn)行研究,在發(fā)射地現(xiàn)場進(jìn)行貯存試驗(yàn)從而進(jìn)行壽命預(yù)測。李久祥等[11]對(duì)導(dǎo)彈加速貯存壽命試驗(yàn)技術(shù)開展分析。哈爾濱工業(yè)大學(xué)對(duì)繼電器類機(jī)電元器件進(jìn)行可靠性分析研究工作,國內(nèi)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)也陸續(xù)開始進(jìn)行分析研究[12]。

雖然我國在貯存可靠性領(lǐng)域方面的研究開展較晚,但隨著貯存可靠性的重要性提升,國家大力扶持,繼電器可靠性研究受到國家關(guān)注,許多機(jī)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的研究,并取得了一系列研究成果。

1.3 繼電器貯存可靠性研究現(xiàn)狀

對(duì)于繼電器貯存可靠性的研究,國內(nèi)開展的工作比較少,目前仍處于發(fā)展中。在現(xiàn)階段研究領(lǐng)域,大部分研究的是自然貯存試驗(yàn),繼電器貯存可靠性研究仍任重而道遠(yuǎn)[13]。

在繼電器可靠性方面,目前我國采取的是指定失效分布類型,通過定時(shí)截尾的方法,給出電磁繼電器在特定負(fù)載條件下的可靠性指標(biāo)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,繼電器可靠性領(lǐng)域取得了許多成果,國外學(xué)者C.Wang等[14]將數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析模型與可靠性分析相結(jié)合,通過向量幾何思想可以對(duì)繼電器可靠性進(jìn)行分析。國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)也開始選取故障樹分析方法,對(duì)繼電器進(jìn)行可靠性分析,從而得出對(duì)應(yīng)的解決方法[15]。

總而言之,我國目前對(duì)繼電器貯存可靠性的分析處于一個(gè)相對(duì)稚嫩的階段。想要研究繼電器的貯存可靠性,還需從繼電器的自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行摸索,逐漸形成電磁繼電器的性能退化模型和退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法。肖坤等[16]對(duì)某引信用O型橡膠圈進(jìn)行了可靠性評(píng)估,在50 ℃、60 ℃、70 ℃和80 ℃共4個(gè)溫度進(jìn)行恒加退化試驗(yàn),根據(jù)所得數(shù)據(jù)給出可靠性評(píng)估結(jié)果。Freitas等[17]基于可靠性分析模型研究了火車車輪各個(gè)屬性隨路徑長度的函數(shù)關(guān)系。器件的退化軌跡模型會(huì)根據(jù)外界條件因素影響,產(chǎn)生隨機(jī)性,通過退化軌跡法可以對(duì)總體退化趨勢做出判斷,對(duì)隨機(jī)因素并不能很好地表征。綜上所述,建立退化軌跡模型的方法具有通俗易懂、直接簡單的優(yōu)點(diǎn),并且理論上適用于對(duì)所有離散數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[18]。

2 繼電器退化機(jī)理

2.1 定義

退化是一種能夠引起產(chǎn)品性能發(fā)生變化的一種物理或化學(xué)過程,隨著時(shí)間的增長,產(chǎn)品最后都將失效[19]。通常來說,性能退化與產(chǎn)品的失效有著密不可分的關(guān)系。在正常工作或運(yùn)行過程中,隨著時(shí)間的增長產(chǎn)品的性能逐漸降低,直到無法進(jìn)行正常工作的狀態(tài),那么這種現(xiàn)象稱為退化型失效[20]。

2.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

電器產(chǎn)品的性能退化數(shù)據(jù)具有一定的可靠性信息。通過對(duì)退化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,有利于節(jié)省實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和時(shí)間[21]。因此,基于退化規(guī)律進(jìn)行壽命預(yù)測是解決高可靠性評(píng)估問題的重要方法之一。

在我國,對(duì)繼電器可靠性的試驗(yàn)開展較晚,基于退化規(guī)律的壽命預(yù)測仍探索較少。直到八十年代初,相關(guān)機(jī)構(gòu)才對(duì)電磁繼電器進(jìn)行研究分析。根據(jù)我國出臺(tái)的相關(guān)政策,基于經(jīng)典模擬分析法對(duì)電磁繼電器進(jìn)行測試分析,研究發(fā)現(xiàn)部分試驗(yàn)項(xiàng)目精度要求仍不達(dá)標(biāo)。隨著國內(nèi)可靠性技術(shù)飛速發(fā)展,繼電器的可靠性也得到了提升,國內(nèi)研發(fā)出了更多的電磁繼電器自動(dòng)化檢測裝置[22]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)軍用電器研究所設(shè)計(jì)研發(fā)的電磁繼電器時(shí)間參數(shù)綜合測試分析系統(tǒng),將電磁繼電器的特征信息量采集至上位機(jī),采用邏輯分析法進(jìn)行處理,從而得出相應(yīng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)[23]。張菲菲等[24]針對(duì)繼電器壽命預(yù)測問題,通過超程時(shí)間和吸合時(shí)間進(jìn)行繼電器壽命預(yù)測分析,基于BP神經(jīng)網(wǎng)格建立繼電器可靠性模型。

基于退化規(guī)律的可靠性評(píng)估方法,進(jìn)行相關(guān)可靠性分析。在試驗(yàn)中存在少部分無效信息的情況下,對(duì)電磁繼電器的性能參數(shù)進(jìn)行可靠性分析的方法仍然需要進(jìn)一步改善[25]。因此基于退化規(guī)律進(jìn)行可靠性分析,使其更簡便、快捷地應(yīng)用到繼電器壽命預(yù)測中有著重要意義。

21世紀(jì)初,國內(nèi)許多科研機(jī)構(gòu)對(duì)繼電器可靠性進(jìn)行深度研究,一是提高了精度,可以對(duì)繼電器的特性參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步分析;二是可以獨(dú)立高效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化。在國外,繼電器可靠性分析裝置基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。如日本ARL-0111繼電器壽命預(yù)測試驗(yàn)臺(tái),可以獨(dú)立測試完各個(gè)特性參數(shù),可對(duì)最多8個(gè)觸點(diǎn)進(jìn)行壽命預(yù)測。美國RT160型繼電器壽命試驗(yàn)裝置,可以自動(dòng)測試吸合時(shí)間、吸合電壓、接觸電阻、線圈電阻等參數(shù)[26]。

2.3 性能退化模型

通過分析器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu),研究電器元件的性能退化模型是研究電磁繼電器可靠性的重要問題。通常將退化模型大致分為兩種:退化軌跡模型法和隨機(jī)過程模型法[27]。

退化軌跡模型是通過可靠性分析中的退化數(shù)據(jù)建立模型。當(dāng)退化的數(shù)據(jù)隨時(shí)間呈現(xiàn)函數(shù)關(guān)系且有效擬合時(shí),可以采用退化軌跡模型的方法進(jìn)行可靠性評(píng)估。通過器件的退化數(shù)據(jù)可以得到退化軌跡曲線并計(jì)算出退化軌跡方程[28]。由退化數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性分析時(shí),對(duì)其產(chǎn)品建立模型,并確定其失效標(biāo)準(zhǔn)是十分重要的過程。綜上所述,建立退化軌跡模型的方法理論上適用于對(duì)所有離散數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

針對(duì)隨機(jī)過程模型,我國已經(jīng)開展了大量的研究。在退化建模中的典型隨機(jī)過程模型研究主要包括伽馬過程(Gamma Process)研究、威布爾過程(Weibull Process)研究與維納過程(Wiener Process)研究。Wiener過程、Gamma過程和Weibull過程模型是退化建模中比較典型且研究廣泛的3種隨機(jī)過程[29]。

2.3.1 Wiener過程模型

Wiener過程是Robert Brown在1827年研究懸浮水中的花粉不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)提出的,是一個(gè)重要的獨(dú)立增量過程,其結(jié)構(gòu)比較簡單,也被稱為布朗運(yùn)動(dòng)過程。Wiener過程是一個(gè)重要的連續(xù)時(shí)間隨機(jī)過程,可以用來表述不可知因素[30]。其具有不嚴(yán)格單調(diào)的特性,適用于有增加或減小趨勢的非單調(diào)情況下的建模?？紤]到Wiener過程中累積效應(yīng),能夠較強(qiáng)地描述產(chǎn)品性能參數(shù)退化過程和環(huán)境因素的影響。在基于Wiener過程建立退化模型方面,Park和Padgett對(duì)在加速應(yīng)力條件下進(jìn)行分析,將記錄的特性參數(shù)處理,采用Wiener過程模型推導(dǎo)結(jié)論。通過研究小子樣評(píng)估法,彭寶華等[31]提出了一種壽命預(yù)測方法。該方法適用于退化過程中符合Wiener過程的產(chǎn)品,因?yàn)樾∽訕釉u(píng)估法對(duì)函數(shù)模型是迭代處理的,因此提高了繼電器壽命預(yù)測效率。

2.3.2 Gamma過程模型

電磁繼電器隨著時(shí)間的增加,在使用過程中會(huì)帶來累積損傷,可靠性降低,性能會(huì)發(fā)生退化,同時(shí)電磁繼電器的特性參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。如果特性參數(shù)值越接近失效閾值,發(fā)生失效的可能性也隨之增加,可靠性也越來越低。Gamma模型的退化增量是獨(dú)立的、非負(fù)的,如疲勞、裂紋變化和磨損等情況,比較適合用Gamma過程建造模型[32]。電磁繼電器隨時(shí)間或操作次數(shù)的增加,由于復(fù)雜的物理變化和化學(xué)變化造成損傷不斷累積,繼電器性能退化,同時(shí)電磁繼電器的特性參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化。張英波等[33]通過建立基于Gamma退化過程的壽命預(yù)測模型,運(yùn)用函數(shù)關(guān)系來解決直升機(jī)主減速器行星架的可靠性分析。王浩偉等[34]提出基于Gamma過程進(jìn)行加速老化建模,為可靠性分析試驗(yàn)提供解決方案。劉學(xué)敏利用Gamma過程與Bootstrap法的結(jié)合對(duì)金屬膜電容器進(jìn)行了退化建模。

2.3.3 Weibull過程模型

Weibull分布對(duì)數(shù)據(jù)具有良好的適應(yīng)能力與擬合效果,用于反應(yīng)脆性材料的材料強(qiáng)度,從而得出繼電器可靠性相關(guān)參數(shù),Weibull分布具有遞增的失效率性質(zhì)使得在電子器件壽命預(yù)測方面更加具有優(yōu)勢。Weibull分布存在兩種參數(shù)情況,電器元件的特征參數(shù)普遍可以使用Weibull過程建立相關(guān)退化模型。若退化參數(shù)與貯存為線性關(guān)系,通過線性漂移Weibull過程進(jìn)行建模;若退化參數(shù)與貯存為非線性關(guān)系,則增加一定步驟的轉(zhuǎn)變,然后進(jìn)行相同的步驟進(jìn)行建模Weibull過程具備適用范圍十分廣泛及操作簡單的特點(diǎn),在可靠性領(lǐng)域使用廣泛。

3種性能退化模型適用范圍和優(yōu)點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 3種性能退化模型適用范圍和優(yōu)點(diǎn)對(duì)比

2.4 通過退化規(guī)律進(jìn)行壽命預(yù)測的優(yōu)點(diǎn)

通過退化規(guī)律進(jìn)行壽命預(yù)測具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)對(duì)于零失效的產(chǎn)品,通過退化數(shù)據(jù)可以得到有意義的壽命預(yù)測推論;

(2)相對(duì)于許多電子器件,退化是其必有的屬性,因此無論是否出現(xiàn)失效,都可以對(duì)其分析,得出退化數(shù)據(jù);

(3)退化規(guī)律可應(yīng)用于小樣本、零失效情況,

減少了失效時(shí)間數(shù)據(jù)丟失的信息。

3 加速貯存試驗(yàn)方法

電磁繼電器的貯存時(shí)間相對(duì)較長,而加速退化試驗(yàn)可以縮短時(shí)間,在規(guī)定時(shí)間內(nèi)獲得繼電器的退化參數(shù)。加速退化試驗(yàn)是解決高可靠性、長壽命產(chǎn)品可靠性評(píng)估問題的重要加速試驗(yàn)。產(chǎn)品的退化是一個(gè)十分緩慢的過程,通過自然工作進(jìn)行繼電器可靠性研究,需要花費(fèi)較長的時(shí)間。隨著國家的發(fā)展和需求,對(duì)可靠性產(chǎn)品需求增加,加速貯存試驗(yàn)也越來越受到人們的關(guān)注。因此,國家對(duì)加速貯存試驗(yàn)項(xiàng)目日益重視,開展了許多研究工作。

加速貯存試驗(yàn)最先開展在國外,但當(dāng)時(shí)對(duì)繼電器可靠性的許多問題尚未解決,因此試驗(yàn)并沒有進(jìn)行下去。直到20世紀(jì)80年代,加速試驗(yàn)才有序地開展進(jìn)行。GERT等進(jìn)行研究后得出結(jié)論,可以用簡單恒加試驗(yàn)進(jìn)行壽命預(yù)測分析。國內(nèi)對(duì)加速貯存試驗(yàn)的起步較晚,加速貯存試驗(yàn)近年來不斷發(fā)展,在繼電器可靠性領(lǐng)域有著大量的應(yīng)用,恒定應(yīng)力試驗(yàn)一直在進(jìn)行優(yōu)化。近年來,繼電器可靠性研究已經(jīng)開始使用步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)。加速貯存實(shí)驗(yàn)通常分為3種類型：恒定應(yīng)力試驗(yàn)、序進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)、步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)[35]。在加速退化試驗(yàn)中,定義一個(gè)特定的工程指標(biāo)即失效閾值,當(dāng)某種電器元件突然喪失規(guī)定的功能,稱為失效。產(chǎn)品性能參數(shù)隨著試驗(yàn)時(shí)間退化的數(shù)據(jù)稱為退化數(shù)據(jù)。產(chǎn)品的退化數(shù)據(jù)與其失效數(shù)據(jù)同等重要[36]。

加速貯存試驗(yàn)作為繼電器可靠性重要的組成部分之一,改善了自然退化需要較長時(shí)間的問題,節(jié)省時(shí)間和成本,從而得到更加有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

性能退化建模也能夠根據(jù)退化數(shù)據(jù)有效地對(duì)產(chǎn)品的壽命做出預(yù)測。

4 結(jié) 語

本文對(duì)繼電器失效機(jī)理進(jìn)行了介紹,針對(duì)貯存可靠性和繼電器貯存可靠性的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上對(duì)繼電器退化定義進(jìn)行了概述,介紹了基于退化規(guī)律的壽命預(yù)測優(yōu)點(diǎn),概述了3種常見的隨機(jī)過程模型,并對(duì)各個(gè)性能退化模型的適用范圍和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。最后,介紹了加速退化試驗(yàn)的研究現(xiàn)狀。

目前,我國對(duì)繼電器貯存可靠性的研究仍相對(duì)較少,現(xiàn)階段仍然處于探索階段。國內(nèi)外關(guān)于繼電器貯存可靠性的文獻(xiàn)也比較少,在現(xiàn)有的研究工作中,需要分析繼電器的結(jié)構(gòu),探索其退化試驗(yàn)方法,逐漸積累退化試驗(yàn)數(shù)據(jù),并形成電磁繼電器的相關(guān)貯存退化建模方法以及退化參數(shù)評(píng)估預(yù)測方法[37]。