基于运行信息的机电继电器故障率预测

薛淑胜 周爱萍 张 琳

(中车南京浦镇车辆有限公司,210031,南京∥第一作者,教授级高级工程师)

基于运行信息的机电继电器故障率预测

薛淑胜 周爱萍 张 琳

(中车南京浦镇车辆有限公司,210031,南京∥第一作者,教授级高级工程师)

电子设备元器件故障率的预测目前大部分根据通用标准开展,降低了故障率预测的准确性和可信性。提出了基于运行信息预测机电继电器故障率的方法。为消除设计应力的影响,定义了额定故障率,并给出了基于多项目运行信息建立额定故障率的模型及计算方法。以深圳轨道交通4号线二期工程项目中继电器的实际运行数据为例,说明额定故障率计算理论以及在新项目中故障率预测的应用方法。

机电继电器; 故障率; 预测

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

可靠性、可用性、可维护性和安全性(RAMS)是产品的内在属性。GB/T 21562—2008[1]规定,在产品寿命周期的设计与实现阶段，需通过审查、分析、试验和数据评估执行RAM程序,通过审查、分析、试验和数据评估执行安全计划。组成产品元器件的故障率是数据评估的基础,因此预测元器件的故障率就成为关键。

电子设备元器件故障率多依据标准进行预测。目前，元器件的故障率预测标准主要使用国家军用标准(以下简为“国军标”)、美国军用标准(以下简为“美军标”)等标准[2-3],这些标准针对的是通用元器件故障率预测的方法和数据。对于第一次使用的电子设备元器件,由于没有以往的运行数据,用这些标准进行预测是可行的。但对于已运行的电子设备元器件,利用这些标准进行预测却有不足。这是由于标准数据是通用的,不是依据某一供应商的产品,因此会影响预测的准确性和可信性。

如能基于以往元器件的运行数据,同时结合元器件变化的设计应力进行故障率的预测,就可提高预测的准确性和可信性。此外,由于在故障率预测时只需考虑变化的设计应力因素影响,也减少了预测工作量。本文结合机电继电器说明基于运行信息的元器件故障率预测方法。

1 合理确定机电继电器设计应力

美军标MIL—HDBK—217F[2]中，机电继电器的故障率预测模型为:

式中:

λp——预测故障率;

λb——基本故障率;

πL——载荷应力系数;

πC——触点形式系数;

πCYC——动作速率系数;

πF——应用和结构系数;

πQ——质量系数;

πE——环境系数。

要预测机电继电器的故障率,除λb外,还需通过应力模型来查表[2]或计算6种应力系数。

影响机电继电器故障率的应力因素可按图1进行分类。通常情况下,同一供应商、同一种规格的元器件,其质量控制、结构是相同的。用于车辆的元器件属于相同的“平稳地面移动”环境,且元器件的使用环境温度差别可忽略不计。因此,对于车辆用机电继电器,影响其设计的应力因素可定义为载荷应力、触点形式应力和动作速率三种。当然，根据关注点不同,也可定义不同的应力因素,确定相应的设计应力。

2 额定故障率的定义与计算公式

额定故障率是设计应力系数为1的故障率。对于机电继电器，其设计应力系数为:

定义机电继电器的额定故障率λr为:

式中:

λw——机电继电器的工作故障率。

图1 机电继电器应力因素模型

同一项目、起不同作用功能的元器件，可根据运用时间权重进行项目元器件额定故障率的计算。同理,也可得到该规格元器件的额定故障率。 对于应用于多个项目、起不同功能的机电继电器,其额定故障率的计算模型见图2。

图2 机电继电器额定故障率计算模型

•实际故障率λj,k,p的计算：

式中:

Nj,k——项目j用于功能k的元器件故障数量;

tj,k——元器件i的功能k在项目j运用的时间;

nj,k——项目j用于功能k的元器件数量;

kj,k,t——用于功能k的元器件工作时间与项目j的工作时间的比例,即使用系数;

tj——项目j的工作时间。

•功能k额定故障率λj,k,r的计算：

式中:

Cj,k——项目j用于功能k的元器件设计应力系数。

•项目j额定故障率λj,r的计算：

•元器件在项目j的运用时间tj的计算：

•元器件额定故障率λr的计算：

3 基于额定故障率的预测

对于新项目，若选用同一供应商、同一规格的元器件,只要用元器件额定故障率与设计应力影响系数相乘，即可得到元器件在新项目中的工作故障率预测值。这样，既提高了可信度,也解决了用标准进行故障率预测时信息不全无法预测的问题,同时可简化故障率预测工作量。

新项目机电继电器工作故障率值λw为:

式中:

Cnew——机电继电器在新项目所用功能的设计应力系数。

4 额定故障率计算与预测应用举例

以深圳轨道交通4号线二期工程项目运行的继电器为例，说明额定故障率的计算,以及在新项目设计时工作故障率的预测。

在深圳轨道交通4号线二期工程项目中应用的机电继电器(F670-H4V-XUUY)运行数据如表1所示。统计期间,4号线二期工程列车累计带电时间为426 096 h。

•功能额定故障率的计算：

计算结果如表2所示。

表1 机电继电器F670-H4V-XUUY的运行数据

表2 功能额定故障计算结果

•项目额定故障率的计算：

•元器件额定故障率的计算：

对于已运行多个项目的元器件,可根据各项目运行参数、设计参数、项目额定故障率数据,计算元器件更高级的额定故障率。

•新项目元器件工作故障率的预测：

在新项目中,设计时选用相同规格的机电继电器F670-H4V-XUUY,其设计应力如表3所示。则设计应力系数C=πL×πC×πCYC=10.56。新项目机电继电器工作故障率为:λw=λr×C=7.82×10-6。

表3 机电继电器F670-H4V-XUUY的设计应力

5 结语

本文介绍了基于以往电子设备元器件的运行信息获得元器件额定故障率的方法,用于新项目的故障率预测。给出了机电继电器额定故障率的计算模型和计算公式,并举例予以说明。该方法可提高故障率预测的准确性,并获得高的可信性,从而为进一步开展可靠性和安全性提供基础。为做好基于运行信息的元器件故障率预测工作,建议如下:

(1) 通过故障报告、分析和纠正措施系统(FRACAS)收集运行信息,为基于运行信息的故障率预测提供数据支撑。

(2) 包括机电继电器的电子设备元器件,其故障通常服从指数分布,但故障的发生存在偶然性,随着运行时间统计的增加,预测的故障率准确性和可信性也会增加。

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

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.轨道交通可靠性、可用性、可维护性和安全性规范及示例：GB/T 21562—2008[S].北京:中国标准出版社，2008：15-21.

[3] 中国人民解放军总装备部.电子设备可靠性预计手册：GJB/Z 299C—2006[S].北京:中国标准出版社，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)