铁路继电器温度加速寿命试验方案设计与分析

李文华，王立国，赵正元，高继辉

(1. 河北工业大学，天津 300130；2. 沈阳铁路信号有限责任公司，辽宁 沈阳 110020；3. 天津农学院 工程技术学院，天津 300130)

铁路作为国民经济大动脉、国家重要基础设施和大众化交通工具，在我国经济社会发展中的地位和作用至关重要。铁路继电器的可靠运行是列车安全以及整个铁路系统得以正常运行不可或缺的条件，因此对铁路继电器在环境应力作用下的寿命分布、失效数据和可靠性水平等进行分析是十分必要的[1]。作为铁路用的继电器，在使用过程中会遭受到各种环境应力的影响，温度和振动是影响电器元件可靠性最大的环境因素，因此有必要开展铁路继电器温度应力和振动应力结合的试验方案研究，确定继电器在温度和振动环境应力作用下的寿命分布、失效方程和可靠性水平等，并为以后的温度、振动和湿度3种应力的综合环境应力下的可靠性试验与研究打下基础[2]。本文以普通接点无极型铁路信号继电器为研究对象，根据该继电器的内部结构与失效机理，确定了继电器在双应力下的试验方案，并建立了其在环境温度和振动应力综合作用下的失效物理方程和可靠性统计模型，以及试验数据的可靠性分析方法。

1 铁路继电器的失效模式与机理分析

铁路继电器主要由绝缘系统、机械系统和电气系统组成，由于铁路继电器结构复杂，外部的绝缘罩和内部组成部件以及内部各对动、静触头都有发生失效的可能。因此，对其的失效分析与失效检测过程较为繁琐，其失效模式概括起来有绝缘系统的失效、机械系统失效和电气系统失效形式[3]。本文中分析了温度和振动应力对铁路继电器机械系统和电气系统的影响。

铁路继电器在温度应力和振动应力下工作的失效机理有多种原因，具体如图1所示。

温度的升高会促进继电器触头表面的氧化，振动应力会引起继电器的部分结构、引线松动、相对运动或磨损甚至脱落；使产品的微小缺陷和损伤扩大。继电器在温度应力和振动应力共同作用下，加快了继电器的老化和疲劳损伤。此外温度与振动彼此之间也会相互影响，如增加电气材料的击穿率、摩擦生热等。

图1 温度和振动应力下继电器的失效机理Fig. 1 Failure mechanism of relays under temperature stress

1.1 机械特性的失效分析

在双应力作用下动作的铁路继电器，其底座、插针和插孔之间会产生一定的相对运动，此外，也会对动、静触头的闭合与分开过程有较大的影响，造成接触部位不一致，触头发生变形，触头松动。机械部件是加工过程中受到外机械应力而成形的，由于机械部件使用的是金属材料，具有一定的钢性，经过一段时间后会通过应力释放而发生变形。另一方面，机械部件在使用过程中长期受到应力作用也会发生疲劳变形。各个机械部件中，动触簧、静触簧、推动杆的变形会导致触头行程不够而失效。而支架的变形会使运动桥两侧支架和整体支架间隙变小，导致拔杆的微小变形，拔杆珠到动触头的间距变大，从而造成虚行程过大。以上因素都对绝对间隙、托片间隙、接点齐度和磁路间隙产生较大的影响。继电器动作时，动触簧、静触簧弹性量的改变，动作过程中线圈的吸力大小及长时间动作摩擦力的增大也会影响到接触压力而造成继电器失效[4]。

1.2 电气特性的失效分析

铁路继电器在双应力作用下动作，其电气特性会随着机械特性的改变而发生变化。绝对间隙、托片间隙、接点齐度和磁路间隙必然会影响到继电器动作的电气特性和时间参数。动作的继电器在双应力下作用，动作过程伴随有碰撞和摩擦，这种摩擦运动会导致动、静触头的粘着磨损，这一过程会伴随有材料转移并产生磨损碎屑；并进一步导致镀银层的破损使得基体铜合金裸露，裸露的基体金属因为失去银层的保护，当内部摩擦或者高温环境下迅速氧化，形成氧化膜，极大的影响了接触电阻的增加[5]；动、静触头分合时发生电弧放电产生高温使触头表面融化，并伴随有喷溅现象，材料转移等，这一过程对动、静触头的表面形貌有极大的影响；继电器的长时间工作使触头发生疲劳损伤，和老化现象。这些都会对铁路继电器的电气特性产生较大影响。如接触电阻急剧增大，此外也影响到继电器的吸合电压和释放电压等其它电气参数，而造成铁路继电器失效。

2 振动应力下温度的加速寿命试验方案的确定

铁路继电器在工作环境下同时受到多种环境应力的作用，如温度、振动、湿度和气压等应力，其中温度应力和振动应力是影响其失效的主要应力[6]。本试验样品选取铁路继电器，试验过程施加温度和振动应力。目前，试验中应力施加方式有恒定应力法、步进应立法、序进应力法、步退应力法，本试验中应用恒定应力法，选取4个温度点与振动应力结合做加速寿命试验。

对于温度和振动应力下的试验，必须保证以下3点要求：

1) 不同应力下的失效机理要保持一致；

2) 应力的选取有一定的依据，便于数据的分析与统计；

3) 处理试验数据的模型具有相应的规律性和统一性。

2.1 试验装置的介绍

本试验温度应力与振动应力由三综合(温度、湿度和振动)试验箱实现。试验过程中，某一温度应力下的大小与持续时间，通过试验箱的操作界面设定试验的运行程序即可。试验振动应力是由振动台实现。振动应力的程序设定由PC机完成，且振动应力的控制由传感器采集数据的反馈，通过PC机对反馈数据的处理按照程序设定运行。

2.2 温度应力水平的确定

最低温度应力水平T1与正常应力水平T0比较接近，若 T1远大于 T0，则用加速方程进行外推的误差会迅速增加，但 T1又不能太接近 T0，否则起不到缩短试验时间的作用，因此最低应力水平 T1应取40 ℃。最高应力水平Tn(或Tn+1)的选取原则是，在不改变失效机理的条件下，尽可能选得大一些，继电器触头材料银氧化镉(AgCdO)-银(Ag)所能承受的最高温度为140 ℃，而继电器绝缘系统中的塑料材料在受到 120 ℃以上的温度时会逐渐发生软化，影响继电器的机械系统，极大影响继电器触头的动作过程而改变失效机理，因此最高应力水平取120 ℃。恒定温度应力下选取Arrhenius方程来确定另外2个点的温度，由温度的倒数等间隔取得[7]，公式为：

由此确定另外2个温度点T2和T3分别为52 ℃和72 ℃。

2.3 振动应力水平的确定

铁路继电器受到的振动应力主要由列车经过铁路轨道运行过程中产生的，受到的振动频率与功率谱密度值大小不仅随着安装位置的不同而改变，而且也与列车的运行速度和经过的路面情况不同而改变。考虑到继电器在贮存、运输和工作环境中承受的多是随机振动，且能量主要集中在垂直方向上，而且随机振动能使所有谐振频率在整个振动时间内同时受到激励，缺陷激发能力大大加强；因此，为缩短试验时间、提高试验效果并切合工程实际情况，本试验采用随机振动作为试验应力对铁路继电器进行垂直方向上的加速寿命试验[8−9]。

铁路继电器正常工作的振动频率为5~15 Hz，而高速列车通过铁路轨道时最高频率可达 2 000 Hz，根据en50125-3中高速铁路轨道旁1~3 m随机振动的频谱图和我国高速铁路旁的实际振动情况，确定随机振动试验的振动谱线，即最小振动频率 5 Hz，功率谱密度值为2×10−2g2/Hz，最大振动频率2 000 Hz，功率谱密度值为1×10−3g2/Hz，拐点频率为600 Hz，功率谱密度值为1×10−3g2/Hz。随机振动频谱图如图2所示。

图2 随机振动频谱图Fig. 2 Random vibration spectrum

2.4 试验的准备及失效判据的确定

本试验中继电器在动作时施加随机振动应力，同时再施加温度应力，试验取4个温度应力水平，每个应力水平下的样品数量为4台。即试验的应力水平表，如表1所示。

表1 试验的应力水平表Table 1 Stress levels of the test table

根据GB-T7417—2010规定在电寿命试验中普通接点继电器的动作15~20次，本试验中设定继电器在电寿命试验中每分钟动作次数的最大值20次。铁路继电器的额定电寿命试验的次数为2×106次，试验中继电器施加的电压为24 V，电流为1 A。

不同样品数对应不同的试验结果评估有不同的置信度，因此每组应力水平投入试验样品数n选取原则由式(3)确定。

式中：CL为试验评估结果的置信度；R为目标可靠度；n为样本量，本试验中每温度应力等级下放置4台样品。

每个温度和振动应力水平下的试验样品在不失效的情况下动作2×106次，如果未能达到2×106次失效，记录每个试验样品的失效时间，试验终止。

在本试验中观测铁路继电器在机械特性和电气特性部分参数值大小判断是否失效。机械特性的检查有接点间隙、接点压力、绝对间隙、托片间隙、接点齐度和磁路空气隙。机械参数的检测由指针压力计和自制的游标千分尺测量得到。定期的检查继电器的机械特性参数，及时记录数据，确保及时发现继电器失效。根据GB/T 7417—2010的规定，制定出铁路继电器每个触头在机械特性方面的失效判据表，如表2所示。

表2 触头机械特性的失效判据表Table 2 Contact failure criterion of mechanical characteristics of table

应用继电器检测设备对试验中继电器的电气特性参数进行监测并自动记录，监测的电气参数主要有接触电阻、释放电压、吸合电压。根据 GB/T 7417—2010的规定，制定出铁路继电器及每个触头在电气特性方面的失效判据表，如表3所示。

表3 触头电气特性的失效判据表Table 3 Contact electrical characteristics of the failure criterion of table

2.5 触头动作特性及三维表面形貌

继电器在环境应力试验期间，随着触头机械特性中接点间隙、绝对间隙、托片间隙、接点齐度和磁路空气隙以及触头电气特性中释放电压、吸合电压的改变，势必会影响到各对触头每次动作时的位移、速度和加速度。位移、速度和加速度的测量需要由高速摄像机拍摄继电器的动作特性得到，在各个应力下试验的继电器每动作5×104次，应用高速摄像机对继电器内各个触头的动作情况拍照，软件分析照片得到继电器各个触头的位移、速度和加速度。

除此之外，继电器在在环境应力试验期间，触头每次动作时的碰撞、磨损、氧化以及动作过程中的电弧现象，都会影响动、静触头的表面形貌，如动、静触头发生材料损失、材料转移、形成化合物，电弧放电使动、静触头材料融化形成熔池、熔焊和继电器动作时伴随有的喷溅现象等[10−11]。为了能更准确表达触头的表面形貌，本文应用三维形貌测量仪对试验中在各个应力下每动作 1×105次继电器内的各对触头进行观测，得到相应的三维参数，如表面算术平均偏差 Sa，表面均方根偏差 Sq，表面高度分布的偏斜度 Ssk和表面高度分度的峭度Sku等[12]。

继电器动作时触头的速度、加速度、位移和触头表面形貌的三维参数是继电器失效分析不可或缺的部分，因此试验过程中对速度、加速度、位移和触头表面形貌的三维参数的定期观测与记录是十分必要的。

3 加速寿命试验的模型分析

3.1 铁路继电器在温度和振动应力下的可靠性统计模型

继电器在温度和振动综合应力作用下，温度应力和振动应力是一个相互促进的过程，其退化过程在双应力的作用下更为迅速。振动应力引起继电器内部器件的相对运动，不仅破坏继电器内部的机械系统，此外相对运动伴随有热量的产生，加速触头的使接触件表面温度不断升高，从而加快了触头的氧化。

按照质量作用定律和麦克斯韦—玻尔兹曼定律，可得继电器寿命与环境温度和振动应力的模型关系为：

式中：S为振动应力；ΔE为激活能，eV；k为玻尔兹曼常数；T为环境温度，K；A和α为待定系数。

根据以往数据可知，继电器在环境应力下的失效数据大多服从威布尔分布。在本试验中假设继电器在温度和振动应力的综合作用下的寿命服从二参数的分布[13−14]，其分布函数为：

相应的概率密度函数为：

式中：m>0为形状参数；η>0为特征寿命。

若在不同的温度和振动应力的综合作用下，继电器的失效机理保持不变，则其具体的统计模型为：

1) 产品寿命在统计上相互独立且服从两参数分布

2) 在不同应力水平下，分布的形状参数保持不变

3) 产品特征寿命与两应力之间的关系符合广义模型，为：

式中：T为绝对温度，℃；S为随机振动应力，g2/Hz；B和α为待定系数。

若令 y = l nt ，所示的威布尔分布就转化为极值分布，其概率密度函数为

这样，上述广义统计模型就转化为更具一般性的线性统计模型，产品寿命的分布参数μ是应力x，y的线性函数，即

式中： γ0= l nB ，γ1=ΔE / 1000k ，γ2=-α ，x=103/(T + 2 73.15)， y = l nS，分布参数σ保持不变。

3.2 加速寿命试验无失效数据的可靠性分析

在铁路继电器内有多对触头，只要有一对接触件失效，就会导致整个继电器失效，也就是说铁路继电器触头的接触寿命取决于它的多对触头中第一个发生失效时的寿命。本试验是在规定的随机振动应力下选取4个温度点，即在组合加速应力水平Z1，Z2，Z3和 Z4下进行寿命试验，加速应力水平Z1，Z2，Z3和Z4为规定随机振动应力下分别施加温度应力为40，52，72和120 ℃，继电器在各个应力下动作时间 ti，产品未失效，试验中止。根据线性模型得到其无失效数据加速寿命试验示意图，如图3所示。

图3 无失效数据加速寿命试验示意图Fig. 3 No failure data accelerated life test schemes

A点表示的是产品的最大加速应力Zm，其对应的寿命为tm，在本试验中最大加速应力为Z4，试验确定其继电器相应的寿命t4。设直线AHI为产品真实的对数寿命特征随加速应力变化的曲线。但是直线AHI往往无法获得。由线性模型可知，假设继电器在 Z1，Z2和 Z3应力下动作一定时间，继电器均为失效，对应的试验终止点分别为B，C和D点。现分别连接A点与B，C和D点，并延长与正常应力水平交于E，F和G点。则直线 ABE，ACF和ADG为一条相对于直线AHI更为保守，但更为安全的对数寿命特征随应力变化的曲线．其表示如果产品在加速应力水平Zi(i=1，2，3)下工作了ti长时间没有发生失效，则相当于在正常的应力水平下至少能正常工作t0长时间而不发生失效[15]。

由图3可知，直线ADG的对数寿命特征最为保守，直线ABE的对数寿命特征最接近真实值，由3条直线的2点坐标，可分别得到各线性模型表达式的数值：

i=1，2，3。所以，各直线下正常应力水平下的等效寿命t(0,i)为：

产品寿命服从两参数 weibull分布，即其在正常应力水平下，置信水平为ε的给定可靠度R的寿命置信下限tR,low，及给定寿命t的可靠度置信下限Rlow分别为：

通过以上的模型可以对恒定应力加速寿命试验数据进行可靠性分析可知，在试验截止时间相同时，应力越大寿命置信下限tR,low越大，给定寿命t的可靠度置信下限Rlow越小，应力越小寿命置信下限tR,low越小，给定寿命t的可靠度置信下限Rlow越大。本文方法能够充分利用产品在各个加速应力水平下的寿命信息，并将其转换到正常的应力水平，从而在正常应力水平下实现产品的可靠性评估与寿命预测。能够很好地解决了加速寿命试验数据分析与处理的问题。

4 结论

1) 确定了铁路继电器在振动应力下温度的加速寿命试验的试验方案，根据继电器的工作条件确定了试验过程中的随机振动条件和温度应力大小。

2) 制定试验过程中相关参数的记录表，如机械特性和电气特性参数，触头的动作特性参数和三维参数记录的时间与方式。

3) 根据铁路继电器的失效寿命概率分布类型，以及与温度应力和振动应力间的数学关系；确定了铁路继电器在温度和振动双应力下的失效方程。

4) 根据失效方程确定了铁路继电器在振动和温度应力下无失效数据时的可靠性统计模型与线性分析方法。

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