ZPW-2000A中发送器和接收器常见故障分析及可靠性评估

吴朝辉 中国铁路上海局集团有限公司上海电务段

1 引言

在中国，铁路是国家的重要基础设施、大众化的交通工具，在中国综合交通运输体系中处于骨干地位。中国地域辽阔、人口众多、资源分布不均，所以经济、快捷的铁路普遍占有更大的优势，成为一种被广泛使用的运输方式。

铁路信号设备是保证铁路行车安全的重要环节。随着铁路信号技术的发展和铁路信号的广泛应用，铁路信号也成为提高铁路区间和车站通过能力、增加铁路运输经济效益、改善铁路员工劳动条件的一种现代化科学管理手段和技术。

ZPW-2000A型无绝缘轨道电路是在法国UM71无绝缘轨道技术引进、国产化基础上、结合国情进行的技术再开发，较之UM71，ZPW-2000A无绝缘轨道电路在传输安全性、系统可靠性、传输长度上在结合了我国国情的基础上，在性价比、降低工程造价上都有了显著提高。

但到目前为止，我国在铁路信号设备上还处于起步阶段。对ZPW-2000A轨道电路的研究，缺乏以维修数据为基础的实际定量分析，仅仅停留在失效率和平均无故障时间两个可靠性理论上。

2 数据分析

2.1 数据收集及统计

由于我国铁路系统可靠性分析与研究处于起步阶段，ZPW-2000A发送器和接收器生产厂商没有产品寿命试验数据的整理和记录，因此，无法获得试验数据。

为了实现发送器和接收器的可靠性分析，经过反复研究，本文确定了收集2018年1至6月不同厂家生产的发送器和接收器的返厂维修相关数据，力求通过现场数据进行可靠性分析。

2018年1月至6月，设备返所器材数量76件，其中不良设备数量45件。现针对我车间设备器材不良返所情况，在设备生产厂家、器材分类、设备型号、故障返所原因等方面对器材返所情况分析汇总，并制作2018年1月～6月数据分析图如图1所示。

图1 2018年1月～6月数据分析图

（1）按生产厂家返所统计，可以得出主要不良设备的生产厂家为北京铁路信号工厂、上海铁路通信工厂、上海瑞信电器有限公司、天水铁路信号电力等。

（2）进行核实统计并进行比对，设备使用情况以上海瑞信器材有限公司生产的设备使用量最大。其中上半年北京铁路信号工厂不良设备返所主要是ZPW-2000类ZPW.F（3台）和ZPW.F-K（7台）发送器。

（3）发送器材故障原因：现场主要反映测试无电压输出、电压波动、现场使用绝缘不良、发送盒回所测试无数据采集为突出原因。

（4）返所不良测试原因：热稳定差，热机状态故障，冷却后正常，检修正常再使用一段时间后又故障。

（5）预防措施：对设备返厂进行整改，须厂家加强对进厂的原材料、元器件的筛选，加强供应商管理确保设备质量。

2.2 分析结论

根据收集到的返修数据进行分析，再通过以往检修经验可以了解到，发送器的功放板、数字板，接收器的CPU板、数字板都是较易出现故障的。这些部分由于要执行发送器和接收器的主要功能，集成的元件较多，电路较为复杂，故比较容易出现故障。

发送器中晶振、电源模块、变压器、电阻的故障较多，尤其是有一个特定的元器件—三极管的故障数也较高。接收器中电源模块和CPU板上的集成电路的故障也较高。

建议设计、生产部门应重点对这几个部分重新进行分析，尽量降低这些故障的发生，以提高设备的可靠性。

另外，因底座簧片、底座端子、网罩、减震垫等的故障导致设备不能正常工作的情况也不少见，建议应重视这些外围非电子装置。同时，从环境应力筛选的角度看，建议在出厂前的老化试验中增加检测环节。

同时也要加强对现场人员在设备使用及维修检测方面的培训，以免返厂维修造成额外的损失。

3 评估试验

针对ZPW-2000A发送器和接收器的常见故障分析，在铁路信号设备进厂前，可以对产品进行一个整体的评估，对不同厂家不同产品的分析评价也是提高设备质量和减少故障发生的重要手段。

评估体系的建立可以通过不同的试验进行验证，例如环境应力筛选试验，以提高产品的固有可靠性为目的。

3.1 环境应力筛选试验

环境应力筛选是利用外加的环境应力，使潜存于产品制造过程中因较弱零组件或不良工艺等因素造成的缺陷提早暴露出来，然后利用适当的检测方法将这些带有瑕疵的产品找出来予以剔除，或对其进行检修，以便提高产品的制造质量，维持设计时赋予的可靠水平。

环境应力筛选的原理是基于“浴盆曲线”的基本理论。产品的可靠性有时取决于产品的失效率，产品的失效率随着工作的时间变化会具有不一样的曲线。

图2 失效率的“浴盆”曲线图

依据可靠性数据统计和理论研究，发现由许多失效率曲线或组成部件的设备系统的典型形态如图2所示，它主要分为三个阶段：

第一段曲线称为早期失效期，在最开始的时候，失效率非常高，随着工作时间的增加，失效率又会快速降低，呈现递减型。这一现象失效的原因大多为设计、原料和制造过程中存在明显的缺陷。这个时期的变化随系统的规模和以上情况不同而异。为了减少这一阶段的时间，在投入运用以前要进行环境应力筛选，便于及早修正、发现和除去缺陷，使产品尽可能的到达稳定的失效期。

第二段曲线称为偶然失效期，也称为随机失效期。这个阶段的特点是失效率低并且相对稳定，往往可看作为常数，失效率为恒定类型。进行产品可靠性指标也在这个时期，这一时期的产品失效率是由多种偶然因素引起的，这一阶段要尽力做好产品的保养和维护工作，使这一阶段尽可能延长。

第三段曲线称为耗损失效期，这一阶段的失效率随时间的变化而急剧上升，失效率不断递增。这一阶段，大多数产品都会失效，这时就可对类似情况采取不同补救措施。

从厂家处了解，ZPW-2000A的发送器和接收器在出厂检验前应全部进行高温运行试验，设备在（50±3）°C条件下不通电放置2 h，然后维持低温条件通电进行测试。测试完成后关闭低温设置，不开启箱门将设备再放置约2 h，使其自然恢复常温晾干，再将设备取出低温箱进入下一步流程。

3.2 老化筛选

老化试验并不是适用于所有的产品，它只适用于那些失效率符合浴盆曲线的或者其失效率在早期有递减趋势的产品。如果产品的失效率一直处于稳定状态或者有一个递增的失效率，就没有必要进行老化筛选，否则只会损害产品的有效寿命。

根据过去几年的生产经验，发现ZPW-2000A的发送器和接收器，在早期较容易发生故障，随后产品就进入稳定。这表明发送器和接收器的早期失效率确实是递减的，应该进行老化筛选。

很多资料表明，关于恒定高温老化的温度，普通的元器件可达125°C。印刷电路板产品则为（60～80）°C。说明目前50°C的高温老化在温度上还有提升的空间。

根据电子设备的寿命的经验法则：环境温度从室温每上升10°C，寿命就减少为原来的1/2至1/3。如果使用60°C的老化温度，则老化时间可以缩短至一半或者更少。

综合上述分析结果，并考虑工厂实际情况，考虑值班安排的方便与否，建议可以将发送器（50±2）°C下的老化时间提高，接收器可以维持目前时间，或是可以缩短一定时间。

通过试验，进一步完善了整套可靠性评价体系，通过建立可靠性评价体系可以详细了解不同厂家不同型号设备的常见故障分布，从而通过精准施策来降低故障率，提升设备质量。

4 结束语

本论文以可靠性分析的角度论述，通过收集ZPW-2000A轨道电路发送器和接收器的现场使用情况，对产品的几种常见故障进行了分析，同时对发送器和接收器进行了评估。