航天继电器步退加速寿命试验温度应力周期的确定方法*

2018-11-01李文华

航天控制 2018年5期

李文华郑杭陈君李爽胡琦

1.省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点试验室(河北工业大学)，天津300130 2.河北省电磁场与电器可靠性重点试验室(河北工业大学)，天津300130 3.厦门宏发汽车电子有限公司，厦门361021

航天继电器在现场使用过程中会受到各种环境应力的影响，如温度、湿度、盐雾、振动和紫外线等应力，其中温度应力是影响其失效的主要应力[1]。但继电器不可能工作在没有湿度的环境中，为了更符合继电器在现场使用的环境，本试验方案中对整个试验施加继电器正常工作允许的湿度应力，并保持期间湿度应力不变。针对航天继电器在温度应力下触头失效机理分析，对航天继电器在温度应力下进行试验对其可靠性的提高具有重要意义。

目前针对继电器进行的试验大多是加速寿命试验(包括最新的步退应力试验)，和已经很成熟的恒定应力试验和步进应力试验。航天继电器寿命一般较长，较短的试验时间可能会发生零失效的情况，所以本方案设计提出了步退温度应力加速寿命试验[2-3]，大大缩短了试验周期。通过Arrhenius模型确定步退温度应力试验方案的4个试验温度点[4]。目前，步退加速寿命试验关于各应力的试验周期的研究较少。本试验方案通过性能参数选取原则获取合适的性能参数。

1 试验分析

本试验温度应力由三综合(温度、湿度和振动)试验箱实现。为保证试验环境与继电器现场工作环境更接近，给继电器施加继电器正常工作允许的湿度[5-6]。试验过程中，通过试验箱的操作界面设定试验的温度应力大小与持续时间。继电器低电平运行测试设备实时采集继电器试验过程中的线圈电流、线圈电压及接触电阻等电气参数和触动时间、超程时间等时间参数。指针压力计和自制的游标千分尺定期测量继电器的机械参数，及时记录数据，确保及时发现继电器失效。

由于继电器工作在低电平、小电流的情形下，为了确定触点工作时切换低电平负载的可靠性，本试验方案选择低电平负载切换寿命试验。

根据航天继电器的触头材料银氧化镉(AgCdO)-银(Ag)所能承受的最高温度为140℃，而绝缘系统中的塑料材料受到120℃以上的温度时会逐渐软化，极大影响继电器触头的动作过程而改变失效机理，故最高应力水平取120℃，最低应力水平T1取40℃。通过Arrhenius方程确定另外2个温度点T2和T3分别为76℃和54℃[7]。

根据GJB360A/96和GJB2888/97，由于只对温度进行加速寿命试验，所以湿度、气压都得满足试验的标准条件，相对湿度选择45%～75%，本文选择65%；气压在86kPa～106kPa，选择正常大气，如表1所示。

2 通过参数融合确定各温度应力试验周期

2.1 背景分析

继电器损伤是一个累积的过程，当累积达到失效阈值，继电器就失效。继电器的失效过程和失效程度无法直接测量，但是继电器的损伤会体现在其性能参数上。仅通过一个参数无法较好地体现继电器的损伤程度，本文通过多个时间参数和电参数融合，分析得到各自的权重，融合为一个综合参数，可以较为全面地体现继电器的损伤状态。本文定义继电器在某个温度下的试验周期为继电器在该温度应力下动作的次数。

2.2 参数融合

特征性能参数的选取必须具备2个条件[8-9]：1)作为特征性能参数的性能指标必须能够准确定义和监测；2)随着产品工作或者试验时间的延长，特征性能参数有明显的趋势性变化，能反应产品的健康状态[10]。

由于试验为温度应力试验，所选取的参数一定是时间敏感型、趋势型和温度敏感型的。本试验监测的参数包括接触电压、断开电压、吸合电压、释放电压、吸合时间、释放时间、触动时间、动断超程时间、动合超程时间、燃弧时间、自由运动时间和弹跳时间，测量出参数后对参数进行检验，依据参数选择原则判断这些参数是否为趋势型、时间敏感型和温度敏感型。

设参数的测量值为{(ti,xi)，i=1,2,3,…,n}，所谓参数随时间不敏感，是指参数随试验时间延长不发生明显变化，即测量值近似为一条水平线。因此，可通过计算测量数据的极差和标准差来判断测量参数是否近似为一条水平线。

计算各个参数的极差、平均值及参数a，如式(1)～(3)：

E1=max{xi}-min{xi}

(1)

(2)

(3)

若a<0.1，则参数对时间不敏感。此处临界值是否为0.1还需在预试验中进行验证。

计算标准差和参数b，计算公式如式(4)和(5)：

(4)

(5)

若b<0.1，则参数对时间不敏感。此处临界值是否为0.1还需在预试验中进行验证。只要这2个判据满足其中1个，我们就可以判断出参数是否为时间敏感型。

进行参数分类，首先根据测量数据序列构造参数时间退化增量序列，如式(6)所示：

(6)

然后计算序列Y的均值和标准差。根据判断依据将时间敏感型参数分为趋势型参数和波动型参数[11]，判断依据如表2所示。

表2 趋势型参数判断依据

此准则用于判别单应力水平加速退化试验的参数测试数据，而本文是温度应力步退加速寿命试验[12]。所以在每个温度等级下都需要对参数测试数据进行判别，同时结合参数退化机理进行综合判断，保证所选参数在各个温度等级下均合理。

判断出参数为趋势型后，需判断参数趋势是否受温度影响，若参数趋势与温度无关，则参数不应作为温度试验的性能参数。本文在4个温度T1

将预试验监测参数，计算极差和标准差获取时间敏感型参数；构造参数时间退化增量序列[13]，计算均值和标准差，判断参数是否为趋势型，进而判断是否为温度敏感型，得到需要的性能参数。根据继电器性能参数退化原理，本文选择吸合时间、超程时间、弹跳时间、吸合电压和接触压降这5个参数作为性能退化的特征参数，根据预试验结果调整参数。

定义Yi为第i次监测的数据，Cj表示第j个监测参数，将各组数据的5个参数值输入SPSS软件，选定主成分分析法对参数进行探索性因子分析，计算得出所选择的5个参数的相关系数矩阵以及方差的旋转平方和载入，如表3所示。比较方差的旋转平方和载入，得到各组样本5个参数的共性因子数n(n=1,2,3,4,5)，设旋转平方和载入的值为δ1，δ2，…，δn。

表3 继电器样本方差的旋转平方和载入

通过因子分析法找到隐藏在5个参数中最能体现继电器损伤状态的参数，将与其本质相同的其他参数归入一个参数形式，减少参数的数目[14]。

为凸显继电器损伤特征角度，将特征系数作为继电器参数权重，按照各参数的变化趋势，通过典型相关性分析确定2组特征系数之间的整体相关性系数，对单维的参数信息进行融合。融合参数包含了所有参数的退化信息，从不同的侧面反映了继电器的不同状态。

2.3 特征融合

(7)

引入正交矩阵，求取样本的旋转平方和矩阵Bp×n。利用式(8)将数据标准化，得到标准化之后的数据矩阵Z，求标准化之后的协方差矩阵R=Z·ZT。

表4 Y1数据样本各参数的相关系数

(8)

其中，xj为数据均差；sj为数据标准差。

求取样本的载荷矩阵Ap×n=R·Bp×n，aij为载荷矩阵的元素。

载荷值与旋转平方载入值构成特征系数。利用式(9)将5个参数分解成n(n=1，2，3，4，5)个共性因子：

(9)

求出特征系数之后[17]，进行参数融合。

(10)

式中，E[]表示数学期望；XXT∈Rp×p和YYT∈Rq×q属于集合内协方差矩阵;XYT∈Rp×q表示集合间协方差。由于λ与ωx和ωy的尺度无关，所以可以将问题转化为求解约束优化问题[18-19]。约束条件与目标函数如式(11)：

(11)

引入拉格朗日乘数[20]，目标函数为式(12)：

(12)

当为3组样本时，设第3组样本为Z={z1,z2…,zn}∈Rr×n，目标函数为公式(13)：

(13)

n组样本时方法类似。在求得第i对典型变量系数向量的过程中要检验第i对典型变量与前i-1对典型变量的协方差是否为0[21]。为0时得到2组特征系数之间的整体相关性系数为λn，则5个参数信息特征融合为1组综合数据，如式(14)所示：

F=λ1F1+λ1F1+…λnFn

(14)

2.4 确定继电器在各温度下的试验周期

继电器的损伤状态无法直接监测，但会体现在继电器的电参数和时间参数上。由于这些参数测量方便，故可认为它们综合体现了继电器的损伤程度。继电器的损伤累积达到失效值，继电器失效。继电器在不同温度应力下的试验周期长短取决于继电器的损伤状态。本文提出，继电器的损伤量为参数融合值F的失效阈值与初值之差，继电器在不同温度应力下的损伤量相同，此时继电器动作的次数即为继电器在该温度应力下的试验周期，这便是等损伤量方法。继电器的损伤量通过预试验获取。确定各个温度应力试验周期的数学模型如式(15)。

(15)