随机振动条件下地铁电磁继电器步进应力加速退化试验研究

赵华， 吴聪聪， 方骅， 何若晗， 潘骏

（1.杭州中车车辆有限公司，杭州311223；2.浙江理工大学机电产品可靠性分析与测试国家地方联合工程研究中心,杭州310018）

0 引 言

电磁继电器作为地铁信号控制电路中的一个重要开关元件，控制地铁各信号的闭合或断开，如车门信号、制动信号等。随着地铁智能化水平的提升，地铁使用的电磁继电器数量也越来越多，电磁继电器的故障某种程度上会直接影响地铁的安全可靠运行。地铁在运行时，在自身载荷和轨道的共同作用下，车体会产生振动。电磁继电器一般集中安装在车体上的电气箱中，车体振动会传递给电磁继电器，导致动静触点间产生相互运动，造成触点微动磨损；同时会造成触点簧片的应力疲劳，进而影响电磁继电器的电接触性能，造成接触失效，最终影响地铁的安全可靠运行。因此有必要研究随机振动应力下电磁继电器触点可靠性评价方法。

电磁继电器难以通过现场统计方法获得足够失效数据，开展实际工况下的寿命评估。通过加速退化试验，可以基于电磁继电器产品性能参数在试验过程中的退化规律进行寿命评估，同时缩短试验周期和成本。应用加速退化试验评价电磁继电器可靠性的关键是建立性能参数的退化模型。武旸[1]对某型号电磁继电器在温度循环载荷下的失效机理进行了分析，并且建立了关于超程时间等特征参数的随机退化模型，对该型号电磁继电器的触簧系统进行了可靠性寿命评估。李文华等[2]设计了铁路继电器温度应力加速寿命试验，给出了温度应力水平的确定方式，并且根据失效寿命的分布及统计模型进一步提出了无失效数据的可靠性统计分析方法。电磁继电器的退化过程具有随机性和波动性，而应用Wiener过程可以较好地描述随机性和波动性。Hu等[3]基于Wiener过程建立了轴承性能退化模型，并基于逆高斯分布构建了轴承的剩余寿命估计模型。Pan等[4]采用截断正态分布的Wiener过程构建了系统的性能退化模型，实现了对火车车轮退化数据的分析。Zhang等[5]在分层贝叶斯的框架下构建了一种逆高斯过程的性能退化模型，实现了对地下能源管道上腐蚀缺陷深度增长规律的描述。唐圣金等[6]在考虑产品之间的差异性的基础上构建了Wiener过程的加速退化模型，对产品的剩余寿命和可靠性进行评估。

为解决如何评价某型地铁电磁继电器触点在实际工况下的寿命问题，本文设计随机振动条件下电磁继电器步进应力加速退化试验，使用Wiener过程对电磁继电器退化过程进行分析，建立漂移系数和扩散系数与随机振动应力之间的关系，采用极大似然估计方法估计相关参数，对地铁电磁继电器触点的寿命做出评价。

1 地铁电磁继电器工作原理

某型地铁电磁继电器实物如图1所示，地铁电磁继电器的结构主要分为触簧系统和电磁系统。触簧系统一般包括簧片、动触点、静触点和推动杆。电磁系统一般包括线圈、铁芯、衔铁及永磁铁。图2所示电磁继电器主要工作原理是利用磁极之间的同极相斥、异极相吸的原理。未通电时，永磁铁对铁芯进行磁化，促使右边铁芯与衔铁接触，以此来保证常闭触点的闭合。当电磁线圈通电时，衔铁靠近铁芯的一侧磁化的磁极与电磁线圈产生的磁极相同，因同极相斥实现右边的衔铁与铁芯分离和常开触点的闭合。

2 步进应力加速退化试验方案设计

2.1 工况模拟方案设计

电磁继电器作为地铁列车控制系统中的重要部分，工作环境与通断频率与地铁运行状况密切相关。某型电磁继电器应用于杭州某号线地铁，其额定工作电压为DC36 V，额定工作电流为10 A，触头接触形式为可分合圆柱接触，接触对数量为8对。地铁行驶过程中，两站之间运行时间为3～4 min，站台停留2～3 min，即该电磁继电器每隔2～4 min会通、断一次，因此在试验时按每2 min通断1次设计模拟电路和负载。

试验模拟电路主要由两部分组成：一部分为试验样品线圈回路；另一部分为试验样品触点负载回路，如图3所示。线圈回路主要由36 V直流电源、电磁线圈、定时通断模块和开关组成。定时通断模块由多功能控制模块和固态继电器组成，实现电磁继电器的线圈回路定时得电和断电，模拟电磁继电器在地铁电路中实际的工作状态。负载回路主要由继电器触点、负载和开关组成。负载采用某型地铁电磁继电器实际工作中的负载，避免引入其他因素影响试验结果。

图1 某型地铁电磁继电器

图2 某型地铁电磁继电器结构简图

图3 试验模拟电路

某型地铁电磁继电器安装在地铁列车驾驶室中的电气箱中，如图4所示，继电器安装在配套插座上，插座由限位器固定在电气箱的导轨上。因此在随机振动加速试验时，设计了振动安装夹具，使电磁继电器安装固定方式与实际情况一致，如图5所示。

2.2 随机振动应力水平

随机振动试验所施加的振动应力谱参照GB/T 21563-2018《轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验》标准制定。某型地铁电磁继电器安装在司机操作室中的电气箱里，符合标准中规定的1类B级要求，振动应力谱如图6所示。经对现场测试数据统计分析，某型地铁电磁继电器实际工况下随机振动量级约为0.05g（加速度均方根值）。结合摸底试验结果，确定步进应力加速退化试验的随机振动应力水平（加速度均方根值）分别取0.2g、0.3g、0.4g。每个应力水平下振动试验时间分别为26 h，22 h，18 h，每隔2 h测试一次触点接触电阻。

2.3 试验结果

图4 地铁电磁继电器实际安装图

图5 地铁电磁继电器振动试验安装图

选择触点接触电阻作为电磁继电器性能退化的表征参数，试验时采用四线法测量其触点接触电阻。根据对该型号故障继电器触点接触电阻测试结果，其接触电阻约为1 Ω，因此选用1 Ω作为继电器触点接触失效阈值。试验时一共测试8对触点，每隔2 h测量一次接触电阻，测量结果如图7所示。

图6 随机振动谱

图7 触点接触电阻退化图

3 试验数据统计分析

3.1 退化模型

随机振动条件下，电磁继电器动静触点间会产生相互运动，造成触点微动磨损；同时会造成触点簧片的应力疲劳，最终导致接触电阻增大，根据试验测试数据，其符合Wiener过程的随机性与波动性。因此可用Wiener过程来建立电磁继电器触点的退化模型为

式中：x0为初始值；α为漂移系数；β为扩散系数；B（t）为标准布朗运动。

产品寿命评估是产品可靠性的直接表征，可利用性能参数首次达到失效阈值的时间来定义寿命，即首达时间，其寿命表达式为

由累积分布函数与概率密度函数和可靠度之间的关系可得：

3.2 加速模型

根据振动引起的电磁继电器簧片疲劳、微动磨损及电弧造成的材料侵蚀与转移的接触失效机理，结合前人研究[8]，可认为Wiener退化模型中的漂移系数和扩散系数与振动应力之间符合逆幂律模型：

3.3 参数估计方法及可靠性寿命计算

假设tijk为第j个触点在Sk应力下第i次测量时间。ΔXjk（ti）表示对应的性能参数在测试时间ti比测试时间t（i－1）对应的退化量增量，其表达式为

利用Matlab 中FMINSEARCH函数最大化可求得B的极大似然估计B赞=-0.6049；将B赞代入（22）和式（23）可得A赞j和C赞j；最后，通过式（24）可得μ赞A、σ赞A、μ赞C、σ赞C。A赞j和C赞j的计算结果如表1所示。

表1 加速方程系数估计值

4 结 论

1）以某型地铁电磁继电器为研究对象，以其触点的接触电阻退化作为性能指标，设计了随机振动试验时工况模拟方案和步进应力加速退化试验方案，并通过试验获得了其性能退化数据。

2）建立了基于Wiener过程的性能退化模型，利用逆幂律模型描述漂移系数和扩散系数与随机振动应力之间的关系。

3）利用极大似然估计方法对退化模型和加速模型进行了参数估计，实现了实际工况下某型地铁继电器触点工作寿命的评价，为地铁继电器选型与维保工作提供了支撑。