地铁车辆小型电器设备加速试验在线测试系统

尹洪权

（中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

地铁车辆小型电器设备是关系车辆运行安全的重要电子器件，对小型电器设备进行实时状态监测、准确提出维修维护建议、预测剩余寿命，不仅可以保证车辆运行安全，还可以降低当前维修维护模式的经济损失[1−4]。

加速试验是在不改变产品失效机理前提下对产品加载高于正常使用条件的应力，加快产品失效或性能退化，通过对加速应力下的电性能退化数据进行统计分析，预测产品正常使用寿命指标的一种技术途径[5]。对于高可靠的小型电器设备采用加速试验可以大大缩短试验周期，提高试验效率，节约试验经费[6]。对各电器设备进行加速寿命试验是进行可靠性研究的重要基础，也是获取小型电器设备性能状态评估指标的重要手段。

目前国内外现有的针对小型电器设备的在线测试平台设备种类、数量较少，且大多存在操作复杂、制作成本高、功能单一等问题，尤其少有能够对车辆小型电器设备进行集中统一的加速试验平台。主要因为存在以下几个难点：（1）不同地铁车辆小型电器部件对电源要求不同，测试系统的电源需要能够同时实现交直流、可调压、大功率、高精度等要求；（2）小型电器设备加速试验需要测量的参数较多，无法依靠单一测试设备进行测试；（3）测试过程人为误差难以避免。

基于以上难点及小型电器的在线测试需求，本文提出了一种基于加速试验的地铁车辆小型电器设备在线测试系统，下文对该系统进行详述。

1 测试系统组成及工作原理

本文在线测试系统由加速试验的老化试验箱、电源、测试链路、测试设备、计算机测试系统组成。老化试验箱根据加速试验的温度、湿度、振动要求提供相应的加速环境，电源依据小型电器设备的工作要求提供电压保证小型电器设备的正常工作，测试设备对不同被测件进行测试参数采集，计算机测试系统实现对采集数据的检查、存储、处理，以便后续可靠性研究。

本文设计的基于加速试验的地铁车辆小型电器设备在线测试系统，具备以下功能：（1）依据加速试验和被测件的工作要求，为小型电器设备提供程控、可调压的交直流电源；（2）对地铁车辆的多种小型电器设备单独试验，根据不同被测件的工作特性，设置相应负载完成电性能参数的测试；（3）实时检测小型电器设备的电特性参数，将测试数据经过计算机测试系统展示以便测试人员检查，并依据测试数据判断被测件的失效情况；（4）在被测件发生失效故障或达到老化试验要求时，发出警报提示工作人员及时终止试验。

本文设计的测试系统具有以下特点：（1）能够满足小型电器设备加速寿命试验需要的基本测试项目，可测试的电性能参数如表1 所示；（2）测试依靠在线平台插件进行，减少人为操作的误差，测试精度高；（3）无需反复调整测试设备，测试操作简便。

表1 测试项目表

2 测试平台硬件设计

硬件平台硬件系统组成如图1 所示。应力加载区实现对被测件的温度、湿度、振动3 个方面的老化加速加载，电源为被测件提供脉冲式电源以实现被测件的规律通断模拟实际工作，可调负载电阻用于进行电参数测试，集成测试设备对被测件进行各项电性能参数测试，交换机用于存储、访问、传输数据，测试计算机负责将测试的数据进行统一处理。

图1 测试系统硬件示意图

2.1 电源设计

为了覆盖地铁车辆小型电器设备电性能测试时的电源需要交直流转换及调压的需求，本测试系统提供程控、可调压的直流以及交流电源。电源设计原理图如图2所示。

图2 电源设计原理图

直流供电部分利用交直流变换器将市电输入的交流电压变换为固定电压，再通过开关预稳压和线性稳压同步调节器保证电源调整管的电压差为恒定值，提高效率[7−8]。

交流供电部分采用正弦脉宽调制技术，以任意波形发生器的输出为参考基准，根据等效面积原理，生成所需波形的等效PWM 波[9−10]。通过控制逆变电路中开关的通断，获得恒幅值的高频调制波形，整形滤波后得到需要的输出波形。ARM 是程控电源的核心，实现了电源高精度实时控制和波形任意发生的需求。

2.2 测试链路设计可行性验证

为了验证测试平台测试电路的可行性及可靠性，以地铁车辆电磁继电器为被测对象，对电磁继电器进行累计50 小时温度载荷为124 ℃，湿度载荷为95%RH 的温度湿度双应力加速试验。在试验过程中对电磁继电器进行在线测试并记录电磁继电器各项电性能参数。图3为使用设计的测试电路单次测试所得数据，可以清晰观测出电磁继电器的工作状态，验证了测试电路设计的可行性及可靠性。

图3 测试电路测试结果

2.3 加速老化工况加速因子

2.3.1 温度、湿度试验加速因子

温度、湿度试验加速因子可使用哈尔伯格-佩克模型（Hallberg-Peck Model）进行计算，Hallberg-Peck 模型综合考虑了温度、湿度影响，是在Arrhenius 模型上的延伸。Hallberg-Peck 模型中的温、湿度加速因子计算模型如式（1）所示[11]。

式中，RHs 为试验应力时施加的相对湿度；RHu 为实际工作相对湿度；n为湿度加速率常数，选择3；Ea 为激活能，介于0.3 eV～1.2 eV，电子产品取0.6 eV；K 为玻尔兹曼常数；Tu为实际工作环境温度，绝对温度（单位为K）；Ts为试验应力时环境温度，绝对温度（单位为K）。

2.3.2 随机振动试验加速因子

振动试验通过对元器件、零部件及整机施加振动载荷评定产品在实际使用环境中的抗振能力。振动试验中，试验时间和实际寿命时间与试验加速度和实际应力加速度的关系可依据GB/T 21563-2008《轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验》[12]确定。

式中,Ts为实际运行寿命；Tt为振动试验时间；AS为运行加速度；At为试验加速度；m为常数，金属材料选4。

3 测试平台软件架构设计

计算机测试系统软件由服务端软件和测试客户端软件组成，测试客户端软件采用通用平台+插件架构。通用平台应能够实现系统基础、核心功能，并能够自动加载、运行、管理各个插件模块的功能。各种功能模块和显示界面模块以插件的形式存在。

计算机测试系统采用分层式体系架构，如图4 所示。应用层提供一体化界面展现，并支持插件式动态加载；业务服务层提供测试及数据处理功能，且功能可扩展；基础设施层提供测试系统运行必需的硬件基础。

图4 计算机测试系统软件层次结构图

数据采集模块主要功能：通过插件接入接口实现各项性能参数的测试子系统，通过通用平台按照实际情况设置参数对测试终端进行控制，如小型电器的工作电压、工作时间、通断频率等。

数据处理模块主要功能：（1）测试数据存储：将测试所得数据进行集中存储并备份。（2）测试数据显示：将测试所得数据通过程序运行显示，以便试验中进行实时检查、校正。（3）原始电信号处理：对试验采集到的数据进行处理、计算，得出小型电器设备的电性能参数，为之后的电寿命分析做准备。（4）异常数据剔除：在进行电寿命分析之前，对原始信号预处理模块处理所得的电器设备电性能参数进行处理，使用3σ 原则对数据进行筛选，剔除偏离数据的异常值，并对缺少的数据进行补充。

以所测电磁继电器1 为例，图3 为数据处理模块对在线测试数据进行实时显示，表2 为数据处理模块对原始电信号处理及异常数据剔除后的电磁继电器性能参数，表明了测试平台软件系统设计的可行性。

表2 电磁继电器参数表

4 在线测试流程

传统小型电器设备的加速老化试验测试任务通常需要通过手动配置方式进行测试，本系统可支持自动化流程执行测试任务，在线测试流程示意图如图5所示。

图5 在线测试流程示意图

首先确定加速老化试验方案，根据电寿命分析要求，通过查阅文献及标准确定被测件需要测试的参数，确定老化因子并换算出加速老化试验的温度、湿度。在做好理论基础之后，即可依托本文设计系统进行加速老化试验并进行在线测试。

在准备阶段，将老化试验箱设置指定的温度、湿度，调试测试系统硬件设备，运行在线测试软件；待准备完毕，即可设定当次测试时长，调整电源设置以满足被测件工作要求，调节测试硬件设备以进行在线测试，开始测试。

测试过程中，老化试验箱将保持设置的温度、湿度及振动条件加速被测件的老化进程，电源将以设置的频率向测试回路供电使被测件有规律地通断来模拟实际工作，测试设备将在设定的参数下对被测件进行各电性能参数表征数据的测试，通过实时传输，测试计算机将所得数据进行存储并通过程序绘图显示每次测试所得数据情况。

当老化试验箱运行时长达到当次测试设置时间，将自动恢复至室温，测试终止。测试计算机对数据进一步预处理获得电性能参数并显示各参数在试验过程中的变化曲线，备份原始数据。

5 结论

本文探讨了在同一测试平台实现多种地铁车辆小型电器设备加速试验电性能参数在线测试方法，通过可行性试验验证在线测试系统中加速老化试验测试链路的有效性及可靠性，提出了面向服务的服务端软件设计和平台＋插件的应用端软件架构，可支持数据存储、数据显示化、数据预处理等功能，能够显著提升测试效率，具有良好的扩展性。

本文提出的设计思路及测试方法具有良好的测试性能和工程实用性，可为地铁车辆小型电器设备加速试验的在线测试平台提供设计参考。