李久鑫, 王召斌, 朱佳淼

(江苏科技大学 电子信息学院, 江苏 镇江 212003)

0 引 言

电磁继电器是一种电子控制器件,作为经典的低压电器器件,在许多领域都有应用,如航空航天、通信、自动控制等领域,对系统能否正常工作起着重要作用。电磁继电器是通过电路控制线圈,产生电磁吸力来驱动磁路中的可动部分,从而控制触点的控制元件,作为关键元件,有着保护、控制、调节的作用[1]。电磁继电器结构精密复杂,因此可靠性较低。随着使用时间的增长,电磁继电器的性能会进行退化,其中电磁继电器的退化参数和数据对继电器可靠性和寿命预测有着重要参考价值。通过对继电器的退化参数进行统计归纳,得出退化模型,在现有的理论基础上对数据进行分析,并对退化过程中的特性参数进行研究总结[2]。

1 继电器贮存可靠性

1.1 继电器贮存失效机理研究

在继电器可靠性领域,研究电磁继电器贮存失效机理对继电器寿命预测有着重要帮助。通过对继电器的结构研究处理,分析归纳继电器贮存失效的原因[3]。通过分析继电器贮存失效机理,可延长继电器使用寿命,使其贮存可靠性得到提升。

产品丧失规定的功能称为失效。如果某个电器元件在正常工作或运行状态下,仍具有一定的功能,但在某一时刻功能就全部失效,一般称为偶发失效,如工程上造成的机械卡死、电路短路等。如果电器元件随着时间的增加,性能就逐渐降低,直到无法完成基本的功能,一般称为退化失效,如元器件电性能的衰退、机械电子器件的磨损等。在可靠性领域里,通常可靠性分析通过大量的寿命预测实验数据进行预测分析,从而得出相应的数据结论。通过研究电磁继电器的贮存失效机理和退化过程,有助于进一步改善继电器可靠性。

通过研究继电器可靠性,归根到底是收集退化数据,运用可靠性分析方法,推断继电器是偶发失效或退化失效,获得可靠性指标。与继电器的触点电侵蚀失效相对比,越来越多的机构开始研究继电器故障分析。河北工业大学的刘帼巾等[4]对接触器式继电器的失效分析进行研究,对普遍采用的触点形式进行可靠性试验,从而分析不同触点形式的失效水平。贵州大学张富贵等[5]通过阐述密封继电器的几种失效模式,分析各种失效模式的形成机理,最终得出提高密封继电器可靠性的措施。

对于不同负载的继电器失效机理分析,国内外研究内容相对较少。如周国凤[6]运用容性负载和阻性负载进行试验,从试验中找出规律从而替代电阻负载。通过数据整理得出5 A与10 A触点负载对继电器可靠性的影响。不同负载的研究仅停留于分析模拟负载对寿命影响。通过材料性质来分析负载对继电器寿命预测的影响,找出切实有效的可行方法,但并没有从继电器失效机理分析其可靠性[7]。

1.2 贮存可靠性研究现状

贮存可靠性是指处于一定的贮存空间内,在一定的时间内器件是良好的状态,并可以独立完成指定的功能任务。贮存可靠性大多应用于导弹武器领域,通常国外相较于国内发展更快,我国对贮存可靠性方面还有很长的路需要走[8]。

20世纪60年代初,以美国为首的科研机构开展导弹贮存可靠性试验,通过对器件进行贮存,从而对武器进行寿命预测评估[9]。20世纪80年代,我国在贮存可靠性领域研究取得了突破,得到了技术上的提高。第二次世界大战后,我国也开始了自主武器的研发工作,贮存可靠性的研究变得迫在眉睫[10],现在更应对加速贮存试验开始进行研究。在六十年代初期,我国通过对发射导弹进行研究,在发射地现场进行贮存试验从而进行寿命预测。李久祥等[11]对导弹加速贮存寿命试验技术开展分析。哈尔滨工业大学对继电器类机电元器件进行可靠性分析研究工作,国内相关科研机构也陆续开始进行分析研究[12]。

虽然我国在贮存可靠性领域方面的研究开展较晚,但随着贮存可靠性的重要性提升,国家大力扶持,继电器可靠性研究受到国家关注,许多机构进行了相应的研究,并取得了一系列研究成果。

1.3 继电器贮存可靠性研究现状

对于继电器贮存可靠性的研究,国内开展的工作比较少,目前仍处于发展中。在现阶段研究领域,大部分研究的是自然贮存试验,继电器贮存可靠性研究仍任重而道远[13]。

在继电器可靠性方面,目前我国采取的是指定失效分布类型,通过定时截尾的方法,给出电磁继电器在特定负载条件下的可靠性指标。随着科学技术的发展,继电器可靠性领域取得了许多成果,国外学者C.Wang等[14]将数学统计分析模型与可靠性分析相结合,通过向量几何思想可以对继电器可靠性进行分析。国内研究机构也开始选取故障树分析方法,对继电器进行可靠性分析,从而得出对应的解决方法[15]。

总而言之,我国目前对继电器贮存可靠性的分析处于一个相对稚嫩的阶段。想要研究继电器的贮存可靠性,还需从继电器的自身结构进行摸索,逐渐形成电磁继电器的性能退化模型和退化试验数据分析方法。肖坤等[16]对某引信用O型橡胶圈进行了可靠性评估,在50 ℃、60 ℃、70 ℃和80 ℃共4个温度进行恒加退化试验,根据所得数据给出可靠性评估结果。Freitas等[17]基于可靠性分析模型研究了火车车轮各个属性随路径长度的函数关系。器件的退化轨迹模型会根据外界条件因素影响,产生随机性,通过退化轨迹法可以对总体退化趋势做出判断,对随机因素并不能很好地表征。综上所述,建立退化轨迹模型的方法具有通俗易懂、直接简单的优点,并且理论上适用于对所有离散数据进行拟合[18]。

2 继电器退化机理

2.1 定义

退化是一种能够引起产品性能发生变化的一种物理或化学过程,随着时间的增长,产品最后都将失效[19]。通常来说,性能退化与产品的失效有着密不可分的关系。在正常工作或运行过程中,随着时间的增长产品的性能逐渐降低,直到无法进行正常工作的状态,那么这种现象称为退化型失效[20]。

2.2 国内外研究现状

电器产品的性能退化数据具有一定的可靠性信息。通过对退化数据进行分析,有利于节省实验经费和时间[21]。因此,基于退化规律进行寿命预测是解决高可靠性评估问题的重要方法之一。

在我国,对继电器可靠性的试验开展较晚,基于退化规律的寿命预测仍探索较少。直到八十年代初,相关机构才对电磁继电器进行研究分析。根据我国出台的相关政策,基于经典模拟分析法对电磁继电器进行测试分析,研究发现部分试验项目精度要求仍不达标。随着国内可靠性技术飞速发展,继电器的可靠性也得到了提升,国内研发出了更多的电磁继电器自动化检测装置[22]。哈尔滨工业大学军用电器研究所设计研发的电磁继电器时间参数综合测试分析系统,将电磁继电器的特征信息量采集至上位机,采用逻辑分析法进行处理,从而得出相应试验数据[23]。张菲菲等[24]针对继电器寿命预测问题,通过超程时间和吸合时间进行继电器寿命预测分析,基于BP神经网格建立继电器可靠性模型。

基于退化规律的可靠性评估方法,进行相关可靠性分析。在试验中存在少部分无效信息的情况下,对电磁继电器的性能参数进行可靠性分析的方法仍然需要进一步改善[25]。因此基于退化规律进行可靠性分析,使其更简便、快捷地应用到继电器寿命预测中有着重要意义。

21世纪初,国内许多科研机构对继电器可靠性进行深度研究,一是提高了精度,可以对继电器的特性参数进行进一步分析;二是可以独立高效地实现系统自动化。在国外,继电器可靠性分析装置基本实现自动化。如日本ARL-0111继电器寿命预测试验台,可以独立测试完各个特性参数,可对最多8个触点进行寿命预测。美国RT160型继电器寿命试验装置,可以自动测试吸合时间、吸合电压、接触电阻、线圈电阻等参数[26]。

2.3 性能退化模型

通过分析器件的内部结构,研究电器元件的性能退化模型是研究电磁继电器可靠性的重要问题。通常将退化模型大致分为两种:退化轨迹模型法和随机过程模型法[27]。

退化轨迹模型是通过可靠性分析中的退化数据建立模型。当退化的数据随时间呈现函数关系且有效拟合时,可以采用退化轨迹模型的方法进行可靠性评估。通过器件的退化数据可以得到退化轨迹曲线并计算出退化轨迹方程[28]。由退化数据进行可靠性分析时,对其产品建立模型,并确定其失效标准是十分重要的过程。综上所述,建立退化轨迹模型的方法理论上适用于对所有离散数据进行拟合。

针对随机过程模型,我国已经开展了大量的研究。在退化建模中的典型随机过程模型研究主要包括伽马过程(Gamma Process)研究、威布尔过程(Weibull Process)研究与维纳过程(Wiener Process)研究。Wiener过程、Gamma过程和Weibull过程模型是退化建模中比较典型且研究广泛的3种随机过程[29]。

2.3.1 Wiener过程模型

Wiener过程是Robert Brown在1827年研究悬浮水中的花粉不规则运动时提出的,是一个重要的独立增量过程,其结构比较简单,也被称为布朗运动过程。Wiener过程是一个重要的连续时间随机过程,可以用来表述不可知因素[30]。其具有不严格单调的特性,适用于有增加或减小趋势的非单调情况下的建模。考虑到Wiener过程中累积效应,能够较强地描述产品性能参数退化过程和环境因素的影响。在基于Wiener过程建立退化模型方面,Park和Padgett对在加速应力条件下进行分析,将记录的特性参数处理,采用Wiener过程模型推导结论。通过研究小子样评估法,彭宝华等[31]提出了一种寿命预测方法。该方法适用于退化过程中符合Wiener过程的产品,因为小子样评估法对函数模型是迭代处理的,因此提高了继电器寿命预测效率。

2.3.2 Gamma过程模型

电磁继电器随着时间的增加,在使用过程中会带来累积损伤,可靠性降低,性能会发生退化,同时电磁继电器的特性参数也会发生变化。如果特性参数值越接近失效阈值,发生失效的可能性也随之增加,可靠性也越来越低。Gamma模型的退化增量是独立的、非负的,如疲劳、裂纹变化和磨损等情况,比较适合用Gamma过程建造模型[32]。电磁继电器随时间或操作次数的增加,由于复杂的物理变化和化学变化造成损伤不断累积,继电器性能退化,同时电磁继电器的特性参数也会发生变化。张英波等[33]通过建立基于Gamma退化过程的寿命预测模型,运用函数关系来解决直升机主减速器行星架的可靠性分析。王浩伟等[34]提出基于Gamma过程进行加速老化建模,为可靠性分析试验提供解决方案。刘学敏利用Gamma过程与Bootstrap法的结合对金属膜电容器进行了退化建模。

2.3.3 Weibull过程模型

Weibull分布对数据具有良好的适应能力与拟合效果,用于反应脆性材料的材料强度,从而得出继电器可靠性相关参数,Weibull分布具有递增的失效率性质使得在电子器件寿命预测方面更加具有优势。Weibull分布存在两种参数情况,电器元件的特征参数普遍可以使用Weibull过程建立相关退化模型。若退化参数与贮存为线性关系,通过线性漂移Weibull过程进行建模;若退化参数与贮存为非线性关系,则增加一定步骤的转变,然后进行相同的步骤进行建模Weibull过程具备适用范围十分广泛及操作简单的特点,在可靠性领域使用广泛。

3种性能退化模型适用范围和优点对比如表1所示。

表1 3种性能退化模型适用范围和优点对比

2.4 通过退化规律进行寿命预测的优点

通过退化规律进行寿命预测具有以下优点：

(1)对于零失效的产品,通过退化数据可以得到有意义的寿命预测推论;

(2)相对于许多电子器件,退化是其必有的属性,因此无论是否出现失效,都可以对其分析,得出退化数据;

(3)退化规律可应用于小样本、零失效情况,

减少了失效时间数据丢失的信息。

3 加速贮存试验方法

电磁继电器的贮存时间相对较长,而加速退化试验可以缩短时间,在规定时间内获得继电器的退化参数。加速退化试验是解决高可靠性、长寿命产品可靠性评估问题的重要加速试验。产品的退化是一个十分缓慢的过程,通过自然工作进行继电器可靠性研究,需要花费较长的时间。随着国家的发展和需求,对可靠性产品需求增加,加速贮存试验也越来越受到人们的关注。因此,国家对加速贮存试验项目日益重视,开展了许多研究工作。

加速贮存试验最先开展在国外,但当时对继电器可靠性的许多问题尚未解决,因此试验并没有进行下去。直到20世纪80年代,加速试验才有序地开展进行。GERT等进行研究后得出结论,可以用简单恒加试验进行寿命预测分析。国内对加速贮存试验的起步较晚,加速贮存试验近年来不断发展,在继电器可靠性领域有着大量的应用,恒定应力试验一直在进行优化。近年来,继电器可靠性研究已经开始使用步进应力试验。加速贮存实验通常分为3种类型：恒定应力试验、序进应力试验、步进应力试验[35]。在加速退化试验中,定义一个特定的工程指标即失效阈值,当某种电器元件突然丧失规定的功能,称为失效。产品性能参数随着试验时间退化的数据称为退化数据。产品的退化数据与其失效数据同等重要[36]。

加速贮存试验作为继电器可靠性重要的组成部分之一,改善了自然退化需要较长时间的问题,节省时间和成本,从而得到更加有效的试验数据。

性能退化建模也能够根据退化数据有效地对产品的寿命做出预测。

4 结 语

本文对继电器失效机理进行了介绍,针对贮存可靠性和继电器贮存可靠性的研究现状进行分析,在此基础上对继电器退化定义进行了概述,介绍了基于退化规律的寿命预测优点,概述了3种常见的随机过程模型,并对各个性能退化模型的适用范围和优点进行对比分析。最后,介绍了加速退化试验的研究现状。

目前,我国对继电器贮存可靠性的研究仍相对较少,现阶段仍然处于探索阶段。国内外关于继电器贮存可靠性的文献也比较少,在现有的研究工作中,需要分析继电器的结构,探索其退化试验方法,逐渐积累退化试验数据,并形成电磁继电器的相关贮存退化建模方法以及退化参数评估预测方法[37]。