可靠性設計與分析技術在信號繼電器產品中的應用研究

王進忠

(沈陽鐵路信號有限責任公司，沈陽 110025)

1 概述

現代科技迅速發展使各個領域的系統和產品不斷朝著高性能、高可靠性的方向發展，深入研究產品的可靠性對國民經濟具有重大的意義。從大局出發，鐵路作為國家的基礎設施，在交通運輸體系中處于骨干地位，鐵路信號產品的可靠性對鐵路系統的安全運行具有重要的影響[1]。從企業角度來看，鐵路信號產品可靠性的提升是通過早期研制和生產成本的付出，從而換取降低產品后期維修費用、減少產品壽命周期成本、提升品牌競爭力的有效途徑。綜合考慮，研究鐵路信號產品的可靠性具有經濟和安全的雙重收益，可靠性與產品費用的關系曲線如圖1所示。

鐵路信號產品可靠性關注的是鐵路信號產品合格水平隨著時間的保持能力，其可靠性的提高是通過設計、制造、使用管理與維護來實現的，可靠性與費用的關系曲線如圖1所示。本文選取安全型繼電器作為鐵路信號系統的典型產品進行可靠性設計、分析和管理的研究。

圖1 可靠性與費用的關系曲線Fig.1 Relationship curve between reliability and cost

2 鐵路信號產品的可靠性設計

鐵路信號產品的可靠性設計是產品整體設計的組成部分，是影響產品固有可靠性的重要內容，是以預防為主進行的深入影響到產品全壽命周期的關鍵性措施，其目標是在性能、費用、時間等因素綜合平衡的基礎上，實現既定的可靠性指標[2]。如果在設計階段考慮不全面，生產產品結構不合理、選用元件不適合等問題，在后續的階段中，這類問題將無法得到改正和優化，只能在使用和維修過程中維持已獲得的固有可靠性，而不能對可靠性進行提高。因此在產品面世前，進行可靠性優化設計是提高產品質量最為行之有效的措施。美國的諾斯洛普公司對此進行了專門數據統計，在產品生產后進行的維護支出相當于在研發設計階段所投入成本的30倍左右[3]。對我國也開展過類似的調查，結果表明在產品生產的各個階段，設計階段對產品可靠性影響占的比重最大，各種因素對可靠性影響如表1所示。

表1 各種因素對產品可靠性的影響Tab.1 Effects of various factors on product reliability

可靠性設計需要全面考慮影響產品可靠性的各種因素，結合產品的結構特點和性能將設計要求轉化為明確的、定量化的設計指標，并貫穿于鐵路信號產品性能設計的每個環節。

2.1 可靠性建模

建立可靠性模型的目的是為了分配、預計和評估產品的可靠性。在產品設計初期建立可靠性模型，以有助于設計評審，并為產品的可靠性分配、預計和擬定糾正措施的優先順序提供依據[4]。可靠性模型分為串聯模型和并聯模型。以某型安全繼電器為例，其由觸點系統和電磁系統兩大部分組成，觸點系統由觸點組和傳動系統組成；電磁系統由線圈、固定的鐵心、軛鐵以及可動的銜鐵等組成。針對該系統產品的所有單元構成串聯模型，表示組成產品的所有單元中的任一單元發生故障都會導致整個產品故障。在串聯系統中，串聯分系統數目越多，總可靠性越低[5]。系統采用串聯模型，該安全型繼電器的可靠性如圖2所示。

圖2 某安全型繼電器的可靠性框圖Fig.2 Reliability block diagram of a certain type of safety relay

2.2 可靠性的預計與分配

可靠性的預計是通過獲得各個分系統或者各單元的可靠性數據，來計算系統可靠性指標從而得出系統整體的設計方案。可靠性分配是將設定的目標分解到系統的各個環節，在多種設計方案中比較、選優，前者是目標的設定，后者是目標的實現。對某型安全繼電器進行可靠性預計，首先要確定該型號產品的性能指標，確定繼電器的結構，據此選擇和推導出相關模型，確定各個單元的功能，對繼電器的使用環境進行環境系數和系統應力的確定，假定失效分布模型，計算出各單元的工作失效率和貯存失效率，從而計算產品的可靠性。可靠性指標的分配，有助于發現鐵路信號產品系統設計中的薄弱環節，為指標監控和改進措施提供依據，為管理提供所需的人力、時間和資源等信息。

2.3 可靠性優化設計

安全型繼電器的耐熱設計，目的是根據繼電器熱量的來源和分布，設法將熱輸入和危害降低到最小程度，繼電器所能承受的熱輸入除了最高環境溫度外，還應考慮線圈溫升，觸點燃弧溫升等。耐沖擊振動設計，要考慮由于繼電器自身具有的維持觸點閉合的力小于沖擊、振動施加在觸點上的瞬時作用力，從而導致閉合觸點的瞬時斷開，或者斷開觸點間的間隙小于沖擊、振動產生的觸點振動的振幅值，從而導致斷開的觸點瞬時閉合。參數穩定性設計是考慮繼電器參數變化的問題，和生產工藝、生產環境及質量控制密切相關，因此針對企業首先應合理優化生產環境，制定合理的措施，對質量檢查嚴格把關。在設計角度來說，各個系統中不穩定的因素較多，設計優化的余量較小，但優化設計的總原則是將吸合特性與反力特性保持合理范圍內的平衡。

3 鐵路信號產品的可靠性分析

3.1 故障樹分析

隨著可靠性工程的不斷深入研究，專業人員意識到單純依賴于可靠性設計是遠遠不夠的，對可靠性進行分析顯得尤為重要[6]。對繼電器的可靠性進行分析，主要是分析產品故障狀態產生原因和條件，從而發現設計中的薄弱環節，提出改進措施。通過建立故障樹的方法進行故障分析，能夠全方位識別故障原因及原因的組合，使設計的修正具有針對性和更加透徹，極大程度節約了人力和物力。對安全型繼電器的故障進行統計和分析，根據故障出現的概率和嚴重程度，繪制故障樹如圖3所示。

圖3 故障樹Fig.3 Fault tree

通過對某安全型繼電器建立故障樹，得到的故障模式有接觸電阻變大、觸點超程減小、觸點熔焊、冷焊、橋接、觸點彈跳、多余物、低溫結霜、銜鐵、簧片異常、吸合釋放電壓異常、線圈電阻下降、線圈斷線、線圈欠壓或過載等。其相對應的故障危害為觸點不能正常閉合和分斷，觸點表面產生膜污染幾率增加、接觸電阻增大、觸點動作不同步、觸點接觸不良，絕緣電阻下降，吸合、釋放參數變化、觸點間間隙擊穿導通、低溫水汽結霜，氣體污染，在氣壓較低時，繼電器的溫度升高等[7]。

3.2 改進措施

通過對安全型繼電器建立故障樹和進行故障分析，給出相應的改進措施。合理選擇觸點材料的硬度和預壓力，設計減少沖擊影響的方法。設計時優化觸點形貌，減少電弧或采用隔弧措施，減少焊劑污染，密封繼電器充入高純氮氣，降低內部水汽含量，減少污染膜的生成，消除多余物，防止觸點粘結。電磁系統要做到鉚裝牢靠，銜鐵轉動靈活，軸孔配合間隙適當。絕緣材料選取耐溫等級較高、熱形變小的。簧片焊點等材料選用熱穩定高、散熱好的，設計銜鐵轉動支撐部分，增加裝配精度。通過專用調整工具調整銜鐵的推動桿位置，增加銜鐵超行程等。具體的改進措施如表2所示。

表2 某安全型繼電器改進措施表Tab.2 Improvement measures for a certain type of safety relay

4 鐵路信號產品的可靠性管理

鐵路信號產品可靠性設計的實施必須與可靠性管理緊密結合。可靠性管理就是在了解鐵路信號產品整體系統、結構、原理和功能的基礎上，用最少的資源實現客戶所提出的產品可靠性要求。

針對鐵路信號產品的特性，對鐵路信號產品提供企業來說，可靠性管理的工作方法包括計劃、組織、監督和控制。計劃首先要分析確定目標，根據生產數據的積累和市場信息的反饋，選擇達到可靠性要求必須進行的一組工作，制定每項工作實施要求，估計完成這些工作所需的資源[8]。計劃需要依托于完整的質量管理體系的建立和運行，以過程控制為基礎，以顧客要求為輸入，轉化為產品輸出，通過增值活動和信息交流，不斷滿足高可靠性要求。組織是指在鐵路信號產品生產企業，確定可靠性工作的總負責人，并建立管理機構，明確任務分工、職責，對工作人員進行培訓。繼電器的生產過程需要專職的人員團隊、專業的技術手段和工作方法。團隊人員的技術水平和工作能力對產品可靠性有著重大影響，因此合理的組織對資源的合理運用十分必要。監督是利用檢查、評審、鑒定和認證等活動，及時取得信息，以監督各項工作的進展情況。與繼電器產品可靠性有關的理論、工藝技術、標準、考核辦法、失效分析技術、失效機理、失效模式以及各種可靠性數據均是需要及時獲得的信息，且信息要保證完整、準確、集中管理。控制是通過制定和建立各種標準、規范和程序，指導和控制各項可靠性工作的開展。由于繼電器產品質量形成于過程，要經歷設計、工藝、采購、加工、裝配、檢驗、試驗等一系列工程過程，該過程決定著產品的固有質量和可靠性，因此在可靠性管理工作上要嚴格按照規定執行和控制生產流程。

5 總結

隨著中國高鐵的迅猛發展，對鐵路系統可靠性的要求不斷升高，鐵路相關產品的生產、檢測和維修都面臨著巨大的考驗，對鐵路信號產品進行可靠性研究對鐵路行業發展具有重要意義。鐵路信號產品的可靠性設計、分析和管理是提升產品可靠性的重要手段，提出實用、合理的可靠性研究方法，對鐵路信號產品企業的科學發展具有重要的經濟效益和品牌效應，將為鐵路行業的安全可靠發展奠定基礎。