機車關鍵系統全壽命周期評估研究

劉子敬 張偉 馬玉紅

摘要：通過對機車關鍵系統車運用及檢修數據的梳理分析以及對長期服役機車整車和主要系統部件的運用分析研究，評估機車關鍵系統的實際服役狀態，統籌策劃結合不同里程高級修時對關鍵部件進行試驗研究或長期跟蹤測試，掌握部件的長期服役性能隨時間、里程增加的變化規律，依次為理論依據優化修程修制。

關鍵詞：全壽命周期評估;威布爾分布;數據收集;加速壽命試驗

中圖分類號：F407.472? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）12-0190-02

1? 概述

研究全壽命周期評估所需的數據內容，開展基于失效的關鍵系統部件壽命評估研究工作，研究環境因素對使用壽命的影響，識別影響系統壽命的關鍵零部件及其故障模式，估算部件的特征壽命，研究部件壽命曲線變化規律與特點。開展基于機車關鍵部件性能指標退化的壽命評估工作，評估出關鍵系統部件的性能退化特性，探索全壽命周期性能狀態及結構狀態變化情況。

2? 項目預期目標及研究對象

①評估產品使用壽命，判斷是否滿足設計要求，探索延長使用的可能性。基于全壽命周期評估過程數據與結果數據，綜合評估產品的實際使用壽命;

②優化產品修程修制;

③指導產品設計研發與改進;

④研究對象：機車關鍵系統或者關鍵部件等，本文只針對牽引電機做壽命評估。

3? 技術路線分析

3.1 理論評估

現場壽命數據和可靠性數據是進行壽命評估關鍵，數據包括：生產時間、數量、安裝開始使用時間（日期，車型等）、部件使用的總時間/里程、故障發生時間/里程、一批樣本總的使用時間/里程，定期維保性能測試數據。

確定數學模型，目前可供分析和使用的數學模型主要有威布爾分布、指數分布、對數分布等。（如表1所示）

3.1.1 常用分布模型

①指數分布。

指數分布是可靠性工程中最重要的一種分布。當產品工作進入浴盆曲線的偶然故障期后，產品的故障率基本接近常數，其對應的故障分布就是指數分布，概率密度函數如下：

式（1）中，λ為失效率;t為時間/里程。

②對數正態分布。

對數正態分布主要適用于描述某些呈偏態分布的資料，概率密度函數如下：

式（2）中，μ為對數均值;σ為對數標準差。

③正態分布。

正態分布主要用途是分析由于磨損（如機械裝置）而發生故障的產品，概率密度函數如下：

式（3）中，μ為均值;σ為標準差。

④Weibull分布。

威布爾分布主要適用于故障強度隨使用時間發生變化的產品，概率密度函數如下：

式（4）中，β為尺度參數;η為形狀參數。

3.1.2 假設檢驗

完成壽命分布假設后，為了判斷該假設是否正確需要進行假設檢驗，可以通過皮爾遜χ2檢驗法進行假設檢驗。

如果最優分布的假設檢驗不通過，則說明以下情況之一：

①數據完整性、連續性和真實性不足;

②數據不來自同一類型產品;

③產品質量特性發生突變。

3.1.3 評估計算

將整理好的可靠性數據導入可靠性分析軟件，選取最優可靠性評估模型，進而評估出產品在給定可靠度下的可靠壽命置信下限，以及指定運用里程/時間時的可靠度置信下限。

通過數據理論評估，針對不同部件現場數據和加速壽命測試數據，分析各個部件壽命分布評估不同部件失效率隨時間分布，根據當前數據情況修正當前數據收集方法，評估進行可靠性仿真和加速壽命測試方案，所得結果，根據部件的理論壽命曲線來判定是否需要做加速壽命試驗或者性能試驗。（如表2、表3所示）

3.2 試驗評估

通過數據理論評估，針對不同部件現場數據和加速壽命測試數據，分析各個部件壽命分布評估不同部件失效率隨時間分布，根據當前數據情況修正當前數據收集方法，評估進行可靠性仿真和加速壽命測試方案，但因收集的數據存在數據較少，數據質量不夠，甚至是數據缺失，可能會無法滿足全壽命周期評估要求，以現在收集的數據無法確定部件的壽命趨勢，更無法確定全壽命周期內的變化趨勢，在這種情況下需要做加速壽命試驗來確定部件的壽命趨勢。

3.2.1 加速壽命試驗

對于高可靠性產品而言，壽命試驗時間很長，為便于快速評價產品的壽命和可靠性，采用加大應力（如熱應力、電應力、機械應力等）而又不改變失效機理的辦法，使產品的故障加速暴露，這樣的試驗稱為加速壽命試驗（Accelerated Life Test，ALT）。根據加速壽命試驗結果，可以推測出正常使用狀態或降額使用狀態下的產品壽命[1]。

3.2.2 加速模型

加速壽命試驗要建立在一定的物理化學模型基礎上，加速應力（或稱加速變量）類型不同，有不同的物理化學模型。常用的模型有：

①以溫度作為加速變量，常采用阿倫尼斯（Arrhenius）方程作為壽命與溫度關系模型。經驗公式為：

式中，t為壽命;T為施加的絕對溫度;A為常數;B為激活能有關的參數。

對式（5）進行換算，兩邊取對數，令A′=lnA，則：

由式（6）可知，壽命t的對數與絕對溫度T的倒數之間滿足直線方程關系。當通過幾組溫度應力試驗得到產品的幾個溫度點的壽命之后，就可以確定A′和B值，利用式（6）可外推出正常溫度下的產品壽命。

②以電壓或壓力作為加速變量，壽命與電壓或壓力關系模型的經驗公式為：

式（7）中，t為壽命;V為施加的電壓或壓力;K、ɑ為均為與產品類型有關的參數。

對式（7）進行換算，兩邊取對數，令A=-lnK，B=-ɑ，則：

由式（8）可知，壽命t的對數與所施加的電壓或壓力的對數之間滿足直線方程關系。通過施加幾組電壓或壓力應力試驗，可得到幾個點的壽命值，隨后就可以確定A和B值，并可以利用方程式（8）外推出額定電壓或壓力下的產品壽命。

③壽命加速系數τ，利用式（5）、式（7）可分別求出兩種加速壽命試驗的壽命加速系數。

1）以溫度作為加速試驗變量的壽命加速系數：

2）以電壓或壓力為加速試驗變量的壽命加速系數：

由以上兩式可知，通過加速壽命試驗，可以求出加速系數τ，由已知的某應力下壽命t0，可以預測另一種應力水平下未知的壽命。

4? 結論

通過全壽命周期壽命研究，明確關鍵部件的全壽命周期的故障率，確定壽命趨勢，通過開展關鍵系統部件性能狀態評估工作，掌握各修程下部件的運用狀態，識別部件的薄弱環節，了解部件的可靠性變化規律，為強化檢修標準，優化檢修策略提供了有價值的參考意見，并根據可靠性評估的結果，識別出影響產品可靠性的薄弱環節，并提出有針對性的設計改進建議，為新產品研發提供有價值的參考數據，提升產品的可靠性水平。

參考文獻：

[1]李良巧.可靠性工程師手冊[M].二版.北京：中國人民大學出版社，2017.

[2]CENELEC EN50129， Railway Application： Safety related electronic systems for signalling [S].

[3]葉慈南.完全樣本情形下威布爾分布參數的估計[J].應用概率統計，2003，19（3）：259-266.