動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)電子控制器壽命評(píng)估方法優(yōu)化研究

張 斌， 楊 闖， 韓繼生， 胡炎坤

（南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司， 江蘇 南京 211800）

0 引言

近年來，我國(guó)高速鐵路動(dòng)車組得到了迅猛的發(fā)展，隨著動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)里程的增加， 為了保證動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)的安全性和可靠性，動(dòng)車組檢修采用的是預(yù)防性維修的方法，這在一定程度上導(dǎo)致了動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用的飆升。 電子制動(dòng)控制器是一臺(tái)進(jìn)行制動(dòng)和防滑控制的微機(jī)， 主要功能包括車輛制動(dòng)力計(jì)算、分配與控制、車輛滑行控制、通信以及故障自診斷等， 每輛車上都裝有獨(dú)立的電子制動(dòng)控制器，它是制動(dòng)系統(tǒng)的核心控制部件，部件價(jià)格昂貴，重要性程度高。 如何在有限的樣品條件下， 以較低的成本，有效評(píng)估產(chǎn)品壽命，推進(jìn)檢修修程的優(yōu)化，對(duì)于降低動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)全壽命周期成本，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，有著積極的推動(dòng)意義。

1 關(guān)于壽命的定義

所謂壽命是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下， 能夠滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)格要求的時(shí)間。 對(duì)每一個(gè)具體的產(chǎn)品而言，只有當(dāng)該產(chǎn)品真正出現(xiàn)故障， 產(chǎn)品工作到那一刻的時(shí)間才是產(chǎn)品實(shí)際的壽命。 因此，我們沒有辦法確切的提前知道某一個(gè)產(chǎn)品的壽命， 但是工程上我們可以通過測(cè)試和試驗(yàn)來預(yù)估同一型號(hào)產(chǎn)品的壽命以及其壽命的分布， 也就是壽命的評(píng)估。 因此，壽命是一個(gè)基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的結(jié)果。

2 壽命的分布

實(shí)踐證明大多數(shù)設(shè)備的失效率是時(shí)間的函數(shù)， 典型故障曲線稱之為浴盆曲線（失效率曲線），曲線的形狀呈兩頭高，中間低，具有明顯的階段性。

整體生命周期內(nèi)可劃分為三個(gè)階段：早夭期，隨機(jī)失效期，疲勞老化期。 浴盆曲線是指產(chǎn)品從投入到報(bào)廢為止的整個(gè)壽命周期內(nèi)，其可靠性的變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律。 早夭期是指產(chǎn)品在出廠后由于元器件本身或者是生產(chǎn)過程中導(dǎo)致的產(chǎn)品缺陷， 這些缺陷在產(chǎn)品整個(gè)生命周期早期會(huì)引起產(chǎn)品失效。這個(gè)早夭期時(shí)間比較短。早夭期結(jié)束之后，產(chǎn)品就進(jìn)入了隨機(jī)失效期，這個(gè)期間產(chǎn)品的可靠性比較穩(wěn)定，出現(xiàn)故障失效的幾率很低，廠商都希望用戶使用的產(chǎn)品是處于隨機(jī)失效期，這樣產(chǎn)品故障率低，失效少，可靠性穩(wěn)定，維修的成本最低。 但是隨著時(shí)間的推移，產(chǎn)品由于內(nèi)在和外界原因，比如內(nèi)部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱，磨損以及外部使用環(huán)境溫度，濕度，產(chǎn)品逐漸出現(xiàn)老化，最后產(chǎn)品進(jìn)入了疲勞老化階段，這個(gè)階段開始的標(biāo)志是，失效率開始比隨機(jī)失效期出現(xiàn)顯著上升。 為了減少大量失效所造成的影響， 使用者應(yīng)該進(jìn)行階段性的維修保養(yǎng)或考慮更換產(chǎn)品，見圖1。

圖1 浴盆曲線

3 加速壽命測(cè)試模型

對(duì)于電子產(chǎn)品，目前比較通用的加速壽命測(cè)試模型，包括下面幾種：

3.1 溫度加速模型-阿倫尼斯模型

高溫是電子元器件加速壽命試驗(yàn)最常用的環(huán)境應(yīng)力，因?yàn)楦邷啬苁闺娮釉骷⒔^緣材料等內(nèi)部加快化學(xué)反應(yīng)，促使產(chǎn)品提前失效。 該模型提出人斯凡特·阿倫尼斯是一位瑞典科學(xué)家。他原本是一位物理學(xué)家，但常常被認(rèn)為是化學(xué)家，物理化學(xué)科學(xué)的奠基人之一。 他在1903年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 阿倫尼斯方程 （Arrhenius Equation），月球隕石坑Arrhenius 和斯德哥爾摩大學(xué)阿倫尼斯實(shí)驗(yàn)室都是以他的名字命名的。 阿倫尼斯在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上提出了溫度加速的模型，其加速模型如下：

其中：AF—加速因子；Ea—激活能（單位：eV）；k—玻爾茲曼常數(shù)8.617×10-5（單位：eV/K）；T1—產(chǎn)品應(yīng)用的溫度（絕對(duì)溫度，單位K）；T2—加速壽命測(cè)試的溫度（絕對(duì)溫度，單位K）。

設(shè)產(chǎn)品壽命為t，加速壽命測(cè)試時(shí)間為T，則可計(jì)算產(chǎn)品壽命：t =AF×T

溫度壽命加速測(cè)試已經(jīng)應(yīng)用于相關(guān)行業(yè)公司， 如惠普，戴爾，聯(lián)想等。

3.2 溫濕度加速模型Peck’s Model

Peck’s 模型在溫度應(yīng)力的基礎(chǔ)上， 增加了濕度的影響因素，是一種雙應(yīng)力加速模型，通過綜合溫度和濕度加速，可以提高加速因子，減少測(cè)試時(shí)間。 其加速模型公式如下：

其中：AF—加速因子；Ea—激活能（單位：eV）；k—玻爾茲曼常數(shù)8.617×10-5（單位：eV/K）；T1—產(chǎn)品應(yīng)用的溫度（絕對(duì)溫度，單位K）；T2—加速壽命測(cè)試的溫度（絕對(duì)溫度，單位K）；RHtest—加速壽命測(cè)試的相對(duì)濕度；RHuse—產(chǎn)品應(yīng)用的實(shí)際相對(duì)濕度。

設(shè)產(chǎn)品壽命為t， 溫濕度加速壽命測(cè)試時(shí)間為T，則計(jì)算產(chǎn)品壽命：t=AF×T

目前大部分的電子器件和產(chǎn)品都采用溫濕度測(cè)試加速，而且在電子元器件和半導(dǎo)體領(lǐng)域，已經(jīng)形成了標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 高加速壽命試驗(yàn)

高加速壽命試驗(yàn)即HALT 試驗(yàn)， 是最近三十年快速發(fā)展的一項(xiàng)可靠性測(cè)試技術(shù)， 其發(fā)明人Hobbs 博士在1965 年開始參與衛(wèi)星機(jī)械和熱設(shè)計(jì)測(cè)試分析，提出了通過高應(yīng)力測(cè)試方法用于衛(wèi)星設(shè)計(jì)， 但是當(dāng)時(shí)并沒有被采納。 直到1969 年在ETRS 公司（地球資源衛(wèi)星技術(shù)系統(tǒng)）中多頻譜掃描儀中使用， 迅速提高了產(chǎn)品的可靠性而逐步得到認(rèn)可，并在1979 年開始逐漸推行軍用和對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性非常高要求的產(chǎn)品。并于1989 年成立獨(dú)立的公司生產(chǎn)HALT 測(cè)試設(shè)備，進(jìn)一步推廣HALT 的應(yīng)用。

HALT 試驗(yàn)是通過高低溫循環(huán)，6 個(gè)軸向自由振動(dòng)和電應(yīng)力測(cè)試來快速激發(fā)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中最薄弱的環(huán)節(jié)， 暴露產(chǎn)品潛在的失效模式以及設(shè)計(jì)的局限性， 通過不斷持續(xù)的去除產(chǎn)品中的薄弱環(huán)節(jié)，提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)強(qiáng)度，迅速提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。 由于HALT 試驗(yàn)中使用了極限應(yīng)力水平， 目的是激發(fā)生產(chǎn)品在正常使用狀況下不可能發(fā)生的失效， 并以此確定潛在的失效原因， 因此很難將HALT 結(jié)果用于可靠性預(yù)計(jì)，而更多應(yīng)用在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段。 同時(shí)由于HALT 測(cè)試6 軸振動(dòng)比較復(fù)雜，而且振動(dòng)的頻譜和實(shí)際運(yùn)用中的頻譜差異非常大， 所以不能夠簡(jiǎn)單通過HALT 測(cè)試中的振動(dòng)應(yīng)力來推算實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)力的關(guān)系和相應(yīng)的加速因子。

4 加速壽命模型對(duì)比及優(yōu)化分析

4.1 加速壽命試驗(yàn)對(duì)比

高加速壽命測(cè)試主要是應(yīng)用在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，較快的激發(fā)產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)，用于設(shè)計(jì)改進(jìn)，不能夠模擬產(chǎn)品的壽命。 溫度加速模型和溫濕度加速模型則在加速壽命測(cè)試中，應(yīng)用較廣。

根據(jù)溫度加速模型和溫濕度加速模型方程可知，方程中有一個(gè)參數(shù)即激活能（Ea）的值是未知的，所謂激活能是指分子間發(fā)生碰撞并發(fā)生反應(yīng)的最低能量限制，激活能表征了產(chǎn)品從正常未失效狀態(tài)向失效狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中存在的能量勢(shì)壘，激活能越小，反應(yīng)速率越快，激活能越大則反應(yīng)速率越慢，不同的激活能取值，影響著加速因子的大小。 因此，為計(jì)算出激活能和加速因子，至少需要提供兩組樣品，分別施加不同的環(huán)境應(yīng)力，開展加速壽命試驗(yàn)。

3 種加速測(cè)試對(duì)比情況見表1。

表1 試驗(yàn)方法比較

4.2 優(yōu)化方案研究

綜上所述， 高加速壽命測(cè)試主要只是激發(fā)產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)， 不能夠模擬產(chǎn)品的壽命， 不能夠用來估計(jì)產(chǎn)品壽命； 溫度加速模型和濕度加速壽命測(cè)試主要缺點(diǎn)在于需使用新品測(cè)試， 并對(duì)樣品至少分成兩組并施加兩種不同的應(yīng)力條件以計(jì)算得出加速因子， 需要的提供的新樣品數(shù)量多。 因此，在開展試驗(yàn)實(shí)施時(shí)，同樣至少需選用兩組試驗(yàn)箱分別進(jìn)行測(cè)試；如果使用一組試驗(yàn)箱，測(cè)試時(shí)間至少翻一倍，這些都導(dǎo)致了試驗(yàn)研究成本的上升。高昂的成本使得企業(yè)推進(jìn)可靠性研究時(shí)顧慮良多，試驗(yàn)實(shí)施困難。

分析以上缺點(diǎn)的產(chǎn)生， 主要由于最終的壽命計(jì)算需要首先計(jì)算得出激活能和加速因子兩個(gè)參數(shù)， 導(dǎo)致試驗(yàn)實(shí)施的條件和難度增大，試驗(yàn)成本提高，如能避免，則可降低試驗(yàn)難度和試驗(yàn)成本。基于此，研究提出了比例法進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試計(jì)算。 比例法測(cè)試原理見圖2。

圖2 比例法原理

取A，B 兩組樣品， 設(shè)m 為A 組樣品實(shí)際使用時(shí)間，x為A 組樣品加速壽命測(cè)試時(shí)間，n 為B 組樣品實(shí)際使用時(shí)間，y 為B 組樣品加速壽命測(cè)試時(shí)間，產(chǎn)品實(shí)際壽命為t。

實(shí)際壽命：t=m+K·x 或t=n+K·y

比例法只需要兩組使用不同年限的產(chǎn)品， 在相同的應(yīng)力條件下進(jìn)行加速壽命測(cè)試， 即一個(gè)環(huán)境試驗(yàn)箱即可測(cè)試。由于使用的樣件可以是不同年限的產(chǎn)品，測(cè)試時(shí)間相比新品也較短。通過兩組產(chǎn)品壽終時(shí)間的不同，將加速壽命測(cè)試時(shí)間和實(shí)際使用時(shí)間建立比例關(guān)系， 然后計(jì)算產(chǎn)品在實(shí)際適用條件下的壽命。

采用比例法的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：

（1）通過兩組不同年限產(chǎn)品的失效時(shí)間和失效分布，可以計(jì)算出實(shí)際使用時(shí)間和加速壽命測(cè)試之間的關(guān)系。無需計(jì)算激活能和加速因子來估計(jì)產(chǎn)品的壽命， 降低了試驗(yàn)難度。

（2）施加相同的應(yīng)力條件在同一個(gè)試驗(yàn)箱內(nèi)即可測(cè)試，占用資源少，試驗(yàn)成本低，相比至少需要兩組試驗(yàn)箱施加不同應(yīng)力，試驗(yàn)資源以及試驗(yàn)成本至少降低一半。

（3）樣品的選用是選擇已使用一段時(shí)間的不同年限的產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，相比使用新品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)間相對(duì)較短，進(jìn)一步降低了試驗(yàn)成本。

5 結(jié)束語

通過對(duì)常用的溫度加速模型、 溫濕度加速模型以及高加速壽命測(cè)試的適用范圍、試驗(yàn)方法進(jìn)行分析對(duì)比，綜合考慮實(shí)際的樣品數(shù)量、 所需的投入以及試驗(yàn)時(shí)間要求等因素， 建議對(duì)于電子制動(dòng)控制器整體采用溫濕度加速模型，進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，然后再參照比例法，進(jìn)行壽命數(shù)據(jù)的計(jì)算。這個(gè)方法使用的樣品比較少，需要的試驗(yàn)資源少，而且試驗(yàn)時(shí)間相對(duì)較短，并且無需開展試驗(yàn)計(jì)算加速因子，有效降低了試驗(yàn)成本和試驗(yàn)時(shí)間。