一種基于加速退化試驗的車端連接器壽命評估方法

昝海斌，盧一鵬，楊存平，杜勝杰，徐立立，吳超云

（1.成都中車四方所科技有限公司，成都 610511；2.資陽中車電氣科技有限公司，資陽 641300；3.廣州廣電計量檢測股份有限公司，廣州 510656）

引言

電連接器要求在各種惡劣的環境、各種苛刻的條件下可靠地溝通電路、傳遞信息、實現特定的功能[1]，其可靠性直接影響到系統能否可靠地工作，由于電連接器的失效而導致系統故障的事例時有發生。YH400 系列連接器主要用在動車組間主電路、輔助電路跨接連接，已大批量在CRH2 系列動車組、CRH6 系列動車組、CRH380 系列動車組裝車運用，其失效時有發生，因此確認其故障模式，掌握其使用壽命分步情況，對連接器檢修周期的確定提供參考。

1 壽命試驗方案

根據連接器的使用環境，確定對連接器影響最大的環境應力，并通過收集連接器在線上使用過程中出現的故障，分析其故障模式，確定其主要的失效模式。

1.1 故障模式分析

車端連接器最長運行時間已超過10 年，其運行過程中，主要出現的故障模式如表1 所示。

表1 連接器的典型失效模式

經分析研究，其中連接器脫落主要是因為在維護保養過程中，操作不當而造成，屬于非責任故障，因此不作為本次研究的主要故障模式。本項目對連接器的密封失效、絕緣失效及接觸對連接失效三種故障模式開展壽命評估研究。

1.2 環境影響分析

經統計分析，該型車端連接器的外部使用自然環境因素包括：

1）環境溫度范圍（-55 ～+70）℃；

2）環境相對濕度95 %以下（該月月平均最低溫度為25 ℃）；

3）海拔高度不大于2 500 m。

車輛運行環境因素包括：

1）機械振動沖擊環境作用；

2）濕熱環境作用；

3）電應力環境作用。

根據電連接器的主要故障模式，主要為燒損類故障及插針鍍層氧化，此類故障多由于連接器密封失效導致水汽侵入、絕緣電阻降低、接觸電阻變大等現象，從而產生放電、燒損等現象[1～2]。考慮溫度對連接器尤其是密封件、絕緣件影響較大[3～4]，高溫環境下易加速此類密封件與絕緣件老化，因此本項目將溫度應力作為主要的加速試驗的應力。同時，由于振動沖擊等機械應力對與連接器的結構破壞較大，有可能造成連接器脫落，但從車輛運行的故障統計來看，此類的故障模式極少概率發生，并且型式試驗過程中已經考核了振動環境對連接器的影響。因此在連接器壽命試驗方案設計時，主要考慮溫度環境對于連接器性能的影響，兼顧振動應力對產品壽命的影響，采用施加多應力的方式加速連接器失效。

2 連接器壽命研究

2.1 試驗樣品情況及試驗方案設計

通過調研被試品主要組件的溫度耐受范圍確定連接器的高溫老化試驗溫度不超過125 ℃。結合連接器規范中規定的高溫工作溫度，確定高溫加速試驗的三個應力分別為125 ℃、115 ℃、105 ℃。結合振動及插拔次數要求，確定以下（表2）試驗方案，YH400-G50 型連接器及關鍵部件按照表3 進行高溫老化試驗[3～7]。

每個周期老化、振動及插拔結束后，按以下要求對被試樣品進行性能測試[8]：

1）連接器檢測順序按照外觀及結構—外殼防護—接觸電阻—溫升—絕緣電阻—耐電壓；

2）電纜密封襯墊樣件、O 型密封圈樣件檢測順序按照：外觀—硬度—拉伸（按照表2 要求送樣至廣電計量）。其中，硬度測試位置在拉伸樣件的兩端進行；

表2 YH400-G50 連接器試驗

3）插頭絕緣臺檢測順序按照：外觀—擊穿電壓。

2.2 試驗結果分析

2.2.1 關鍵部件試驗結果分析

連接器關鍵部件隨連接器進行了高溫老化試驗，試驗情況如下：

1）O 型密封圈（氯丁橡膠）在125 ℃、115 ℃、105 ℃老化一個周期后顯著硬化，測試YH400-G50 型連接器密封性（IPX7），樣件全部漏水，密封失效；

2）密封襯墊硅橡膠標樣，完成了125 ℃下1 000 h，115 ℃下1 500 h，105 ℃下2 000 h 老化試驗，硬度和拉伸強度均呈現增大趨勢，測試結果均未超出初始值的30 %；

3）插頭絕緣臺，完成了125 ℃下1 000 h，115 ℃下1 500 h，105 ℃下2 000h 老化試驗，硬度及擊穿電壓隨老化時間延長變化不明顯，性能相對較穩定；

基于關鍵部件的試驗結果分析，確定O 型密封圈為連接器最薄弱部件，密封圈硬化導致連接器密封失效，并以此推斷，O 型密封圈壽命在一定程度上可以等效為連接器壽命，因此建議在車輛檢修過程中重點關注O 型密封圈的狀態及時更換。此型號O 型密封圈使用材料為氯丁橡膠，因在125 ℃下200 h 即全部硬化，連接器全部密封失效，其使用壽命相對較短，因此在其材料選型上建議考慮性能更優的材料。

2.2.2 連接器試驗結果分析

在各應力水平下，樣品的性能退化，根據試驗方案假定同一溫度下，連接器性能退化規律遵循線性退化規律[]，將測試數據使用以下公式進行擬合：

式中：

L—特征參數壽命；

t —老化時間，單位為小時（h）；

b—初始常數；

m—衰減系數。

按照線性擬合公式的一般形式，式（1）可以寫成

根據式（1）和式（2）可知，y=L，x=1/t

式中：

n—擬合用測試數據的點數。

在線性擬合分析中，需要對x、y 之間相關程度做出判斷，這就要計算相關系數，如果r2越接近于1，表明擬合程度越好。該數值應在報告中給出。r 的計算公式如下：

YH400-G50 型連接器更換密封圈后，完成了125 ℃下1 000 h，115 ℃下1 500 h，105 ℃下2 000 h 老化試驗，性能參數無失效。根據試驗結果依據上述公式進行擬合，可以看出隨著老化時間的延長，其接觸電阻和漏電流變化不大，溫升呈現明顯增長趨勢，如圖1～3 所示，因此將溫升作為YH400-G50 型連接器的特征參數，分析其測試數據，進行壽命研究。

圖1 連接器接觸電阻隨老化時間變化

2.3 連接器壽命研究

2.3.1 加速模型

本文中選用Arrhenius 加速模型。通過對連接器加速模型的外推得到其偽失效壽命數據，將其視為完全壽命數據，進行加速試驗數據統計推斷，采用威布爾分布的概率密度函數估計分布的未知參數以及加速試驗的參數模型中的未知參數，給出了加速試驗可靠性評估方法，并基于建立的可靠性統計模型，對系統在不同應力下的特征壽命進行可靠性評估[9～11]。

高溫加速老化符合Arrhenius 加速模型：

式中：

v—反應速率；

A0—與材料相關的常數；

Ea—激活能（eV）；

T—試驗溫度（K）；

k—玻爾茲曼常數（8.617 3×10-5eV/K）。

由于特征參數的失效時間與反應速率的倒數成正比，因此公示（6）可以寫成：

式中：

L—壽命；

A—常數。

為方便數據分析，將公式8 兩邊取對數進行線性化處理，公式（7）可以寫成：

式中：

a—ln(A)為常數；

b—Ea/k。

按照線性擬合公式的一般形式，公式（8）可以寫成

根據公式（8）和公式（9）可知，y=ln(L)為壽命的對數，x=1/T 為溫度的倒數，m= Ea/k，n= ln(A)為常數。

2.3.2 壽命評估

通過隨溫升測試數據進行分析，考慮105 ℃在第4和第5 周期性能測試環境改變，測試數據異常，因此只選取前3 個周期測試結果（表3～5）進行數據分析擬合，擬合結果見圖4。以溫升55 K 為截止點，推測三個溫度下溫升55 K 的截止時間如表6 所示。

表6 連接器壽命壽命預測結果

圖4 連接器溫升數據擬合結果

表3 連接器125 ℃下溫升隨老化時間變化

圖2 連接器漏電流隨老化時間變化

圖3 連接器溫升隨老化時間變化

高溫加速老化符合Arrhenius 加速模型，壽命預測結果按照2.3.1 節（8）～（10）進行數據線性擬合，擬合結果件表7 和圖5。

圖5 連接器壽命分析結果

表7 連接器壽命預測結果

根據壽命預測結果進行數據擬合得到線性關系：

根據上式確定m=Ea/k=8 248.1，YH400-50 型連接器激活能Ea=8 248.1×8.617 3×10-5=0.711 eV。

考慮溫升使用過程中，連接器通入大電流，連接器的連接部位處于高溫使用環境，按照平均使用環境為65 ℃（338 K）進行預估，即x=1/T=1/338，帶入公式（10）中得出計算y=ln（L）= 10.955 7，從而得出溫升失效時間為L=57 278 h。按照連接器線上每天使用10 h 進行預估，則連接器的溫升失效時間約為15.7 年。

表4 連接器115 ℃下溫升隨老化時間變化

表5 連接器105 ℃下溫升隨老化時間變化

2.3.3 加速因子計算

根據Arrhenius 加速模型，計算高溫環境下連接器參數退化的加速因子Af：

式中：

T—連接器使用溫度，按開式溫度338 K（65 ℃）計算；

T′—加速溫度；

Ea—激活能0.711 eV。

將加速溫度帶入公式（11）中，得出398 K（125 ℃）溫度下的加速倍數約39.6 倍，388 K（115 ℃）溫度下加速倍數約23.2 倍，378 K（105 ℃）溫度下加速倍數約13.2 倍。

3 結論

1）連接器激活能約為0.71 eV；

2）以溫升為壽命特征參量推測連接器性能失效時間：考慮溫升使用過程中，連接器通入大電流，連接器的連接部位處于高溫使用環境，按其工作狀態平均溫度65 ℃進行計算，其失效時間為57 277 h。按照連接器線上每天使用10 h 進行預估，則連接器的性能失效時間約為15.7 年。

3）車端連接器中O 型密封圈為其最薄弱部分，在車輛檢修中應重點關注，同時在材料選型上建議選用性能更優的材料。