基于競爭失效模式的發(fā)送器和接收器的故障分析

鄒 瑤，符 萌，左 飛

（西南交通大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610031）

在ZPW-2000A軌道電路中，發(fā)送器和接收器是核心電子設(shè)備。由于系統(tǒng)中的其他設(shè)備如補(bǔ)償電容等的故障維修、使用時(shí)間的記錄比較分散，給數(shù)據(jù)的收集和分析帶來了一定的困難。因此通過綜合考慮，本文收集整理了發(fā)送器和接收器的現(xiàn)場返修數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行可靠性評估。

基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的可靠性評估可分幾個(gè)步驟進(jìn)行：收集失效數(shù)據(jù)；對失效數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析；可靠性建模；模型參數(shù)估計(jì)；模型檢驗(yàn)；綜合分析。本文通過這幾個(gè)步驟對ZPW-2000A的發(fā)送器和接收器進(jìn)行分析。

1 失效數(shù)據(jù)收集以及故障分類統(tǒng)計(jì)

失效數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)來源有兩種，即現(xiàn)場數(shù)據(jù)（Field Data）和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(In-house Data)。而本文采取了前者。同樣的，失效數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型也分為完全數(shù)據(jù)（Complete Data）和刪失數(shù)據(jù)（Censored Data，又叫截尾數(shù)據(jù)）兩種。而刪失數(shù)據(jù)又可分為區(qū)間刪失數(shù)據(jù)、右刪失數(shù)據(jù)和左刪失數(shù)據(jù)。由于所收集的數(shù)據(jù)中有不少是不知道其精確失效時(shí)間的，但是知道它大于某一個(gè)值，而且單元尚未失效，所以本文收集的失效數(shù)據(jù)類型多是右刪失數(shù)據(jù)。

本文收集了北京鐵路信號(hào)工廠06-07年間所生產(chǎn)的發(fā)送器和接收器的出廠和返廠維修的相關(guān)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)，得到表1，表中的數(shù)量單位均為“臺(tái)”。

表1 發(fā)送器和接收器的現(xiàn)場返修數(shù)據(jù)初步統(tǒng)計(jì)

根據(jù)收集到的返修數(shù)據(jù)，對返廠維修的147臺(tái)接收器和386臺(tái)發(fā)送器所發(fā)生的故障進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，得到表2和表3，表中的數(shù)量單位均為“臺(tái)”。

由表2和表3可知：（1）返廠維修的接收器和發(fā)送器中，復(fù)測正常的比例占返修總數(shù)的40.14%和37%，設(shè)備現(xiàn)場的誤檢測率較高。

（2）接收器的CPU板、數(shù)字板和發(fā)送器的數(shù)字板、功放板的故障總數(shù)在單板類故障中相對較多。這是因?yàn)檫@些板塊的集成元器件較多，電路也相對復(fù)雜，而且執(zhí)行的是發(fā)送器和接收器的主要功能，所以比較容易出現(xiàn)故障。

表2 接收器的故障統(tǒng)計(jì)表

表3 發(fā)送器的故障統(tǒng)計(jì)表

（3）接收器中CPU板上的集成電路CY7C1021和電源模塊，發(fā)送器中電源模塊、晶振、電阻、變壓器、三極管MJ11032的故障數(shù)都比較多。通過該統(tǒng)計(jì)表，建議設(shè)計(jì)、生產(chǎn)部門應(yīng)重點(diǎn)針對這幾個(gè)部分，盡量改善他們的性能，降低故障的發(fā)生，以提高設(shè)備的可靠性。

（4）底座端子、底座簧片、減震墊、網(wǎng)罩等的故障也可導(dǎo)致設(shè)備不能正常工作，所以建議也應(yīng)重視這些外圍裝置，在出廠前的老化試驗(yàn)中增加隨機(jī)振動(dòng)的環(huán)節(jié)，有效地剔除這些缺陷。

2 競爭失效模式分析的計(jì)算方法

競爭失效模式（CFM，Compet ing Fai l u re Modes）是指一個(gè)產(chǎn)品存在多個(gè)故障模式，這些故障模式相互獨(dú)立且互相競爭，當(dāng)有任何一種故障模式發(fā)生時(shí)，產(chǎn)品就停止工作，而不再發(fā)生其它的故障模式。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在發(fā)生故障的147個(gè)接收器和386個(gè)發(fā)送器中，只有個(gè)別的接收器和發(fā)送器同時(shí)發(fā)生了多種故障模式，所占比例很低，因此可以使用CFM的辦法分析這些故障模式。

本文主要是對故障率比較高的幾種失效模式在發(fā)生時(shí)間上的特性進(jìn)行分析。接收器分析A、B、F、I這4種故障模式，發(fā)送器分析A、B、C、F、G、H、I這7種故障模式。

由于統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)中單一故障模式下的故障數(shù)較少，故在分析時(shí)采用線性回歸的方法來進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。同時(shí)由于威布爾分布這個(gè)模型非常富于彈性，主要體現(xiàn)在它的形狀參數(shù)上。當(dāng)形狀參數(shù)小于1時(shí)，對應(yīng)的失效率函數(shù)是減的，適合于對產(chǎn)品早期失效的建模；當(dāng)形狀參數(shù)等于1時(shí)，它退化為一個(gè)指數(shù)分布，具有常數(shù)失效率，適合于建模隨機(jī)失效；當(dāng)形狀參數(shù)大于1時(shí)，它的失效率函數(shù)是增的，適合于建模磨損或者老化一類的晚期失效。而且它的所有4個(gè)可靠性基本函數(shù)均有明確的解析表達(dá)式，這給數(shù)學(xué)處理帶來極大方便。故在用CFM分析時(shí)，可靠性模型選用威布爾分布。

二參數(shù)威布爾分布的可靠度函數(shù)為：

就可以得到一個(gè)關(guān)于x和y的線性關(guān)系式：y=a+bx，其中：

采用這種方法就可以構(gòu)造Weibul l概率紙了。以x作為橫坐標(biāo)，y作為縱坐標(biāo)，使用最小二乘法擬合出直線，得到直線的斜率b和截距a，以此估計(jì)Weibu l l分布的相應(yīng)參數(shù)。

不可靠度F(t)的估計(jì)采用中位秩估計(jì)法：

式（8）中，ri為失效順序號(hào)，n為樣本總數(shù)。

由于數(shù)據(jù)中含有右刪失數(shù)據(jù)，失效順序號(hào)ri由Johnson方法確定：即設(shè)數(shù)組含有n個(gè)數(shù)據(jù)，以增序排列，其中有m個(gè)右刪失的數(shù)據(jù)，（n-m）個(gè)失效數(shù)據(jù)，對所有n個(gè)數(shù)據(jù)，按從小到大的順序編號(hào)為1到n，記這列編號(hào)為j。然后，只對失效數(shù)據(jù)編號(hào)，從小到大記為（n-m），記這列編號(hào)為i。則第i個(gè)失效數(shù)據(jù)的失效順序號(hào)為：

將ri代入式（8）計(jì)算，可得到失效數(shù)據(jù)所對應(yīng)的不可靠度。

3 接收器的CFM分析

用過上述方法，可計(jì)算出接收器的A、B、F、I這4種故障模式在二參數(shù)威布爾模型下的參數(shù)及線性相關(guān)系數(shù)，如表4。

表4 接收器各故障模式下的參數(shù)及線性相關(guān)系數(shù)

將這4種故障模式畫在同一張概率紙圖上，如圖1。

3.1 故障模式B

圖1 接收器故障模式A、B、F、I的CFM分析圖

由圖1可見，設(shè)備在使用 100天以內(nèi)的故障發(fā)生較少，在100天以后故障模式B（集成電路CY7C1021故障）的概率線的斜率較大，β為2.47，從圖中可看出故障大多集中在200～800天之間，且失效率上升得很快，不符合電子類產(chǎn)品應(yīng)具有恒定失效率的特點(diǎn)。而且該故障的故障數(shù)在所有類型故障中也是最多的，所以建議有關(guān)部門重新檢測該器件，觀察在使用中是否發(fā)熱過多或超負(fù)荷使用，即注意降額設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)。

3.2 故障模式F

故障模式F（減震墊故障）的概率線的斜率最大，β約為2.52，快接近于3，（當(dāng)某故障的形狀參數(shù)β在3左右，則可將故障原因定為耗損故障。）說明該設(shè)備使用時(shí)間越長，耗損故障發(fā)生的概率也就越大。從圖1中還可看出，故障大都集中在300天以后。這符合材料類設(shè)備以耗損失效為主的特點(diǎn)?？赏ㄟ^出廠前增加隨即振動(dòng)篩選的環(huán)節(jié)有效的剔除這類缺陷。

3.3 故障模式A和故障模式I

故障模式A（電源模塊故障）和故障模式I（二極管故障）的β分別為1.31、1.61。比較而言，電源模塊故障發(fā)生的時(shí)間要比二極管故障發(fā)生的時(shí)間早一些且故障數(shù)多一些，而二極管故障概率紙的斜率要大一些。從圖1中還可看出，在600天前導(dǎo)致接收器故障的最主要的原因是故障模式A（電源模塊的故障）。在600天后，則是故障模式B（集成電路CY7C1021故障）。

4 發(fā)送器的CFM分析

依照上述方法，可以求得發(fā)送器的A、B、C、F、G、H、I這7種故障模式在二參數(shù)威布爾模型下的參數(shù)及線性相關(guān)系數(shù)，如表5。

表5 發(fā)送器各故障模式下的參數(shù)及線性相關(guān)系數(shù)

同樣，將這7種故障模式放在概率紙上分析。為了觀察清楚，將這7種故障模式分列在圖2和圖3上。

圖2 發(fā)送器故障模式A、B、C、F的CFM分析圖

圖3 發(fā)送器故障模式G、H、I的CFM分析圖

4.1 故障模式A、B、F

結(jié)合圖2和圖3及表5可以看出，故障模式A（晶振故障）、B（電源模塊故障）、F（變壓器故障）的概率線的斜率相差不大，均接近于1，由前面敘述可知，這幾種故障模式都是以偶然失效為主。且A主要集中在200～900天，B主要集中在100～500天，F(xiàn)的發(fā)生比較隨機(jī)。

4.2 故障模式G、H、I

故障模式G（電阻故障）、H（底座簧片、底座端子、網(wǎng)罩故障）、I（集成電路故障）的概率線的斜率（即β值）均在1.5左右，大于1，可知其失效率函數(shù)是增的，且集中發(fā)生在200～700天。

4.3 故障模式C

故障模式C（三極管MJ11032故障）在早期（100天以內(nèi)）發(fā)生的頻率較高，且β值為0.464 1，遠(yuǎn)小于1，說明是早期失效，在后期發(fā)生故障的概率較低?？梢酝瞥霎a(chǎn)品在出廠前的高溫老化不充分，未能使其缺陷充分暴露出來。建議加長該器件的老化時(shí)間。

由圖2和圖3還可看出，在同一個(gè)時(shí)間段里，各種故障模式導(dǎo)致發(fā)送器故障所占的權(quán)重大致符合B>F>A>G>H>I。而在早期，C的權(quán)重很高（即發(fā)送器的故障主要由C的發(fā)生引起），300多天之后，B的權(quán)重超過了C。

5 結(jié)束語

本文使用競爭失效模式的辦法并結(jié)合威布爾分布對發(fā)送器和接收器的典型故障進(jìn)行分析。與傳統(tǒng)的故障數(shù)量統(tǒng)計(jì)相比，這種方法分析出了發(fā)送器和接收器故障發(fā)生的時(shí)間特性及故障發(fā)展的趨勢，并判斷出有無異常故障，提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。

本文從實(shí)用的角度出發(fā)，擺脫了深?yuàn)W枯燥的數(shù)學(xué)推理，收集了大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，用數(shù)據(jù)來說明問題，更有可信度。

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