可靠性設(shè)計(jì)與分析技術(shù)在信號(hào)繼電器產(chǎn)品中的應(yīng)用研究

王進(jìn)忠

(沈陽鐵路信號(hào)有限責(zé)任公司，沈陽 110025)

1 概述

現(xiàn)代科技迅速發(fā)展使各個(gè)領(lǐng)域的系統(tǒng)和產(chǎn)品不斷朝著高性能、高可靠性的方向發(fā)展，深入研究產(chǎn)品的可靠性對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有重大的意義。從大局出發(fā)，鐵路作為國(guó)家的基礎(chǔ)設(shè)施，在交通運(yùn)輸體系中處于骨干地位，鐵路信號(hào)產(chǎn)品的可靠性對(duì)鐵路系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要的影響[1]。從企業(yè)角度來看，鐵路信號(hào)產(chǎn)品可靠性的提升是通過早期研制和生產(chǎn)成本的付出，從而換取降低產(chǎn)品后期維修費(fèi)用、減少產(chǎn)品壽命周期成本、提升品牌競(jìng)爭(zhēng)力的有效途徑。綜合考慮，研究鐵路信號(hào)產(chǎn)品的可靠性具有經(jīng)濟(jì)和安全的雙重收益，可靠性與產(chǎn)品費(fèi)用的關(guān)系曲線如圖1所示。

鐵路信號(hào)產(chǎn)品可靠性關(guān)注的是鐵路信號(hào)產(chǎn)品合格水平隨著時(shí)間的保持能力，其可靠性的提高是通過設(shè)計(jì)、制造、使用管理與維護(hù)來實(shí)現(xiàn)的，可靠性與費(fèi)用的關(guān)系曲線如圖1所示。本文選取安全型繼電器作為鐵路信號(hào)系統(tǒng)的典型產(chǎn)品進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)、分析和管理的研究。

圖1 可靠性與費(fèi)用的關(guān)系曲線Fig.1 Relationship curve between reliability and cost

2 鐵路信號(hào)產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)

鐵路信號(hào)產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)是產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)的組成部分，是影響產(chǎn)品固有可靠性的重要內(nèi)容，是以預(yù)防為主進(jìn)行的深入影響到產(chǎn)品全壽命周期的關(guān)鍵性措施，其目標(biāo)是在性能、費(fèi)用、時(shí)間等因素綜合平衡的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)既定的可靠性指標(biāo)[2]。如果在設(shè)計(jì)階段考慮不全面，生產(chǎn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理、選用元件不適合等問題，在后續(xù)的階段中，這類問題將無法得到改正和優(yōu)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(duì)可靠性進(jìn)行提高。因此在產(chǎn)品面世前，進(jìn)行可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)是提高產(chǎn)品質(zhì)量最為行之有效的措施。美國(guó)的諾斯洛普公司對(duì)此進(jìn)行了專門數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在產(chǎn)品生產(chǎn)后進(jìn)行的維護(hù)支出相當(dāng)于在研發(fā)設(shè)計(jì)階段所投入成本的30倍左右[3]。對(duì)我國(guó)也開展過類似的調(diào)查，結(jié)果表明在產(chǎn)品生產(chǎn)的各個(gè)階段，設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品可靠性影響占的比重最大，各種因素對(duì)可靠性影響如表1所示。

表1 各種因素對(duì)產(chǎn)品可靠性的影響Tab.1 Effects of various factors on product reliability

可靠性設(shè)計(jì)需要全面考慮影響產(chǎn)品可靠性的各種因素，結(jié)合產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能將設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)化為明確的、定量化的設(shè)計(jì)指標(biāo)，并貫穿于鐵路信號(hào)產(chǎn)品性能設(shè)計(jì)的每個(gè)環(huán)節(jié)。

2.1 可靠性建模

建立可靠性模型的目的是為了分配、預(yù)計(jì)和評(píng)估產(chǎn)品的可靠性。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期建立可靠性模型，以有助于設(shè)計(jì)評(píng)審，并為產(chǎn)品的可靠性分配、預(yù)計(jì)和擬定糾正措施的優(yōu)先順序提供依據(jù)[4]?？煽啃阅Ｐ头譃榇?lián)模型和并聯(lián)模型。以某型安全繼電器為例，其由觸點(diǎn)系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)兩大部分組成，觸點(diǎn)系統(tǒng)由觸點(diǎn)組和傳動(dòng)系統(tǒng)組成；電磁系統(tǒng)由線圈、固定的鐵心、軛鐵以及可動(dòng)的銜鐵等組成。針對(duì)該系統(tǒng)產(chǎn)品的所有單元構(gòu)成串聯(lián)模型，表示組成產(chǎn)品的所有單元中的任一單元發(fā)生故障都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品故障。在串聯(lián)系統(tǒng)中，串聯(lián)分系統(tǒng)數(shù)目越多，總可靠性越低[5]。系統(tǒng)采用串聯(lián)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(yù)計(jì)與分配

可靠性的預(yù)計(jì)是通過獲得各個(gè)分系統(tǒng)或者各單元的可靠性數(shù)據(jù)，來計(jì)算系統(tǒng)可靠性指標(biāo)從而得出系統(tǒng)整體的設(shè)計(jì)方案?？煽啃苑峙涫菍⒃O(shè)定的目標(biāo)分解到系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，在多種設(shè)計(jì)方案中比較、選優(yōu)，前者是目標(biāo)的設(shè)定，后者是目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。對(duì)某型安全繼電器進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)，首先要確定該型號(hào)產(chǎn)品的性能指標(biāo)，確定繼電器的結(jié)構(gòu)，據(jù)此選擇和推導(dǎo)出相關(guān)模型，確定各個(gè)單元的功能，對(duì)繼電器的使用環(huán)境進(jìn)行環(huán)境系數(shù)和系統(tǒng)應(yīng)力的確定，假定失效分布模型，計(jì)算出各單元的工作失效率和貯存失效率，從而計(jì)算產(chǎn)品的可靠性?？煽啃灾笜?biāo)的分配，有助于發(fā)現(xiàn)鐵路信號(hào)產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，為指標(biāo)監(jiān)控和改進(jìn)措施提供依據(jù)，為管理提供所需的人力、時(shí)間和資源等信息。

2.3 可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)

安全型繼電器的耐熱設(shè)計(jì)，目的是根據(jù)繼電器熱量的來源和分布，設(shè)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(huán)境溫度外，還應(yīng)考慮線圈溫升，觸點(diǎn)燃弧溫升等。耐沖擊振動(dòng)設(shè)計(jì)，要考慮由于繼電器自身具有的維持觸點(diǎn)閉合的力小于沖擊、振動(dòng)施加在觸點(diǎn)上的瞬時(shí)作用力，從而導(dǎo)致閉合觸點(diǎn)的瞬時(shí)斷開，或者斷開觸點(diǎn)間的間隙小于沖擊、振動(dòng)產(chǎn)生的觸點(diǎn)振動(dòng)的振幅值，從而導(dǎo)致斷開的觸點(diǎn)瞬時(shí)閉合。參數(shù)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是考慮繼電器參數(shù)變化的問題，和生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)環(huán)境及質(zhì)量控制密切相關(guān)，因此針對(duì)企業(yè)首先應(yīng)合理優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境，制定合理的措施，對(duì)質(zhì)量檢查嚴(yán)格把關(guān)。在設(shè)計(jì)角度來說，各個(gè)系統(tǒng)中不穩(wěn)定的因素較多，設(shè)計(jì)優(yōu)化的余量較小，但優(yōu)化設(shè)計(jì)的總原則是將吸合特性與反力特性保持合理范圍內(nèi)的平衡。

3 鐵路信號(hào)產(chǎn)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(yè)人員意識(shí)到單純依賴于可靠性設(shè)計(jì)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，對(duì)可靠性進(jìn)行分析顯得尤為重要[6]。對(duì)繼電器的可靠性進(jìn)行分析，主要是分析產(chǎn)品故障狀態(tài)產(chǎn)生原因和條件，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，提出改進(jìn)措施。通過建立故障樹的方法進(jìn)行故障分析，能夠全方位識(shí)別故障原因及原因的組合，使設(shè)計(jì)的修正具有針對(duì)性和更加透徹，極大程度節(jié)約了人力和物力。對(duì)安全型繼電器的故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，根據(jù)故障出現(xiàn)的概率和嚴(yán)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(duì)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(diǎn)超程減小、觸點(diǎn)熔焊、冷焊、橋接、觸點(diǎn)彈跳、多余物、低溫結(jié)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(duì)應(yīng)的故障危害為觸點(diǎn)不能正常閉合和分?jǐn)?，觸點(diǎn)表面產(chǎn)生膜污染幾率增加、接觸電阻增大、觸點(diǎn)動(dòng)作不同步、觸點(diǎn)接觸不良，絕緣電阻下降，吸合、釋放參數(shù)變化、觸點(diǎn)間間隙擊穿導(dǎo)通、低溫水汽結(jié)霜，氣體污染，在氣壓較低時(shí)，繼電器的溫度升高等[7]。

3.2 改進(jìn)措施

通過對(duì)安全型繼電器建立故障樹和進(jìn)行故障分析，給出相應(yīng)的改進(jìn)措施。合理選擇觸點(diǎn)材料的硬度和預(yù)壓力，設(shè)計(jì)減少?zèng)_擊影響的方法。設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化觸點(diǎn)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?dú)?，降低?nèi)部水汽含量，減少污染膜的生成，消除多余物，防止觸點(diǎn)粘結(jié)。電磁系統(tǒng)要做到鉚裝牢靠，銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，軸孔配合間隙適當(dāng)。絕緣材料選取耐溫等級(jí)較高、熱形變小的?；善更c(diǎn)等材料選用熱穩(wěn)定高、散熱好的，設(shè)計(jì)銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng)支撐部分，增加裝配精度。通過專用調(diào)整工具調(diào)整銜鐵的推動(dòng)桿位置，增加銜鐵超行程等。具體的改進(jìn)措施如表2所示。

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

4 鐵路信號(hào)產(chǎn)品的可靠性管理

鐵路信號(hào)產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)的實(shí)施必須與可靠性管理緊密結(jié)合?？煽啃怨芾砭褪窃诹私忤F路信號(hào)產(chǎn)品整體系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、原理和功能的基礎(chǔ)上，用最少的資源實(shí)現(xiàn)客戶所提出的產(chǎn)品可靠性要求。

針對(duì)鐵路信號(hào)產(chǎn)品的特性，對(duì)鐵路信號(hào)產(chǎn)品提供企業(yè)來說，可靠性管理的工作方法包括計(jì)劃、組織、監(jiān)督和控制。計(jì)劃首先要分析確定目標(biāo)，根據(jù)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的積累和市場(chǎng)信息的反饋，選擇達(dá)到可靠性要求必須進(jìn)行的一組工作，制定每項(xiàng)工作實(shí)施要求，估計(jì)完成這些工作所需的資源[8]。計(jì)劃需要依托于完整的質(zhì)量管理體系的建立和運(yùn)行，以過程控制為基礎(chǔ)，以顧客要求為輸入，轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品輸出，通過增值活動(dòng)和信息交流，不斷滿足高可靠性要求。組織是指在鐵路信號(hào)產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)，確定可靠性工作的總負(fù)責(zé)人，并建立管理機(jī)構(gòu)，明確任務(wù)分工、職責(zé)，對(duì)工作人員進(jìn)行培訓(xùn)。繼電器的生產(chǎn)過程需要專職的人員團(tuán)隊(duì)、專業(yè)的技術(shù)手段和工作方法。團(tuán)隊(duì)人員的技術(shù)水平和工作能力對(duì)產(chǎn)品可靠性有著重大影響，因此合理的組織對(duì)資源的合理運(yùn)用十分必要。監(jiān)督是利用檢查、評(píng)審、鑒定和認(rèn)證等活動(dòng)，及時(shí)取得信息，以監(jiān)督各項(xiàng)工作的進(jìn)展情況。與繼電器產(chǎn)品可靠性有關(guān)的理論、工藝技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、考核辦法、失效分析技術(shù)、失效機(jī)理、失效模式以及各種可靠性數(shù)據(jù)均是需要及時(shí)獲得的信息，且信息要保證完整、準(zhǔn)確、集中管理?？刂剖峭ㄟ^制定和建立各種標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和程序，指導(dǎo)和控制各項(xiàng)可靠性工作的開展。由于繼電器產(chǎn)品質(zhì)量形成于過程，要經(jīng)歷設(shè)計(jì)、工藝、采購、加工、裝配、檢驗(yàn)、試驗(yàn)等一系列工程過程，該過程決定著產(chǎn)品的固有質(zhì)量和可靠性，因此在可靠性管理工作上要嚴(yán)格按照規(guī)定執(zhí)行和控制生產(chǎn)流程。

5 總結(jié)

隨著中國(guó)高鐵的迅猛發(fā)展，對(duì)鐵路系統(tǒng)可靠性的要求不斷升高，鐵路相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)、檢測(cè)和維修都面臨著巨大的考驗(yàn)，對(duì)鐵路信號(hào)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性研究對(duì)鐵路行業(yè)發(fā)展具有重要意義。鐵路信號(hào)產(chǎn)品的可靠性設(shè)計(jì)、分析和管理是提升產(chǎn)品可靠性的重要手段，提出實(shí)用、合理的可靠性研究方法，對(duì)鐵路信號(hào)產(chǎn)品企業(yè)的科學(xué)發(fā)展具有重要的經(jīng)濟(jì)效益和品牌效應(yīng)，將為鐵路行業(yè)的安全可靠發(fā)展奠定基礎(chǔ)。