城軌車輛電子板件衰變檢測(cè)及健康管理方式探索

謝 帥，盧 勇，張 棟

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣州 510310）

0 引言

電子板件性能直接影響城軌車輛的正線運(yùn)營(yíng)質(zhì)量，而隨著長(zhǎng)期使用，伴隨板件上電容、電感、電阻、MOS 管、光耦、二極管等元件性能也會(huì)逐漸衰變，這些電路基本元件衰變都會(huì)對(duì)電路整體性能造成影響，導(dǎo)致電路衰變，嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致電路失效。

目前城軌車輛電子板件基本采用故障更換的方式。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障，失去正常運(yùn)行功能后，對(duì)其進(jìn)行維修，該維護(hù)階段簡(jiǎn)單原始、采購(gòu)成本低，但是極易導(dǎo)致城軌車輛的正線故障，是引起車輛重大晚點(diǎn)事故的主要原因。根據(jù)廣州地鐵城軌運(yùn)維管理系統(tǒng)中2018 年的數(shù)據(jù)，由于電子板件故障導(dǎo)致的車輛3 min以上的晚點(diǎn)故障為總故障的65%，而對(duì)于電子板件老化現(xiàn)象較為嚴(yán)重的廣州地鐵一號(hào)線，故障占比更是高達(dá)90%，目前的故障維護(hù)已經(jīng)不能滿足實(shí)際的使用需求。因此，若能在電子板件性能衰變初期，還未對(duì)車輛系統(tǒng)造成重大危害時(shí)，根據(jù)一些監(jiān)測(cè)手段及時(shí)預(yù)測(cè)產(chǎn)品的剩余壽命，制定相應(yīng)的系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)策略，具有非常現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái)，故障預(yù)測(cè)和健康管理（Prognostic and Health Management，PHM）方法得到廣泛運(yùn)用和推廣，包括航空航天、通訊、電子設(shè)備、機(jī)械制造等行業(yè)，PHM 在降低維修保障費(fèi)用、減少維修次數(shù)、降低故障發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)方面有著良好的運(yùn)用[1]。目前，關(guān)于電子板件性能衰變的研究方法可以按照基于模型的方法和基于數(shù)據(jù)的方法分為2 類：基于模型的電子板件性能衰變研究方法通過(guò)建立電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路性能衰變的分析；結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法，利用少量衰變數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電路性能衰減分析[2]。由于城軌車輛電子板件數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、影響因素多，利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的失效時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和特征量提取，根據(jù)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)建模方法，預(yù)測(cè)得出電子板件的剩余壽命。

1 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)PHM方法

目前關(guān)于電子板件壽命預(yù)測(cè)的方法大致分為2類，即基于失效物理（Physics of Failure,PoF）方法和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)（Data Driven,DD）方法[2]?；谑锢淼姆椒ㄔ诋a(chǎn)品失效機(jī)理的基礎(chǔ)上進(jìn)行建模分析，往往較為復(fù)雜，對(duì)改善城軌車輛現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)而言，很難開展卓有成效的研究和獲取較高的實(shí)際價(jià)值；而基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法僅僅對(duì)產(chǎn)品的失效時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)際上是一種依賴于數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)建模方法，對(duì)于分析復(fù)雜、條件有限的現(xiàn)場(chǎng)而言，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的壽命預(yù)測(cè)方法是不錯(cuò)的選擇。本文將對(duì)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)PHM 的運(yùn)用流程做介紹，并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)運(yùn)用過(guò)程中的重點(diǎn)和難點(diǎn)加以歸納。

1.1 對(duì)象選擇

根據(jù)城軌車輛電子板件的故障影響大小和故障率大小2個(gè)維度繪制四象限分解圖，如圖1所示。

圖1 故障維修模式

針對(duì)第一象限故障率高、故障影響大的板件，宜采用預(yù)防性維修或者改善板件設(shè)計(jì)等維護(hù)方式，如電壓傳感器、速度傳感器等；針對(duì)第三象限故障率低、故障影響小的板件，采用事后故障維修模式（RM）可最大化地平衡安全與成本的關(guān)系，如牽引控制單元（DCU）板件、空調(diào)控制板件；針對(duì)第四象限故障率高、故障影響小的宜采用事后故障維修或者預(yù)防性維修（PM）方式，可以從維修成本和減少故障處理時(shí)間次數(shù)等2個(gè)維度考慮，如客室燈管、鎮(zhèn)流器、頭燈、尾燈等。

較之于RM 和PM 維護(hù)方式，PHM 一般用于結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、發(fā)生頻率不高，一旦發(fā)生影響很大的電子板件，即位于第二象限的部件，如城軌車輛系統(tǒng)中電子制動(dòng)單元（ECU）電子板件、中央控制單元（VCU）電子板件等。這類板件往往采購(gòu)價(jià)格很高，因此不適合PM 維修模式；但為了保證板件的可靠性，一旦發(fā)生故障將導(dǎo)致嚴(yán)重的后果，因此RM維修模式也不適用；PHM 基于對(duì)電子板件的剩余壽命預(yù)測(cè)，采取能有效降低板件發(fā)生系統(tǒng)性故障的手段，既能降低采購(gòu)成本，又能有效提高系統(tǒng)的可靠性。

1.2 狀態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)收集

對(duì)于目前大多數(shù)城軌車輛電子板件的狀態(tài)檢查維修通常有以下3種：外觀檢查法、無(wú)電電阻值測(cè)量法、有電電壓及波形測(cè)量法[3]。但對(duì)于未發(fā)生系統(tǒng)性損壞或者宕機(jī)的電子板件，通常的方式往往無(wú)法做出狀態(tài)評(píng)判，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、維修經(jīng)驗(yàn)的積累和維修大數(shù)據(jù)的運(yùn)用，越來(lái)越多的手段可以被利用來(lái)實(shí)現(xiàn)電子板件衰變檢測(cè)的狀態(tài)評(píng)估。

1.2.1 故障分析和在線監(jiān)測(cè)

城市軌道交通車輛電子板件在出廠生產(chǎn)時(shí)，通常為批量化的產(chǎn)品，在原料來(lái)源、生產(chǎn)加工工藝、存放環(huán)境等方面存在諸多的一致性，因此產(chǎn)品的運(yùn)用狀態(tài)、使用壽命、衰變程度都有著一定的相似性。在電子板件批量出現(xiàn)原件衰變前，狀態(tài)更差一些的板件會(huì)有一定的故障表現(xiàn)和參數(shù)畸變，這些為研究電子板件的衰變提供了很好的參考依據(jù)和警示作用。

2012 年廣州地鐵A1 型車GTO 門控板故障有5起，但到2013年就多達(dá)了23起，對(duì)正線的行車造成了較大的影響，而且故障表現(xiàn)基本都可以歸結(jié)為GTO 門控板的發(fā)光二極管功率衰變下降。如果2012年能夠及時(shí)從5起故障中深入分析故障原因，并采取更換發(fā)光二極管的措施，則可有效提高列車的運(yùn)用效能。因此對(duì)故障的有效分析是狀態(tài)維護(hù)管理的良好手段。

而對(duì)于電子板件出現(xiàn)的瞬時(shí)故障，采用在線監(jiān)測(cè)的手段可有效捕捉故障時(shí)刻的相關(guān)數(shù)字、模擬量，對(duì)電子板件的參數(shù)畸變分析也大有裨益。2015年廣州地鐵一號(hào)線出現(xiàn)了多起A1 型車在開門后出現(xiàn)溜車的故障，而這些故障極有可能造成客傷事件，最終通過(guò)利用多通道示波器在線監(jiān)測(cè)的方法，成功捕捉到了在列車快停穩(wěn)施加保壓階段，DCU（牽引控制單元）板件板載繼電器異常無(wú)法斷開，導(dǎo)致列車停穩(wěn)自動(dòng)開門后仍有保壓制動(dòng)緩解信號(hào)給出，造成列車溜車[4]，并在后續(xù)展開的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)DCU的板載K7繼電器存在普遍性能衰變的問(wèn)題。

1.2.2 維修數(shù)據(jù)運(yùn)用

利用電子板件更換維修記錄，結(jié)合電路結(jié)構(gòu)原理，為電子板件衰變?cè)暮Y選提供了有效的途徑。對(duì)于電子板件的衰變，必然伴隨著越來(lái)越多的故障，通過(guò)對(duì)故障數(shù)據(jù)的完善利用，對(duì)于判斷電子板件的故障原因和開展健康管理具有非常重要的作用，隨著故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的增加，電子板件的部件故障的統(tǒng)計(jì)分類也越來(lái)越具有價(jià)值和必要性。

1.2.3 電子板件關(guān)鍵數(shù)據(jù)測(cè)試

電子板件在使用過(guò)程中，存在電場(chǎng)、輻射、溫度等應(yīng)力，導(dǎo)致板件中的各個(gè)基本電路元件也會(huì)隨時(shí)間發(fā)生衰變。在城軌車輛維修車間，在沒(méi)有專業(yè)檢測(cè)設(shè)備和大量計(jì)算仿真分析的條件下，電子板件的衰變檢測(cè)可以使用以下幾種方法。

（1）利用示波器、萬(wàn)用表等設(shè)備對(duì)電路中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置初態(tài)電壓、電流值幅值，電壓、電流上升率等參數(shù)，并與新板件對(duì)比測(cè)量，尋找差異性。其中，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置可根據(jù)電路結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)對(duì)無(wú)源元件三極管、功率MOS 管、變壓器，有源元件芯片輸入輸出位置等加以測(cè)量確定。

（2）利用紅外溫度測(cè)試儀、功率測(cè)試儀、診斷測(cè)試儀、示波器等設(shè)備對(duì)電路中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置穩(wěn)態(tài)溫升、紋波電壓、功率、通訊頻率等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，對(duì)于溫度、電流上升率等參數(shù)異常的板件進(jìn)行篩選鑒別。測(cè)試過(guò)程中應(yīng)盡可能地達(dá)到滿載的測(cè)試條件，以盡可能地滿足對(duì)于正線工況的模擬。

（3）利用萬(wàn)用表、LCR 測(cè)試儀等對(duì)存在外觀、發(fā)熱量或回路電壓、電流值異常的回路元件進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試。而常見(jiàn)的衰變?cè)娊怆娙?、薄膜電阻、MOSFET、三極管、光耦等。

1.3 特征識(shí)別和選擇

特征識(shí)別是指基于對(duì)城軌電子板件的監(jiān)測(cè)和分析，從狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和事件分析數(shù)據(jù)中識(shí)別出可能與電子板件健康狀態(tài)相關(guān)的特征。性能變量識(shí)別方法主要通過(guò)對(duì)單個(gè)或多個(gè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)變量進(jìn)行，采用多種分析方法得到與電子板件元件衰變或故障相關(guān)的特征，并將此特征用于故障診斷或預(yù)測(cè)。

在電子板件衰變檢測(cè)的實(shí)際運(yùn)用中，結(jié)合電路原理圖，在狀態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)收集的基礎(chǔ)上，對(duì)電子板件電路的相關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)比測(cè)量，識(shí)別出特征值異常的回路和元件。特征值異常的識(shí)別應(yīng)建立在對(duì)板件電路結(jié)構(gòu)原理掌握的基礎(chǔ)之上，如在電壓前級(jí)輸入部分，重點(diǎn)電壓幅值、電壓上升率、電壓紋波等判斷電壓輸入前級(jí)的濾波質(zhì)量；在隔離轉(zhuǎn)換部分，重點(diǎn)對(duì)元件溫度、電壓紋波及響應(yīng)時(shí)間等重點(diǎn)識(shí)別；在芯片輸出或變壓輸出部分，重點(diǎn)對(duì)電壓輸出的零點(diǎn)漂移、輸出幅值等重點(diǎn)關(guān)注。特征識(shí)別和選擇同樣可通過(guò)維修數(shù)據(jù)的運(yùn)用，篩選出關(guān)聯(lián)度較高的部件進(jìn)行參數(shù)測(cè)試，再通過(guò)試驗(yàn)的方式進(jìn)一步確認(rèn)異常特征量。

1.4 特征融合

特征融合的意義在于通過(guò)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，將同類電子板件衰變做特征異常量的歸納，發(fā)現(xiàn)電子板件的最小公約的故障原因，有針對(duì)性地開展健康管理，這樣既能更明確地確認(rèn)電子板件系統(tǒng)衰變?cè)?，又能將維護(hù)的成本和風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

特征值的識(shí)別和選擇為特征的融合提供了依據(jù)，再通過(guò)對(duì)同類電子板件基本狀態(tài)的整理，如批次、使用時(shí)間、使用環(huán)境等，將具有廣泛性的異常特征量進(jìn)行融合，從而確定引起電子板件系統(tǒng)衰變的元件。

1.5 剩余壽命預(yù)測(cè)

在研究城軌車輛電子板件故障預(yù)測(cè)之前，需要對(duì)電子板件的衰變效應(yīng)做一定的闡述。

有研究證明，在電路的使用過(guò)程中，衰變效應(yīng)是一個(gè)影響電路使用壽命并且是不可避免的效應(yīng)。在電子板件數(shù)字電路和模擬電路這兩部分中，由于模擬電路具有模擬量輸出抗干擾能力弱、隨時(shí)間連續(xù)變化等特點(diǎn)，使其成為了對(duì)電子系統(tǒng)衰變影響較大的部分[5]。城軌車輛電子板件在長(zhǎng)期運(yùn)行中，由于工作時(shí)間長(zhǎng)和電氣柜密封條件不良、溫度濕度變化大等外部環(huán)境影響，導(dǎo)致性能的逐漸衰變，對(duì)于模擬電路來(lái)說(shuō)，電路中基本元件衰變是造成電路性能衰變的主要原因。表1 所示為電子板件中典型的元件以及對(duì)應(yīng)的衰變指標(biāo)。

表1 電子板件典型的組成部件及對(duì)應(yīng)的性能衰變主要指標(biāo)

城軌車輛電子板件中電阻、電容、MOSFET、二極管等器件大量使用，大量的研究表明，在典型工作條件下，由元件故障導(dǎo)致電路故障的主要為電解電容、薄膜電阻，MOSFET故障。在實(shí)際運(yùn)用中，對(duì)電路中上述主要元器件做失效分析，進(jìn)而進(jìn)行故障預(yù)測(cè)是PHM的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

1.5.1 電解電容失效分析及剩余壽命預(yù)測(cè)

電解電容的陽(yáng)極金屬氧化膜部分是影響其性能的主要部分。城軌電子板件中多以鋁電解電容故障為主，本文以此為分析對(duì)象，其等效電路模型如圖2所示，在其工作過(guò)程中，陽(yáng)極金屬氧化膜會(huì)因發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而不斷增厚，等效串聯(lián)電阻由于其變厚而增大，嚴(yán)重的情況下，電解電容會(huì)發(fā)生擊穿或者功能喪失。其主要表現(xiàn)為電容值C 的減小和等效電阻值RESR值的增大。

圖2 鋁電解電容簡(jiǎn)化等效電路模型

根據(jù)運(yùn)用較為廣泛的電解電容的衰變模型[6]，如式（1）所示：

式中：r 為衰變速率；A 為相關(guān)系數(shù)；E 為激活能；k為波耳茲曼常數(shù)；T為工作時(shí)的熱力學(xué)溫度。

由于鋁電解電容通常在電路中起著儲(chǔ)能和濾波的作用，其工作頻率較低，進(jìn)而在核溫為T 時(shí)，t 時(shí)刻的RESR（t）與其初始值RESR（0）近似關(guān)系如式（2）所示：

式中：k 為常數(shù)，由電容的材料結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。

不同的文獻(xiàn)中對(duì)應(yīng)著不同的電解電容失效判據(jù)。參考關(guān)于電解電容失效判據(jù)[7-9]，結(jié)合城軌車輛電子板件的長(zhǎng)時(shí)間使用、可靠性要求高等特點(diǎn)，綜合分析，本文以RESR增大為初始值的2.8 倍或者電容值減小為初始值的80%作為電解電容器的失效判據(jù)。根據(jù)式（1）的衰變關(guān)系，結(jié)合RESR的閥值便可得電解電容的剩余壽命。

1.5.2 薄膜電阻失效分析及剩余壽命預(yù)測(cè)

金屬薄膜電阻器的失效模式主要有開路、短路和阻值異常。引起金屬薄膜電阻衰變的原因包括材料的結(jié)構(gòu)變化、電阻氧化、腐蝕、焊腳接觸不良等[10]。工作環(huán)境溫度與使用時(shí)間是造成金屬薄膜電阻器發(fā)生衰變的主要因素，其衰變模型可以描述為[11]：

式中：R0為電阻的初始值；為電阻在t 時(shí)刻的衰變率；α 為常數(shù)；T 為工作時(shí)的熱力學(xué)溫度；Eα為激活能；k為波爾茲曼常數(shù)，k=8.617×10-5eV/K。

通過(guò)對(duì)薄膜電阻衰變機(jī)理分析，薄膜電阻常表現(xiàn)為隨著工作時(shí)間增加，其阻值會(huì)不斷增大。在實(shí)際運(yùn)用中，針對(duì)確定的薄膜電阻型號(hào)，通過(guò)使用的環(huán)境溫度值和電阻變化值的運(yùn)用計(jì)算，即可預(yù)測(cè)薄膜電阻的剩余壽命。

1.5.3 MOSFET失效分析及剩余壽命預(yù)測(cè)

MOSFET在城軌車輛電子板件故障中占有很大的比例，其性能衰變失效將直接影響電路工作效率、溫升指標(biāo)和技術(shù)性能，本文將以運(yùn)用較為廣泛的VD?MOSFET 為討論對(duì)象。VDMOS 的封裝焊接層疲勞被認(rèn)為是一種主要失效模式，其可等效為理想開關(guān)和導(dǎo)通電阻的串聯(lián)形式，并且可以把導(dǎo)通電阻分為6個(gè)部分[12]：

式中：Rs為源區(qū)串聯(lián)電阻；Rch為溝道電阻；Racc為積累層電阻；RJ為相鄰兩P 阱間的電阻；RN+為N+層的導(dǎo)通電阻；Repi為高阻外延層電阻。

導(dǎo)通電阻增量的經(jīng)驗(yàn)衰變模型為：

式中：t 為VDMOS 的工作時(shí)間；a、b 為衰變模型參數(shù)。

因此，將導(dǎo)通電阻Rw作為反映VDMOS 衰變程度的特征參數(shù)，依據(jù)加速實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合城軌車輛對(duì)電子板件可靠性的需求，以Rw超過(guò)0.045 Ω作為VDMOS 的失效判據(jù)[13]。實(shí)際運(yùn)用中，根據(jù)對(duì)應(yīng)型號(hào)MOSFET 的壽命曲線，結(jié)合Rw實(shí)際測(cè)量過(guò)程中與閾值的對(duì)應(yīng)關(guān)系，便可得出MOSFET的剩余壽命。

1.6 健康管理

電子板件上元器件剩余壽命的預(yù)測(cè)結(jié)果，可作為電子板件是否會(huì)發(fā)生功能性故障的重要依據(jù)，然而現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外對(duì)電子板件元件衰退致使系統(tǒng)性失效問(wèn)題尚沒(méi)有較為確定的評(píng)估方法，而基于電子板件的失效物理分析對(duì)于分析元件與系統(tǒng)的關(guān)系仍存在大量的不確定性問(wèn)題。因此對(duì)于電子板件的維護(hù)而言，電子板件其元件狀態(tài)的故障預(yù)測(cè)對(duì)于板件是否會(huì)發(fā)生系統(tǒng)性故障預(yù)測(cè)也并非一成不變。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的健康管理方式正好能有效平衡技術(shù)瓶頸所帶來(lái)的技術(shù)與維護(hù)成本之間的關(guān)系。

電子板件健康管理的核心目的為降本、增效，決策過(guò)程中應(yīng)充分考慮元器件故障預(yù)測(cè)結(jié)果、電子板件功能性故障歷史頻率及后果、電子板件元器件更換成本、電子板件整體更換成本及后期維護(hù)成本等項(xiàng)點(diǎn)，給出對(duì)應(yīng)維護(hù)、維修的決策建議，或?qū)S護(hù)、維修進(jìn)行動(dòng)態(tài)地調(diào)整和優(yōu)化建模等。

圖3 電源板前級(jí)電壓輸入回路

2 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)PHM實(shí)例

以廣州地鐵A1 型車制動(dòng)系統(tǒng)電源板為例，以實(shí)例方式介紹數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)PHM的運(yùn)用。

A1 型車ECU（制動(dòng)控制單元）電源板負(fù)責(zé)單節(jié)車ECU 板件、緊急電磁閥等部件的供電，該電源板為多路不同電壓等級(jí)輸入電源，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，且已持續(xù)使用超過(guò)20 年，內(nèi)部元件老化現(xiàn)象嚴(yán)重。ECU 電源板一旦正線發(fā)生故障，司機(jī)需切除對(duì)應(yīng)車輛的2個(gè)B09，造成列車清客和重大晚點(diǎn)，嚴(yán)重影響運(yùn)營(yíng)，加之備件緊缺、采購(gòu)困難、板件老化嚴(yán)重，因此對(duì)該板進(jìn)行故障預(yù)測(cè)和健康管理具有重要意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

統(tǒng)計(jì)從2015年至今共計(jì)送修30塊制動(dòng)系統(tǒng)電源板，核查維修記錄，返修板件已查明原因的共計(jì)24塊，其故障點(diǎn)較為分散，如表2所示。

表2 廣州地鐵A1型車ECU電源板部件故障及次數(shù)

根據(jù)電路結(jié)構(gòu)，對(duì)故障的原因做進(jìn)一步歸類分析，故障次數(shù)較多的啟動(dòng)MOS 管（V10），JT1 小板，JT5小板均集中在+110 V電壓輸入回路或啟動(dòng)MOS管（V10）直接輸出回路，從而確定對(duì)該電子板件的元件衰變檢測(cè)重點(diǎn)放在+110 V 前級(jí)電壓輸入回路內(nèi)，為制動(dòng)系統(tǒng)電源板的隱患降低和健康管理提供了較好的方向指引。

結(jié)合電路結(jié)構(gòu)圖，80%以上已查明故障原因的元件都位于DC+110 V輸入及鄰近電路。利用示波器對(duì)比測(cè)量V10輸入電壓，舊板件明顯比新板件電壓上升率快，電壓紋波明顯。如圖4所示。

圖4 新舊電源板前級(jí)電壓輸入電壓特征對(duì)比

利用熱成像儀，故障較多的元件恰恰溫度普遍偏高，且對(duì)比板件溫升的差異，明顯有些板件溫升過(guò)快。如圖5所示。

圖5 故障電源板溫度特征

進(jìn)一步檢查，V10MOS管、JT1板、JT5板損壞故障原因?yàn)檩斎腚娙莓惓?dǎo)致。電源輸入級(jí)的C5、C6損耗值增加，更換后充電時(shí)間增加了55%；C12，C13電容損耗值增加，更換后電壓穩(wěn)定性大幅提高。

經(jīng)過(guò)對(duì)另外5塊故障的ECU電源板溫升檢測(cè)，都存在空載工作15 min 后比新板溫度高至少5～10℃，輸入電壓緩沖時(shí)間短80%，電壓紋波明顯等特征。更換C5、C16、C12、C13 電容后與新件測(cè)量值基本相同。

抽取列車正在運(yùn)用的5 塊A1 型車制動(dòng)系統(tǒng)電源板做研究，對(duì)其電解電容C5、C6、C12、C13 做預(yù)測(cè)和評(píng)估，其衰變規(guī)律符合式（2），測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 新舊板件C12、C13關(guān)鍵參數(shù)測(cè)量值

其中，以新件等效電阻RESR作為初始值RESR（0），RESR（t）衰變?yōu)槌跏贾档?0%作為閥值。

結(jié)果表明：50%的電解電容RESR衰變量超過(guò)閥值，80%的衰變量超過(guò)閥值的90%，100%的衰變量超過(guò)閥值的80%。A1 型車制動(dòng)系統(tǒng)電源板大部分使用時(shí)間已超過(guò)20 年，如不改善，很可能導(dǎo)致電源板故障爆發(fā)，而實(shí)際中2018年的A1型車制動(dòng)電源板故障數(shù)量也環(huán)比2017年大幅上漲80%。

根據(jù)故障預(yù)測(cè)的結(jié)果，同時(shí)由于制動(dòng)系統(tǒng)電源板故障后影響大，考慮到制動(dòng)系統(tǒng)3年后將全面升級(jí)改造、人力成本、維修風(fēng)險(xiǎn)等，采取了以下措施。

（1）第一階段。利用熱成像儀溫度異常檢測(cè)的方式，立即開展既有車輛制動(dòng)電源板普查整改工作。考慮到備件數(shù)量、采購(gòu)周期及工作量等因素，對(duì)板件中溫度存在異常的，電解電容C5、C6、C12、C13全部更換，第一階段共發(fā)現(xiàn)14塊電源板存在溫度異常過(guò)高的現(xiàn)象，故障占比11%，經(jīng)整改后，未再出現(xiàn)過(guò)制動(dòng)系統(tǒng)電源板故障。

（2）第二階段。根據(jù)對(duì)電容可靠性模型及可靠性平臺(tái)仿真分析，故障率將一直呈現(xiàn)故障高發(fā)態(tài)勢(shì)，因此待采購(gòu)的備件到貨后，對(duì)所有A1 型車制動(dòng)系統(tǒng)電源板電解電容C5、C6、C12、C13全部更換。

通過(guò)對(duì)A1 型車制動(dòng)系統(tǒng)電源板的衰變檢測(cè)及健康管理，達(dá)到了用較小的成本大幅提升車輛制動(dòng)系統(tǒng)可靠性的目標(biāo)。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著城軌車輛電子板件的長(zhǎng)期使用，電子板老化、元件性能下降問(wèn)題逐漸突顯，電子板件故障頻次越來(lái)越高，對(duì)正線運(yùn)營(yíng)秩序影響較大，尤其是制動(dòng)、控制、診斷等電子板件一旦發(fā)生故障，將導(dǎo)致車輛晚點(diǎn)或救援等故障。目前行業(yè)內(nèi)無(wú)相關(guān)的理論實(shí)踐的系統(tǒng)管理體系，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵典型電路板件的衰變規(guī)律的檢測(cè)分析，提出基于電子元器件性能衰變檢測(cè)的預(yù)防性檢測(cè)維修體系并實(shí)踐，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電子板件故障的提前預(yù)防，提升地鐵正線運(yùn)行的可靠性。

目前，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)PHM 總體研究框架下的各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域均有良好的推廣，同時(shí)也面臨許多現(xiàn)實(shí)的挑戰(zhàn)。城軌車輛電子板件的PHM 運(yùn)用目前仍處在探索階段，檢測(cè)手段和系統(tǒng)壽命評(píng)估仍有很大的空間進(jìn)一步完善，但隨著近年來(lái)中國(guó)城市軌道交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，車輛設(shè)備可靠性和維護(hù)成本之間關(guān)系如果通過(guò)技術(shù)和流程優(yōu)化的手段加以簡(jiǎn)化，必將為管理決策提供有力的支持，最終實(shí)現(xiàn)降本、增效的維護(hù)策略。