基于壽命特征參數(shù)研究的電磁閥可靠性壽命研究

李慧，楊靜，趙可淪

（廣電計量檢測集團股份有限公司，廣州 510656）

引言

電磁閥是高鐵的關(guān)鍵部件之一，在動車運行過程中，電磁閥不時發(fā)生偶發(fā)性卡滯、漏風(fēng)，以及線圈燒損等故障，造成多次碎修、臨修甚至機破，嚴重影響機車的可靠性[1]；另外一方面，根據(jù)檢修規(guī)程，五級修時電磁閥才進行解體檢修，更換其中的橡膠件等必換件。但由于電磁閥可靠性不穩(wěn)定，為降低質(zhì)量風(fēng)險，其在四級修時就進行了拆解檢修。這些故障的產(chǎn)生對檢修周期及運行產(chǎn)生了重大影響，決定高級修后能否繼續(xù)服役，以及服役周期。

因此準確評估電磁閥的壽命，根據(jù)電磁閥壽命特征參數(shù)確認退化規(guī)律及可靠性指標，判定其是否存在過修或欠修，判斷其可靠性指標是否符合承諾要求，并為檢修決策規(guī)范提供優(yōu)化建議。

1 壽命特征參數(shù)分析

多應(yīng)力綜合加速壽命試驗，旨在模擬電磁閥實際工作環(huán)境的基礎(chǔ)上，在不改變電磁閥失效機理的原則下，通過增加環(huán)境應(yīng)力量級，從而實現(xiàn)加速試驗的效果，做到在實驗環(huán)境下進行x 小時的試驗，等效到自然使用條件下n 倍的時間。由于自然環(huán)境的復(fù)雜程度較高，偶然性較大，實驗室中的模擬只能針對電磁閥失效的敏感應(yīng)力，如：電、氣、溫度、濕度、振動等，這些敏感應(yīng)力來源于前期故障分析與環(huán)境調(diào)研。電磁閥漏風(fēng)失效時由于密封圈故障，密封圈老化主要受環(huán)境溫濕度影響；電磁閥卡滯是異物或結(jié)構(gòu)膨脹等，環(huán)境溫度也是主要原因，同時結(jié)構(gòu)問題也受振動影響；因此溫濕度、振動是敏感應(yīng)力，電、氣是電磁閥工作不可或缺的驅(qū)動力，也必然影響電磁閥結(jié)構(gòu)與壽命。

產(chǎn)品的固有參數(shù)（絕緣、耐壓、溫升等）及動作性能（響應(yīng)時間、密封性、工作氣壓、釋放電壓等）在老化過程中，有顯著退化表現(xiàn)的，就是電磁閥的壽命特征參數(shù)。以此為依據(jù)建立退化及壽命模型，提出可靠性及壽命預(yù)測試驗驗證方法。

試驗過程中通過采集電磁閥的壽命特征參數(shù)來反映電磁閥的性能退化過程。對電磁閥性能退化試驗過程中采集到的試驗數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)分析，采用數(shù)據(jù)可視化分析、退化趨勢分析、退化建模、求解加速模型等方法得到電磁閥在正常工作應(yīng)力下可靠度隨工作時間的變化趨勢，進而進行可靠性壽命評估。

通過壽命特征參數(shù)變化進行退化分析，一般采用線性擬合方式，擬合公式為：

y=ax+b （1）

式中：

y—壽命特征參數(shù)值；

x—試驗時間；

b—截距；

a—斜率。

通過以下兩個參數(shù)擬合度與均方差對擬合效果的評價：

1）回歸統(tǒng)計中采用判定系數(shù)（也叫擬合優(yōu)度）R2來描述擬合效果，R2即是擬合相關(guān)系數(shù)R 的平方，取值范圍是[0，1]，R2值越大表示模型擬合效果越好。

2）F 檢驗主要用于檢驗因變量與自變量之間的線性關(guān)系是否顯著，主要關(guān)注F 檢驗的的結(jié)果，即Significance F 值，該參數(shù)表現(xiàn)的是回歸方程總體的顯著性檢驗，F(xiàn) 值越小越顯著。

3）T 檢驗關(guān)注P-value，也就是P 值，用來檢驗回歸方程系數(shù)的顯著性，是在顯著性水平α（α 常用取值0.01 或0.05，1-α 表示統(tǒng)計數(shù)據(jù)的置信度）下F 的臨界值，一般以此衡量檢驗結(jié)果是否具有顯著性，如果P ＞0.05，則結(jié)果不具有顯著的統(tǒng)計意義[2]。

2 電磁閥可靠性分析

2.1 樣品說明

電磁閥根據(jù)其結(jié)構(gòu)與功能可以劃分為以下幾個部分，見圖1[3~5]。

圖1 電磁閥結(jié)構(gòu)

選擇13 件同款同批次電磁閥進行壽命試驗，試驗中間隔采集性能參數(shù)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理分析性能參數(shù)退化規(guī)律，確認與壽命呈相關(guān)變化趨勢的部件作為壽命特征參數(shù)。本文選擇的性能特征參數(shù)有溫升、通電響應(yīng)時間、斷電響應(yīng)時間。

2.2 試驗條件

本文擬采用“定時截尾”的方法，保守設(shè)計試驗時間和應(yīng)力值。根據(jù)電磁閥的工作特性，電磁閥的壽命取決于密封件及線圈造成的性能下降。經(jīng)前期調(diào)研評估，導(dǎo)致電磁閥發(fā)生此現(xiàn)象的主要因素可能為溫度、濕度和振動。試驗中，根據(jù)性能檢測及評估，根據(jù)標準GB/T4208-2017、GB/T 1392-2015、GB/T 21563-2018及GB/T 25119-2021 等要求，設(shè)計電磁閥的壽命試驗方案。鑒于電磁閥屬于長壽命產(chǎn)品，正常應(yīng)力條件下，其使用壽命可達8~10 年，因此實驗室模擬條件下無法在短時間內(nèi)獲取產(chǎn)品可靠性信息。采用加速應(yīng)力試驗來預(yù)測正常應(yīng)力水平下的可靠性特征。試驗條件為：高溫（85±2）℃，高濕（95±5）%RH 下經(jīng)歷800 h，同時模擬使用條件下的電與氣壓，試驗前后和試驗中每隔48 h 將溫度恢復(fù)到（23±2）℃測試性能特征參數(shù)。

由于溫升、響應(yīng)時間的測試數(shù)值受環(huán)境溫濕度影響較大，為準確評估退化趨勢，在試驗后48 h 采集的性能參數(shù)作為初始值。

通斷電響應(yīng)時間測試原理如圖2 所示[6]。

圖2 通電響應(yīng)時間測試原理

圖3 變化趨勢圖

2.3 結(jié)果與分析

2.3.2 性能變化趨勢分析

對性能進行退化分析，其中y 為響應(yīng)時間（單位：ms），x 為試驗時間（單位：h）。通電響應(yīng)時間：Y（t）=37.446 93+0.105 646 t，擬合度R2=0.922，均方差為5.922。斷電響應(yīng)時間：Y（t）=34.544 271+0.075 131 t，擬合度R2=0.513，均方差為6.321。

溫升性能進行退化分析，其中y 為溫升（單位：ms），x 為試驗時間（單位：h）。按指數(shù)分布擬合結(jié)果為：Y（t）=41.582 804*e-0.000 206 t，擬合度R2=0.51，均方差為0.66。因其為發(fā)生明顯的退化，因此不做參數(shù)退化評估。

2.3.3 可靠性評估

按GB/T34986-2017《產(chǎn)品加速試驗方法》中要求，試驗是長時間高溫高濕暴露的環(huán)境，參考派克模型的方法進評估。

派克模型中：

式中：

Ea—激活能，單位為電子伏特（eV）；

KB—波爾茲曼常數(shù)，數(shù)值是8.617 385×10-5eV/K；

T—絕對溫度，單位為開爾文（K）；

H—相對濕度，單位為（%RH）；

AF—加速系數(shù)；

下標A—加速條件下；

下標U—使用條件下。

由于高鐵長期運行線路為南方城市，溫度范圍（10~40）℃，按一年劃取平均值，從嚴考慮選擇35 ℃；濕度（65~95）%RH，按一年劃取平均值，從嚴考慮選擇85 %RH。高溫（85±2）℃，高濕（95±5）%RH 試驗條件下的加速系數(shù)AF=84。

根據(jù)產(chǎn)品說明書與常溫高溫數(shù)值對比可得，在高溫下通電響應(yīng)時間與斷電響應(yīng)時間的失效閾值是120 ms，代入

式中：

通電響應(yīng)時間的失效試驗時間為782 h，斷電響應(yīng)時間的失效試驗時間為1 138 h。

對應(yīng)加速系數(shù)，考慮一年工作300 天，一天工作16 h 的情況下，通電響應(yīng)時間的失效時間為13.7 年，斷電響應(yīng)時間的失效時間為20 年。

3 結(jié)論

隨著電磁閥的逐步老化，其性能參數(shù)也會發(fā)生一定程度的退化。因此可以根據(jù)響應(yīng)時間這一壽命特征參數(shù)的退化趨勢，評估電磁閥的使用壽命。引入派克模型，將試驗室中進行的試驗進行一定程度的加速，從而獲得在加速條件下樣品的性能退化規(guī)律與老化模型，并預(yù)測電磁閥的可靠性壽命為13~20 年。

建議使用中對電磁閥進行檢修時，可增加如下步驟：

1）進行高低溫工況下的通電響應(yīng)時間、斷電響應(yīng)時間檢查；

2）抽樣拆解內(nèi)檢，利用高倍顯微鏡，檢查內(nèi)部結(jié)構(gòu)磨損等情況。

本文驗證了高溫高濕老化的可行性，也揭示了高溫高濕條件下樣品的性能退化特征，為研究動車組電磁閥運用可靠性提供了可行的方法。