动车组控制单元寿命试验研究.pdf

技术装备DOI:10.20151/ki.1672-7533.2024.02.010动车组控制单元寿命试验研究陈锦熠1，宋欣武，李岩1，史志富1，张明1（1.北京纵横机电科技有限公司，北京1 0 0 0 9 4；2.中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，北京1 0 0 0 8 1）摘要：近年来，随着轨道交通技术的发展，复兴号高速动车组列车大量投入使用，且成为我国居民出行的重要交通工具，其中动车组控制单元电子产品作为关键部件，是列车安全运行的重要保证。为进一步提升动车组控制单元电子产品检修效率，提高产品质量和可靠性水平，文章选取典型的动车组控制单元电子产品为研究对象，在分析其运行环境及寿命指标基础上，以产品的主要敏感应力作为试验条件，采用基于威布尔分布的模型，结合加速试验方法开展可靠寿命试验设计研究，探讨一种适用于动车组控制单元电子产品整机可靠寿命评估的方法，对提升产品可靠性及维保策略提供有效的数据参考和借鉴。关键词：动车组；可靠性；威布尔分布；加速寿命试验；动车组控制单元中图分类号：U266.21引言动车组控制单元电子产品作为动车组的核心部件被广泛应用于复兴号动车组列车，随着复兴号动车组列车逐渐接近高级修里程，为推动铁路高质量持续健康发展，实现提质降本增效，在对动车组主要部件进行修程修制优化研究工作的基础上，提出对复兴号动车组控制单元电子产品开展寿命试验研究，评估其可靠寿命及产品薄弱点，为动车组电子产品修程修制的优化和可靠性的提升提供技术支持和理论指导。电子产品寿命评估研究主要采用加速试验方法，即第一作者：陈锦熠，男，工程师引用格式：陈锦熠，宋欣武，李岩，等.动车组控制单元寿命试验研究.现代城市轨道交通，2 0 2 4(0 2)：6 4-6 8.CHEN Jinyi,SONG Xinwu,LI Yan,et al.Study on the life tests of EMU control unitsJ.Modern Urban Transit,2024(02):64-68.64MODERNURBANTRANSIT212024现代城市轨道交通在不改变失效机理的前提下通过提高应力的方式，使产品在短期内出现失效以预测在正常工作条件下的可靠性。目前已有学者对电子产品寿命预测进行了相关研究，如杨盼奎！等通过采用热应力加速模型方法设计加速试验，对动车组的板卡可靠寿命进行预测，但并未考虑产品符合的分布模型。张斌 2 1 等采用比例法，对使用不同年限的动车组制动系统电子控制器进行加速试验，得出失效时间和失效分布后，计算出实际使用时间和加速寿命测试之间的关系，进而评估产品寿命，但在实际执行过程中不同年限样品难以获取，并且试验发生失效时间不确定，最终获取结果可信度不高。本文以动车组控制单元电子产品整机作为主要研究对象，对加速寿命试验技术及其评估方法进行研究。通过基于威布尔分布，在规定的可靠寿命要求下，结合加速模型，计算、设计产品加速寿命试验时间，并对试验结果进行评估及分析，获取产品可靠寿命，以探讨一种快速有效评估整机可靠寿命的方法。2动动车组控制单元2.1电子产品简介动车组控制单元电子产品主要作为列车网络、牵引等系统的核心控制单元，对列车各系统进行控制、调节和监视，一般采用电子板卡模块化的设计，由电源、通信卡、中央处理器、数字量输人输出、模拟量输人输出等组成。其功能是实现重要设备的管理、运行信息采集、运行状态的监视和故障诊断，从而保证列车安全可靠的运行。动车组控制单元寿命试验研究技术装备2.2电子产品主要环境设计条件动车组控制单元电子产品需要满足的环境设计条件包括：起动温度-2 5+7 0；工作温度-2 5+7 0；储存温度-40 +7 0；在月平均最低温度为2 5 条件下最大相对湿度9 5%RH；振动环境条件满足GB/T21563-2018轨道交通机车车辆设备冲击和振动试验中1 类B级车体安装。2.3电子产品寿命指标根据目前第一次大修期限，在规定的工作条件下运行1 2 年3，为进一步验证产品在此要求基础上的可使用年限，试验拟定验证的产品寿命为1 5 年（可靠度90%)。3寿命评估方法在以往的电子产品可靠寿命研究中主要针对板卡或元器件级别进行评估，其特点为结构相对整机比较简单，失效机理明确，可以采用可靠性预计、分组应力的加速试验等方法得到被测对象的可靠寿命。但由于整机内部结构复杂、失效机理繁多，采用以往的方法在时间和样品成本方面投人较大，并且难以建立描述整机在高应力条件下的失效率与正常工作条件下的失效率之间的关系模型，因此需要探索一种适用于动车组控制单元整机的寿命评估方法。结合实际应用及工程经验，产品寿命分布服从威布尔分布，即：(1)F(t;m,n)=1-e(n)式（1）中，t为产品试验或实际使用时间；m为形状参数，可以根据工程经验和历史数据来确定；n为尺度参数，即产品特征寿命，为寿命评估的输出参数。产品可靠寿命评估采用加速试验理论，并且结合威伯斯法1 4-1 和失效物理加速模型应用，开展定时截尾试验来验证产品寿命，即在规定的试验时间T内，如试验样品未发生与寿命相关的耗损型失效，则试验验证的产品寿命T。为：（2)式（2）中，K为修正系数，可采用经验值或理论计算值。威伯斯法提出的寿命评估方法是在威布尔形状参数m已知，规定可靠度R，通过统计每台样品工作时间ti，t2，t，计算可靠寿命t在置信度1-下的单侧置信下限：当试验无失效时，还可以简化为通过试验截尾时间T求得可靠寿命tR,L:(nRtR,L=xnTmlnaIn1/m故K=nlnR)In1/mT=KtR.L=XtR,L(nlnR)根据产品可靠寿命条件要求，需要验证产品在对应可靠度下的可靠寿命，即参数R和tR,L已知，选择试验样本总数n，按工程经验取样品寿命分布的威布尔形状参数m，置信度要求1-，即可求得K，如式（5）所示。再根据威伯斯法的寿命评估方法反推得到在试验无失效情况下，需要进行的试验截尾时间T，如式（6）所示，设计相应定时截尾试验。若达到试验时间T，所有样品均未发生失效，则认为试验样品满足寿命指标要求。若试验过程中发生失效，认为试验样品不满足寿命指标要求，对试验结果进行统计，利用此方法对产品寿命进行估计。4试验设计以某典型控制单元电子产品为试验对象，根据产品可靠寿命条件要求，需要验证产品在9 0%可靠度下(),m0,n0的可靠寿命不低于1 5 年，置信度要求0.7，即R=90%，tR.l=15年，1-=0.7，并且考虑整机的样品数量有限，选择样本总数n=2，参考工程经验取样品寿命分布的威布尔形状参数m=4，求得K1.5。根据动车组控制单元电子产品正常的使用情况，通过产品调研分析其主要的应用环境条件如下：（1）平均每天工作1 6 h，一年工作36 5 天，一年工作总时间为5 8 40 h；（2）平均每天开关机1 次，一年开关机36 5 次；To=T/K（3）工作状态下设备外部空气温度35，相对湿度40%RH，板卡表面最高温度40；（4）停放状态下设备外部空气年平均温度2 3，年平均相对湿度7 5%RH，板卡表面年平均温度4。（5）振动条件参考GB/T21563-2018中1 类B级车1/mlnRtR,L=1/mTK(3)(4)(5)(6)现代城市轨道交通2/2 0 2 4MODERNURBANTRANSIT65技术装备动车组控制单元寿命试验研究体安装。结合产品实际运用调研分析与电子产品敏感应力，确定产品在现场应用中主要的环境应力包括温度、湿度、振动，故在加速寿命试验中主要进行恒定湿热试验、温度循环及振动试验，其中振动采用GB/T21563-2018中1 类B级8 车体安装等级方案模拟长寿命振动试验条件，恒定湿热采用Hallberg-Peck模型，温度循环采用Coffin-Manson模型 9-1 2，具体模型如下：高温高湿加速模型（Hallberg-Peck模型）为：(RHAF=1xexpRH.式（7）中，AF为加速因子；RH,为试验湿度；RH为实际使用湿度；n为湿度加速模型参数；E。为激活能；T为实际使用温度（开尔文温度）；T为试验温度（开尔文温度)；K为玻尔兹曼常数，8.6 1 7 1 0 ev/。温度循环（Coffin-Manson模型）为：AF=式（8）中，AF为加速因子；T为试验温变范围；T。为使用温变范围；9 为材料塑性系数。在确保试验应力水平不超过技术条件限值并且失效机理不发生变化的前提下，选取产品的试验条件，恒定湿热温度7 0、相对湿度9 0%RH，温度循环低温-20、高温7 0 1 3-1 5 。根据加速模型、试验条件及使用条件计算得出对应的加速系数后，结合需要验证的寿命指标及修正系数计算确定最终试验时间。为使试验尽可能接近实际应用场景，在试验中考虑采用串并行试验结合的方法开展试验评估，将试验划分为5 个周期，每个周期对应寿命3年，并采用“恒定湿热+振动”和“温度循环+振动”2 组串行试验。“恒定湿热+振动”组主要用于评估在水汽和振动综合影响单个周期总试验组别对应寿命周期数试验项目年/个1323下可能存在的寿命风险，如电化学腐蚀、内部接插件磨损后氧化腐蚀等；“温度循环+振动”组主要用于评估在温度变化和振动综合影响下可能存在的寿命风险，如焊点疲劳等。某典型控制单元电子产品最终确定的整机加速寿命方案，如表1 所示。5试验开展从正常生产的产品中随机抽取样品，寿命试验评估前对选取样品开展环境应力筛选，剔除产品中可能存在(7)的潜在缺陷。整个寿命试验过程中通电测试阶段采用定时继电器进行自动控制通断，并且为便于产品模拟实际状态下工作程序，构建测试监控平台，对产品进行过程及阶段性的测试验证。试验按既定方案实施，试验过程中对产品的关键（）特征进行实时监测，以判断试验中样品是否发生明显故(8)障。在每个试验周期完成后，对试验样品进行功能和性能测试，以明确试验对象是否存在失效，整个试验过程中随测试开展，做好寿命时间及测试记录、失效信息记录。6楼数据处理寿命评估6.1试验结果分析“温度循环+振动”组中，2 个样品分别在6 8 9 次、703次高低温循环后出现通信板卡功能异常现象，对样品进行失效分析，通过3D-xray检查定位为球栅阵列封装（BGA）部分焊球存在开裂现象。检测结果如图1所示。进一步开封电镜试验分析，焊球开裂发生在BGA器件侧，边角位置的焊球开裂最严重，呈现热疲劳开裂表1 某典型控制单元电子产品加速寿命试验方案单个周期试验时长试验条件数量/台振动GB/T21563-2018中1 类B5恒定湿热振动5温度循环-2 0 7 0，温变速率1 0/min，高低温各保持30 min样品3个方向各6 0 min270，9 0%R H，通电1 1.5 h一断电1 2.5 h为1 个循环GB/T21563-2018中1 类B（或频次）614h3个方向各6 0 min2145次66MMODERNURBANTRANSIT2/2024现代城市轨道交通动车组控制单元寿命试验研究技术装备式（9）中，最终评估得到产品可靠寿命约为1 3.9 8 年，认为试验样品目前状态下满足大修1 2 年，但不满足1 5 年的可靠寿命要求。在超过第1 个大修阶段后，需在不同的维保阶段对关键板卡进行抽样检查，以及性能与3D-xray等检测，以确定产品是否满足继续服役要求，及时指导更换。7总结通过对动车组控制单元电子产品寿命试验方法研究，确定一种适用于动车组控制单元电子产品的可靠寿命验证评估方法，此方法在同种试验应力下能真图1 BGA焊球开裂检测图的形貌特征。分析原因为由于器件侧焊盘尺寸与电路板侧焊盘不匹配，并且两侧阻焊形式不同，温度循环试验后，器件侧发生了热疲劳开裂，符合耗损型失效机理。整机中其余板卡经过试验后功能测试均正常，未出现失效，通过检测样品板卡的形貌及关键位置器件的焊点情况，未出现明显由于温度循环及振动造成的疲劳开裂等引起的失效现象。“恒定湿热+振动”组中，样品持续30 7 0 h的试验，试验期间及试验全部结束后功能测试均正常，未出现明显失效。试验后通过检测样品板卡形貌，发现元器件部分管脚处出现由于温湿度造成腐蚀后的轻微迁移形貌，但未影响产品功能。6.2寿命评估试验过程中仅温度循环组中的通信板发生了焊点热疲劳开裂现象，由此得出影响整机可靠寿命的薄弱点为通信板卡BGA芯片焊点在温度循环应力下失效。根据短板效应，采用2 组试验中出现故障的温度循环组的试验数据，评估产品可靠寿命，试验统计得到2 个样品分别在6 8 9 次、7 0 3次高低温循环后出现失效，按照加速系数计算后，得到等效于实际运行约7 8 1 3次、7 9 7 2 次，根据威伯斯方法对可靠寿命进行估计，可得：1/m71/41n0.9(7813*+7972*)Ina台1n 0.3t=365实复现整机产品现场工作状态，对于焊点、导线互连以及复杂电信号器件的应力强度与时序均贴近真实工况，并且极大的减少试验时间及样品成本的投入。由于本次试验过程中采用产品功能性测试方法，在加速退化试验过程中对产品退化趋势并不能更好掌握，未来可以通过对整机产品退化特征参数选取、加速退化试验方法及自动化测试记录系统等研究进行更精确的评估。通过本次研究，对典型动车组控制单元电子产品寿命试验方案进行设计及实施，评估其可靠寿命，并且在试验过程中发现产品薄弱点，为进一步优化产品质量、提升产品可靠性及产品高级修维保策略提供有效的数据参考。试验中最终得到的可靠寿命仅针对本文选取的研究对象。参考文献1】杨盼奎，李慧，吴超云，等.基于热应力的动车组板卡运用可靠性评估 .电力机车与城轨车辆，2 0 2 1,44(06):99-102.YANG Pankui,LI Hui,WU Chaoyun,et al.Operationreliability evaluation of EMU board based on thermalstressJ.Electric Locomotives&Mass TransitVehicles,2021,44(06):99-102.13.98365(9)2张斌，杨闯，韩继生，等.动车组制动系统电子控制器寿命评估方法优化研究 .机电产品开发与创新，现代城市轨道交通2/2 0 2 4MODERNURBANTRANSIT67技术装备动车组控制单元寿命试验研究2022,35(03):136-138.Study on the life tests of EMU control unitsZHANG Bin,YANG Chuang,HAN Jisheng,et al.CHEN Jinyi,SONG Xinwu,LIYan,Research on optimization of lifespan assessment methodSHIZhifu,ZHANG Mingfor electronic brake control unit of EMUs braking(1.Bejing Zongheng Electro-Mechanical TechnologysystemJ.Development&Innovation of Machinery&Co.,Ltd.,Beijing 100094,China;2.Locomotive&CarElectrical Products,2022,35(03):136-138.Research Institute,China Academy of Railway SciencesCorporation Limited,Beijing 100081,China)3GB/T21562-2008轨道交通可靠性、可用性、可维Abstract:With the continuous development of rail transit修性和安全性规范及示例 S.2008.technology,Fuxing high-speed EMU trains have been4】赵宇.可靠性数据分析 M.北京：国防工业出版社，widely deployed and have become a crucial mode of2011.transportation for Chinese residents.The electronic productswithin the EMU control units play a pivotal role as key5苑诗松，王玲玲.加速寿命试验 M.北京：科学出版components,ensuring the safe operation of trains.To further社,1 9 9 7.enhance the maintenance efficiency,product quality,and6韩明.无失效数据的可靠性分析 M.北京：中国统计reliability of these electronic products,this article focuseson certain electronic products within EMU control units.出版社,1 9 9 9.Through an analysis of the operating environment and life7胡湘洪，高军，李劲.可靠性试验 M北京：电子工业index,this article identifies the primary stressors affecting出版社,2 0 1 5.the product.Using these stressors as test conditions,thisarticle employs the Weibull distribution model coupled8GB/T21563-2018轨道交通机车车辆设备冲击和振with the accelerated test method to carry out the design and动试验 S.2018.research of reliable life tests.Furthermore,it discusses amethod for the reliable life evaluation of electronic products9 JEP 122G-2011 Failure mechanisms and models forwithin EMU control units.The findings aim to providesemiconductor devices S.2011.valuable data references and a model for enhancing product10李燕德，曹梦军.CRH2型动车组继电器板卡检修服役reliability and maintenance strategies.Keywords:EMU,reliability,Weibull distribution,状态技术研究与检修修程分析 .计量与测试技术,accelerated life test,EMU control unit2021,48(11):71-74.LI Yande,CAO Mengjun.Research on service statetechnology of CRH2type EMU relay board card repairand analysis of repair and repair processJ.Metrology&Measurement Technique,2021,48(11):71-74.1姜同敏.可靠性与寿命试验 M.北京：国防工业出版社,2 0 1 2:31 3-31 8.12GB/T34986-2017产品加速试验方法 S.2017.13GB/T2423.3-2006电工电子产品环境试验第2 部分：试验方法试验Cab:恒定湿热试验 S.2006.14GB/T2423.22-2012环境试验第2 部分：试验方法试验N:温度变化 S.2012.15GB/T2423.9-2001电工电子产品环境试验第2 部分：试验方法试验Cb:设备用恒定湿热 S.2001.收稿日期2 0 2 3-0 7-31责任编辑安小璟勘误声明1.现代城市轨道交通2 0 2 4年第1 期1 31-1 35 页刊登的文章新建市域（郊）铁路经济性现状分析及对策研究（DOI:10.20151/ki.1672-7533.2024.01.020）中，第1 31 页作者信息栏更正如下：基金项目：中铁第四勘察设计院集团有限公司科研项目（2 0 2 2 K049）市域（郊）铁路经济性关键技术研究第一作者：颜燕舞，男，工程师引用格式：颜燕舞。新建市域（郊）铁路经济性现状分析及对策研究J.现代城市轨道交通，2 0 2 4(0 1):1 31-1 35.YAN Yanwu.Research on the economic status analysis andcountermeasures of newly-built urban region(suburban)railwaysJ.Modern Urban Transit,2024(01):131-135.2.现代城市轨道交通2 0 2 4年第1 期1-1 37 页文章的DOI更正如下：DOI:10.20151/ki.1672-7533.2024.01.001DOI:10.20151/ki.1672-7533.2024.01.020特向作者及读者致以诚挚的歉意。现代城市轨道交通编辑部68MODERNURBANTRANSIT212024现代城市轨道交通