CN107036880A - 轨道交通电子单板加速寿命试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道交通电子单板加速寿命试验方法，步骤为：S01、首先通过寿命实验得到电子单板在不同加速退化应力条件下的寿命数据；S02、依据不同加速退化应力下电子单板的寿命数据和退化轨迹，得到寿命加速模型；S03、依据寿命加速模型，评估电子单板在正常工作环境下的使用寿命均值。本发明的轨道交通电子单板加速寿命试验方法具有操作简便、快速可靠等优点。

Description

轨道交通电子单板加速寿命试验方法

技术领域

本发明主要涉及轨道交通技术领域，特指一种轨道交通电子单板加速寿命试验方法。

背景技术

轨道交通电子单板加速寿命试验是在失效机理不变的基础上，通过寻找产品寿命与应力之间的关系，即加速模型，利用产品在高加速应力下的寿命特征去外推或评估正常应力水平下的寿命特征的试验技术和方法。轨道交通电子单板加速寿命试验设计依据该电子单板的可靠性强化分析结果。确定振动、温度、湿度以及综合的工作极限范围，在此限定设计应力剖面组合，对电子单板进行加速寿命试验，建立电子单板的多应力加速寿命或退化寿命试验模型，分析电子单板在正常应力下的可靠性和寿命水平。目前轨道交通电子单板寿命试验是一种传统现场数据统计，所经历的时间周期非常长，而且时效性差，效率低以及费用大。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种操作简便、快速有效的轨道交通电子单板加速寿命试验方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种轨道交通电子单板加速寿命试验方法，步骤为：

S01、首先通过寿命实验得到电子单板在不同加速退化应力条件下的寿命数据；

S02、依据不同加速退化应力下电子单板的寿命数据和退化轨迹，得到寿命加速模型；

S03、依据寿命加速模型，评估电子单板在正常工作环境下的使用寿命均值。

优选地，在步骤S02中，不同加速退化应力下电子单板的退化轨迹方程为其中为退化轨迹模型参数，所述退化轨迹模型为其中q＝1,2,3,4，i＝1,2,3,4,5,6,7；为模型参数；在退化轨迹模型基础上，使用最小二乘法，估计输出电压在所有加速退化应力水平下的各个电子单板样本的退化轨迹模型参数

优选地，在步骤S02中，所述寿命加速模型为其中t为试验时间，T为高温应力，RH为湿度应力，V为振动应力，m为形状常数，α₀、α₁、α₂、α₃为常识参数。

优选地，在步骤S03中，首先依据寿命加速模型，评估在正常工作振动V、温度T、湿度RH下，可靠度为R的对数寿命估计为其中R为可靠度；然后得到电子单板在正常工作环境下、不同置信度和可靠度下的寿命均值。

优选地，在步骤S01中，寿命试验的不同加速退化应力包括振动、温度、湿度中的一种或者任意组合。

优选地，在步骤S01中，寿命试验的样本量确定方法如下：在电子单板寿命试验中，各个加速退化应力下的样本量n与可靠度R及置信度γ关系为：

优选地，对寿命加速模型中的参数α₀、α₁、α₂、α₃及形状参数m采用整体极大似然估计得到参数估计值及协方差矩阵Σ。

优选地，整体极大似然函数为：

式中，t_ij为加速退化应力水平S_i(i＝1,2,3,4)下第j(j＝1,2,...,q_i,...,7)块电子单板的寿命值，对参数α₀,α₁,α₂,α₃,m的协方差矩阵Σ如下：

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的轨道交通电子单板加速寿命试验方法，通过寿命实验得到电子单板在不同加速退化应力条件下的寿命数据，并依据不同加速退化应力下电子单板的寿命数据和退化轨迹，得到寿命加速模型，再依据寿命加速模型，评估电子单板在正常工作环境下的使用寿命均值；操作简便，能够快速有效评估出轨道交通电子单板的寿命。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为发明中各加速退化应力条件下的试验剖面图。

图3为本发明中的电子单板寿命威尔分布校验图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1至图3所示，本实施例的轨道交通电子单板加速寿命试验方法，步骤为：

S01、首先通过寿命实验得到电子单板在不同加速退化应力条件下的寿命数据；

S02、依据不同加速退化应力下电子单板的寿命数据和退化轨迹，得到寿命加速模型；

S03、依据寿命加速模型，评估电子单板在正常工作环境下的使用寿命均值。

本发明的轨道交通电子单板加速寿命试验方法，通过寿命实验得到电子单板在不同加速退化应力条件下的寿命数据，并依据不同加速退化应力下电子单板的寿命数据和退化轨迹，得到寿命加速模型，再依据寿命加速模型，评估电子单板在正常工作环境下的使用寿命均值；操作简便，能够快速有效评估出轨道交通电子单板的寿命。其中电子单板为轨道交通领域所使用的电路板(如电源板或通讯板等)。

本实施例中，电子单板寿命实验(加速寿命或退化实验)采用正交试验设计方法，采用正交试验设计表进行加速寿命或退化试验项目设计，正交试验设计是一种用于多因素试验的设计方法，均衡搭配各因素下的应力水平组合，高效地描述试验结果，并与退化模型的建模和辨识具有很好的继承性。

依据可靠性强化试验结果确定综合应力(振动+温度+湿度)加速寿命或退化试验中各应力最高值选择为：振动(垂向)2grms、高温95℃、湿度85％RH，采用多应力恒定应力加速寿命或退化试验方案，能够使试验时间缩短，有效模拟产品的使用寿命；在其它实施例中也可以采用EMC、浪涌、脉冲群和静电等组合方式；加速寿命或退化试验应力水平组合及试验样本量的分配见表1。

表1：电子单板加速寿命或退化试验应力水平组合及试验样本量的分配

编号	振动V(grms)	温度T(℃)	湿度RH(％)	试验样本量
					1(S1)	1	80	65	7
2(S2)	1	95	85	7
					3(S3)	2	80	85	7
4(S4)	2	95	65	7

试验样本量确定方法如下：

在电子单板加速寿命或退化试验中，各个试验应力水平下的参试样本量n与可靠度R及置信度γ关系如(7)式所示：

与此同时，在实验过程中，参试样本的失效数量f与参试样本量n、可靠度R及置信度γ关系如(8)式所示：

表2给出了零失效以及失效数为1情况下，对应不同可靠度和置信度的最小样本量。

表2：失效数f＝0,1情况下各个试验应力水平下的最小样本量

根据工程可接受的最低可靠度0.85、置信度0.7水平，本实施例中选择每个应力水平下的最小样本量为7个；通过推演试验应力水平下的参试样本量n与可靠度R及置信度γ关系，使用最少的样本量，评估轨道交通电子单板在一定的可靠度R及置信度γ下的使用寿命。

另外，寿命试验截止条件为：

(1)退化数据达到阈值，试验样本达到投入样本量的一半以上，即达到4个或4个以上；

(2)累积在线试验时间达到400h～10000h，如果退化程度离失效阈值较远(如不足失效阈值的1/4)，可酌情延长试验时间。

综合得到电子单板加速寿命或退化试验剖面如图2所示，并按照试验方案搭建该电子单板的在线智能测试***；另外寿命试验中的恒定高温应力水平可以在+30℃～1000℃之间取任意温度值，也就是剖面的台阶试验温度点并不是固定为高温极限的80℃，90℃这2个点，可以在+30℃～1000℃之间取任意温度值；定振动应力振动量级可以在0gr.m.s～1000gr.m.s之间取任意温度值，也就是剖面的台阶试验振动量级并不是固定为1.0gr.m.s，2gr.m.s这2个点，可以在0gr.m.s～1000gr.m.s之间取任意振动量级；恒定湿度应力水平百分比可以在0％～100％之间任意数值，也就是剖面的各台阶试验湿度点并不是固定为湿度极限的65％、85％这2个点，可以在0％～100％之间任意数值；试验过程的升温速率和降温速率可以在3℃/min～200℃/min之间取任意温度速率；寿命试验的累积在线试验时间可为10h～10000h之间取任意时间值。

本实施例中，根据性能退化轨迹曲线，选择适当的退化轨迹模型，进行退化轨迹建模。退化轨迹模型可能为线性模型或经过某种变换后可以变为的线性模型；也可能作为非线性模型，如时间的多项式方程。

第q个应力水平下，第i个试验样本的退化轨迹模型可以表示为：

其中q＝1,2,3,4，i＝1,2,3,4,5,6,7；是模型参数。

在选择的退化轨迹模型基础上，使用最小二乘法，估计输出电压在所有应力水平下的所有样本的退化轨迹模型参数得到不同应力水平下各个样本的退化轨迹方程：

根据测试项目中的故障判据，外推得到各应力水平下、各样本的退化寿命值tij，i＝1,2,3,4，j＝1,2,3,4,5,6,7。

然后，根据各应力水平下、各样本退化寿命值辨识加速模型。

由于加速退化应力为振动、温度和湿度，本实施例中采用广义Eyring加速模型，如下：

式中，t为试验时间，T为高温应力(K)，RH为湿度应力(％)，V为振动应力(grms)，A、B、C、D为未知方程常数。

根据4个未知方程常数辨识需要4个方程式的原理，本项目选择4组加速应力水平试验(寿命试验)，如表1中所示，各参数辨识方法如下：

对公式(3)中左右两边取对数，结果如下：

设lnA＝α₀,B＝α₁,C＝α₂,-D＝α₃，对加速模型中参数α₀、α₁、α₂、α₃采用整体极大似然估计得到参数估计值

整理极大似然估计为：

式中，i＝1,2,…,p为加速应力水平Si，Si为表1中的S1、S2、S3、S4，j＝1,2,…,q为每个应力水平下的第i个样本。

令：

则得到参数α₀,α₁,α₂,α₃的极大似然估计值

本实施例中，电子单板加速寿命试验按照表1的四个应力水平S1/S2/S3/S4进行寿命试验，寿命试验的样本量依据表2，寿命试验的剖面依据图2，寿命试验完成后对试验的数据进行梳理、分析，通过加速模型的数学公式(1)～(6)，代入试验数据，评估计算电子单板的实际使用寿命。

现以电子单板A为例进行寿命评估，首先通过实验得到在各加速退化应力条件下的寿命数据见表3。

表3：电子单板A在不同应力下的寿命数据

S1条件寿命数据表：

S2条件寿命数据表：

S3条件寿命数据表：

S4条件寿命数据表：

依据公式(2)，对电子单板A，根据表3中寿命实验数据，通过拟合优度检验确定寿命的最优分布为威布尔分布(如图2所示)，得到寿命加速模型为：

对加速模型中参数α₀、α₁、α₂、α₃及形状参数m采用整体极大似然估计得到参数估计值及协方差矩阵Σ，见表4。

整体极大似然函数为：

式中，t_ij为加速应力水平S_i(i＝1,2,3,4)下第j(j＝1,2,...,q_i,...,7)块电子单板A的寿命值，对参数α₀,α₁,α₂,α₃,m的协方差矩阵Σ如下：

表4：寿命加速模型参数的MLE估计和协方差矩阵

依据电子单板A加速模型推算出加速模型参数，评估在正常工作振动V、温度T、湿度RH下，可靠度为R的对数寿命估计为：

不同工作环境下，使用占空比为2/3(每天工作约16小时)，得到置信度γ＝0.7、可靠度R＝0.8下的电子单板A在不同环境条件下，使用寿命均值如表5所示。

表5：基于故障数据评估的电子单板A寿命

序号	工作条件	均值(年)
			1	0.5grms+55℃+65％RH	11.56

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种轨道交通电子单板加速寿命试验方法，其特征在于，步骤为：

S01、首先通过寿命实验得到电子单板在不同加速退化应力条件下的寿命数据；

S02、依据不同加速退化应力下电子单板的寿命数据和退化轨迹，得到寿命加速模型；

S03、依据寿命加速模型，评估电子单板在正常工作环境下的使用寿命均值。

2.根据权利要求1所述的轨道交通电子单板加速寿命试验方法，其特征在于，在步骤S02中，不同加速退化应力下电子单板的退化轨迹方程为其中为退化轨迹模型参数，所述退化轨迹模型为其中q＝1,2,3,4，i＝1,2,3,4,5,6,7；为模型参数；在退化轨迹模型基础上，使用最小二乘法，估计输出电压在所有加速退化应力水平下的各个电子单板样本的退化轨迹模型参数

3.根据权利要求1或2所述的轨道交通电子单板加速寿命试验方法，其特征在于，在步骤S02中，所述寿命加速模型为其中t为试验时间，T为高温应力，RH为湿度应力，V为振动应力，m为形状常数，α₀、α₁、α₂、α₃为常识参数。

4.根据权利要求3所述的轨道交通电子单板加速寿命试验方法，其特征在于，在步骤S03中，首先依据寿命加速模型，评估在正常工作振动V、温度T、湿度RH下，可靠度为R的对数寿命估计为其中R为可靠度；然后得到电子单板在正常工作环境下、不同置信度和可靠度下的寿命均值。

5.根据权利要求1或2所述的轨道交通电子单板加速寿命试验方法，其特征在于，在步骤S01中，寿命试验的不同加速退化应力包括振动、温度、湿度中的一种或者任意组合。

6.根据权利要求1或2所述的轨道交通电子单板加速寿命试验方法，其特征在于，在步骤S01中，寿命试验的样本量确定方法如下：在电子单板寿命试验中，各个加速退化应力下的样本量n与可靠度R及置信度γ关系为：

7.根据权利要求3所述的轨道交通电子单板加速寿命试验方法，其特征在于，对寿命加速模型中的参数α₀、α₁、α₂、α₃及形状参数m采用整体极大似然估计得到参数估计值及协方差矩阵Σ。

8.根据权利要求7所述的轨道交通电子单板加速寿命试验方法，其特征在于，整体极大似然函数为：

式中，t_ij为加速退化应力水平S_i(i＝1,2,3,4)下第j(j＝1,2,...,q_i,...,7)块电子单板的寿命值，对参数α₀,α₁,α₂,α₃,m的协方差矩阵Σ如下：

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