可靠性设计与分析技术在信号继电器产品中的应用研究

王进忠

(沈阳铁路信号有限责任公司，沈阳 110025)

1 概述

现代科技迅速发展使各个领域的系统和产品不断朝着高性能、高可靠性的方向发展，深入研究产品的可靠性对国民经济具有重大的意义。从大局出发，铁路作为国家的基础设施，在交通运输体系中处于骨干地位，铁路信号产品的可靠性对铁路系统的安全运行具有重要的影响[1]。从企业角度来看，铁路信号产品可靠性的提升是通过早期研制和生产成本的付出，从而换取降低产品后期维修费用、减少产品寿命周期成本、提升品牌竞争力的有效途径。综合考虑，研究铁路信号产品的可靠性具有经济和安全的双重收益，可靠性与产品费用的关系曲线如图1所示。

铁路信号产品可靠性关注的是铁路信号产品合格水平随着时间的保持能力，其可靠性的提高是通过设计、制造、使用管理与维护来实现的，可靠性与费用的关系曲线如图1所示。本文选取安全型继电器作为铁路信号系统的典型产品进行可靠性设计、分析和管理的研究。

图1 可靠性与费用的关系曲线Fig.1 Relationship curve between reliability and cost

2 铁路信号产品的可靠性设计

铁路信号产品的可靠性设计是产品整体设计的组成部分，是影响产品固有可靠性的重要内容，是以预防为主进行的深入影响到产品全寿命周期的关键性措施，其目标是在性能、费用、时间等因素综合平衡的基础上，实现既定的可靠性指标[2]。如果在设计阶段考虑不全面，生产产品结构不合理、选用元件不适合等问题，在后续的阶段中，这类问题将无法得到改正和优化，只能在使用和维修过程中维持已获得的固有可靠性，而不能对可靠性进行提高。因此在产品面世前，进行可靠性优化设计是提高产品质量最为行之有效的措施。美国的诺斯洛普公司对此进行了专门数据统计，在产品生产后进行的维护支出相当于在研发设计阶段所投入成本的30倍左右[3]。对我国也开展过类似的调查，结果表明在产品生产的各个阶段，设计阶段对产品可靠性影响占的比重最大，各种因素对可靠性影响如表1所示。

表1 各种因素对产品可靠性的影响Tab.1 Effects of various factors on product reliability

可靠性设计需要全面考虑影响产品可靠性的各种因素，结合产品的结构特点和性能将设计要求转化为明确的、定量化的设计指标，并贯穿于铁路信号产品性能设计的每个环节。

2.1 可靠性建模

建立可靠性模型的目的是为了分配、预计和评估产品的可靠性。在产品设计初期建立可靠性模型，以有助于设计评审，并为产品的可靠性分配、预计和拟定纠正措施的优先顺序提供依据[4]。可靠性模型分为串联模型和并联模型。以某型安全继电器为例，其由触点系统和电磁系统两大部分组成，触点系统由触点组和传动系统组成；电磁系统由线圈、固定的铁心、轭铁以及可动的衔铁等组成。针对该系统产品的所有单元构成串联模型，表示组成产品的所有单元中的任一单元发生故障都会导致整个产品故障。在串联系统中，串联分系统数目越多，总可靠性越低[5]。系统采用串联模型，该安全型继电器的可靠性如图2所示。

图2 某安全型继电器的可靠性框图Fig.2 Reliability block diagram of a certain type of safety relay

2.2 可靠性的预计与分配

可靠性的预计是通过获得各个分系统或者各单元的可靠性数据，来计算系统可靠性指标从而得出系统整体的设计方案。可靠性分配是将设定的目标分解到系统的各个环节，在多种设计方案中比较、选优，前者是目标的设定，后者是目标的实现。对某型安全继电器进行可靠性预计，首先要确定该型号产品的性能指标，确定继电器的结构，据此选择和推导出相关模型，确定各个单元的功能，对继电器的使用环境进行环境系数和系统应力的确定，假定失效分布模型，计算出各单元的工作失效率和贮存失效率，从而计算产品的可靠性。可靠性指标的分配，有助于发现铁路信号产品系统设计中的薄弱环节，为指标监控和改进措施提供依据，为管理提供所需的人力、时间和资源等信息。

2.3 可靠性优化设计

安全型继电器的耐热设计，目的是根据继电器热量的来源和分布，设法将热输入和危害降低到最小程度，继电器所能承受的热输入除了最高环境温度外，还应考虑线圈温升，触点燃弧温升等。耐冲击振动设计，要考虑由于继电器自身具有的维持触点闭合的力小于冲击、振动施加在触点上的瞬时作用力，从而导致闭合触点的瞬时断开，或者断开触点间的间隙小于冲击、振动产生的触点振动的振幅值，从而导致断开的触点瞬时闭合。参数稳定性设计是考虑继电器参数变化的问题，和生产工艺、生产环境及质量控制密切相关，因此针对企业首先应合理优化生产环境，制定合理的措施，对质量检查严格把关。在设计角度来说，各个系统中不稳定的因素较多，设计优化的余量较小，但优化设计的总原则是将吸合特性与反力特性保持合理范围内的平衡。

3 铁路信号产品的可靠性分析

3.1 故障树分析

随着可靠性工程的不断深入研究，专业人员意识到单纯依赖于可靠性设计是远远不够的，对可靠性进行分析显得尤为重要[6]。对继电器的可靠性进行分析，主要是分析产品故障状态产生原因和条件，从而发现设计中的薄弱环节，提出改进措施。通过建立故障树的方法进行故障分析，能够全方位识别故障原因及原因的组合，使设计的修正具有针对性和更加透彻，极大程度节约了人力和物力。对安全型继电器的故障进行统计和分析，根据故障出现的概率和严重程度，绘制故障树如图3所示。

图3 故障树Fig.3 Fault tree

通过对某安全型继电器建立故障树，得到的故障模式有接触电阻变大、触点超程减小、触点熔焊、冷焊、桥接、触点弹跳、多余物、低温结霜、衔铁、簧片异常、吸合释放电压异常、线圈电阻下降、线圈断线、线圈欠压或过载等。其相对应的故障危害为触点不能正常闭合和分断，触点表面产生膜污染几率增加、接触电阻增大、触点动作不同步、触点接触不良，绝缘电阻下降，吸合、释放参数变化、触点间间隙击穿导通、低温水汽结霜，气体污染，在气压较低时，继电器的温度升高等[7]。

3.2 改进措施

通过对安全型继电器建立故障树和进行故障分析，给出相应的改进措施。合理选择触点材料的硬度和预压力，设计减少冲击影响的方法。设计时优化触点形貌，减少电弧或采用隔弧措施，减少焊剂污染，密封继电器充入高纯氮气，降低内部水汽含量，减少污染膜的生成，消除多余物，防止触点粘结。电磁系统要做到铆装牢靠，衔铁转动灵活，轴孔配合间隙适当。绝缘材料选取耐温等级较高、热形变小的。簧片焊点等材料选用热稳定高、散热好的，设计衔铁转动支撑部分，增加装配精度。通过专用调整工具调整衔铁的推动杆位置，增加衔铁超行程等。具体的改进措施如表2所示。

表2 某安全型继电器改进措施表Tab.2 Improvement measures for a certain type of safety relay

4 铁路信号产品的可靠性管理

铁路信号产品可靠性设计的实施必须与可靠性管理紧密结合。可靠性管理就是在了解铁路信号产品整体系统、结构、原理和功能的基础上，用最少的资源实现客户所提出的产品可靠性要求。

针对铁路信号产品的特性，对铁路信号产品提供企业来说，可靠性管理的工作方法包括计划、组织、监督和控制。计划首先要分析确定目标，根据生产数据的积累和市场信息的反馈，选择达到可靠性要求必须进行的一组工作，制定每项工作实施要求，估计完成这些工作所需的资源[8]。计划需要依托于完整的质量管理体系的建立和运行，以过程控制为基础，以顾客要求为输入，转化为产品输出，通过增值活动和信息交流，不断满足高可靠性要求。组织是指在铁路信号产品生产企业，确定可靠性工作的总负责人，并建立管理机构，明确任务分工、职责，对工作人员进行培训。继电器的生产过程需要专职的人员团队、专业的技术手段和工作方法。团队人员的技术水平和工作能力对产品可靠性有着重大影响，因此合理的组织对资源的合理运用十分必要。监督是利用检查、评审、鉴定和认证等活动，及时取得信息，以监督各项工作的进展情况。与继电器产品可靠性有关的理论、工艺技术、标准、考核办法、失效分析技术、失效机理、失效模式以及各种可靠性数据均是需要及时获得的信息，且信息要保证完整、准确、集中管理。控制是通过制定和建立各种标准、规范和程序，指导和控制各项可靠性工作的开展。由于继电器产品质量形成于过程，要经历设计、工艺、采购、加工、装配、检验、试验等一系列工程过程，该过程决定着产品的固有质量和可靠性，因此在可靠性管理工作上要严格按照规定执行和控制生产流程。

5 总结

随着中国高铁的迅猛发展，对铁路系统可靠性的要求不断升高，铁路相关产品的生产、检测和维修都面临着巨大的考验，对铁路信号产品进行可靠性研究对铁路行业发展具有重要意义。铁路信号产品的可靠性设计、分析和管理是提升产品可靠性的重要手段，提出实用、合理的可靠性研究方法，对铁路信号产品企业的科学发展具有重要的经济效益和品牌效应，将为铁路行业的安全可靠发展奠定基础。