基于壽命特征參數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

電磁閥是高鐵的關鍵部件之一，在動車運行過程中，電磁閥不時發生偶發性卡滯、漏風，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，根據檢修規程，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定，為降低質量風險，其在四級修時就進行了拆解檢修。這些故障的產生對檢修周期及運行產生了重大影響，決定高級修后能否繼續服役，以及服役周期。

因此準確評估電磁閥的壽命，根據電磁閥壽命特征參數確認退化規律及可靠性指標，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，并為檢修決策規范提供優化建議。

1 壽命特征參數分析

多應力綜合加速壽命試驗，旨在模擬電磁閥實際工作環境的基礎上，在不改變電磁閥失效機理的原則下，通過增加環境應力量級，從而實現加速試驗的效果，做到在實驗環境下進行x 小時的試驗，等效到自然使用條件下n 倍的時間。由于自然環境的復雜程度較高，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力，如：電、氣、溫度、濕度、振動等，這些敏感應力來源于前期故障分析與環境調研。電磁閥漏風失效時由于密封圈故障，密封圈老化主要受環境溫濕度影響；電磁閥卡滯是異物或結構膨脹等，環境溫度也是主要原因，同時結構問題也受振動影響；因此溫濕度、振動是敏感應力，電、氣是電磁閥工作不可或缺的驅動力，也必然影響電磁閥結構與壽命。

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

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據進行數學分析，采用數據可視化分析、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—壽命特征參數值；

x—試驗時間；

b—截距；

a—斜率。

通過以下兩個參數擬合度與均方差對擬合效果的評價：

1）回歸統計中采用判定系數（也叫擬合優度）R2來描述擬合效果，R2即是擬合相關系數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系是否顯著，主要關注F 檢驗的的結果，即Significance F 值，該參數表現的是回歸方程總體的顯著性檢驗，F 值越小越顯著。

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

2 電磁閥可靠性分析

2.1 樣品說明

電磁閥根據其結構與功能可以劃分為以下幾個部分，見圖1[3~5]。

圖1 電磁閥結構

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數據，通過數據處理分析性能參數退化規律，確認與壽命呈相關變化趨勢的部件作為壽命特征參數。本文選擇的性能特征參數有溫升、通電響應時間、斷電響應時間。

2.2 試驗條件

本文擬采用“定時截尾”的方法，保守設計試驗時間和應力值。根據電磁閥的工作特性，電磁閥的壽命取決于密封件及線圈造成的性能下降。經前期調研評估，導致電磁閥發生此現象的主要因素可能為溫度、濕度和振動。試驗中，根據性能檢測及評估，根據標準GB/T4208-2017、GB/T 1392-2015、GB/T 21563-2018及GB/T 25119-2021 等要求，設計電磁閥的壽命試驗方案。鑒于電磁閥屬于長壽命產品，正常應力條件下，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獲取產品可靠性信息。采用加速應力試驗來預測正常應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 將溫度恢復到（23±2）℃測試性能特征參數。

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

通斷電響應時間測試原理如圖2 所示[6]。

圖2 通電響應時間測試原理

圖3 變化趨勢圖

2.3 結果與分析

2.3.2 性能變化趨勢分析

對性能進行退化分析，其中y 為響應時間（單位：ms），x 為試驗時間（單位：h）。通電響應時間：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）。按指數分布擬合結果為：Y（t）=41.582 804*e-0.000 206 t，擬合度R2=0.51，均方差為0.66。因其為發生明顯的退化，因此不做參數退化評估。

2.3.3 可靠性評估

按GB/T34986-2017《產品加速試驗方法》中要求，試驗是長時間高溫高濕暴露的環境，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，數值是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；

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AF=84。

根據產品說明書與常溫高溫數值對比可得，在高溫下通電響應時間與斷電響應時間的失效閾值是120 ms，代入

式中：

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

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

3 結論

隨著電磁閥的逐步老化，其性能參數也會發生一定程度的退化。因此可以根據響應時間這一壽命特征參數的退化趨勢，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律與老化模型，并預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時間、斷電響應時間檢查；

2）抽樣拆解內檢，利用高倍顯微鏡，檢查內部結構磨損等情況。

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。