CN114329778A - 一种列车用产品的加速寿命试验计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及加速寿命试验技术领域，具体涉及一种列车用产品的加速寿命试验计算方法，包括步骤：S1、识别影响产品寿命及失效的关键环境因子；S2、对列车用产品每年的工作环境应力进行折算；S3、根据关键环境因子选择合适的加速模型；S4、计算加速因子；S5、对列车用产品每月的工作时间进行折算；S6、计算出加速试验时间及寿命。本发明将产品的工作环境应力按照月份分别计算，并利用产品的发热情况对环境温度进行补偿，精确计算出列车用产品的加速因子；结合列车用产品的实际运行工作时间以及相应的维修占比，计算出列车用产品每个月的加速试验时间，进而能够精确的计算出列车用产品每年的加速试验时间，精确的预估列车用产品的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及加速寿命试验技术领域，具体涉及一种列车用产品的加速寿命试验计算方法。
背景技术
列车是铁路行业的主要运输工具，列车的运行寿命是列车的一项重要指标，列车的运行寿命由列车上使用产品的寿命决定，通常，通过加速试验模型预估产品的寿命，目前常用的加速实验模型如阿伦尼乌斯模型、PECK模型、艾林模型，均已在标准及相关文献中找到公式及应用，但是如果计算加速倍数，根据产品不同的环境应力，计算方法也是多种多样，尤其针对试验数据中如退化的情况，均是假设给定一个温度值进行加速倍数的计算，无疑对加速寿命的计算带来较大偏差。
列车用产品由于其特殊的使用环境，其跟随列车转换不同地域，使用环境不断变化，因此，列车用产品的环境应力不易折算；另外，列车有其特定的维修规律和工作时间，列车用产品的服役时间也不是持续的，因此，其工作时间的折算应当考虑实际运行情况而定。如对列车用产品的加速寿命计算仍采用常规的加速实验模型，则寿命计算结果存在较大偏差。
检索到专利CN110376003B公开了一种基于BIM的智能列车整车服役寿命预测方法，包括获取列车整车以及列车各个部件的静态数据和工作性能参数；提取列车的各个部件的健康指标时序；预测得到列车整车及列车的各个部件的剩余服役寿命并修正；得到最终的列车整车以及部件的剩余服役寿命预测结果。还公开了实现所述基于BIM的智能列车整车服役寿命预测方法的系统。该方法能够实现对列车服役状态以及外界影响因素的监测，完成外界因素对剩余使用寿命的不确定性影响建模，并提供全面的可视化信息；本发明能够实现对列车的剩余寿命预测，有效提高列车服役性能，且可靠性高、适用性好且评估全面准确。虽然该方法考虑到了实际工作环境和工作时间，但在计算寿命时仍未考虑到列车的所有应用环境和维修时间的占比。
基于上述技术问题，本发明提供一种列车用产品的加速寿命试验计算方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种列车用产品的加速寿命试验计算方法，目的在于基于产品的实际使用环境，精确地评估列车用产品的使用寿命。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种列车用产品的加速寿命试验计算方法，包括如下步骤：
S1、识别影响产品寿命及失效的关键环境因子，如温度、湿度、温度冲击等；
S2、对列车用产品每年的工作环境应力进行折算；
S3、根据关键环境因子选择合适的加速模型；
S4、计算加速因子；
S5、对列车用产品每月的工作时间进行折算；
S6、计算出加速试验时间及寿命。
进一步地，步骤S2中进行工作环境应力计算的具体方法为：
S21、获取列车运行路线上起点城市近10年各月平均温度Ti起平、平均最低温度Ti起低、平均最高温度Ti起高、平均湿度Hi起平数据，以及终点城市近10年各月平均温度Ti终平、平均最低温度Ti终低、平均最高温度Ti终高、平均湿度Hi终平数据；其中i＝1，2、、、12，表示12个月的平均数据。
S22、计算出每个月的平均温度Ti为：
计算出每个月的平均湿度Hi为：
计算出每个月的平均最低温度Ti低为：
Ti低＝min(Ti起低,Ti终低)
计算出每个月的平均最高温度Ti高为：
Ti高＝max(Ti起高,Ti终高)；
S23、根据产品的工作发热情况，对每个月的平均温度和平均最高温度进行补偿，
TiU＝Ti+ΔT
Timax＝Ti高+ΔT
其中，TiU为加速寿命试验模型中的使用环境平均温度，Timax为加速寿命试验模型中的实际最高温度，ΔT为产品的发热情况对环境温度的补偿值。
更进一步地，产品的发热情况对环境温度的补偿值的计算方法为：在产品表面设置温度传感器，采集产品未工作状态下的温度值，启动产品，产品功率为产品服役时的功率，待产品运行稳定后测定产品表面温度值，产品运行稳定后的表面温度值与产品未工作状态下的温度值的差值即为产品发热情况对环境温度的补偿值。
进一步地，步骤S3中，当关键环境因子为温度时，则选择阿伦尼乌斯模型，加速因子的计算公式为：
当关键环境因子为温度和湿度时，则选择PECK模型，每个月相应的加速因子的计算公式为：
AFi＝AFHi×AFTi
其中，AFHi为产品对应每个月的湿度加速因子，AFTi为产品对应每个月的温度加速因子，AFi为产品对应每个月的加速因子，i＝1、2、3、、、12；n为未知模型参数，HA为加速试验的相对湿度，Ea为激活能，KB为玻尔兹曼常数，TA为加速试验的热力学温度；
当关键环境因子为温度循环时，则选择Conffin-Manson模型，每个月相应的加速因子加速因子的计算公式为：
其中，ΔT2为温度循环试验应力条件下的高低温度差；m为模型常数。
进一步地，步骤S5中对列车用产品每月的工作时间进行折算的具体步骤包括：
S51、获取使用产品的列车的维修标准；
S52、根据列车维修标准，计算出列车每年的维修天数D；
S53、获取列车每天的运行时间X；
S54、计算出列车每月对应的运行时间Xi：
其中，Di为每月相应的自然天数，i＝1、2、、、、12。
更进一步地，步骤S53中列车每天的运行时间X的计算方法为：
X＝X实际+X补
其中，X实际为列车一天实际运行的时长，X补为列车非运行时的待机时长。
进一步地，步骤S6中的加速试验时间的计算方法为：
计算出每月的加速试验时间Li：
计算出每年的加速试验时间LAccelerated：
更进一步地，步骤S6中的寿命计算方法为：
其中，N为列车用产品的预估寿命，单位为年限，L总为加速试验的总时长。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明将产品的工作环境应力按照月份分别计算，并利用产品的发热情况对环境温度进行补偿，精确计算出列车用产品的加速因子；结合列车用产品的实际运行工作时间以及相应的维修占比，计算出列车用产品每月相应的工作时间，进而计算出列车用产品每个月的加速试验时间，进而能够精确的计算出列车用产品每年的加速试验时间，能够精确的预估列车用产品的寿命，避免了产品使用环境变化不定导致的预估偏差。
具体实施方式
下面将对本发明的技术方案进行清楚的描述，显然，所描述的实施例并不是本发明的全部实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本实施例以列车用电机为例，影响其产品是寿命及失效的关键环境因子为温度和湿度，因此，选用PECK模型进行加速寿命试验。
工作环境应力折算：列车用电机所服役的列车运行路线为北京-上海，通过中国气象数据网获取北京、上海近10年的温湿度数据如表一所示，
表一 列车运行路线城市的温湿度数据
将上述城市每月的平均气温求平均值得出平均温度Ti，每月的平均相对湿度求平均值得出平均湿度Hi，以此类推得出平均最高温度Ti高和平均最低温度Ti低，结果如表二所示，
表二 列车用产品的环境应力数据
根据产品工作时的发热情况，使用温度传感器测量出产品的发热情况对环境温度的补偿值ΔT为10℃，则将表二中的平均温度和平均最高温度均相应加上10℃，平均温度和平均湿度的计算结果如表三所示，
表三 补偿后的列车用产品的环境应力数据
由于本产品采用PECK模型，则利用表三中的TiU值计算加速因子，计算公式如下：
AFi＝AFHi×AFTi
其中，AFHi为产品对应每个月的湿度加速因子，AFTi为产品对应每个月的温度加速因子，AFi为产品对应每个月的加速因子，i＝1、2、3、、、12；n取值3，HA为加速试验的相对湿度，取值85％；Ea为激活能，取值0.9eV，KB为玻尔兹曼常数，取值8.617385×10-5J/K，TA为加速试验的热力学温度，取值70℃；计算出每月相应的湿度加速因子AFHi和温度加速因子AFTi，如表四第二列和第三列所示。
表四 列车用产品的加速因子及等效试验时间
| 月份 | X<sub>i</sub>(h) | AF<sub>Ti</sub> | AF<sub>Hi</sub> | L<sub>i</sub>(h) |
| 1月 | 417.01 | 572.98 | 1.51 | 0.48 |
| 2月 | 376.65 | 407.98 | 1.51 | 0.61 |
| 3月 | 417.01 | 218.59 | 1.56 | 1.22 |
| 4月 | 403.56 | 99.62 | 1.51 | 2.68 |
| 5月 | 417.01 | 54.63 | 1.51 | 5.05 |
| 6月 | 403.56 | 32.90 | 1.28 | 9.58 |
| 7月 | 417.01 | 23.34 | 1.24 | 14.40 |
| 8月 | 417.01 | 25.59 | 1.24 | 13.14 |
| 9月 | 403.56 | 41.06 | 1.32 | 7.44 |
| 10月 | 417.01 | 83.62 | 1.36 | 3.66 |
| 11月 | 403.56 | 200.65 | 1.46 | 1.37 |
| 12月 | 417.01 | 434.77 | 1.56 | 0.61 |
同时，按照列车维修标准见表五所示，列车每年运行里程约50万公里，则二轮五级修的时间为第19.2年(960/50＝19.2)，占用的总维修天数为每次的检修停机时间的总和为274.4天，则平均每年的检修停机时间为14.29天，北京至上海单程运行约6小时，则每天往返运行时长为12小时，列车非运行状态下的待机时长2小时，则列车每天的运行时间X为14小时。根据列车每天的运行时长计算出每月的运行时间Xi如表四第二列所示。
表五 列车维修标准
| 维修级别 | 修程 | 里程(公里) | 检修停机时间(天) |
| I1 | / | 0.4万 | 0.2 |
| I2 | / | 2万 | 0.2 |
| M1 | / | 10万 | 1 |
| M2 | / | 40万 | 1 |
| M3 | / | 80万 | 2 |
| R1 | 三级修 | 132万 | 25 |
| R2 | 四级修 | 264万 | 35 |
| R1(二轮) | 三级修(二轮) | 396万 | 25 |
| R3(三轮) | 五级修 | 480万 | 50 |
| R1(三轮) | 三级修(三轮) | 612万 | 25 |
| R2(二轮) | 四级修(二轮) | 744万 | 35 |
| R1(四轮) | 三级修(四轮) | 876万 | 25 |
| R3(二轮) | 五级修(二轮) | 960万 | 50 |
利用每月的加速试验时间Li的计算公式，计算出对应于每月的等效加速试验时间，如表四第五列所示。进而计算出列车用产品一年的等效加速试验时间LAccelerated为60.29小时，如本产品加速试验时间为2328小时无失效，则本产品的预估寿命为37.12年。
以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种列车用产品的加速寿命试验计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、识别影响产品寿命及失效的关键环境因子；
S2、对列车用产品每年的工作环境应力进行折算；
S3、根据关键环境因子选择合适的加速模型；
S4、计算加速因子；
S5、对列车用产品每月的工作时间进行折算；
S6、计算出加速试验时间及寿命。
2.根据权利要求1所述的列车用产品的加速寿命试验计算方法，其特征在于，步骤S2中进行工作环境应力计算的具体方法为：
S21、获取列车运行路线上起点城市近10年各月平均温度Ti起平、平均最低温度Ti起低、平均最高温度Ti起高、平均湿度Hi起平数据，以及终点城市近10年各月平均温度Ti终平、平均最低温度Ti终低、平均最高温度Ti终高、平均湿度Hi终平数据；其中i＝1，2、、、12，表示12个月的平均数据；
S22、计算出每个月的平均温度Ti为：
计算出每个月的平均湿度Hi为：
计算出每个月的平均最低温度Ti低为：
Ti低＝min(Ti起低,Ti终低)
计算出每个月的平均最高温度Ti高为：
Ti高＝max(Ti起高,Ti终高)；
S23、根据产品的工作发热情况，对每个月的平均温度和平均最高温度进行补偿，
TiU＝Ti+ΔT
Timax＝Ti高+ΔT
其中，TiU为加速寿命试验模型中的使用环境平均温度，Timax为加速寿命试验模型中的实际最高温度，ΔT为产品的发热情况对环境温度的补偿值。
3.根据权利要求2所述的列车用产品的加速寿命试验计算方法，其特征在于，产品的发热情况对环境温度的补偿值的计算方法为：在产品表面设置温度传感器，采集产品未工作状态下的温度值，启动产品，产品功率为产品服役时的功率，待产品运行稳定后测定产品表面温度值，产品运行稳定后的表面温度值与产品未工作状态下的温度值的差值即为产品发热情况对环境温度的补偿值。
4.根据权利要求2所述的列车用产品的加速寿命试验计算方法，其特征在于，步骤S3中，当关键环境因子为温度时，则选择阿伦尼乌斯模型，加速因子的计算公式为：
当关键环境因子为温度和湿度时，则选择PECK模型，每个月相应的加速因子的计算公式为：
AFi＝AFHi×AFTi
其中，AFHi为产品对应每个月的湿度加速因子，AFTi为产品对应每个月的温度加速因子，AFi为产品对应每个月的加速因子，i＝1、2、3、、、12；n为未知模型参数，HA为加速试验的相对湿度，Ea为激活能，KB为玻尔兹曼常数，TA为加速试验的热力学温度；
当关键环境因子为温度循环时，则选择Conffin-Manson模型，每个月相应的加速因子加速因子的计算公式为：
其中，ΔT2为温度循环试验应力条件下的高低温度差；m为模型常数。
5.根据权利要求4所述的列车用产品的加速寿命试验计算方法，其特征在于，加速试验的相对湿度HA为85％，加速试验的热力学温度TA为70℃。
6.根据权利要求1所述的列车用产品的加速寿命试验计算方法，其特征在于，步骤S5中对列车用产品每月的工作时间进行折算的具体步骤包括：
S51、获取使用产品的列车的维修标准；
S52、根据列车维修标准，计算出列车每年的维修天数D；
S53、获取列车每天的运行时间X；
S54、计算出列车每月对应的运行时间Xi：
其中，Di为每月相应的自然天数，i＝1、2、、、、12。
7.根据权利要求6所述的列车用产品的加速寿命试验计算方法，其特征在于，步骤S53中列车每天的运行时间X的计算方法为：
X＝X实际+X补
其中，X实际为列车一天实际运行的时长，X补为列车非运行时的待机时长。
8.根据权利要求6所述的列车用产品的加速寿命试验计算方法，其特征在于，步骤S6中的加速试验时间的计算方法为：
计算出每月的加速试验时间Li：
计算出每年的加速试验时间LAccelerated：
9.根据权利要求6所述的列车用产品的加速寿命试验计算方法，其特征在于，步骤S6中的寿命计算方法为：
其中，N为列车用产品的预估寿命，单位为年限，L总为加速试验的总时长。
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| CN202111626810.4A CN114329778A (zh) | 2021-12-28 | 2021-12-28 | 一种列车用产品的加速寿命试验计算方法 |
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116148105A (zh) * | 2023-04-21 | 2023-05-23 | 清华四川能源互联网研究院 | 落球式耐久冲击试验的加速试验方法及系统 |
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2021
- 2021-12-28 CN CN202111626810.4A patent/CN114329778A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN116148105A (zh) * | 2023-04-21 | 2023-05-23 | 清华四川能源互联网研究院 | 落球式耐久冲击试验的加速试验方法及系统 |
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