CN115577556B - 基于失效物理和质量一致性的电磁继电器可靠性预计方法 - Google Patents

基于失效物理和质量一致性的电磁继电器可靠性预计方法 Download PDF

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Abstract

基于失效物理和质量一致性的电磁继电器可靠性预计方法，涉及一种继电器可靠性预计方法。建立数字样机模型，描述输入参数与输出特性之间的输入‑输出关系；建立失效物理模型，描述关键零部件在应力条件下随时间退化的规律；利用继电器生产过程的质量一致性信息，构建批次虚拟样本；将失效物理模型代入数字样机模型中，再代入批次虚拟样本，得到每个虚拟样本的输出特性随时间的变化过程；确定是否发生功能失效，得到继电器功能失效样本的集合；确定是否发生性能退化，得到继电器性能失效样本的集合；通过并集运算得到全部失效样本的集合，最终计算得到继电器的可靠度。相比于基于数理统计的可靠性预计，能够提高准确性。

Description

基于失效物理和质量一致性的电磁继电器可靠性预计方法
技术领域
本发明涉及一种继电器可靠性预计方法，尤其是基于失效物理和质量一致性的电磁继电器可靠性预计方法，属于继电器可靠性预计技术领域。
背景技术
继电器可靠性预计是在设计阶段预先估计可靠性的重要手段，对于防范风险、迭代设计、缩短周期、降低成本具有重要意义。然而，目前普遍采用的基于数理统计的继电器可靠性预计方法，是基于粗略分档、经验推测的“估算法”，即通过人为分档和推测方式确定经验系数，再与数理统计结果相乘得到可靠度。因未考虑或无法准确描述继电器的内在机理、性能波动、工艺特性等影响因素，导致预计准确性差，甚至产生数量级差异。因此，亟需发展新一代继电器的可靠性预计方法。
首先，继电器在电子系统中工作的可靠性包含两个方面：一是继电器在环境、负载等应力条件下自身强度不断下降，导致发生功能失效的概率；二是继电器输出特性的性能退化导致电子系统出现故障的概率。对于不同的电子系统，根据系统故障为继电器输出特性分配的合格阈值可以是不同的，因此，为使继电器可靠性预计结果能够服务于电子系统可靠性预计，可靠性预计方法应具有综合考虑性能退化与功能失效两个方面的能力。
其次，继电器发生性能退化与功能失效的根源，在于关键零部件的退化及其初始差异性。因此，需要通过失效物理理论与试验研究，建立关键零部件的失效物理模型，确定关键零部件特性参数在应力作用下随时间变化的定量描述。同时，需要根据批次的质量一致性信息，确定其初始差异性的定量描述，并采用蒙特卡罗随机模拟方法建立批次的虚拟样本。在此基础上，将虚拟样本的参数值代入关键零部件的失效物理模型和继电器的多输入输出替代模型，即可得到性能退化参数、功能失效参数的分布随时间的变化，并通过集合的并集运算得到可靠性随工作时间变化的函数关系，从而建立继电器的可靠性预计模型。
基于以上思路，本发明提出一种基于失效物理和质量一致性的电磁继电器可靠性预计方法，可将可靠性预计结果与继电器的失效物理和质量一致性信息联系起来，从而保证继电器可靠性预计结果的准确性。
发明内容
为解决背景技术存在的不足，本发明提供基于失效物理和质量一致性的电磁继电器可靠性预计方法，它有助于解决传统基于数理统计的可靠性预计过程中，无法考虑或准确描述继电器的内在机理、性能波动、工艺特性等因素对可靠性的影响，能够提高继电器可靠性预计的准确性。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
基于失效物理和质量一致性的电磁继电器可靠性预计方法，包括以下步骤：
步骤一：根据继电器设计图纸和工艺文件，建立数字样机模型Y＝F(X)，用于描述输入参数X与输出特性Y之间的输入-输出关系，所述输入参数X＝[Xc,Xd]，包括恒定参数Xc和关键零部件在应力作用下随时间退化的特性参数Xd，所述输出特性Y＝[Yf,Yd]，包括功能表征参数Yf和性能退化参数Yd；
步骤二：针对继电器会发生性能退化与功能失效的关键零部件，通过不同输入参数X的组合进行试验设计和数据分析，针对参数Xd建立失效物理模型Xd＝P(E,L,Xdo,t)，用于描述关键零部件的特性参数Xd在环境条件E与负载条件L应力条件下随时间t退化的规律，其中Xdo为特性参数Xd在t＝0时刻的初值；
步骤三：利用继电器生产过程的质量一致性信息，获取输入参数X生产过程数据，统计计算输入参数X分布的均值μX和标准差σX，并采用蒙特卡罗随机过程理论，构建继电器的批次虚拟样本X1(Xc1,Xd1)、…、XN(XcN,XdN)；
步骤四：将步骤二建立的所述失效物理模型Xd＝P(E,L,Xdo,t)代入步骤一建立的所述数字样机模型Y＝F(X)中，得到继电器输出特性Y的中心值随时间的变化规律Y(t)＝F(Xc,Xd)＝F(Xc,P(E,L,Xdo,t))，并将步骤三构建的所述批次虚拟样本X1(Xc1,Xd1)、…、XN(XcN,XdN)代入上式，其中Xc＝(Xc1,…,XcN)、Xdo＝(Xd1,…,XdN)，即可得到每个虚拟样本的输出特性Y＝[Yf,Yd]随时间t的变化过程，且在任意时刻ti时批次虚拟样本的输出特性为Y1(ti)＝[Yf1(ti),Yd1(ti)],…,YN(ti)＝[YfN(ti),YdN(ti)]；
步骤五：确定功能表征参数Yf的许用应力[σf]，当继电器在使用过程中Yf(t)值随时间退化至失效阈值，即功能强度If(t)＝If(Yf(t))低于许用应力[σf]时，发生功能失效，利用步骤四得到的在ti时刻批次虚拟样本的输出特性计算结果Yf1(ti),…,YfN(ti)，根据应力-强度干涉理论分别判断每个虚拟样本是否发生功能失效，当满足
Figure BDA0003919218170000031
时，
说明编号为k的虚拟样本在ti时刻失效，定义Hf为功能失效样本的集合，N(Hf)为集合Hf中的样本个数，则继电器在ti时刻的功能可靠度Rf(ti)为：
Figure BDA0003919218170000032
步骤六：确定性能退化参数Yd的许用应力[σd]，当继电器在使用过程中Yd(t)值随时间退化至合格阈值，即性能强度Id(t)＝Id(Yd(t))低于许用应力[σd]时，发生性能退化，利用步骤四得到的在ti时刻批次虚拟样本的输出特性计算结果Yd1(ti),…,YdN(ti)，根据应力-强度干涉理论分别判断每个虚拟样本是否发生功能失效，当满足
Figure BDA0003919218170000041
时，
说明编号为l的虚拟样本在ti时刻失效，定义Hd为性能失效样本的集合，N(Hd)为集合Hd中的样本个数，则继电器在ti时刻的性能可靠度Rd(ti)为：
Figure BDA0003919218170000042
步骤七：利用步骤五确定的所述功能失效样本的集合Hf和步骤六确定的所述性能失效样本的集合Hd，通过并集运算得到ti时刻全部失效样本的集合Hp＝Hf∪Hd，最终计算得到继电器在ti时刻的可靠度Rp(ti)为：
Figure BDA0003919218170000043
其中，N(Hp)为集合Hp中的样本个数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过建立继电器的多输入输出替代模型和失效物理模型，并利用质量一致性信息构建批次虚拟样本，得到功能表征参数和性能退化参数的分布随时间的变化规律，从而根据应力-强度干涉理论计算出任意时刻继电器的功能可靠度和性能可靠度，最终通过并集运算得到继电器的可靠度，有助于解决传统基于数理统计的可靠性预计过程中，无法考虑或准确描述继电器的内在机理、性能波动、工艺特性等因素对可靠性的影响，能够提高继电器可靠性预计的准确性。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，基于失效物理和质量一致性的电磁继电器可靠性预计方法，包括以下步骤：
步骤一：根据继电器设计图纸和工艺文件，建立数字样机模型Y＝F(X)(其为多输入输出替代模型)，用于描述输入参数X(包括材料、结构和工艺)与输出特性Y(包括电气参数和时间参数)之间的输入-输出关系，所述输入参数X＝[Xc,Xd]，包括不随时间变化的恒定参数Xc和关键零部件在应力作用下随时间退化的特性参数Xd，所述输出特性Y＝[Yf,Yd]，包括功能表征参数Yf(即反映继电器自身能否正常工作的特性参数，例如超程时间、接触电阻等，是继电器的固有属性参数)和性能退化参数Yd(即电子系统工作时涉及的继电器输出特性参数，例如动作时间、回跳时间等，对应于不同的电子系统是可变参数)；
步骤二：针对继电器在使用过程中会发生性能退化与功能失效的关键零部件，包括永磁、簧片和触点，从材料的失效物理出发，通过不同输入参数X的组合进行试验设计和数据分析，针对参数Xd建立失效物理模型Xd＝P(E,L,Xdo,t)，用于描述关键零部件的特性参数Xd(包括永磁剩磁、簧片刚度和触点接触电阻)在环境条件E(包括温度条件和振动条件)与负载条件L应力条件下随时间t退化的规律，其中Xdo为特性参数Xd在t＝0时刻的初值，即Xdo＝P(E,L,Xdo,0)；
步骤三：利用继电器生产过程的质量一致性信息，获取输入参数X生产过程数据，统计计算输入参数X分布的均值μX和标准差σX，并采用蒙特卡罗随机过程理论，构建继电器的批次虚拟样本X1(Xc1,Xd1)、…、XN(XcN,XdN)，具体建立过程如下：
首先根据输入参数X＝[Xc,Xd]的波动范围μX±6σX，利用独立同分布的中心极限定理对每个输入参数(xc1,…,xci,…,xd1,…,xdj,…)随机产生N个符合正态分布的数值，然后将每个输入参数的取值随机进行组合，产生N组继电器设计方案X1(xc11,…,xci1,…,xd11,…,xdj1,…)＝X1(Xc1,Xd1)、…、XN(xc1N,…,xciN,…,xd1N,…,xdjN,…)＝XN(XcN,XdN)，方案为各参数在t＝0时刻的取值，因此有Xdo1＝Xd1＝(xd11,…,xdj1,…)、…、XdoN＝XdN＝(xd1N,…,xdjN,…)；
步骤四：将步骤二建立的失效物理模型Xd＝P(E,L,Xdo,t)代入步骤一建立的数字样机模型Y＝F(X)中，可得到继电器输出特性Y的中心值随时间的变化规律Y(t)＝F(Xc,Xd)＝F(Xc,P(E,L,Xdo,t))，在此基础上，将步骤三构建的批次虚拟样本X1(Xc1,Xd1)、…、XN(XcN,XdN)代入上式，其中Xc＝(Xc1,…,XcN)、Xdo＝(Xd1,…,XdN)，即可得到每个虚拟样本的输出特性Y＝[Yf,Yd]随时间t的变化过程，且在任意时刻ti时批次虚拟样本的输出特性为Y1(ti)＝[Yf1(ti),Yd1(ti)],…,YN(ti)＝[YfN(ti),YdN(ti)]；
步骤五：根据继电器的基本功能与工作原理，确定功能表征参数Yf的许用应力[σf]，即导致发生功能失效的失效阈值，当继电器在使用过程中Yf(t)值随时间退化至失效阈值，即功能强度If(t)＝If(Yf(t))低于许用应力[σf]时，发生功能失效，利用步骤四得到的在ti时刻批次虚拟样本的输出特性计算结果Yf1(ti),…,YfN(ti)，根据应力-强度干涉理论分别判断每个虚拟样本是否发生功能失效，当满足
Figure BDA0003919218170000071
时，
说明编号为k的虚拟样本在ti时刻失效，定义Hf为功能失效样本的集合，N(Hf)为集合Hf中的样本个数，则继电器在ti时刻的功能可靠度Rf(ti)为：
Figure BDA0003919218170000072
步骤六：根据电子系统为继电器输出特性分配的合格阈值，确定性能退化参数Yd的许用应力[σd]，当继电器在使用过程中Yd(t)值随时间退化至合格阈值，即性能强度Id(t)＝Id(Yd(t))低于许用应力[σd]时，虽然自身未发生功能失效，但其性能退化已造成电子系统出现故障，利用步骤四得到的在ti时刻批次虚拟样本的输出特性计算结果Yd1(ti),…,YdN(ti)，根据应力-强度干涉理论分别判断每个虚拟样本是否发生功能失效，当满足
Figure BDA0003919218170000073
时，
说明编号为l的虚拟样本在ti时刻失效，定义Hd为性能失效样本的集合，N(Hd)为集合Hd中的样本个数，则继电器在ti时刻的性能可靠度Rd(ti)为：
Figure BDA0003919218170000074
步骤七：利用步骤五确定的功能失效样本的集合Hf和步骤六确定的性能失效样本的集合Hd，通过并集运算得到ti时刻全部失效样本的集合Hp＝Hf∪Hd，最终计算得到继电器在ti时刻的可靠度Rp(ti)为：
Figure BDA0003919218170000075
其中，N(Hp)为集合Hp中的样本个数。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.基于失效物理和质量一致性的电磁继电器可靠性预计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：根据继电器设计图纸和工艺文件，建立数字样机模型Y＝F(X)，用于描述输入参数X与输出特性Y之间的输入-输出关系，所述输入参数X＝[Xc,Xd]，包括恒定参数Xc和关键零部件在应力作用下随时间退化的特性参数Xd，所述输出特性Y＝[Yf,Yd]，包括功能表征参数Yf和性能退化参数Yd；
步骤二：针对继电器会发生性能退化与功能失效的关键零部件，通过不同输入参数X的组合进行试验设计和数据分析，针对参数Xd建立失效物理模型Xd＝P(E,L,Xdo,t)，用于描述关键零部件的特性参数Xd在环境条件E与负载条件L应力条件下随时间t退化的规律，其中Xdo为特性参数Xd在t＝0时刻的初值；
步骤三：利用继电器生产过程的质量一致性信息，获取输入参数X生产过程数据，统计计算输入参数X分布的均值μX和标准差σX，并采用蒙特卡罗随机过程理论，构建继电器的批次虚拟样本X1(Xc1,Xd1)、…、XN(XcN,XdN)；
步骤四：将步骤二建立的所述失效物理模型Xd＝P(E,L,Xdo,t)代入步骤一建立的所述数字样机模型Y＝F(X)中，得到继电器输出特性Y的中心值随时间的变化规律Y(t)＝F(Xc,Xd)＝F(Xc,P(E,L,Xdo,t))，并将步骤三构建的所述批次虚拟样本X1(Xc1,Xd1)、…、XN(XcN,XdN)代入上式，其中Xc＝(Xc1,…,XcN)、Xdo＝(Xd1,…,XdN)，即可得到每个虚拟样本的输出特性Y＝[Yf,Yd]随时间t的变化过程，且在任意时刻ti时批次虚拟样本的输出特性为Y1(ti)＝[Yf1(ti),Yd1(ti)],…,YN(ti)＝[YfN(ti),YdN(ti)]；
步骤五：确定功能表征参数Yf的许用应力[σf]，当继电器在使用过程中Yf(t)值随时间退化至失效阈值，即功能强度If(t)＝If(Yf(t))低于许用应力[σf]时，发生功能失效，利用步骤四得到的在ti时刻批次虚拟样本的输出特性计算结果Yf1(ti),…,YfN(ti)，根据应力-强度干涉理论分别判断每个虚拟样本是否发生功能失效，当满足
Figure FDA0003919218160000021
说明编号为k的虚拟样本在ti时刻失效，定义Hf为功能失效样本的集合，N(Hf)为集合Hf中的样本个数，则继电器在ti时刻的功能可靠度Rf(ti)为：
Figure FDA0003919218160000022
步骤六：确定性能退化参数Yd的许用应力[σd]，当继电器在使用过程中Yd(t)值随时间退化至合格阈值，即性能强度Id(t)＝Id(Yd(t))低于许用应力[σd]时，发生性能退化，利用步骤四得到的在ti时刻批次虚拟样本的输出特性计算结果Yd1(ti),…,YdN(ti)，根据应力-强度干涉理论分别判断每个虚拟样本是否发生功能失效，当满足
Figure FDA0003919218160000023
说明编号为l的虚拟样本在ti时刻失效，定义Hd为性能失效样本的集合，N(Hd)为集合Hd中的样本个数，则继电器在ti时刻的性能可靠度Rd(ti)为：
Figure FDA0003919218160000024
步骤七：利用步骤五确定的所述功能失效样本的集合Hf和步骤六确定的所述性能失效样本的集合Hd，通过并集运算得到ti时刻全部失效样本的集合Hp＝Hf∪Hd，最终计算得到继电器在ti时刻的可靠度Rp(ti)为：
Figure FDA0003919218160000025
其中，N(Hp)为集合Hp中的样本个数。
2.根据权利要求1所述的基于失效物理和质量一致性的电磁继电器可靠性预计方法，其特征在于：所述步骤二中关键零部件包括永磁、簧片和触点。
3.根据权利要求1所述的基于失效物理和质量一致性的电磁继电器可靠性预计方法，其特征在于：所述步骤三中批次虚拟样本的具体建立过程如下：
根据输入参数X＝[Xc,Xd]的波动范围μX±6σX，利用独立同分布的中心极限定理对每个输入参数(xc1,…,xci,…,xd1,…,xdj,…)随机产生N个符合正态分布的数值，然后将每个输入参数的取值随机进行组合，产生N组继电器设计方案X1(xc11,…,xci1,…,xd11,…,xdj1,…)＝X1(Xc1,Xd1)、…、XN(xc1N,…,xciN,…,xd1N,…,xdjN,…)＝XN(XcN,XdN)，方案为各参数在t＝0时刻的取值，因此有Xdo1＝Xd1＝(xd11,…,xdj1,…)、…、XdoN＝XdN＝(xd1N,…,xdjN,…)。
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