CN115640695B - 基于触点电侵蚀失效的平衡力式继电器可靠寿命计算方法 - Google Patents
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Abstract
基于触点电侵蚀失效的平衡力式继电器可靠寿命计算方法，涉及一种继电器可靠寿命计算方法。建立动态特性快速计算模型描述输入参数与动态特性的关系；通过失效分析与试验建立触点电侵蚀失效分析模型，将输入参数与动态特性快速计算模型带入触点电侵蚀失效分析模型，从而建立触点电侵蚀失效物理模型；利用质量一致性数据，构建批次虚拟样本，计算初始时刻的动态特性分布；计算批次虚拟样本的寿命分布特性，通过计算失效率与可靠度函数求得可靠寿命。通过建立动态特性快速计算模型和触点电侵蚀失效物理模型，并利用质量一致性数据计算出失效率与可靠度进而求解可靠寿命，保证了计算结果的准确性，又可指导其可靠性优化过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种继电器可靠寿命计算方法，尤其是基于触点电侵蚀失效的平衡力式继电器可靠寿命计算方法，属于继电器可靠寿命计算技术领域。
背景技术
平衡力式电磁继电器具有电、磁、力、热多物理场耦合，电磁-机械系统结构复杂、零部件多，输入-输出非线性度高，质量一致性差的特点，使其在电子设备应用过程中为可靠寿命计算与优化工作带来很大困难，其在电子设备中工作时并非独立运行，而是与其它电子元器件相互配合和影响的，并共同决定电子设备的性能与可靠性。因此，从电子设备可靠寿命计算的角度出发，不仅需要明确平衡力式电磁继电器发生功能失效的概率，还需要获得输出性能的退化数据，才能准确客观地实现系统层面的可靠寿命计算。
导致平衡力式电磁继电器可靠寿命降低的根源，在于触点的退化失效和初始差异性，触点在闭合和分断负载过程中会不可避免地出现电弧侵蚀现象，在电弧侵蚀过程中，材料转移(从一个触点向对方或周围环境中转移)对触点表面形态的影响是一个逐渐累积的过程，是导致触点接触性能下降及继电器功能失效的主要原因。材料转移方向、形状及质量受触点材料、负载条件及机械特性等多因素的影响。因此，首先需要通过失效机理分析确定平衡力式电磁继电器功能失效机理，然后确定触点电侵蚀失效物理模型形式，利用多物理场仿真分析获取动态特性快速计算模型，并将其带入触点电侵蚀失效物理模型，为求解电寿命奠定基础。在此基础上采用蒙特卡罗随机模拟方法建立批次虚拟样本获得批次动态特性分布及电寿命，即可获得平衡力式电磁继电器失效率及可靠度函数，从而建立平衡力式电磁继电器的可靠寿命计算模型。
基于以上思路，本发明提出一种基于触点电侵蚀失效的平衡力式继电器可靠寿命计算方法，综合考虑继电器质量一致性差与功能失效机理，既可保证其可靠寿命计算的准确性，又可指导其可靠性优化过程。
发明内容
为解决背景技术存在的不足，本发明提供基于触点电侵蚀失效的平衡力式继电器可靠寿命计算方法，它通过建立动态特性快速计算模型和触点电侵蚀失效物理模型，并利用质量一致性数据计算出失效率与可靠度进而求解可靠寿命，保证了计算结果的准确性，又可指导其可靠性优化过程。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：基于触点电侵蚀失效的平衡力式继电器可靠寿命计算方法，包括以下步骤：
步骤一：根据平衡力式电磁继电器设计图纸和工艺文件，建立多物理场仿真分析模型，然后利用拉丁超立方抽样方法确定样本输入参数X(Xm,Xr,Xc)，包括电磁系统参数Xm，触簧系统参数Xr和触点参数Xc，通过仿真分析获取动态特性Y(vc,tc,fc,hc,λc)，包括触点分断速度vc，触点弹跳时间tc，触点压力fc，触点间隙hc和触点超行程λc，采用响应面方法以此建立动态特性快速计算模型Y＝F(X)，用于描述输入参数X与动态特性Y之间的输入-输出关系，建立的响应面近似模型如下：
步骤二：对平衡力式电磁继电器进行失效分析确定其失效机理，确定动态特性Y对于平衡力式电磁继电器的电弧特性具有显著影响，通过试验设计电磁系统参数Xm，触簧系统参数Xr和触点参数Xc的定量调整实现触点分断速度vc与触点弹跳时间tc的不同组合建立触点电侵蚀失效分析模型，且将步骤一建立的输入参数X与动态特性快速计算模型Y＝F(X)带入触点电侵蚀失效分析模型，从而建立触点电侵蚀失效物理模型：
其中，定义Xm为磁性零件的材料、结构和工艺参数，Xr为弹性零件的材料、结构和工艺参数，Xc为触点的材料、结构和工艺参数，m为触点质量损失，C为侵蚀率，Tarc为燃弧时间，Qi为单次燃弧电量，Earc为触点电侵蚀失效阈值，I(t)为燃弧电流，Nl为电寿命；
步骤三：利用平衡力式电磁继电器生产过程的质量一致性数据，统计得到输入参数X分布的均值μ和标准差σ，并采用蒙特卡罗随机过程理论构建批次虚拟样本X1(Xm1,Xr1,Xc1),...,Xn(Xmn,Xrn,Xcn)，之后将构建的批次虚拟样本带入步骤一的动态特性快速计算模型Y＝F(X)中，得到初始时刻的动态特性分布Y1,Y2,…,Yn；
步骤四：利用触点电侵蚀失效物理模型，当m＝Earc时，计算得到电寿命Nl，将构建的批次虚拟样本X1(Xm1,Xr1,Xc1),...,Xn(Xmn,Xrn,Xcn)代入式中，得到批次虚拟样本的寿命分布特性Nl1,Nl2,...,Nln，通过计算失效率r(t)与可靠度函数R(t)如下：
R(t)＝e-r(t)t
等式两端同时取对数得
ln[R(t)]＝-r(t)t
计算求得任意电寿命Nl时平衡力式电磁继电器的可靠寿命tR如下：
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了目前平衡力式电磁继电器可靠寿命计算过程中，无法综合考虑质量一致性差与功能失效机理对可靠寿命的影响，导致难以保证可靠寿命计算准确性，指导其可靠性优化的问题，通过建立平衡力式电磁继电器的动态特性快速计算模型和触点电侵蚀失效物理模型，并利用质量一致性数据计算出失效率与可靠度，求解任意动作次数时平衡力式电磁继电器的可靠寿命，保证了可靠寿命计算结果的准确性，又可指导其可靠性优化过程。
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，基于触点电侵蚀失效的平衡力式继电器可靠寿命计算方法，包括以下步骤：
步骤一：根据平衡力式电磁继电器设计图纸和工艺文件，建立多物理场仿真分析模型，然后利用拉丁超立方抽样方法确定样本输入参数X(Xm,Xr,Xc)，包括电磁系统参数Xm，触簧系统参数Xr和触点参数Xc，通过仿真分析获取动态特性Y(vc,tc,fc,hc,λc)，包括触点分断速度vc，触点弹跳时间tc，触点压力fc，触点间隙hc和触点超行程λc，采用响应面方法以此建立动态特性快速计算模型Y＝F(X)，用于描述输入参数X与动态特性Y之间的输入-输出关系，具体的：
首先假定动态特性Y与输入参数X实验数据点之间有如下关系：
式中，X为作为输入参数的相互独立的基本随机变量向量，p为样本数量，b0、bi和bii为待定系数，通过以下步骤进行求解：
具体迭代步骤如下：
第一步，假定初始中心点X(1)＝(Xm (1),Xr (1),Xc (1))，·(1)表示第一次迭代，
第二步，导入近似功能函数F(X(1))和F(X(1)±fσ)得到2n+1个估计值，其中σ为随机变量X的标准差，f为迭代步长，
第三步，利用估计值列解方程组求解b0、bi和bii值，从而得到当前迭代点处函数的近似方程，
第四步，计算可靠性指标β(k)和极限状态方程验算点X*(k)，其中k指第k步迭代过程，
第五步，计算|β(k)-β(k-1)|<ε，ε为给定精度，若条件不满足，根据下式：
确定k+1步迭代中心点X(k+1)，返回第二步进行下一次迭代，若条件满足，则迭代过程结束，建立响应面近似模型如下：
步骤二：根据磁控溅射理论、电弧电接触理论与试验研究，对平衡力式电磁继电器进行失效分析确定其失效机理，确定燃弧电量在一定程度上反映了触头质量的变化，且动态特性Y对于平衡力式电磁继电器的电弧特性具有显著影响。其中，触点分断速度vc直接决定着燃弧时间的长短，进而影响着电弧特性以及电弧与触头之间的相互作用，触点弹跳时间tc中伴随的电弧基本上都属于短弧，其产生的所有能量都会被触点吸收，导致触点表面生成熔化区，对熔焊性能有着决定性影响，而影响平衡力式电磁继电器弹跳特性的主要因素为触点压力fc、触点间隙hc和触点超行程λc。综合以上分析，累计燃弧电量(库伦量对时间的积分)与触点烧蚀量成线性函数关系，而触点烧蚀量决定平衡力式电磁继电器的电寿命。因此，只要确定平衡力式电磁继电器的侵蚀率C、单次燃弧电量Qi、触点电侵蚀失效阈值Earc和作为负载条件的燃弧电流I(t)就能够利用函数模型计算得到电寿命(动作次数)Nl。
通过试验设计电磁系统参数Xm，触簧系统参数Xr和触点参数Xc的定量调整实现触点分断速度vc与触点弹跳时间tc的不同组合建立触点电侵蚀失效分析模型，且将步骤一建立的输入参数X与动态特性快速计算模型Y＝F(X)带入触点电侵蚀失效分析模型，从而建立触点电侵蚀失效物理模型：
其中，定义Xm为磁性零件的材料、结构和工艺参数，Xr为弹性零件的材料、结构和工艺参数，Xc为触点的材料、结构和工艺参数，m为触点质量损失，Tarc为燃弧时间。
当m＝Earc时，计算得到的Nl即为平衡力式电磁继电器的电寿命。
在此基础上，还可根据触点尺寸与材料密度，计算出触点烧蚀量m对应的触点体积减小量与尺寸变化量，从而代入动态特性快速计算模型中分析电弧烧蚀过程对动态特性Y的影响；
步骤三：利用平衡力式电磁继电器生产过程的质量一致性数据(在整条生产线上的工艺流程中产生的能够反映工序过程能力的相关数据)，统计得到输入参数X分布的均值μ和标准差σ，并采用蒙特卡罗随机过程理论，根据输入参数X(Xm,Xr,Xc)的波动范围μ±6σ，利用独立同分布的中心极限定理对每个输入参数随机产生n个符合正态分布的数值，将每个输入参数的取值随机组合产生n组设计方案构建批次虚拟样本X1(Xm1,Xr1,Xc1),...,Xn(Xmn,Xrn,Xcn)，之后将构建的批次虚拟样本带入步骤一的动态特性快速计算模型Y＝F(X)中，即可得到初始时刻的动态特性分布Y1,Y2,…,Yn；
步骤四：利用触点电侵蚀失效物理模型计算得到平衡力式电磁继电器的电寿命Nl，将构建的批次虚拟样本X1(Xm1,Xr1,Xc1),...,Xn(Xmn,Xrn,Xcn)代入式中，即可得到批次虚拟样本的寿命分布特性Nl1,Nl2,...,Nln，通过计算失效率r(t)与可靠度函数R(t)如下：
R(t)＝e-r(t)t
等式两端同时取对数得
ln[R(t)]＝-r(t)t
计算求得任意电寿命Nl时平衡力式电磁继电器的可靠寿命tR如下：
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.基于触点电侵蚀失效的平衡力式继电器可靠寿命计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：根据平衡力式电磁继电器设计图纸和工艺文件，建立多物理场仿真分析模型，然后利用拉丁超立方抽样方法确定样本输入参数X(Xm,Xr,Xc)，包括电磁系统参数Xm，触簧系统参数Xr和触点参数Xc，通过仿真分析获取动态特性Y(vc,tc,fc,hc,λc)，包括触点分断速度vc，触点弹跳时间tc，触点压力fc，触点间隙hc和触点超行程λc，采用响应面方法以此建立动态特性快速计算模型Y＝F(X)，用于描述输入参数X与动态特性Y之间的输入-输出关系，建立的响应面近似模型如下：
步骤二：对平衡力式电磁继电器进行失效分析确定其失效机理，确定动态特性Y对于平衡力式电磁继电器的电弧特性具有显著影响，通过试验设计电磁系统参数Xm，触簧系统参数Xr和触点参数Xc的定量调整实现触点分断速度vc与触点弹跳时间tc的不同组合建立触点电侵蚀失效分析模型，且将步骤一建立的输入参数X与动态特性快速计算模型Y＝F(X)带入触点电侵蚀失效分析模型，从而建立触点电侵蚀失效物理模型：
其中，m为触点质量损失，C为侵蚀率，Tarc为燃弧时间，Qi为单次燃弧电量，Earc为触点电侵蚀失效阈值，I(t)为燃弧电流，Nl为电寿命；
步骤三：利用平衡力式电磁继电器生产过程的质量一致性数据，统计得到输入参数X分布的均值μ和标准差σ，并采用蒙特卡罗随机过程理论构建批次虚拟样本X1(Xm1,Xr1,Xc1),...,Xn(Xmn,Xrn,Xcn)，之后将构建的批次虚拟样本带入步骤一的动态特性快速计算模型Y＝F(X)中，得到初始时刻的动态特性分布Y1,Y2,…,Yn；
步骤四：利用触点电侵蚀失效物理模型，当m＝Earc时，计算得到电寿命Nl，将构建的批次虚拟样本X1(Xm1,Xr1,Xc1),...,Xn(Xmn,Xrn,Xcn)代入式中，得到批次虚拟样本的寿命分布特性Nl1,Nl2,...,Nln，通过计算失效率r(t)与可靠度函数R(t)如下：
R(t)＝e-r(t)t
等式两端同时取对数得
ln[R(t)]＝-r(t)t
计算求得任意电寿命Nl时平衡力式电磁继电器的可靠寿命tR如下：
2.根据权利要求1所述的基于触点电侵蚀失效的平衡力式继电器可靠寿命计算方法，其特征在于：所述步骤一中输入参数X与动态特性Y之间的输入-输出关系，具体包括：
首先假定动态特性Y与输入参数X实验数据点之间有如下关系：
式中，X为作为输入参数的相互独立的基本随机变量向量，p为样本数量，b0、bi和bii为待定系数，通过以下步骤进行求解：
具体迭代步骤如下：
第一步，假定初始中心点X(1)＝(Xm (1),Xr (1),Xc (1))，·(1)表示第一次迭代，
第二步，导入近似功能函数F(X(1))和F(X(1)±fσ)得到2n+1个估计值，其中σ为随机变量X的标准差，f为迭代步长，
第三步，利用估计值列解方程组求解b0、bi和bii值，从而得到当前迭代点处函数的近似方程，
第四步，计算可靠性指标β(k)和极限状态方程验算点X*(k)，其中k指第k步迭代过程，
第五步，计算|β(k)-β(k-1)|<ε，ε为给定精度，若条件不满足，根据下式：
确定k+1步迭代中心点X(k+1)，返回第二步进行下一次迭代，若条件满足，则迭代过程结束，建立响应面近似模型如下：
3.根据权利要求1所述的基于触点电侵蚀失效的平衡力式继电器可靠寿命计算方法，其特征在于：所述步骤三中构建批次虚拟样本具体包括，根据输入参数X(Xm,Xr,Xc)的波动范围μ±6σ，利用独立同分布的中心极限定理对每个输入参数随机产生n个符合正态分布的数值，将每个输入参数的取值随机组合产生n组设计方案构建批次虚拟样本X1(Xm1,Xr1,Xc1),...,Xn(Xmn,Xrn,Xcn)。
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