Испытания герконовых переключателей и реле на надёжность

1 часть

Для многих применений в области переключения герконовые реле остаются наилучшим решением, в особенности если требуются такие характеристики, как маленький размер, хорошая изоляция в выключенном состоянии, очень низкое сопротивление во включённом состоянии и способность выдерживать электростатический разряд (ЭСР).

Герконовые реле также могут быть наилучшим решением для тех областей применения, где требуются превосходные радиочастотные характеристики, поскольку низкая электроёмкость и регулируемое комплексное сопротивление этих реле позволяют получать устройства, способные коммутировать сигналы в ГГц-диапазоне. Однако герконовые реле с неизбежностью воспринимаются как механические устройства в мире, который становится все более полупроводниковым, и поэтому критически важно понять их надёжность в полевых условиях. Знание того, сколько циклов переключения они выдержат при тех или иных условиях электрической нагрузки, является важным вопросом при принятии решения о том, является ли герконовое реле наилучшим вариантом выбора для конкретного применения. Поэтому программа жёстких испытаний является жизненно важным инструментом обеспечения заказчиков технической поддержкой, а также непрерывного повышения качества изделий Coto.

Что такое надёжность?

Надёжность может быть определена как вероятность того, что устройство или система будут соответствовать спецификации. Её можно оценить только приблизительно и никогда нельзя определить точно. Приблизительную оценку можно дать путём проверки количества отказов отдельных изделий, взятых из репрезентативной выборки. Получение этих приблизительных оценок требует использования статистического анализа.

Надёжность реле лучше всего определяется в терминах количества циклов срабатывания в требуемом режиме до того, как оно откажет. Такие количественные показатели, как MTBF (среднее время между отказами) или MTTF (среднее время до отказа) менее полезны, поскольку срок службы реле в значительной степени зависит от того, скольким циклам переключения оно подверглось, а не просто от длительности эксплуатации. Таким образом, MCBF (среднее число циклов до отказа) является полезным показателем надёжности реле, который и используется корпорацией Coto Technology для оценки надёжности. Однако оценка и опубликование MCBF для реле не показывают полной картины. Сколько образцов использовалось для составления оценки? Каковы были условия электрической нагрузки? Каковы доверительные пределы для MCBF? Более продуктивным вопросом пользователя реле может быть: «Я не могу позволить, чтобы мои реле работали, пока половина из них не откажет, чтобы я смог понять, насколько точна была ваша оценка MCBF. Сколько рабочих циклов я могу ожидать от этих реле, пока одно из тысячи не откажет, и насколько вы уверены в этой оценке?». Надлежащим образом спланированные и реализованные испытания на надёжность могут ответить на вопросы такого рода и многие другие вопросы. Является ли реле одного типа более надёжным, чем реле другого типа? Становится реле более надёжным по мере старения или оно проявляет признаки изнашивания, как это происходит у людей? Какое количество отказов я могу ожидать от новых, только что извлечённых из коробки реле? Если реле откажет на плате, на которой находятся ещё 15 реле, что наиболее рентабельно — заменить только отказавшее реле или все реле одновременно? Точные оценки статистики надёжности позволяют объективно ответить на такие вопросы, а не «полагаться на чутье».

Что такое отказ?

Герконовые переключатели или реле, в конечном счёте, отказывают одним из трёх способов. Они не размыкаются, когда должны это делать (обычно это называется «залипанием»), они не замыкаются, когда должны это делать («пропуск»), либо их сопротивление статического контакта постепенно ползёт вверх до неприемлемого уровня. При лёгких нагрузках отказ может не происходить, пока не будет выполнено несколько миллиардов циклов замыкания. Первые два указанных механизма можно дополнительно подразделить на «мягкие» и «жёсткие» отказы. Мягкий отказ регистрируется, когда переключатель оказывается пропущенным или залипшим через несколько миллисекунд после активации или деактивации катушки, но затем, если проверить его через некоторое короткое время (обычно полсекунды), обнаруживается его избавление от проблемы. Если восстановление после начального мягкого отказа не происходит ко времени выполнения второй проверки, отказ классифицируется как устойчивый, или «жёсткий».

Отказы в виде пропуска и залипания могут быть определены через сопротивление, измеренное через некоторое время после того, как активацией катушки возбуждения будет выполнено замыкание переключателя либо деактивацией катушки будет выполнено размыкание. Отказ в виде пропуска вызывается тогда, когда сопротивление больше заданного порогового значения при замкнутом переключателе. И наоборот, отказ в виде залипания возникает тогда, когда сопротивление меньше заданного порогового значения при разомкнутом переключателе. Эти пороговые значения сопротивления и временная привязка измерений зависят от применения. Coto обычно использует 1 Ом для мягких отказов в виде пропусков и половину сопротивления нагрузки контакта для мягких отказов в виде залипания, измеряемых через одну миллисекунду после активации или деактивации катушки возбуждения. Эти параметры измеряются для каждого испытательного цикла переключения. Поскольку даже один мягкий отказ может быть проблематичным в таких критических применениях, как автоматизированная тестовая аппаратура (ATE), Coto регистрирует отказы оценки «ожидаемого срока службы» как первый, мягкий отказ из-за за-липания, пропуска или избыточного сопротивления контакта. Это намеренно консервативный критерий. Сравнение с данными по надёжности, опубликованными другими изготовителями реле, затруднено, потому что у них могут быть менее строгие критерии отказа или другие способы представления статистических данных по надёжности.

Как можно оценить надёжность?

Исходные данные для приблизительной оценки надёжности герконового реле получают, взяв репрезентативную выборку образцов и заставляя их циклически срабатывать до отказа, подсчитывая при этом число циклов до отказа. После того как эти основные исходные данные будут получены, их нужно проанализировать, чтобы можно было определить соответствующие статистические параметры надёжности. Цель состоит в том, чтобы найти моделирующую функцию, которая точно согласуется с имеющимися данными и которую можно использовать для интерполяции или разумной экстраполяции для определения количественных оценок MCBF и других статистических параметров надёжности.

Как многие другие статистические оценки, точность прогнозирования надёжности увеличивается пропорционально квадрату числа образцов; разумное и целесообразное количество испытываемых реле для типового испытания равно 16 или 32. Для получения прогноза надёжности не обязательно испытывать реле до момента, когда они все откажут. Испытание на долговечность можно приостановить после того, как откажет определённая доля реле, — как правило, испытание должно проводиться до тех пор, пока не откажет хотя бы 50% реле. Набор данных такого типа называется «цензурированным справа», а информация о реле, которые остались в исправном состоянии после приостановки испытания, является полезной и поэтому не отбрасывается. Это можно понять интуитивно; если 32 реле испытывались в течение 100 млн циклов и половина из них сохранила работоспособность, то вероятно, что MCBF равна, по меньшей мере, 100 млн. Оценивание MCBF исходя всего из 16 реле даст значительно более низкую оценку.

Широко распространённым статистическим распределением для моделирования данных по надёжности является распределение Вейбулла [1]. Ссылка [2] полезна для руководства по применению анализа Вейбулла. При наличии заданного числа циклов до отказа для серии испытываемых реле параметры этого распределения могут быть согласованы с данными по отказам с помощью регрессии методом наименьших квадратов. Как правило (но не всегда), прогнозируемое согласование с помощью распределения Вейбулла лучше, чем полученное с использованием других статистических распределений, что приводит к улучшенным оценкам параметров надёжности. Получают два параметра, одним из которых является параметр вероятностной шкалы Вейбулла, из которого можно легко вывести MCBF. Этот параметр иногда называют греческой буквой «эта» (η). Вторым параметром является угол наклона регрессионной прямой Вейбулла, или «бета» (β) Вейбулла. После того как будут определены параметры регрессии Вейбулла, для прогнозирования таких параметров, как MCBF, ожидаемый срок службы до отказа 1% деталей, оценка прогнозируемого выхода из строя в период приработки или в начальный период эксплуатации и характеристики износа, а также других релевантных данных по надёжности, можно использовать эмпирическое уравнение. Хотя может показаться, что проведение 100 млн циклов испытания на долговечность может занять слишком много времени, можно использовать ускоренное тестирование срока службы. Время скоростного переключения герконовых реле позволяет включать и выключать их с частотой до 200 Гц, таким образом, выполнение 100 млн циклов заняло бы 4,8 дня, а возможно, и меньше, если испытание было приостановлено до того, как отказали все реле.

Взаимосвязь между испытаниями на надёжность и параметрическим тестированием

Coto Technology проводит до двенадцати электроиспытаний на каждом реле и переключателе, которое выходит с их заводов. Эти неразрушающие испытания называются параметрическим тестированием, поскольку результаты измерений представляют собой такие параметры изделий, как напряжение втягивания и отпускания, статическое и динамическое сопротивление контакта, время открытия и закрытия и т. д. В противоположность этому, испытания на надёжность являются, как правило, разрушающими и занимают длительное время и поэтому могут применяться только к репрезентативным выборкам изделий. Изделия испытываются при различных нагрузках по току и напряжению, включая, при необходимости, профили пусковых токов. Зачастую мы подстраиваем эти нагрузки под специальные технические требования наших заказчиков. Размеры выборок и число испытательных циклов выбираются так, чтобы они позволяли точно оценить MCBF и другие статистические параметры надёжности, при этом зачастую предусматриваются размеры выборок, насчитывающие 64 или 128 образцов для испытаний, и несколько миллиардов циклов в течение многих недель.

Типовой пример анализа и интерпретации данных по долговечности

Показанные на рисунке 1 графики регрессии Вейбулла были созданы на основании испытания на долговечность 64 Coto реле категории ATE по сравнению с таким же числом имеющихся в продаже конкурирующих деталей. Испытание проводилось при частоте 200 Гц с использованием резистивной нагрузки при 5 В, 10 мА. Оно продолжалось, пока не отказали все 128 образцов, при выполнении примерно одного миллиарда циклов в течение 55 дней непрерывного испытания. MCBF для каждого типа реле можно приблизительно оценить, исходя из пересечения каждого эмпирического графика надёжности с ординатой 50% ненадёжности, либо точно определить численными методами. Приблизительная величина MCBF для конкурирующего реле составляет 66 млн циклов по сравнению с 450 млн для реле Coto. Пунктирными линиями показаны 90% доверительные пределы для каждого графика - поскольку они не перекрываются ни в одной точке, образцы явно имеют значительно отличающиеся уровни надёжности при доверительном уровне 90%.

 Графики Вейбулла данных испытаний долговечности реле

Рисунок 1. Графики Вейбулла данных испытаний долговечности реле

Другим полезным статистическим параметром надёжности является ожидаемый срок службы до отказа 1%; графики показывают, что приблизительно оценённый 1%-ный срок службы находится между 1 и 4 млн циклов для конкурирующего реле по сравнению с диапазоном от 30 до 70 млн для реле Coto. Объяснением этой большей разницы в надёжности служит более крутой наклон графика Вейбулла для образца Coto, указывающего на более явную характеристику износа, чем случайные отказы, демонстрируемые конкурентом. Поскольку затраты на нахождение, снятие и замену отказавшего реле могут значительно превосходить реальную закупочную цену детали, более крутые наклоны Вейбулла и более высокое среднее значение MCBF снижают затраты на техобслуживание и замену и дают меньше дорогостоящих отказов на этапе приработки и в начальный период эксплуатации.

Как не ошибаться при помощи неправильной статистики — опубликование достоверных и полезных данных по ожидаемой долговечности

Неправильное использование статистики породило знаменитое высказывание английского премьер-министра Бенджамина Дизраэли: «Есть три вида лжи: ложь, наглая ложь и статистика». Определённо неправильно примененные статистические данные могут непреднамеренно привести к завышенной оценке надёжности. Компания Coto старается предоставлять данные по надёжности объективно и точно с помощью программных инструментов, удовлетворяющих отраслевым стандартам.

В каталоге Coto «ожидаемый срок службы» является синонимом MCBF, или среднего числа циклов до отказа. Поскольку доверительные пределы, связанные с оценками MCBF, обычно достаточно широкие, оценки долговечности округляются до соответствующего числа значащих цифр во избежание подразумеваемой сверхточности. Данные по надёжности реле даются только для резистивных нагрузок при 1 В, 10 мА или 1 В, 1 мА. Данные по долговечности переключателей даются при нескольких различных нагрузках, в зависимости от применения. За данными по долговечности при других нагрузках обратитесь в корпорацию Coto Technology. У нас есть обширная база данных по испытаниям на долговечность, и мы, вероятно, сможем спрогнозировать надёжность при других условиях нагрузки или организовать специальное испытание на долговечность, отвечающее вашим требованиям.

Демонстрация надёжности изделий для определённого числа циклов переключения

Если нужно только приблизительно оценить надёжность реле после определённого числа циклов переключения, вместо определения MCBF существует другой подход к испытаниям. Предположим, что нам нужно быть в состоянии заявить с 90%-ной уверенностью, что надёжность определённого реле составляет не менее 99% после 100 млн циклов. Иначе говоря, мы хотим иметь достаточную уверенность в том, что после этого числа циклов откажет менее 1% реле. Путем переупорядочения уравнения Вейбулла в данном случае можно показать, что, если 44 реле подвергнуть испытанию в течение 300 млн циклов и все они останутся работоспособными, требование 99% надёжности будет продемонстрировано с 90%-ной уверенностью1. Это испытание займет примерно 17 дней при частоте 200 Гц. Время испытания можно менять в обмен на изменение числа испытываемых реле; если испытание было продлено до 370 млн циклов (22 дня), а число испытываемых реле было уменьшено до 32, требуемая надёжность была бы продемонстрирована, если бы все 32 реле сохранили работоспособность. Это число тестируемых устройств (DUT) очень удобно, поскольку это максимальное число реле, которое может вместить одна система Coto для испытаний реле на долговечность.

Интенсивности отказов и показатели FIT

MCBF можно также выразить как интенсивность отказов; одно является обратной величиной другого. Таким образом, реле, MCBF которого равно 250 млн циклов, имеет среднюю интенсивность отказов 4×10-9 отказов за цикл. Иначе говоря, если интенсивность отказов постоянна, существует вероятность четыре случая на миллиард, что реле откажет в любом данном цикле переключения. Однако интенсивности отказов редко бывают постоянными; освоенное изделие будет иметь β >1 и увеличивающуюся интенсивность отказов по мере приближения к концу срока своей службы. Поскольку интенсивности отказов реле обычно очень низкие, удобно определить показатель числа отказов за определённое время (FIT) как число отказов, которое можно ожидать за один миллиард (109) циклов срабатывания. Обратите внимание, что показатели FIT предполагают, что интенсивность отказов постоянна во времени (то есть бета=1). Но так бывает редко, и сочетание η и β Вейбулла является гораздо более полезной мерой надёжности.

Надёжность релейных систем

Оценка надёжности системы для оборудования, использующего множество реле

Рассмотрим систему, содержащую 2000 одинаковых реле. Система отказывает, если отказывает одно из 2000 реле. В конструкции системы нет избыточности или резервирования. Если известна надёжность отдельного реле, можно ли оценить наиболее вероятное число циклов до отказа системы? Ответ положительный, но результат может быть неожиданным, в особенности для реле с низким MCBF или пологими наклонами β. Это тот случай, когда использование чрезвычайно высоконадёжных реле является жизненно необходимым. Одним подходом к оценке надёжности системы является использование имитационного моделирования методом Монте-Карло. Ненадёжность отдельного реле задаётся формулой (1):

Формула

если tr — это ожидаемое число циклов до отказа, а оценки η, β уже имеются исходя из испытаний долговечности, случайные величины tr можно вывести из выражения

Формула

где RND - случайное число, равномерно распределенное в интервале 0-1.

Для системы с 2000 реле вычисление tr 2000 раз и сортировка для нахождения наименьшего значения даёт оценку того, когда система откажет с наибольшей вероятностью (поскольку мы делаем допущение, что она отказывает, когда отказывает первое реле). Повторение имитации большое число раз позволяет вывести распределение циклов до отказа для множества систем. В таблице 1 показаны результаты такой имитации для различных значений η и β.

Таблица 1. Оценка числа циклов системы до отказа 1% систем
для различных значений ресурсной характеристики (эта)
и параметра формы (бета) распределения Вейбулла.
Числа базируются на имитации одной тысячи систем,
каждая из которых содержит 2000 реле, где предполагается,
что отказ одного реле вызывает отказ системы

Эта (η) Бета (β)
(млн) 0,5 1 1,5 2 3,44
1000 0 4 335 295 883 2 299 897 31 781 920
500 0 2 717 232 301 1 171 054 14 759 612
250 0 1 117 70 223 620 461 6 868 718
100 0 619 28 872 225 721 2 578 993
50 0 253 19 092 98 634 1 435 337

Число циклов системы до отказа 1% систем

Ожидается, что герконовое реле Coto высшего качества имеет ресурсную характеристику хотя бы миллиард циклов при переключении электрических нагрузок низкого уровня. Оно также будет иметь β Вейбулла от 1,5 до 4. Видно, что для реле с ресурсной характеристикой 1000 млн (1 млрд) циклов оценка числа циклов системы до отказа 1% систем находится между примерно четырьмя тысячами циклов для β=1 и почти 300 тысячами циклов для β=1,5 и превышает два миллиона циклов для β=2. Ясно, что небольшое увеличение β создаёт очень большую разницу в ожидаемой надёжности системы. А поскольку MCBF высоко коррелирована с ресурсной характеристикой η, таблица также показывает, что установление надёжности реле на основании одного только MCBF является недостаточным; важно задать как MCBF (или ресурсную характеристику), так и параметр формы распределения β Вейбулла, если нужно выполнить обоснованные оценки надёжности системы.

Очевидно, что не все системы сконструированы так, что если любое одно реле из очень большого их числа отказывает, то система выходит из строя. Различные стратегии, такие как конструкция с резервированием, могут уменьшить потенциальную проблему. Стоит отметить, что резервирование, основанное на параллельном использовании реле в критически важных местах, может при определённых условиях повысить надёжность системы. Однако параллельная работа реле в попытке увеличить способность переключения нагрузок не является хорошей стратегией, поскольку одно реле всегда замыкается раньше другого и контакты такого реле несут полную нагрузку переключения. Имитация систем, имеющих стратегии избыточности или компоненты (в том числе реле) с разными уровнями надёжности, выходит за рамки данного официального документа. Имеющееся в продаже программное обеспечение, такое как BlockSim (от Reliasoft Inc.), существенно помогает в прогнозировании надёжности сложных систем.

Что означает β Вейбулла?

Сообразительный читатель может заинтересоваться, почему в верхней ячейке последнего столбца таблицы 1 стоит значение β, равное 3,44. Оказывается, распределение Вейбулла с β=3,44 весьма близко к нормальному распределению со знакомой симметричной колоколообразной кривой. Нормальное распределение может точно моделировать интенсивности отказов таких расходных элементов, как картриджи принтеров и лампы накаливания, которые быстро изнашиваются после определённого числа циклов. Однако герконовые реле имеют более сложные механизмы отказов, чем картриджи принтеров, и их значения β, как правило, ниже и находятся в диапазоне от 1,5 до 2. Иными словами, они проявляют характеристики износа после длительного периода эксплуатации.

Стратегии профилактического техобслуживания

Что лучше — заменять реле по одному, когда они отказывают, или заменять их группами по графику профилактического техобслуживания независимо от того, отказали они или нет? Статистические параметры надёжности позволяют осуществлять аналитический подход к решению проблемы на основании концепции, называемой «Минимизация затрат на единицу времени» (CPUT). Этот метод учитывает как затраты на профилактическое техобслуживание (ПТО), так и расходы на незапланированное (внеплановое) техобслуживание, ВПТО. Он широко распространён в индустрии ATE (автоматизированное тестовое оборудование), где затраты на обнаружение и ремонт отказавшего реле на месте эксплуатации в десять или сто раз выше затрат на ремонт во время установки линии. Замена реле стоимостью 5$ США, когда отказ обнаруживается во время испытаний при изготовлении, может стоить 500$ США на месте эксплуатации. Если это отказавшее реле установлено на плате вместе со, скажем, 15 другими, рентабельно ли заменить их все одновременно во время ремонта на месте эксплуатации, даже если 15 из 16 могли не отказать? Возможно, это покажется удивительным, но ответ часто бывает положительным. В данном примере установим затраты на ПТО как 16 реле×5$/реле=80$. Также давайте допустим, что затраты на ВПТО для обнаружения и замены того самого одного отказавшего реле составляют 500$ США. Во-первых, давайте подсчитаем надёжность 16-элементной платы, считая её системой, которую нужно заменить, когда отказывает одно или несколько отдельных реле. Для системы, которая отказывает, если отказывает одно реле, путём манипулирования уравнением распределения Вейбулла можно показать, что надёжность после t циклов системы, содержащей n реле, будет следующая:

Формула

где Rs (t) — надёжность системы при t циклах, Rr (t) — надёжность отдельного реле при t циклах, n — число реле в системе.

Параметр масштаба (эта) для системы можно определить исходя из параметра масштаба отдельных реле с помощью следующего выражения:

Формула

Исходя из уравнения (4), 16-релейная система, использующая реле с ресурсной характеристикой (η) 1000 млн циклов и β Вейбулла, равной 1,5, будет иметь ресурсную характеристику 157 млн циклов и MCBF 142 млн циклов. β системы остаётся такой же, на уровне 1,5. Имея эти оценки параметров Вейбулла 16-релейной системы, мы почти готовы рассчитать период профилактического техобслуживания, который сводит к минимуму CPUT. Чтобы привести пример предельного случая, давайте сначала предположим, что ПТО выполняется через каждый миллион циклов системы и все реле заменяются; в данном случае затраты на ПТО за 1 млн циклов составят 80$, плюс дополнительное ожидание небольшой вероятности незапланированного отказа, стоящего 500$. Оказывается, что CPUT будет 80,15$ на 1 млн циклов. Ясно, что это будет излишне агрессивная и неэкономичная политика ПТО, хотя события ВПТО не будут происходить почти никогда. Это было бы всё равно, что покупать новый «Роллс-Ройс» взамен старого, когда наполнится пепельница. Однако путём расчёта CPUT для этого примера с использованием увеличивающихся периодов между ПТО можно показать, что явно минимальные затраты CPUT в размере 2,89$ возникают, когда число циклов между ПТО устанавливается на уровне 81 млн. Иными словами, стратегия ПТО стоит 2,89$ на 1 млн циклов системы.

Если не сломано, почини

Теперь взглянем на ожидаемые расходы на техобслуживание, если ПТО не выполняется, а каждое отдельное реле просто заменяют, когда оно отказывает. Мы знаем, что MCBF системы составляет 142 млн циклов, и мы подсчитали, что затраты на внеплановое техобслуживание составляют 500$ за одно событие. Поэтому ожидаемые затраты на 1 млн циклов системы будут 500$/142=3,52$ на 1 млн циклов. По сравнению с этим работа согласно стратегии ПТО с 81 млн циклов сэкономит почти 25% от затрат на техобслуживание! На самом деле экономия будет даже выше, поскольку после каждого 81 млн циклов запускается новая плата системы, на которой все реле новые и каждое из них имеет период стабильной эксплуатации до того, как они начнут изнашиваться. С другой стороны, если следовать стратегии ВПТО, значительная часть незаменённых реле будет находиться в фазе износа и они будут более склонны к преждевременному отказу, чем новые реле, заменённые согласно стратегии ПТО «замени их все».

Теперь рассмотрим плату системы с 64 реле одного и того же типа и стоимости. Предположим, что β Вейбулла равна 2. Ресурсная характеристика системы при β=2 составляет 125 млн циклов. Замена всех реле по графику ПТО стоит 5$×64=320$. Допустим, что затраты на ВПТО составляют, как и раньше, 500$. В этом случае оптимальный интервал ПТО равен 201 млн циклов, при этом CPUT составляет 4,42$/млн циклов. С другой стороны, CPUT для стратегии ВПТО составляет 500$/125=4$/млн циклов. В этом случае дешевле просто ремонтировать отдельные реле при их отказе. Нужно, чтобы β распределения Вейбуйлла была значительно выше, прежде чем стратегия ПТО сможет оказаться рентабельной.

Воздействия β Вейбулла на стратегию ПТО

В предыдущих примерах использовались небольшие значения β — от 1,5 до 2. Экономия при стратегии ПТО может значительно увеличиваться для реле с более высоким значением β. Для 16-релейной системы при значении β, равном, например, 2, минимальное значение CPUT, равное 1,47$/млн циклов, получается для интервала ПТО 112 млн циклов. Это составляет экономию (1,47$-3,52$)/3,52$=58% по сравнению со стратегией ВПТО («если сломано, почини»). В этом случае «если не сломано, не чини» не является правильным утверждением. Значение CPUT ниже, потому что MCBF системы теперь около 250 млн циклов, а кривая износа имеет более крутой наклон, позволяя увеличить интервал между ПТО. Это ещё нагляднее показывает жизненно важную необходимость рассмотрения как MCBF, так и значения β Вейбулла при анализе надёжности реле. Если изготовитель не публикует оба фактора или не делает их доступными, потенциальный пользователь реле должен запросить их, прежде чем выбирать изделие. Тот, кто отвечает за качество, будет либо иметь эти показатели у себя в досье, либо готов провести испытание на долговечность для их демонстрации.

Имейте в виду, что стратегия ПТО неэффективна, если значение β Вейбулла равно единице или меньше единицы. В этом случае отказы имеют случайный характер или их число снижается со временем и характеристики износа не имеется. В этом случае CPUT никогда не принимает минимального значения и от принятия стратегии ПТО нельзя получить экономию. К счастью, у реле хорошего качества никогда не бывает β <=1.

Стратегии профилактического техобслуживания — резюме

Для систем, содержащих сравнительно малые количества реле со значением β Вейбулла > 1, замена всех реле по графику профилактического техобслуживания может снизить затраты по сравнению с тем, чтобы просто чинить отдельные реле, когда они отказывают. Точка безубыточности зависит от числа реле в системе, значения β Вейбулла используемых реле, сметной стоимости замены реле и сметной стоимости починки отдельных отказавших реле на внеплановой основе. Компания Coto работает над всеобъемлющей моделью, которая позволит пользователям реле выполнять эти расчёты и придумывать оптимальные стратегии ПТО.

Априорный прогноз надёжности реле

Описанные до этого методы прогнозирования надёжности реле являются чисто эмпирическими и опираются на статистические оценки с использованием репрезентативных выборок реле. Но реле — сравнительно простые устройства. Можно ли предсказать, сколько времени прослужит реле, зная, как оно устроено и какую электрическую нагрузку оно будет переключать, опираясь исключительно на физику этого устройства? Никто пока не преуспел в этом, несмотря на простоту герконового реле. В качестве примера рассмотрим взаимозависимость между сроком службы реле и электрической нагрузкой, которую оно переключает. Если в каждом цикле переключения возникает электрическая дуга, можно ожидать, что каждая дуга может удалять небольшое количество контактного материала с контактов, пока контакт окончательно не выгорит и переключатель не откажет. Действительно, существуют некоторые признаки этого явления, возникающего в герконо-вых реле, переключающих сравнительно высокие напряжения и токи, поскольку измеряемые значения β Вейбулла для этого рода нагрузки обычно высокие и приближаются к значению 3,44, типичному для расходуемых элементов. Более того, испытания в компании Coto показали, что значение MCBF переключателей, работающих под нагрузками с высоким напряжением и сильным током, примерно пропорционально толщине драгоценного металла, нанесённого на контакты, поддерживая модель расходного материала. Однако экстраполяция оценок долговечности на более низкие нагрузки представляет большую трудность. Например, взаимозависимость между долговечностью переключателя и электрической нагрузкой не является простой монотонной функцией даже для переключателей для класса одинакового размера, с контактной пластиной одинаковой конструкции, с одним и тем же покрытием и одинаковой чувствительностью на ампер-виток. Например, срок службы герконового реле, переключающего нагрузку 5 В, 10 мА, может быть в 100 раз больше срока службы при 12 В и 4 мА, хотя переключаемая мощность почти одинакова2. Такие аномалии чрезвычайно затрудняют прогнозирование долговечности.

Существуют некоторые доказательства того, что в качестве «предсказателей» долговечности реле могут использоваться параметрические измерения, выполняемые после изготовления герконового реле. Например, чувствительность на ампер-виток герконового переключателя очень сильно коррелирует с долговечностью — удвоение АВ (ампер-виток) может утроить долговечность, а утроение АВ может в двенадцать раз увеличить долговечность при определённых нагрузках.

Причинами таких существенных улучшений долговечности при повышении АВ являются больший зазор переключателя, снижающий вероятность перемыкания, и увеличение упругих сил при повышенном АВ, которые стараются развести контактные пластины переключателя при отключении тока катушки и ослаблении магнитного поля. Отношение втягивания к отпусканию является связанным параметром; его высокое значение указывает на хорошее «срабатывание защёлкивания», что также даёт повышенную долговечность контактов.

Другие параметрические измерения, такие как динамическое сопротивление контактов (ДСК, измерения сопротивления контактов, выполняемые, когда контакты реле только что замкнулись, но продолжают вибрировать), являются «предсказателями» окончательной надёжности реле, однако было мало публикаций, в которых устанавливалась бы степень корреляции. Однако компания Coto регулярно измеряет ДСК всех поставляемых ею реле, поскольку ДСК является хорошим показателем таких параметров качества реле, как чистота контактов, целостность герметичного уплотнения, наличие внутренних напряжений и добротность внутренних соединений.

Было также заявлено, что измерение магнитострикционного перекручивания в новых реле может дать прогноз потенциальной долговечности реле [3]. Измерения сопротивления контактов выполняются вблизи точки отпускания, где магнитный поток, создаваемый катушкой, взаимодействует с потоком, создаваемым током нагрузки контакта. Сторонники этого метода заявляют, что это взаимодействие вызывает перекручивание контактных пластин и что измерения сопротивления контактов, выполненные таким способом, коррелируют с окончательным отказом контактов. Относительная ценность этого метода по сравнению с другими методами динамических измерений впоследствии оспаривалась известным американским специалистом Гускиора (Gusciora) [4].

Окончание следует

Литература

  1. Weibull W. "A Statistical Distribution of Wide Applicability", J. Appl. Mech.18:293-297 (1951).
  2. Dodson B. Weibull Analysis, Milwaukee WI: American Society for Quality, 1994 (ISBN 0-07389-295-X).
  3. Sutherland E. F. "Predicting Early Failure of Dry Reed Contacts", Proc. 25th Annual Relay Conference, Oklahoma State University, April 26/27, 1977.
  4. Gusciora R. H. "A Statistical Study of Contact Attributes and Reed Relay Life", Proc. 27th Annual Relay Conference, Oklahoma State University, April 24/25, 1979.

1 Чтобы использовать этот метод испытаний, нужно сделать допущение для беты Вейбулла. В данном примере значение беты было принято равным 1,5. Будь значение беты выше, число испытываемых реле должно было бы быть меньше. Например, при бета=2 понадобилось бы только 14 испытываемых реле.

2 Полагают, что нагрузка напряжением 12 В вызывает образование «усов» из расплавленного драгметалла в результате действия электростатических тяговых сил. Эти «усы», в конце концов, перекрывают зазор переключателя и вызывают залипание, поскольку ток 4 мА слишком слаб, чтобы выжечь «усы». Однако при 5 В, 10 мА электростатические силы меньше (в меньшей степени вызывают образование «усов»), а больший ток может выжечь «усы», которые все же образуются.