Проблемы оценки надежности герконов и герконовых реле

Что такое надежность?

Данный показатель качества можно определить как вероятность того, что устройство или система продемонстрирует заявленные характеристики, когда ситуация потребует этого. Надежность нельзя определить точно, можно лишь оценить, проанализировав количество отказов отдельных изделий в репрезентативной выборке. Таким образом, оценка надежности требует применения статистического анализа.

Надежность реле наилучшим образом определяется количеством рабочих циклов, выполняемых без ухудшения рабочих характеристик до возникновения поломки. Такие параметры, как MTBF (наработка на отказ) или MTTF (среднее время безотказной работы), менее показательны, поскольку срок службы реле больше зависит от количества выполненных циклов переключения, а не просто от общего времени работы. MCBF (среднее количество циклов между отказами) — более полезный параметр для реле. Именно его в числе прочих Coto Technology использует для оценки надежности реле.

Однако оценка и публикация MCBF для какого-либо реле не дает полной картины. Сколько выборок использовалось для оценки? Каковы были параметры электрической нагрузки? Каков предел достоверности значения MCBF? Пользователи реле могут задать, к примеру, следующий вопрос: «Я не могу позволить себе использовать реле до тех пор, пока половина из них не выйдет из строя. Поэтому я хочу знать, насколько точна оценка MCBF? На сколько циклов переключения я могу рассчитывать, прежде чем одно реле из тысячи сломается? Какова достоверность вашей оценки?»

Надлежащим образом рассчитанное и реализованное тестирование надежности способно дать ответы на эти и многие другие вопросы. Является ли один тип реле значительно более надежным, чем другой? Повышается ли надежность этого реле по мере старения или, напротив, оно демонстрирует признаки износа, как люди — признаки старения? Какой частоты отказов следует ожидать от реле, только что извлеченных из упаковки? Если реле отказывает на плате с еще 15 такими же, что будет более экономически выгодно: заменить только отказавшее реле или все реле сразу? Точная оценка статистики надежности позволяет ответить на подобные вопросы объективно, а не по наитию.

Что такое отказ?

Герконовые реле, или переключатели, обычно подвергаются следующим видам поломок: они не размыкаются, когда должны (это, как правило, называют «залипание»); они не замыкаются, когда должны (именуется «незамыкание»); статическое сопротивление их контактов постепенно возрастает до неприемлемого уровня. При невысокой нагрузке отказ может произойти только через несколько миллиардов рабочих циклов. Первые два типа отказов также подразделяются на «перемежающиеся» и «устойчивые». Перемежающийся отказ фиксируется в том случае, если переключатель не замкнулся или не разомкнулся в течение нескольких миллисекунд после активации или деактивации катушки, но при повторной проверке через короткий промежуток времени (как правило, 0,5 с) обнаруживается, что устройство все-таки сработало должным образом. Если же к моменту второй проверки срабатывания не произошло, отказ классифицируется как устойчивый или постоянный.

Отказы по залипанию и незамыканию необходимо определить в терминах сопротивления, записанного через некоторое время после замыкания переключателя по активации ведущей катушки или его размыкания после деактивации катушки. Незамыкание фиксируется, если зарегистрированная величина сопротивления превышает заданное пороговое значение для замыкания переключателя. И напротив, залипание регистрируется в том случае, когда сопротивление меньше заданного порогового значения для размыкания переключателя. Пороговые величины сопротивления и интервалы выполнения измерений зависят от сферы применения. Coto, как правило, использует 1 Ом для перемежающихся незамыканий и половину от сопротивления контактов при нагрузке для перемежающихся залипаний. Измерения проводятся через 1 мс после активации или деактивации ведущей катушки.

Поскольку даже один перемежающийся отказ может стать проблемой в таких сферах, как оборудование автоматического тестирования, в оценке срока службы Coto использует первый перемежающийся отказ по залипанию, незамыканию или чрезмерному сопротивлению контактов. Столь консервативный критерий применяется намеренно. Сравнение с данными о надежности, публикуемыми другими производителями, представляет определенную трудность, поскольку они могут пользоваться менее строгими критериями определения отказа или иными подходами к представлению статистических данных надежности.

Как можно оценить надежность?

Получение необработанных данных по надежности герконовых реле осуществляется следующим образом: репрезентативная выборка реле подвергается испытаниям, в ходе которых подсчитывается количество циклов срабатывания до отказа. Полученные таким путем данные анализируют и вырабатывают соответствующую статистику надежности. Целью в данном случае является поиск моделирующей функции, максимально полно соответствующей имеющимся данным, которую можно использовать для интерполяции или разумной экстраполяции и получения оценочных величин MCBF, а в конечном итоге и для других статистических данных по надежности.

Как и во многих других случаях статистической оценки, точность прогнозирования надежности возрастает пропорционально квадрату количества тестируемых образцов. Практически целесообразное количество последних для стандартного тестирования составляет 16 или 32 штуки. Для составления прогноза по надежности не нужно тестировать реле до тех пор, пока они все не выйдут из строя. Испытание на срок службы можно приостановить после того, как сломается определенная часть реле. Обычно тестирование проводится до поломки 50% образцов. Такой набор данных называется «цензурированный справа». Информация о реле, которые не вышли из строя к моменту приостановки тестирования, является достоверной и, соответственно, не отбрасывается. Это интуитивно понятно: если из 32 испытываемых реле после 100 млн циклов половина продолжает работать штатно, можно с достаточной достоверностью предположить, что MCBF составит как минимум 100 млн циклов. Оценка MCBF только по 16 отказавшим образцам дает гораздо меньшую степень достоверности.

Для моделирования данных о надежности широко используется статистическое распределение Вейбулла [1]. По ссылке [2] можно найти руководство по использованию анализа Вейбулла. При наличии сведений о количестве циклов до отказа для определенного числа протестированных реле к данным отказов можно применить параметры этого распределения, используя регрессию методом наименьших квадратов. Обычно (но не всегда) прогноз, полученный с помощью распределения Вейбулла, оказывается точнее прогнозов, для создания которых применялись другие статистические выкладки. В конечном счете более высокая точность означает более объективную оценку параметров надежности. При этом мы получаем два параметра. Первый — вероятностная шкала Вейбулла, по которой легко можно рассчитать MCBF. Этот параметр часто обозначается греческой буквой η. Второй параметр — наклон Вейбулла, иногда обозначаемый как параметр формы, или бета Вейбулла (β). После определения параметров регрессии Вейбулла сформированное уравнение можно использовать для прогнозирования MCBF, ожидаемого срока службы до отказа 1% устройств, ожидаемого выхода из строя в период приработки, характеристик износа и других важных данных по надежности.

Может оказаться, что проведение испытаний на срок службы в 100 млн циклов срабатывания займет весьма длительное время. Для этого случая предусмотрен ускоренный вариант. Быстрое переключение реле позволяет выполнять срабатывание с частотой около 200 Гц, и, таким образом, испытание на 100 млн срабатываний займет 4,8 суток. Или меньше, если тест прервать до отказа всех реле.

Методы определения параметров Вейбулла η и β описаны во второй части статьи, где приведено и описание последующей оценки MCBF.

Соотношение между тестированием надежности и параметрическими испытаниями

Coto Technology проводит до 12 электрических испытаний на каждом реле или коммутирующем изделии, покидающем завод-изготовитель. Эти неразрушающие испытания называются «параметрическое тестирование», поскольку результаты измерений представляют собой параметры изделия: напряжение срабатывания и выключения, статическое и динамическое сопротивление контактов, время замыкания и размыкания и т. д. Испытания надежности, напротив, являются, как правило, разрушающими. Их проведение занимает длительное время, и потому они выполняются только на репрезентативной выборке изделий. Изделия тестируются с различной нагрузкой по току и напряжению, включая профили броска тока, если необходимо. Зачастую параметры нагрузки корректируются в соответствии с особыми техническими требованиями клиентов. Количество образцов и число испытательных циклов выбирают так, чтобы обеспечить получение объема данных, достаточного для точной оценки MCBF и другой статистической информации. Нередко в испытаниях участвуют 64 или 128 компонентов, которые подвергаются нескольким миллиардам циклов срабатывания в течение нескольких недель.

Типовой пример анализа и интерпретации данных о сроке службы

Графики регрессии Вейбулла, приведенные на рис. 1, составлены по испытаниям 64 реле Coto класса АТЕ (оборудование для автоматического тестирования), которые сравнивались с таким же количеством реле, находящихся в свободной продаже и изготовленных другими производителями. Испытание проводилось при частоте 200 Гц и резистивной нагрузке 5 В, 10 мА. Тест продолжался до тех пор, пока все 128 образцов не вышли из строя после примерно 1 млрд циклов и 55 дней непрерывного тестирования. MCBF для каждого типа реле можно приблизительно оценить по следующему графику: точка пересечения соответствующего графика надежности с ординатой ненадежности 50% и есть искомый результат. Более точно величину данного параметра можно определить числовыми методами, описанными во второй части статьи. Оценочная величина MCBF для реле других производителей составляет 66 млн циклов, для реле Coto — 450 млн циклов. Пунктирные линии обозначают 90%-ный предел достоверности для каждого графика. Поскольку эти линии нигде не накладываются друг на друга, то, очевидно, все компоненты обладают существенно разной степенью надежности. Оценка верна с точностью до 90%. Еще один достоверный статистический параметр — ожидаемый срок службы до выхода из строя 1% устройств. Графики показывают, что данный параметр равен 1–4 млн циклов для реле других производителей и 30–70 млн — для реле Coto. Объяснение столь значительной разницы в надежности — более крутой уклон графика Вейбулла для изделий Coto, что указывает на гораздо меньшую степень износа, чем у изделий от конкурентов, демонстрирующих различные случайные отказы.

Рис. 1. Графики Вейбулла по данным срока службы реле

Поскольку стоимость поиска, демонтажа и замены отказавшего реле может существенно превысить его фактическую стоимость, более крутой график Вейбулла и более высокий MCBF означает меньшие затраты на техническое обслуживание и замену, а также меньшее количество отказов в период приработки.

Как не обмануться с помощью статистики: публикация достоверных данных о предположительном сроке службы

Неправильное использование статистики привело к рождению знаменитой фразы английского премьер-министра Бенджамина Дизраэли: «Существуют три вида лжи: ложь, наглая ложь и статистика». Разумеется, неверно применяемая статистика может привести к непреднамеренному раздуванию оценок надежности. Coto старается представлять данные о надежности в точном и недвусмысленном виде, используя программные инструменты, ставшие стандартом отрасли.

В словаре Coto термин «ожидаемый срок службы» синонимичен MCBF — среднему количеству циклов срабатывания до отказа. Поскольку пределы достоверности оценок MCBF обычно весьма широки, числовые значения срока службы округляются до надлежащего количества значащих цифр после запятой, во избежание чрезмерной точности. Данные по надежности реле приводятся только для резистивной нагрузки 1 В, 10 мА или 1 В, 1 мА. Данные по срокам службы переключателей указываются для нескольких различных нагрузок, в зависимости от сферы применения. Для получения более подробной информации о сроке службы при других нагрузках можно связаться с компанией Coto Technology. У компании собрана довольно обширная база данных по испытаниям на срок службы, и, возможно, специалисты Coto сумеют спрогнозировать степень надежности устройства при указанных условиях нагрузки или провести отдельное испытание, соответствующее требованиям клиента.

Демонстрация надежности изделия в рамках заданного количества циклов переключения

Если необходимо только оценить степень надежности реле после выполнения определенного количества циклов переключения, то можно обратиться к другому методу тестирования. Например, предположим, что необходимо с достоверностью 90% заявить, что надежность определенного реле после выполнения 100 млн циклов составит не менее 99%. Другими словами, понадобится разумная обоснованность того, что менее 1% реле откажут к моменту достижения рубежа в 100 млн циклов. Для этого можно переформулировать уравнение Вейбулла таким образом, что если (в данном случае) 44 реле тестировалось в течение 300 млн циклов и все они сохранили работоспособность, то 99% надежность с достоверностью в 90% доказана¹. Такое испытание займет 17 дней при частоте 200 Гц. Количество образцов можно сократить за счет увеличения времени тестирования. Если число циклов повысить до 370 млн (22 дня), а число реле уменьшить до 32, то необходимая степень надежности будет доказана, если все 32 реле пройдут испытание. Такое количество тестируемых устройств удобно, поскольку это максимальное число реле, которое можно проверить в рамках одного испытания.

Частота и интенсивность отказов

MCBF также можно выразить как частоту отказов. Это просто взаимно обратные величины. Таким образом, реле с MCBF в 250 млн циклов имеет среднюю частоту отказов, равную 4х10^–9 отказов на цикл. Другими словами, если частота отказов является константой, то существует четыре шанса на миллиард, что данное реле откажет в рамках любого цикла переключения. Однако частота отказов реле редко бывает константой. Для изделия, уже проработавшего определенный срок, β > 1, а по мере приближения конца срока службы частота отказов возрастает.

Поскольку частота отказов реле обычно крайне невелика, будет удобно определить интенсивность отказов (FIT) как ожидаемое количество отказов за один миллиард (10⁹) рабочих циклов. Обратите внимание, что параметр FIT предполагает, что частота отказов является постоянной во времени (то есть β = 1). Так бывает очень редко, поэтому комбинация параметров Вейбулла η и β является куда более достоверной метрикой надежности.

Надежность релейных систем

Оценка надежности системы для оборудования, использующего несколько реле

Представим систему, содержащую 2000 одинаковых реле. Если одно из них отказывает, система также выходит из строя. Резервирование схемой системы не предусмотрено. Если надежность отдельного реле известна, можно ли оценить наиболее вероятное количество рабочих циклов до того, как система откажет? Ответ — да, но результат может быть удивительным, особенно для реле с невысоким MCBF или пологим склоном β. Это тот самый случай, когда реле с крайне высокой степенью надежности жизненно необходимы.

Одним из вариантов оценки надежности системы является применение моделирования по методу Монте-Карло. Если обратиться к разделу «Распределение Вейбулла и методы расчета его параметров», который будет рассмотрен во второй части статьи, можно увидеть, что ненадежность отдельного реле определяется как:

F(t) = 1–e^–(t/h)b.                     (1)

Если t_r — ожидаемое количество циклов до отказа и оценочные значения n, β уже известны по результатам тестирования срока службы, то можно сгенерировать случайные значения t_r по выражению:

t_r = η(–ln(RDN))^1/β,                   (2)

где RND — случайно выбираемое число, равномерно распределенное по интервалу 0–1.

Для системы с 2000 реле расчет t_r 2000 раз и сортировка по величине позволяет найти минимальное значение и оценить, когда возникнет наибольшая вероятность отказа системы (поскольку мы предполагаем, что выход из строя первого реле приведет и к отказу всей системы). Повтор этого моделирования большое количество раз дает возможность получить распределение по количеству циклов до отказа для нескольких систем. В таб-лице 1 показаны результаты данного моделирования для различных значений η и β.

Герконовое реле Coto элитного класса имеет оценочную ресурсную характеристику как минимум в 1 млрд циклов при переключении электрических нагрузок низкого уровня. Параметр формы β Вейбулла для этих реле будет составлять 1,5–4. Очевидно, что для реле с ресурсной характеристикой в 1000 млн (1 млрд) циклов ожидаемое количество циклов до отказа 1% систем лежит в диапазоне примерно от 4000 циклов при β = 1 почти до 300 000 циклов при β = 1,5 и свыше 2 млн циклов при β = 2. Другими словами, небольшое увеличение β дает очень большую разницу в ожидаемой степени надежности системы. Поскольку параметр MCBF тесно связан с ресурсной характеристикой η, таблица также показывает, что оценка надежности реле на основе только MCBF недостаточно достоверна. Для достоверной оценки необходимо указывать и MCBF (или ресурсную характеристику) и параметр формы β Вейбулла.

Разумеется, не все системы построены таким образом, что отказ одного реле обрушивает всю систему. Различные стратегии, например резервирование, способны снизить степень остроты потенциальной проблемы. Следует отметить, что резервирование, основанное на параллельном использовании реле в критических точках, в некоторых условиях повышает надежность системы. Однако такое применение реле в рамках попытки увеличить возможности системы в коммутации нагрузок не является хорошей стратегией, поскольку одно реле всегда будет замыкаться прежде другого и контакты последнего будут нести полную коммутационную нагрузку.

Моделирование систем, использующих стратегии или компоненты резервирования (включая реле), имеющие разную степень надежности, не входит в задачи данного технического описания. Коммерческое программное обеспечение, например BlockSim (от Reliasoft Inc.), способно оказать существенную помощь в прогнозировании надежности комплексных систем.

Что означает параметр β Вейбулла

Проницательный читатель может задать вопрос: почему в заголовке последнего столбца таблицы 1 стоит значение β, равное 3,44? Оказывается, распределение Вейбулла при β = 3,44 максимально точно моделирует нормальное распределение по хорошо знакомой кривой в форме колокола. Такое распределение позволяет точно моделировать частоту отказов расходных материалов, например картриджей принтеров и ламп накаливания, которые быстро изнашиваются после определенного количества рабочих циклов. Однако герконовые реле имеют более сложный механизм отказа, чем картриджи принтеров, поэтому их значения β обычно ниже и находятся в диапазоне 1,5–2. Иначе говоря, признаки износа у них появляются после долгого периода безотказной работы.

Стратегии профилактического технического обслуживания

Что лучше: заменять единичные отказавшие реле или менять их группами в рамках профилактического ТО, независимо от того, отказали они или нет? Статистика надежности позволяет применить к данной проблеме аналитический подход, основанный на концепции минимизации расходов и временных затрат на единицу оборудования (CPUT). Этот метод учитывает как стоимость профилактического ТО (PM), так и затраты на незапланированное техническое обслуживание (UM). В отрасли оборудования для автоматического тестирования широко известно, что затраты на поиск и ремонт отказавшего реле в полевых условиях в 10–100 раз превышают стоимость ремонта такого же реле при прокладке линии. Другими словами, замена реле стоимостью $5 при обнаружении отказа в ходе тестирования на производстве может обойтись в $500 в полевых условиях. Если отказавшее реле находится на плате, содержащей, скажем, еще 15 таких же, будет ли экономически оправданно заменить их все при ремонте, даже если 15 из этих 16 работают нормально? Возможно, это покажется удивительным, но зачастую ответ — «да».

Для примера возьмем стоимость профилактического ТО для 16 реле: $5х16 = $80.

Также предположим, что затраты на незапланированное ТО для поиска и замены одного отказавшего реле составляют $500. Сначала рассчитаем надежность платы с 16 реле, рассматривая ее как систему, которую необходимо заменить при отказе одного или нескольких отдельных реле. Для системы, выходящей из строя при отказе одного реле, это можно показать, перестроив уравнение распределения Вейбулла так, что надежность после tциклов для системы с n реле будет равна:

R_s(t) = R_r(t)ⁿ,                        (3)

где R_s(t) — надежность системы после t циклов; R_r(t) — надежность отдельного реле после t циклов; n — количество реле в системе.

Параметр масштаба (η) для системы можно определить по аналогичному параметру отдельных реле, используя выражение:

Исходя из уравнения (4), система с 16 реле, обладающих ресурсной характеристикой (η) в 1000 млн циклов и параметром формы 1,5, будет иметь ресурсную характеристику в 157 млн циклов и MCBF в 142 млн циклов. Параметр формы останется без изменений — 1,5.

Имея эти оценки параметров Вейбулла для системы с 16 реле, мы почти готовы рассчитать периодичность профилактического технического обслуживания, сводящего значение CPUT к минимуму. Если впадать в крайности, то предположим, что PM выполняется через каждый 1 млн циклов, при этом все реле заменяются. В таком случае стоимость PM будет равна $80 плюс (с невысокой вероятностью) еще $500 в случае неожиданной поломки. Таким образом, CPUT составит $80,15 на каждый миллион циклов. Разумеется, это чрезмерная и неэкономичная политика профилактического технического обслуживания, хотя при такой ситуации случаев незапланированного ремонта практически не будет. Тем не менее данный подход эквивалентен продаже новенького «Роллс-Ройса» после заполнения установленной в нем пепельницы. Однако если рассчитать CPUT для нашего примера с большей периодичностью профилактического ТО, то минимум CPUT составит $2,89 при PM через каждый 81 млн циклов. Другими словами, такая стратегия PM обойдется в $2,89 за 1 млн циклов.

Если ничего не сломалось — все равно отремонтируй

Теперь посмотрим, каковы будут ожидаемые расходы на ТО, если профилактическое обслуживание не проводится вовсе, а каждое реле просто заменяется после отказа. MCBF системы составляет 142 млн циклов, а расходы на незапланированное обслуживание примем как $500 за каждый случай. Таким образом, ожидаемые расходы составят: $500/142 = $3,52 за 1 млн циклов. Сравним: профилактическое ТО через каждый 81 млн циклов позволит сэкономить почти 25%! В действительности экономия будет еще больше, поскольку через каждый 81 млн циклов происходит запуск новой системы с новыми реле, каждое из которых имеет определенный срок стабильной работы до появления признаков износа. В то же время, если следовать стратегии замены после отказа, значительная часть незамененных реле уже будет в стадии износа. Вероятность их отказа куда выше, чем у новых реле, установленных в рамках стратегии профилактического технического обслуживания «заменить все».

Теперь давайте рассмотрим плату с 64 реле того же типа и стоимости. Представим, параметр формы Вейбулла равен 2. Ресурсная характеристика системы при β = 2 составляет 125 млн циклов. Замена всех реле в рамках профилактического ТО: $5×64 = $320. Предположим, стоимость незапланированного ремонта по-прежнему равна $500. В этом случае оптимальный интервал PM составит 201 млн циклов с CPUT, равным $4,42/млн циклов. С другой стороны, CPUT для стратегии UM составит $500/125 = $4/млн циклов. Соответственно, здесь дешевле просто заменять отказавшие реле, и параметр формы должен иметь существенно большее значение, чтобы стратегия профилактического ТО обрела экономический смысл.

Влияние параметра формы на стратегию профилактического ТО

В предыдущих примерах использовались скромные значения 1,5 и 2. При более высоком значении данного параметра выгода от применения стратегии РМ существенно возрастает. Для системы с 16 реле при β = 2, например, минимум CPUT составит $1,47/млн циклов при интервале ТО в 112 млн циклов. Таким образом, экономия по сравнению со стратегией «чини, когда сломается» составит ($3,52–$1,47)/$3,52 = 58%. В этом случае подход «не сломалось — не трогай» будет не самой удачной идеей. CPUT будет меньше, поскольку MCBF системы теперь составит около 250 млн циклов, а кривая износа станет более крутой. Соответственно, интервал ТО можно увеличить. Это дополнительный пример необходимости учета как MCBF, так и параметра формы при оценке надежности реле. Если производитель публикует не оба параметра, то потенциальному пользователю следует запросить соответствующие значения, прежде чем выбирать какое-либо изделие. Ответственный поставщик будет либо иметь указанные параметры под рукой, либо готов провести необходимые демонстрационные испытания.

Обратите внимание, что стратегия профилактического ТО неэффективна, если параметр формы равен 1 или менее. В таком случае отказы происходят случайным образом или их количество уменьшается со временем. Износ минимален, и CPUT никогда не демонстрирует минимума, поэтому никакой экономии данная стратегия в такой ситуации не принесет. К счастью, качественные реле никогда не имеют значения β ≤ 1.

Краткое резюме

Иногда подход «не сломалось — не трогай» не является надлежащей стратегией. Для систем с относительно небольшим количеством реле с параметром формы Вейбулла β > 1 замена всех реле в рамках профилактического ТО может сократить расходы по сравнению с простой заменой отказавших реле. Порог безубыточности зависит от количества реле в системе, параметра формы используемых реле, оценочной стоимости замены реле и оценочной стоимости ремонта отдельных устройств в случае отказа. Coto работает над моделью, которая даст пользователям реле возможность провести подобные расчеты и выработать оптимальную стратегию профилактического ТО. Модель будет рассмотрена в следующем техническом описании.

Прогнозирование надежности реле на основе опыта

Описанные выше методы прогнозирования надежности реле являются чисто эмпирическими и основаны на статистических оценках с использованием репрезентативных выборок. Но реле — относительно простые устройства. Можно ли спрогнозировать, как долго проработает реле, если знать его конструкцию и то, какую нагрузку оно будет коммутировать, на основе только физики устройства? Никто пока не добился успеха, несмотря на простоту конструкции герконовых реле. Для примера рассмотрим соотношение между сроком службы реле и электрической нагрузкой, которую оно коммутирует. Если при каждом цикле возникает дуговой разряд, можно предположить, что каждый такой разряд «срезает» некоторую часть материала с контактов, так что последние в конце концов просто прогорят и переключатель выйдет из строя. И на самом деле, есть несколько свидетельств подобного явления при коммутации герконовыми реле относительно высоких напряжений и токов. Значение параметра формы при таких нагрузках будет близко к стандартному 3,44 для расходных материалов. Более того, тестирование Coto показало, что MCBF переключателей, работающих в условиях высокой нагрузки по напряжению или току, в первом приближении пропорционально толщине драгоценных металлов, используемых в контактах, что говорит в поддержку модели расходных материалов. Однако экстраполяция оценок срока службы на более низкие нагрузки крайне трудна. К примеру, соотношение срока службы и электрической нагрузки не является простой монотонной функцией, даже для переключателей того же размера, с одинаковыми конструкцией ножевых контактов, покрытием контактов и чувствительностью ампер-витка². Так, срок службы герконового реле, коммутирующего нагрузку в 5 В, 10 мА, может быть в 100 раз больше, чем срок службы того же реле при нагрузке 12 В, 4 мА, даже если коммутируемая активная мощность практически идентична³. Подобные явления серьезно затрудняют прогнозирование срока службы на основе электрической нагрузки.

Есть некоторые свидетельства того, что параметрические измерения, выполняемые после изготовления реле, можно использовать для прогнозирования срока службы. Например, чувствительность (в ампер-витках) герконового выключателя тесно связана со сроком службы. Удвоение чувствительности может повысить срок службы реле в три раза, а утроение чувствительности витка способно увеличить срок службы при определенных нагрузках в 20 раз. Причиной таких серьезных улучшений являются больший интервал между переключателями, что снижает вероятность образования перемычек, а также более мощное воздействие пружины при высокой чувствительности витка, которая разъединяет ножевые контакты при отсутствии тока в катушке, и уменьшении магнитного поля. С этим связано и соотношение напряжений срабатывания и отпускания. Высокое значение соответствует более быстрому срабатыванию, что также положительно сказывается на сроке службы контактов.

Измерение других параметров, например динамического сопротивления контактов (DCR, измерение сопротивления контактов сразу после замыкания, при еще не прекратившемся дребезге контактов), тоже позволяет спрогнозировать степень надежности реле. Однако опубликовано слишком мало работ, описывающих степень корреляции. Тем не менее Coto постоянно замеряет DCR всех поставляемых реле, поскольку эта характеристика служит хорошим показателем параметров качества реле — чистоты контактов, целостности герметичного уплотнения, наличия внутренних напряжений и прочности внутренних соединений.

Также было высказано предположение, что предсказать возможный срок службы новых реле может помочь измерение поворота гибкого подвижного контакта вокруг его горизонтальной оси в поперечной плоскости как следствие магнитострикционного эффекта, возникающего при взаимодействии двух магнитных полей [3]. В этом случае измерения контактного сопротивления выполняются близко к точке отрыва контакта при размыкании, когда наиболее ярко проявляется взаимодействие между магнитным потоком, генерируемым катушкой, и магнитным потоком, формируемым током нагрузки, текущим через контакт реле. Сторонники этого метода утверждают, что такое взаимодействие вызывает скручивание контактов и результат измерения изменения контактного сопротивления, выполненного таким образом, может быть коррелирован с возможным отказом контакта в будущем. Однако относительная ценность этого метода по сравнению с другими динамическими методами измерения впоследствии оспаривалась, например, в [4].

Надежность и конструкция герконов

Ни одна область в конструировании реле не является столь дискуссионной, как проектирование контактов. Какое покрытие контактов следует использовать? Рутений, родий или иридий? Должно ли покрытие наноситься гальваническим способом или напылением?

Какова необходимая толщина контактов? Как выбранное покрытие справляется с бросками по току и другими нештатными нагрузками? Какую структуру слоя следует применить? Coto Technology имеет многолетний опыт в решении подобных вопросов. Специалисты компании убеждены, что лучшим вариантом покрытия контактов для большей части оборудования автоматического тестирования будет рутениевое напыление. Твердость и высокая температура плавления рутения в сравнении с другими металлами платиновой группы обеспечивают великолепные характеристики износа и сопротивление залипанию. Нанесение рутения напылением — более медленный и дорогой процесс, чем гальванический способ, нередко применяемый другими производителями. Однако напыление обеспечивает более высокую надежность контактов за счет устранения посторонних примесей.

Упомянутые качества были продемонстрированы в ходе контролируемого тестирования реле Coto в сравнении с аналогами от других компаний-изготовителей. Недавние независимые исследования подтверждают эти выкладки. Так, Oshiyama и другие [5] обнаружили, что перенос металла при горячем переключении является основной причиной отказов по залипанию, и переключатели с рутениевыми контактами были в семь раз менее подвержены этому эффекту, чем переключатели с родиевыми контактами.

Системы тестирования реле

Системы тестирования срока службы реле предъявляют порой уникальные требования. В частности, они должны быть более надежны, чем испытываемые устройства. Именно из-за этого в 1980‑х гг. компания Coto Technology разработала и выпустила первый тестер срока службы. С того момента система обновлялась несколько раз. В настоящее время Coto обладает шестью тестерами, именуемыми Сoto System 300, установленными в штаб-квартире компании на Род-Айленде (США) и на производстве в Мехико (рис. 2).

Рис. 2. Система тестирования срока службы реле Coto Technology 300

Каждая система имеет 32 испытательных канала, способных тестировать герконовые переключатели при нагрузке, регулируемой от 0,03 В, 1 мА (30 мкВт) до 60 В, 1 А (60 Вт). Вспомогательные ведущие модули позволяют повысить нагрузку до 150 В, 10 А (1500 Вт) или 1000 В, 10 мА (10 Вт). Модульные вставные платы нагрузки позволяют использовать резистивную, емкостную, индуктивную или гибридную нагрузку (рис. 3).

Рис. 3. Система 300. Плата нагрузки системы тестирования срока службы

Частота испытательного цикла обычно устанавливается на 200 Гц, с опциональной разверткой в 10 Гц до диапазона 255 Гц. Перемежающиеся залипания и незамыкания проверяются на каждом цикле — при обнаружении отказа система ждет 0,5 с и проводит повторную проверку. Если проблема не исчезла, регистрируется устойчивый отказ. Кроме того, через заданные интервалы выполняются параметрические измерения сопротивления контактов. Позднее можно построить график по этим данным, чтобы оценить уровень деградации сопротивления в течение теста.

Записанные данные экспортируются в формат Microsoft Excel для последующей обработки с помощью статистических методов и соответствующего ПО.

Coto также имеет специализированное испытательное оборудование, позволяющее тестировать отдельные реле с применением высокочастотных нагрузок в диапазоне 20 кГц – 1 МГц, и собственно величиной нагрузки до 300 В, 6 А. Такие реле обычно распространены в широковещательном и медицинском оборудовании. Специальная камера Coto предусматривает проведение испытаний в различных условиях окружающей среды при температуре –40…+150 °C.

Обеспечение максимальной надежности герконовых реле

Предположим, что вы приняли решение использовать герконовые реле в своем следующем коммутационном проекте и выбрали то, что показалось вам наиболее подходящим из устройств Coto. Что можно сделать во время процесса разработки для обеспечения максимальной надежности? Вот несколько подсказок:

1. По возможности холодные переключатели.

     Не всегда такой вариант является подходящим, но, тем не менее, если можно спроектировать систему так, чтобы реле переключались только при отсутствии тока, то срок службы реле увеличится весьма серьезно.

2. Избегайте реактивных нагрузок.

     Герконовые реле наиболее надежны при переключении резистивных нагрузок. Мощные броски по току от емкостных цепей могут привести к преждевременному выходу из строя или привариванию контактов. Индуктивные нагрузки способны вызвать срабатывание дуговых разрядов при размыкании. Если необходимо коммутировать реактивную нагрузку, следует связаться с компанией Coto для получения рекомендаций.

3. Поддерживайте небольшое перевозбуждение.

     Для реле с номинальным напряжением катушки 5 В обычно указывают рабочее напряжение 3,8 В. Постарайтесь подавать на катушку напряжение побольше как минимум на 25%, то есть 4,75 В. Такое перевозбуждение позволит обеспечить плотность замыкания контактов и, как следствие, увеличить срок службы реле.

4. Магнитное взаимодействие.

     Если реле располагаются на печатной плате близко друг к другу — удостоверьтесь, что они ориентированы так, чтобы уменьшить магнитное взаимодействие, способное повысить эффективное рабочее напряжение реле и, как следствие, снизить перевозбуждение. Обычно достаточно сориентировать реле друг к другу противоположными полюсами. Более подробная информация об оптимальных схемах доступна в каталоге Coto.

5. Используйте реле с вкладышем из черных металлов.

     Многие реле Coto поставляются с вкладышем из черных металлов, который сводит к минимуму влияние магнитного взаимодействия и обеспечивает максимальное перевозбуждение катушки. По возможности выбирайте именно такие реле.

6. Поддерживайте рабочую температуру на низком уровне.

     Сопротивление катушки герконового реле возрастает на 0,39% с каждым °C. При постоянном напряжении на источнике питания катушки повышение температуры на 50 °C приводит к повышению сопротивления на 20% и, следовательно, 15%-ному уменьшению подаваемой на катушку мощности. Это снижает ее перевозбуждение и может сократить срок службы реле.

7. Сохраняйте напряжение на катушке после замыкания реле.

     Не используйте интегральные микросхемы, которые позволяют снизить напряжение на катушке после замыкания реле, с целью экономии энергии (или просто отключите программное снижение напряжения). Большинство небольших герконовых реле не обладает разностью напряжений срабатывания/отпускания, достаточной для поддержания перевозбуждения. Срок службы реле может снизиться.

8. Используйте независимый источник питания для катушек реле.

     Катушки реле индуктивны и могут наводить потенциально опасные всплески по силовым кабелям. При проектировании систем обычно предусматривается независимый источник питания для катушек. Для всех реле, не снабженных встроенными диодами, следует рассмотреть методики подавления индуктивных всплесков с помощью диодов.

9. Запрограммируйте проведение тренировочного цикла время от времени (для реле форм-фактора С).

     Реле форм-фактора С обычно активируются довольно редко и проводят немалую часть времени с нормально замкнутыми контактами. Иногда это может привести к инерционности контактов при первой активации или в редких случаях к залипанию в нормально замкнутом положении. Программирование тренировочного цикла позволит серьезно исправить ситуацию.

Распределение Вейбулла и методы расчета его параметров

Это распределение подробно описано в соответствующей литературе. Количество циклов до отказа для выборки реле и переключателей рассчитывается по методу наименьших квадратов с использованием функции распределения Вейбулла с двумя параметрами F(t), где:

F(t) = 1–e^–(t/h)b.                     (5)

Здесь F(t) — функция ненадежности; t — время или количество циклов до отказа; η и β — параметры распределения Вейбулла.

Данное уравнение можно привести к линейному виду с помощью преобразований:

y = log_e(log_e(1/(1–F(t)))),             (6)

x = log_e(t).                          (7)

После линейной регрессии x на y уклон
линии регрессии = β и перехват = β log_e(n).

При наличии данных о количестве циклов до отказа для выборки реле значения F(t) можно рассчитать с помощью аппроксимации Бенара:

F(t) = (j–0,3)/(N+0,4),             (8)

где j — порядковый номер ранга, а N — суммарное количество отказов. Для работы с цензурированными данными компонентов, прошедших тест без поломок, предпринимаются особые предосторожности.

MCBF изделия и порог его достоверности рассчитываются по значениям параметров η и β Вейбулла. Параметр η — ресурсная характеристика. Параметр уклона Вейбулла β особенно важен, поскольку его величина связана с характеристиками износа тестируемого изделия. Значение β < 1 указывает на возможность отказов во время приработки, количество которых можно снизить доработками устройств у производителя и отследить путем испытания на принудительный отказ. Значения β > 1 более желательны, поскольку являются показателем нормального механизма износа после некоторого периода стабильной работы. Обычно значения β для герконовых реле лежат в диапазоне 1,5–4.

Уравнение регрессии, приведенное ранее, можно встроить в стандартные редакторы таблиц, например Microsoft Excel. Однако обработка наборов данных, содержащих цензурированную информацию, не так проста. Коммерческие программные пакеты, к примеру Reliasoft Weibull++ [6] или Minitab [7], существенно упрощают расчеты, а также обладают возможностью расчета дополнительных параметров, в частности порога достоверности.

Расчет MCBF по параметрам масштаба η и уклона β

MCBF можно рассчитать по выражению:

MCBF = ηГ(1+1/β),                  (9)

где Г(z) — гамма-функция. Эту функцию можно найти в таблицах или легко рассчитать в табличном редакторе, используя расширение числовой последовательности, показанное на таблице 2 [1]. Пакет Reliasoft Weibull++ имеет собственный калькулятор MCBF, что существенно упрощает операцию.