DKZ4型车关键板卡状态评估.pdf

Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 19 期135文章编号：2095-6835（2023）19-0135-03DKZ4 型车关键板卡状态评估刘 尧（北京市地铁运营有限公司运营一分公司，北京 102200）摘要：DKZ4 型车电气系统被使用多年，车辆运营里程达到 240 万 km，将要进行二次厂修。但是关键板卡状态指标未知，通过相关手段对关键板卡进行状态评估，从而确定上述板卡状态指标，确定车辆二次厂修过程中需要全部更换或者部分更换，从而达到节省成本的目的。关键词：DKZ4 型车；二次厂修；电气系统；状态评估中图分类号：U231文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.19.0411关键板卡状态评估方法对各关键系统中关键板卡（依次为门控板、IO 板、AD 板、KBCD 板及 CCTV 板）的状态进行评估。依据 GB/T 19864.12013体视显微镜 第 1 部分：普及型体视显微镜、GJB 548B2005 微电子器件试验方法和程序、JY/T 0101996分析型扫描电子显微镜方法通则、JY/T 0121996金相显微镜分析方法通则、GB/T 60402002 红外光谱分析方法通则、GB/T173592012微束分析 能谱法定量分析等相关标准对关键板卡进行相关分析1，由于收集的板卡中只有门控板和 IO 板存在故障，而其余 3 种板卡无故障，因此仅对门控板、IO 板进行了失效分析及退化分析，而对其余 3 种板卡只进行退化分析。1.1失效分析方法门控板和 IO 板失效分析具体如表 1 所示。表 1门控板、IO 板失效分析序号分析项目目的1电性能元器件检查检查所有电阻、电容、二极管、晶体管及继电器等的各项参数是否出现明显差异2对单个继电器去除焊接检查检查异常元件是否出现破损痕迹，内部结构是否存在异常，各项参数是否出现差异3SEM 观察和 EDS成分分析微观检查异常元器件及检测异物是否明显置于内部触点之中4FTIR 测试成分分析故障元器件的内部异物5异物元素来源排查异物来源排查分析1.2退化分析方法门控板、IO 板、AD 板、KBCD 板及 CCTV 板退化分析具体如表 2 所示。上述门控板、IO 板、AD 板、KBCD 板及 CCTV 板卡退化分析的对象主要包括机电元件、通用元件、分立器件、光电器件、集成电路、PCBA（印制电路板）及焊点等特征部件。表 2门控板、IO 板、AD 板、KBCD 板及 CCTV 板退化分析序号分析项目目的1外观检查检查样品是否存在引脚镀层脱落、腐蚀、外壳破裂等异常2X-ray 检查检查样品的内部结构是否存在异常3电性能测试检查样品的各项参数是否出现明显差异4开封观察对样品进行微观观察5SEM形貌观察及EDS成分分析对样品进行微观观察及检查内部触点是否存在明显异物机电元件主要包括连接器、继电器、电位器、开关和变压器。通用元件主要包括电阻、电容、电感（绕线电感、片式电感）等相关为大众所熟悉的相关部件。分立器件主要包括二极管、齐纳二极管、三极管、稳压管、MOS 管和晶振。前 5 种器件退化分析关注点为半导体特性、焊料、芯片表面热斑等随时间、环境的变化情况；晶振退化分析关注点为频率、密封性等随时间、环境的变化情况。光电器件主要包括光电耦合器、LED 灯，其退化分析关注点为电参数、键合点颈缩、铝焊盘完整性、芯片清洁度、内部封装等随时间、环境的变化情况。集成电路包括塑封 IC，其退化分析关注点为塑封料分层、焊料空洞、金铝键合的金属间化合物（厚度、裂纹、空洞）、芯片表面热斑等随时间、环境的变化情况。根据故障板卡运营服务故障数据可得 PCBA 故障间隔时间 t=30 ms，样本数目 n=45。选取指数分布、威布尔分布及对数正态分布作为故障板卡运营服务故障间隔时间的备选分布模型，对上述数据分别进行3 种分布函数的线性化处理，为保证分析结果的可靠性，在初步选定故障数据服从的概率分布模型后，需要进行假设检验。部分应以本职位的职责范围为基础，积极主动找问题形成工作内容或任务，并结合上级领科技与创新Science and Technology&Innovation1362023 年 第 19 期导安排的工作来拟定；最好按重要性、紧迫性的优先次序排列。进一步采用 K-S 检验法对所选分布模型进行假设检验。1.3FMECA 分析方法对上述关键系统的卡板进行故障模式及影响分析和危害性分析（FMECA），找出系统关键卡板，为后续更换打下坚实基础。1.3.1故障等级确定列车在运营正线由于自身事故会出现不同程度的故障，故障等级亦有区别，最终确定为 5 类，分别为、。1.3.2故障危害度在给定的故障等级下，部件 i 的第 j 个故障模式的危害度为 Cij，其计算公式如下：Cij=ijijit（1）式中：ij为部件 i 发生故障模式 j 时的频数比；ij为部件i 发生故障模式 j 时的故障影响概率；的数值一般由分析人员根据经验判断得到，通常按表 3 来定量估计。表 3故障影响概率故障影响概率系统肯定发生故障1.0系统可能发生故障0.5系统很少发生故障0.1对系统无影响0式（1）中，i为部件 i 的故障率，其计算公式为：tNi式中：N 为部件 i 在规定时间内的总故障次数；t 为部件 i 在规定时间内的累积工作时间（也可为累积运营里程）的数值。若在给定故障等级下，部件i的故障模式总数为n，则部件 i 的危害度 Ci为njijC1。1.3.3危害性矩阵为确定维护措施的先后顺序，需基于故障模式危害度计算结果，应用危害性矩阵对每一种故障模式进行危害性分析。危害性矩阵是指横坐标为故障等级、纵坐标为故障概率等级（定性分析）或故障模式危害度（定量分析）的矩阵图。从故障模式分布点处向对角线作垂线，以该垂线与对角线的交点到坐标原点的距离作为度量故障模式危害性的依据。距离越长，危害性越大，需尽快采取相应措施，确保系统或部件安全可靠运行2。2失效分析结果门控板失效分析结果表明，门控板故障原因为板上有继电器常开触点接触不良，接触不良是由微量含C/Si 的有机物在触点间的富集所致；IO 板失效分析结果表明，IO 板故障原因为板上部分电阻焊点疲劳开裂导致电路开路3。3退化分析结果AD 板退化分析结果表明：机电元件中电位器引脚间绝缘区存在金属，会导致其阻值发生漂移，如果出现了以上条件都能够满足的翻译校对，那么在客户发出了需求后，满足以上条件的翻译校对接稿，能做的而且反馈最迅速的译员校对发出接稿反应后，即可接下来沟通确认电阻膜残余，在有水气的条件下存在阻值漂移漏电风险。MLCC 电容端电极铜层存在空洞，会导致寄生电阻偏大，存在造成电路中电压异常风险；铝电解电容的介质层存在破损、开裂等异常现象，长时间使用会导致漏电失效，甚至存在烧毁风险；插件陶瓷电容端电极铜层存在空洞，内电极层也存在空洞的现象，有漏电失效风险。分立器件中二极管、稳压管的铜支撑载体与芯片都存在开裂现象，在水气条件下有漏电风险。光电器件中光耦内部银胶和载板、芯片存在开裂的现象，以及芯片侧边银胶存在空洞的现象，在水气条件下有漏电风险。集成电路中塑封 IC 内部芯片与塑封体存在分层现象，当在有水气的环境中，存在迁移的风险；且其载板与芯片中间的焊料存在空洞现象，长期使用会影响其散热性；芯片键合有 IMC 生长过厚现象，存在键合断裂风险。插件焊点存在晶粒粗大、沿晶界开裂、应力疲劳裂纹等退化特征，表贴焊点存在晶粒粗大、富铅、沿晶界开裂、应力疲劳裂纹等退化特征。IO 板退化分析结果表明：通用元件中贴片电阻塑封体与 Ag 层存在开裂现象，有迁移风险；MLCC电容端电极有开裂现象，端电极开裂会影响电容损耗及在电路中的分压；钽电容钽芯有开裂现象，使样品漏电流，有烧毁风险，负极引出线与封装体有分层现象。分立器件中二极管与齐纳二极管的铜支撑载体和芯片存在分层现象，当在有水气的环境中，存在金属迁移的风险；MOS 管内部键合点与芯片连接位置有缝隙，存在开路风险。光耦元件 P823 芯片侧边焊料与芯片有开裂现象，存在金属迁移风险。集成电路U802 内部芯片与基板间的焊料层存在空洞现象，会影响散热，存在散热不良及烧毁风险。插件焊点个别存在晶粒粗大、沿晶界开裂等典型疲劳老化特征；表贴焊点个别存在晶粒粗大、沿晶界开裂等典型疲劳老化特征，且引脚侧发现润湿不良导致填锡高度不足现象，将大大降低焊点强度及寿命。Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 19 期137KBCD 板退化分析结果表明：通用元件中插件水泥电阻端电极有开裂、贴片电阻陶瓷基体存在裂纹都会造成阻值漂移风险；MLCC 电容端电极存在空洞会导致寄生电阻偏大，会造成电路中电压异常风险；铝电解电容存在铝壳破损及漏液现象，而电解液为腐蚀性液体，存在腐蚀 PCBA 及元器件的风险；贴片薄膜电容存在焊点开裂的现象，有容值漂移风险。分立器件中二极管、稳压管晶圆侧边发现有金属，存在金属迁移的现象；MOS 管晶圆存在介质层空洞，有导通异常风险；三极管晶圆与塑封存在分层现象，当在有水气的环境中，存在金属迁移的风险。光电元件中 LED 灯晶圆与载板存在分层现象，有导通不良、散热不良的风险。集成电路中内部存在明显的分层现象，当在有水气的环境中，存在迁移性差的风险。个别焊点通孔拐角位置发现开裂现象及引脚侧存在润湿不良现象，后续服役过程中存在可靠性差的风险，KBCD 板由 VVVF 逆变器、断路器箱、VVVF 控制箱、滤波电抗器、主隔离开关、主熔断器、母线熔断器、接地开关、母线接线箱、高压辅助熔断器箱、车间电源转换箱、司机控制器、头尾转换开关、108 芯连接器插头、108 芯连接器插座、108 芯连接器收藏座、母线连接器插头、母线连接器插座、绝缘管接头、直流电压表、直流电流表及光缆等组成，其中 VVVF 逆变器是牵引控制装置的核心装置。CCTV 板退化分析结果表明：机电元件中连接器插针部位镀层存在缺失现象，有导通不良风险。通用元件中贴片电阻 Ag 层出现空洞，Ni 元素聚集在 Ag导带位置，存在金属迁移、导通不良风险；阻排塑封体与电阻体、端电极存在开裂现象，在水气的条件下存在金属迁移风险；MLCC 电容端电极存在空洞现象；铝电解电容存在容值明显降低、铝壳被腐蚀、内部芯包有孔洞、介质层开裂以及电解液干枯的现象；钽电容钽芯存在大量孔洞，还存在制造问题。分立器件中二极管铜支撑载体与芯片存在开裂现象；MOS 管内部芯片与载板之间银胶存在空洞。集成电路中塑封IC 内部银胶与载板存在分层现象，会导致其散热不良；内部芯片侧边银胶高度过高，存在金属迁移风险；芯片键合有 IMC 生长过厚现象，存在键合断裂风险。插件焊点存在晶粒粗大、富铅疲劳老化特征，表贴焊点内部未见典型疲劳老化特征。4FMECA 分析结果根据维护故障数据对电气系统进行FMECA分析，结果如表 4 所示。由表 4 可知，维护情况下 VVVF 逆变器控制板的故障等级为，其危害度为 25。根据表中的故障等级和故障模式危害度，在日常维修中应重点关注，比如更换故障的 VVVF 逆变器控制板或者定期检查 VVVF 逆变器控制板电路状态。根据运营服务故障数据对电气系统进行 FMECA分析，结果如表 5 所示。由表 5 可知，运营服务情况下 VVVF 逆变器控制板的故障等级为，其危害度为 20。表 4电气系统维护 FMECA 分析表序号故障部件故障模式故障等级ijiji（10-4）t/dCi1ADAD 板卡故障110.796 537 66512KBCDKBCD 板卡故障112.638 937 66593IOIO 板卡故障116.637 537 66534VVVF逆变器控制板故障110.265 537 665255CCTVCCTV 板卡故障110.796 537 66512表 5电气系统运营服务 FMECA 分析表序号故障部件故障模式故障等级ijiji（10-4）t/dCi1VVVF逆变器控制板故障111.858 537 665202IOIO 板卡故障115.310 037 66513ADAD 板卡故障110.531 037 66524KBCDKBCD 板卡故障110.265 537 66575结论通过对1号线DKZ4型车关键板卡状态进行评估，评估结果表明，门控板、IO 板、AD 板、KBCD 板及CCTV 板分别抽取的元件退化比例均较高，大部分元件和焊接质量均处于退化状态，可靠性均已到损耗失效期，因此，上述板卡均无维修价值，建议在车辆检修期进行换新处理。另外通过 FMECA 分析可以表明VVVF 逆变器控制板卡故障危害度最大。参考文献：1耿民，徐涛，邱超军，等.考虑轴承游隙变化的高速列车牵引电机轴承疲劳寿命分析J.北京交通大学学报，2020，44（2）：136-142.2曲健伟.列车自动运行牵引策略在载荷变化时对准点性的影响分析J.城市轨道交通研究，2020，23（6）：14-18.（下转第 140 页）科技与创新Science and Technology&Innovation1402023 年 第 19 期设计参数如表 3 所示。表 3曝气生物滤池主要设计参数3项目数值项目数值分组/组4容积负荷/（kgBOD5m-3d-1）0.18空池停留时间/h2.94滤速/（mh-1）1.36气水比4.51气洗强度/（Lm-2s-1）14气洗+水洗强度/（Lm-2s-1）14+3水洗强度/（Lm-2s-1）6曝气生物滤池尺寸为 44.5 m14.5 m7.5 m，配置曝气风机 5 台，流量 8.6 m3/min，风压 63.7 kPa，功率 15 kW；整浇滤板 4 套，单套面积 76.5 m2；滤料1 224 m3，46 mm；空压机 2 台，流量 0.56 m3/min，压力 0.85 MPa，功率 4 kW；反洗风机 3 台，流量32.5 m3/min，风压 78.4 kPa，功率 75 kW；反冲洗泵3 台，流量 827 m3/h，扬程 15 m，功率 55 kW；反洗排水泵 2 台，流量 50 m3/h，扬程 14 m，功率 4 kW。2.6深度处理深度处理包括纤维转盘滤池和紫外消毒渠，土建设计规模分别为 1 万 m3/d、2 万 m3/d，设备安装规模均为 1 万 m3/d。纤维转盘滤池尺寸为 7.1 m5.5 m3.5 m，一座分 2 格，过滤精度 10 m，滤速 8 m/h，单组过滤器设置 6 个盘片，转盘直径 2 m，功率 1.1 kW。紫外消毒渠尺寸为 13.02 m4.30 m2.20 m，设置2 条渠道，仅在单条渠道配置紫外消毒设备，共 5 个模块 40 根灯管，功率 12.8 kW。3运行效果分析本工程于 2017 年底建设完成并进行调试，2018 年4 月试运行，试运行期间实际水量负荷约为设计水量的60%。试运行期间单位经营成本 2.068 元/m3，包括水电费 0.865 元/m3，药剂费、污泥处置费 0.439 元/m3，其他维修管理费、管理费等 0.764 元/m3。目前污水处理厂已满负荷运行，正在筹备中期建设，将处理规模提高到 2 万 m3/d。运行期间实际进出水水质如表 4 所示。可见，在进水水质偶尔超出设计限值的情况下，出水水质仍能稳定达标。满负荷运行期间单位经营成本1.579 元/m3，包括水电费 0.665 元/m3，药剂费、污泥处置费 0.405 元/m3，其他维修管理费、管理费等 0.509 元/m3。表 4实际进、出水水质单位：mg/L项目CODCrBOD5SSNH3-NTNTP进水138.2673.6（412.4）57.4233.7（133.9）52.1237.7（167.3）23.541.2（32.9）34.849.7（38.6）1.33.8（3.1）出水18.348.9（40.7）0.323.67（1.46）2.67.3（4.2）0.110.93（0.41）3.813.7（10.4）0.10.17（0.13）注：括号内为平均值。4结束语潜江某工业园区污水处理厂采用预处理+水解酸化+A2O+二沉池+混凝沉淀+臭氧接触氧化+曝气生物滤池+深度处理工艺，实际运行出水稳定达到城镇污水处理厂污染物排放标准的一级 A 标准。本工程所用工艺适用于 BOD5/CODCr值较低、难降解高分子有机物含量较高、厂区用地较紧张、排放标准较高的工业园区污水厂，能有效保证有机污染物和氮磷被去除。但本工艺流程比较复杂，投资较高，未来可开展更高效的脱氮除磷工艺研究，如短程硝化反硝化、自养反硝化、反硝化除磷等。参考文献：1张强.水解酸化在工业园区污水处理工程中的应用J.中国给水排水，2015，31（4）：14-17.2栗文明，白永刚，周军，等.臭氧催化氧化应用于工业园区污水处理厂深度处理工艺的选择及设计J.给水排水，2019，55（5）：90-93.3张自杰.排水工程（下册）M.5 版.北京：中国建筑工业出版社，2015.作者简介：邵小刚（1985），男，湖北黄冈人，硕士，工程师，注册公用设备工程师（给水排水），研究方向为市政给水、排水工程设计、水污染防治技术。（编辑：张超）（上接第 137 页）3吴春，赵宇纬，孙明轩.采用测量电压的永磁同步电机多参数在线辨识J.中国电机工程学报，2020，40（13）：4329-4340.作者简介：刘尧（1987），男，北京人，硕士，中级工程师，研究方向为地铁车辆车门、牵引、制动及网络维护和更新改造。（编辑：张超）