軍用電磁繼電器失效分析研究

摘 要： 軍用電磁繼電器的可靠性要求極高，任何失效情形必須找出失效原因，進行失效歸零。總結了軍用電磁繼電器的失效分析方法，并對貯存和使用過程中常見的失效模式及失效機理進行分析。針對機械變形、環境應力等影響電磁繼電器失效的典型因素及其作用機理進行詳細探討。在此基礎上，完成了兩個軍用電磁繼電器失效的實際案例研究。最后，結合失效機理研究提出電磁繼電器的可靠性改進措施。

關鍵字： 電磁繼電器； 失效分析； 失效模式； 失效機理

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）10?0131?05

0 引 言

電磁繼電器是一種由控制電流通過線圈時產生的電磁吸力來驅動磁路中的可動部分，從而實現出點的開、閉或轉換功能的控制元件，電磁繼電器具有轉換深度高、多路同步切換、輸入/輸出比大、抗干擾能力強的特點，常作為控制元件被廣泛應用于現代國防軍事、工業自動化、交通運輸及農業機械等領域中。

1 電磁繼電器的結構

對電磁繼電器進行全面的失效物理分析，剖析失效機理與失效模式，可以發現電磁繼電器的固有質量問題，也可能發現因不按規定條件使用而失效的使用質量問題。

2 電磁繼電器的失效分析方法

在進行外觀檢查時，引腳玻璃絕緣子等處應重點檢查，而電測試主要是要得到接觸電阻，電接觸壓降等參數，開封檢查則重點檢查機械部件有無變形，支架間隙是否合理，線圈有無損壞，觸頭污染情況等。最后，經過檢測確定失效點，并根據物理分析來確定失效機理，找出失效原因，得出失效結論。

3 電磁繼電器的失效模式與失效機理

電磁繼電器失效后電測試表現如下：分合線圈電路后動觸簧無動作；動觸簧有動作但是動作行程不滿足要求；觸頭連接上但電參數超差；電磁繼電器時而正常工作，時而不能正常工作。

3.1 機械變形對機械系統失效的影響

3.2 環境應力對電磁繼電器失效的影響

3.3 電弧放電對觸頭電接觸失效的影響

在電磁繼電器觸頭閉合的過程中，由于簧片自身的彈性，觸頭處會產生短時間的回跳。當兩個觸頭距離較小而兩端電壓較大的情況下會出現擊穿電弧（燃弧）。觸頭轉換包括吸合過程和釋放過程。吸合過程可分為靜合觸頭分斷過程、動觸頭自由運動過程、動合觸頭閉合過程，釋放過程可分為動臺觸頭分斷過程、動觸頭自由運動過程、靜臺觸頭閉合過程。因此觸頭轉換一次（包括線圈吸合和釋放）會出現4次燃弧過程和至步兩次回跳[5]。觸頭轉換過程中出現的觸頭間隙預擊穿和回跳現象，所產生的電弧是觸頭材料的侵蝕是造成電磁繼電器電接觸失效的主要原因。

在電感負載中，特別是電動機，開始通電時，電動機起動轉矩最大，因而起動電流就大。一般情況下，起動瞬態電流應是平均電流的5～15倍。如果選用的電磁繼電器余量過小，起動時的瞬態起動電流會大大超出繼電器的接觸電流范圍，電磁繼電器動作吸合過程中由于剛接觸時簧片的彈性，會產生短時問的同跳現象，正是瞬態接觸電流最大的時候，因接觸面積不夠大，產生吸合接觸瞬態大電流而接觸面積又小的情況，從而產生接觸電弧，電弧又產生高溫，使接觸點周圍的金屬熔化[1]。

3.4 殘留物與殘留氣體對電磁繼電器失效的影響

電磁繼電器的殘留物來源主要有如下兩個方面：一是生產過程中清洗工藝不足導致的殘留；二是使用一段時間后由于振動環境影響或者疲勞老化導致結構附著物脫落或者破碎。而殘留氣體主要來源是使用過程中內部材料釋放的雜質氣體[9?10]。

殘留物由于殘留位置的不確定性會導致機械卡死等問題，殘留氣體主要是會污染腐蝕部件，尤其在觸頭處微粒的堆積會形成微粒污染膜，氧化物、硫化物、氯化物等環境氣氛會形成腐蝕膜，表面水蒸氣結成水膜后會形成化學腐蝕膜，有機物氣氛會形成有機化學膜。實驗表面，密封繼電器的生產工藝過程中涉及的松香、真空膠和ZnCl2是形成這種觸頭表面各類污染膜的主要因素[11]。污染膜的形成會導致電磁繼電器觸頭的接觸電阻過大甚至超標而失效[12]。

3.5 密封失效對電磁繼電器失效的影響

裂

4 失效案例分析

4.1 失效案例一

失效背景：GJQX?20M/028?12型電磁繼電器失效件為2006年生產，出廠前已進行外觀檢查、絕緣電阻測試、耐壓測試、三溫測試等項驗收試驗，存放期間還要進行外觀檢查、絕緣電阻測試、耐壓測試、三溫測試、振動試驗、壽命試驗、跳流試驗等項定期檢驗。此次失效件已出廠使用2年左右，在使用中用來控制信號燈，負載電流170 mA。失效時出現常開觸點和動觸點常閉合現象，動觸點不可控。產品開罩后發現動簧片已不在常閉點上，而處在常開點和常閉點之間。

失效分析：失效檢測項目及結果如表2所示。由于失效件已被開封可以直接進行鏡檢觀察，發現動

簧片處在常開點和常閉點之間。用探針去撥動簧片發現動簧片已失去彈性，檢查動簧片整體發現動簧片在根部處已斷裂。將繞組線圈部分拆除，取出簧片觀察從動簧片斷裂口可以判斷出是由于機械應力導致的斷裂。一般簧片斷裂可以分為三種情況，第一種是由于在生產加工中對材料造成了機械損傷導致其材料本身的強度降低，在振動條件下所產生的外應力使其斷裂，但是在對動簧片檢查時沒有發現動簧片受到機械應力損傷的痕跡，因此排除了此種可能性。第二種是動簧片本身在材料上存在某種缺陷使其強度降低，在振動條件下所產生的外應力使其斷裂，但是根據對斷裂口的鏡檢觀察，沒有發現金屬新舊斷裂面的存在和金屬結構異常情況存在，因此也排除此種可能性。第三種就是完全因為外應力導致其斷裂，作為簧片本身存在彈性，彈性是在簧片可變形的運動方向，而垂直簧片運動方向的外應力相比之下就非常容易使簧片斷裂。

失效分析結論：該電磁繼電器失效是由于在飛機上使用時的振動產生了和動簧片運動方向相垂直的外應力。致使動簧片斷裂，導致整個繼電器的這一組功能失效。

4.2 失效案例二

電路中各元器件也不可能外觀保持完好。失效分析結論：綜上分析可以判斷出該密封混合延時繼電器的損壞是由于繞組輸入端存在正向瞬態過高電壓導致內部SY2039雙向電壓瞬態抑制二極管保護導通，致使繼電器繞組正負極端子內部引線過流熔斷，延時繼電器過壓受損。

5 結 語

針對電磁繼電器，總結了進行失效分析的一般流程，對常見的失效模式與失效機理開展了研究，并完成了兩個失效案例分析。通過失效分析，對電磁繼電器的工藝提出改進建議和可靠性改進措施，可為提高電磁繼電器的固有可靠性提供支持。要提高電磁繼電器可靠性，必須從電磁繼電器的失效機理出發，采取切實可行的措施。在生產過程中要加強工藝控制和管理，如改進機械部件的生產工藝和安裝技術，提高機械部件的精度，機械部件成型后延長應力釋放期，清理封裝內的多余物與殘留物，控制腔內氣體以及化學殘留物成分，改進密封性工藝并加強密封性檢查，嚴格控制線圈繞制過程中的機械損傷，線圈引線應留出足夠的余量，控制各個焊接處的焊接參數，避免內部焊接不牢帶來的失效。使用過程中，應該注意選用額定電流較大的電磁繼電器型號，以增大負載余量，減少接觸電弧帶來的不利影響，提高可靠性。另外要注意減小使用環境的振動，采取緩沖措施，防止外部和內部的機械損傷。經常檢查電磁繼電器的密封性，防止破損后雜物、水汽、有害氣體進入腔內造成機械損傷或對部件的腐蝕。篩選時應加強多余物碰撞檢測，減小日后使用過程中失效的隱患。

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