繼電器失效原因及可靠性分析

姚逸飛

摘要：電磁繼電器依靠控制電路的供電，通過觸點的閉合斷開來進行信號傳遞、主電路通斷等功能的電子元器件。其可靠度的高低直接影響到整個系統的可靠度，鑒于近期蘇州三號線正線頻發由于繼電器偶然失效導致的正線故障，本文將在失效原因及可靠性兩方面對地鐵電磁繼電器進行探討。

關鍵詞：繼電器;失效原因;可靠性分析;

1、前言

繼電器由于其廣泛的運用性，在地鐵列車上也扮演著極其重要的角色。地鐵列車的數字量信號傳遞、邏輯控制、主電路供電等均依靠繼電器的動作來實現。以蘇州三號線車輛專業為例，在車上使用的繼電器（包含延時模塊）就高達134個。

因此，提高繼電器的可靠性，將對電客車的可用性有直接影響，此項課題是困擾地鐵車輛工程師多年的頑疾。本文將從：①繼電器工作原理②繼電器失效方式及原因③繼電器可靠性分析三各方面對地鐵繼電器進行分析探討。

2、繼電器工作原理介紹

繼電器的種類繁多，以蘇州項目使用的密封式繼電器為例，主要有線圈、動觸點、靜觸點、動作機構及繼電器外殼組成。線圈與動靜觸點是繼電器最重要的部件之一，當繼電器接入電源后，線圈中產生電磁力，動觸點上的銜鐵或永久磁鐵收到電磁力吸引后，向靜觸點移動最終接觸閉合。動靜觸點閉合后，主回路即導通。線圈中的電磁效如下：

上式為繼電器電磁機構吸合特性。[1]

分析上式可知，繼電器線圈得電到銜鐵動作之前，線圈中的電流逐漸增大，電磁力逐漸增大，最終吸引帶銜鐵的動觸點與靜觸點閉合。

3、繼電器失效原因分析

繼電器失效形式主要有：①結構失效②動作及特性失效③接觸失效④誤用失效這四種失效方式。其中又以觸頭接觸失效最為普遍，其比例可達75-85%。

觸頭接觸失效又分為3類：

①磨損失效

在常年累月的繼電器工作過程中，隨著動靜觸頭的頻繁吸合斷開，往往會伴隨著物理性的磨損。當磨損到達一定程度時，電磁力吸附動觸頭到極限導程后，仍無法與靜觸點接觸，無法形成主回路通路，這就造成了繼電器故障，也稱“磨損失效”

②橋接失效

當靜觸點的材料，在高溫或其他原因的作用下剝落，附著在動觸頭上，最終導致線圈不通電的時候動觸頭與靜觸頭沒有間隙，直接導通，造成主回路常通，這樣的故障也叫“橋接失效”。

③污染失效

污染失效往往是由于繼電器觸點間進入了其他雜質導致的，這種情況在密封式繼電器中較為少見，因為密封式繼電器除了在生產過程中觸點是暴露在外界環境中的，其使用時動靜觸頭與外界環境是隔開的。在非密封式繼電器使用時，外界環境的好壞會直接影響繼電器的使用壽命，在高污染的環境下，非密封式繼電器極易產生觸點黏連，又稱“粘結失效”。

粘結失效可分為：①動態粘結②靜態粘結。

①動態粘結指繼電器在斷電時，動靜觸頭間有大電流，導致其分離時產生高溫電弧，將動靜觸頭的表面材料溶解，冷卻粘結。除了繼電器本身制造工藝，觸點材料等影響因素外，繼電器斷電時減少負載（即減小電流）也是避免動態粘結的重要手段。所以盡量在負載停止工作的情況下進行控制回路斷電。

②靜態粘結的形成比動態粘結少的多，在一個生產工藝符合標準，觸點材料使用規范的繼電器使用中，很少會遇到靜態粘結。靜態粘結主要看繼電器工作時其觸點的發熱情況，減小動靜觸頭接觸電阻、減小工作電流（控制負載）或縮短繼電器持續工作時間都可以避免靜態粘結的產生。

繼電器的吸合力依靠線圈產生的電磁力，在額定電壓的輸入下，線圈產生的電磁力是不變的，銜鐵受到電磁力帶動動觸點向靜觸點移動，最終動靜觸頭接觸閉合。在動觸頭移動的導程中，會存在一定的反力。若繼電器中進入其他雜質，導致動觸頭移動的反力增大，或線圈故障導致吸引力減小，都會導致繼電器通電后，動靜觸頭不接觸，主回路無法導通，這種故障歸類為動作及特性失效。

4、繼電器可靠性分析

可靠性定義：產品在規定條件下，規定時間內完成規定功能的能力。

目前可靠性分析方法有很多，常見的有FMECA，FTA。高級的有云模型分析和灰色理論分析。本文著重使用前兩種分析方法。

FMECA方法是分析系統中每一產品所有可能產生的故障模式及對系統造成的所有可能影響，并按每一故障模式嚴重程度及其發生概率排序，從而發現設計中潛在的薄弱環節，通過有效地補措施，以消除或減少故障出現的可能性，提高產品的質量和可靠性。

FMECA分為系統定義、FMEA和CA三個主要步驟。可細分為：

（1）明確分析范圍

（2）系統任務分析

（3）系統功能分析

（4）確定產品故障判據

（5）故障模式分析

（6）故障原因分析

（7）故障影響分析

（8）故障檢測方法分析

（9）補償措施分析

（10）危害性分析

按嚴重程度分類：A無法容忍的;B嚴重的;C可容忍的;D輕微的。

故障樹定性分析是尋找某個故障事件基本原因的可靠手段，由于每個故障事件的發生都是由一個比較微小的根源或根源集構成的。通過分析列舉出可能導致事件的原因，將其列舉成故障樹，利用上行法求故障樹的最小集合并簡化，出現次數最多的原因即最可能導致事件發生的原因。

由于篇幅限制，本文僅對蘇州三號線DIR繼電器的5個觸點失效進行FTA分析。故障樹建造的實質是尋找所研究系統故障和導致系統故障的各因素之的邏輯關系，并將這種關系用故障樹圖形符號表示，其中：T表示頂事件，M代表中間事件，X代表底事件。

建立故障樹后，運用上行法進行計算：

M1=X4*X6 ?M2=X2 ?M3=X1 ?M4=X4* ? M5=X3*X6 ?M6=M1 +M2=X4*X6+X2 ?M7=X5

最終T1=M1+M2+....M7=X1+X4* +X3*X6+（X4*X6+X2）+X5

可得最小割集：{X1}，{X4* }，{X3*X6}，{X4*X6+X2}，{X5}。

其中X1-X6的定義分別為：

X1：DIR的DRV/3.C6觸點故障 ? ?X2：DIR的PRO/3.B5觸點故障

X3：DIR的TCMS/7.C4觸點故障 ? ?X4：DIR的ATC/13.C6觸點故障

X5：DIR的DRV/3.C2觸點故障 ? ?X6：列車處于零速狀態

最小割集是導致頂事件發生的原因的組合，求出最小割集后，如果數據足夠，能夠給出故障樹中各個底事件發生的概率，可進一步作定量分析。當底層數據不足以支撐定量分析時，也可只進行定性分析。組成最小割集的底事件越少，此項底事件就越重要，因為僅需要觸發一個底事件就會導致頂事件的發生;組成最小割集的底事件數量相同時，應比較該割集中底事件的出現次數，出現次數越多，該底事件越重要。按照上述分析的最小割集，可見其中X4出現次數較多（DIR的ATC/13.C6觸點故障），應重點關注此事件。

對于DIR的PRO觸點及ATC觸點，在設計時就考慮到其故障情況，在電路圖中加入了DBPS（門旁路旋鈕）用于旁路DIR在這兩個系統中的觸點。故即使DIR的單個觸點或DIR繼電器整個故障，都可以用DBPS來旁路掉DIR使列車保證基本的運行能力。

5、總結

本文主要對蘇州三號線使用的密封式電磁繼電器進行了原理介紹、失效形式分析、可靠性分析。為了減少列車故障率，提高繼電器的可靠性，我們需要選擇做工良好，設計符合實際運用的廠家品牌和繼電器型號。定期檢查電器柜內繼電器狀態，為繼電器提供一個良好的工作環境。最后針對蘇三頻發的DIR繼電器失效問題，需要重點關注DIR串入ATC的觸點。

考慮到正線運行DIR發生故障時的情況，列車設計了DBPS用于保證列車基本運行能力。故發生故障時要求司機熟悉正線故障應急處理指南，并且處理迅速準確，減少故障晚點率。

參考文獻

[1]管永超.不同類型負載下電磁繼電器失效模式研究排[D].哈爾濱.哈爾濱理工大學，2016.

[2]江長流.繼電器可靠性提升探討[J].電工材料，2017，No.3：23-26.