航天繼電器貯存過程吸合時間退化機理研究

葉雪榮 林義剛 黃曉毅 翟國富

(哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院 哈爾濱 150001)

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航天繼電器貯存過程吸合時間退化機理研究

葉雪榮 林義剛 黃曉毅 翟國富

(哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院 哈爾濱 150001)

航天繼電器作為一種密封的電器元件，其貯存可靠性對于導彈等武器裝備至關重要。如何測試評價航天繼電器在貯存過程中性能及可靠性的衰退，是繼電器用戶和廠家非常關心的問題。利用開發的實驗系統對某型號航天繼電器進行了貯存加速實驗，得到了吸合時間的變化規律。分析并驗證了貯存過程中吸合時間變化的主要原因是簧片應力松弛所導致的反力變化。通過仿真與實驗均證實了吸合時間與簧片初力存在近似的線性關系，進而提出可采用吸合時間來表征簧片的應力松弛退化特性。建立了高溫條件下繼電器吸合時間的貯存退化模型，為進一步研究繼電器貯存可靠性及貯存壽命預測奠定了基礎。

航天繼電器 貯存 吸合時間 應力松弛

0 引言

航天繼電器是國防武器裝備系統中不可缺少的關鍵元器件之一，其貯存可靠性直接影響國防武器裝備系統的可靠性。李子先等[1]通過故障樹分析方法，對密封電磁繼電器貯存條件下的失效模式進行了歸納分析，提出了故障診斷方法。陸儉國等[2]分析了航天電磁繼電器的貯存失效機理，并利用灰色理論對加速貯存壽命實驗數據進行了預測。王召斌等[3,4]從失效物理的角度對航天電磁繼電器接觸失效進行了研究，建立了溫度應力下的航天電磁繼電器貯存退化物理方程。

航天繼電器貯存過程中，其簧片、線圈、骨架、漆包線以及磁性材料等均會發生一定程度的退化，從而影響繼電器的動作特性或接觸性能。對于長期貯存的航天繼電器，利用貯存過程的測試數據準確評估其性能衰退程度并預測未來的工作特性，對于廠家和繼電器用戶均具有至關重要的意義。

繼電器的吸合過程由電磁系統與觸簧系統配合完成，M. Hammerschmidt等[5]指出，吸合時間作為可表征繼電器吸合過程的特性參數，與觸點間隙、接觸壓力等機械參數存在確定的關系。因此，吸合時間退化數據包含了反映繼電器零部件退化的特征信息。在貯存過程中，電磁系統的退化主要體現為線圈漆包線電阻的變化，而觸簧系統的退化主要由簧片應力松弛引起，二者的共同作用導致了繼電器吸合時間的退化。

目前國內外學者對材料的應力松弛研究的比較深入[6-9]。A.Fox[10]在研究鈹銅合金條材的彎曲應力松弛特性時指出，應力松弛的下降率與時間的對數呈線性關系。K.Hashizume等[11]在研究了彈簧用銅合金板材的應力松弛特性后，建立了Hashizume公式。朱永慶等[12]對繼電器接觸簧片材料(國產錫青銅和鈹青銅帶材)進行了加速應力松弛實驗研究，從短期內的變化規律推算了長時間的應力松弛量。已有研究大多單從材料的角度研究應力松弛，本文在對航天繼電器進行貯存加速實驗時發現，吸合時間在貯存過程中變化較為明顯且具有特定的趨勢，通過分析導致吸合時間退化的原因后，提出采用吸合時間表征簧片應力松弛貯存退化特性，并建立了退化模型，可為繼電器貯存可靠性研究提供參考。

1 繼電器貯存加速實驗及結果

1.1 航天繼電器貯存環境應力分析與貯存加速應力 的確定

航天繼電器的貯存過程會受到多種環境因素的影響，包括溫度、濕度和振動等。表1中給出了某裝備用航天繼電器25年貯存期內的力學環境統計及其耐力學指標。

表1 某航天繼電器貯存期內的力學環境統計

由表1可見，繼電器貯存過程中所受的振動加速度很小，遠低于其能夠承受的力學環境指標。此外，在25年的貯存期內，與一直作用于繼電器的溫度應力相比，力學應力的總計作用時間僅為71 h，占全部貯存時間的0.032 4%，所能夠造成的振動磨損、機械疲勞微乎其微，完全可以忽略。因此本文在進行加速貯存試驗時，不考慮振動應力的影響。

溫度作為持續作用于航天繼電器整個貯存過程的環境因素，與退化過程的化學反應速率有著直接的關系，對繼電器等電子元器件的影響也是顯而易見的。已有文獻指出，溫度因素是導致繼電器貯存失效的最主要環境因素[2]。而對于濕度而言，由于航天繼電器采用金屬殼密封結構，且生產過程內部水汽含量控制較嚴，因而，可以認為貯存時濕度所帶來的影響很小。綜上，本文經比較分析后，將溫度確定為加速貯存應力。

在常溫貯存時，繼電器性能退化極為緩慢，因此需要在不改變產品失效機理的前提下進行加速退化實驗[13,14]:通過提高貯存實驗應力水平的方式加快繼電器性能的退化，然后基于實驗過程中測得的性能退化數據研究繼電器性能貯存退化規律及可靠性[15,16]。本文所研究的某型號航天繼電器，其最低耐溫等級的材料為H級“6050聚酰亞胺薄膜”，所允許的最高使用溫度是180 ℃。為了避免因超過該極限溫度而引入新的失效模式，同時在保證失效機理一致性的前提下盡可能提高實驗對象的性能退化速率，本文將實驗溫度設定為170 ℃。

1.2 實驗系統與實驗過程

本文利用文獻[17]開發的接觸電阻和時間參數測試系統進行貯存加速實驗，測試系統的總體框圖如圖1所示。整個測試系統由恒溫箱、繼電器切換電路、接觸電阻測試電路、時間參數測試電路、下位機和上位機系統軟件構成。恒溫箱中放置的待測繼電器經由切換電路輪流接入至測試電路中，進行接觸電阻和時間參數的測試。下位機除用于控制恒溫箱的溫度和濕度以及切換電路的切換狀態外，還負責將測試數據送入上位機系統軟件中對數據進行分析、處理。

圖1 測試系統總體結構框圖Fig.1 Major structures diagram of test system

實驗過程中，每隔72 h將繼電器溫度恢復至室溫，并測量一次繼電器的接觸電阻及吸合時間等性能參數。實驗繼電器的電磁系統和觸簧系統如圖2所示，其線圈電壓為直流28 V，觸點負載為5 A。線圈通電后產生電磁吸力，銜鐵在電磁吸力與簧片反力的合力作用下運動，推動器推動動簧片與動合靜簧片接觸，動合觸點閉合，繼電器吸合。

圖2 實驗繼電器結構Fig.2 Schematic structure of EMR for test

1.3 吸合時間的測試結果

吸合時間是指繼電器線圈加電到動觸點首次碰撞動合靜觸點所需的時間。利用上述實驗系統對10只繼電器進行為期210天的貯存加速實驗，獲得這些繼電器的吸合時間數據。從統計的角度分析吸合時間的退化規律，10只繼電器吸合時間平均值的趨勢如圖3a所示，可以看出在高溫長期貯存時吸合時間變化曲線明顯呈兩段式下降，第一階段下降較快，而在第二階段曲線逐漸趨于平緩。在0～2 000 h區間，吸合時間減小約220 μs，而在2 000～5 000 h區間，吸合時間減小約50 μs，可知吸合時間的退化大部分發生于第一階段。對整個加速貯存實驗過程中每次測量的吸合時間數據繪制箱線圖，如圖3b所示，可見10組吸合時間的退化趨勢均呈兩段式下降。

圖3 吸合時間退化趨勢Fig.3 Degradation trend of pick-up time

2 吸合時間變化原因分析

將電磁系統所產生電磁吸力(或力矩)在氣隙處的歸算值與此處銜鐵行程(或銜鐵轉角)之間的關系稱為吸力特性。將觸簧系統所產生機械反作用力(或力矩)在氣隙處的歸算值與此處銜鐵行程(或銜鐵轉角)之間的關系稱為反力特性[18]。當吸力特性曲線高于反力特性曲線時，繼電器吸合，反之繼電器釋放。典型繼電器吸、反力特性曲線如圖4所示。圖4中，1、3、4為不同線圈電壓下的吸力特性，而機械反力特性則由四段折線構成：S=0處表示銜鐵開始運動；0～S1段指從銜鐵開始運動到推動桿與動簧片剛剛接觸的階段，該階段反力特性僅受返簧的影響；S1～S2段為推動桿與動簧片接觸到動簧片與靜合靜觸點剛剛分離的階段，這一階段的機械反力體現為返簧、動簧片和靜合靜簧片的共同作用；S2～S3段表示動簧片在觸點間隙之間運動的過程，該過程反力特性受到動簧片與返簧的共同作用；從S3開始為第四階段，表示動簧片與動合靜觸點接觸之后的運動過程，此階段反力特性受到返簧、動簧片與動合靜簧片的綜合影響。

圖4 典型繼電器吸、反力特性曲線Fig.4 Typical graph of attractive force and spring force characteristics of EMR

繼電器的吸合過程是在吸力和反力的共同作用下進行的，吸合時間的減小可由吸力變大或反力減小造成，即二者的合力變大使簧片運動加快，從而導致吸合時間變短。

2.1 貯存過程吸、反力特性的變化

吸力由線圈勵磁使磁系統磁化產生，對于本文所研究的航天繼電器，其磁系統包括磁性材料(DT4E)及線圈。文獻[19]指出，在不經受較高溫度與沖擊應力的條件下，可以認為磁性材料的磁性能基本不發生改變。而貯存過程線圈的退化主要體現為漆包線電阻的變化，繼電器貯存加速實驗中線圈電阻的測試結果見表2，可見，線圈電阻雖略有增加的趨勢，但阻值變化僅約0.2%。此外，由于繼電器在貯存過程中的動作次數十分有限，且影響磁系統中磁氣隙大小的鐵心、長/短軛鐵及銜鐵均為剛體，在貯存過程中其形狀及相對位置并不會發生變化，因而，可以認為磁氣隙不會發生變化。綜合考慮貯存過程中磁系統的變化情況，可以認為吸力將基本保持不變，即貯存過程中吸合時間的變化并非由吸力變化導致。

表2 實驗中的線圈電阻測量值

反力由簧片提供，作為彈性元件，簧片在貯存過程中會發生應力松弛，其結果是造成簧片的反力減小。在吸力基本不變的情況下，反力的減小將使吸合過程加快，從而導致吸合時間的減小。圖5中給出了吸合時間變化趨勢與典型應力松弛曲線的對比情況。

圖5 吸合時間變化與典型應力松弛曲線對比Fig.5 Comparison of pick-up time degradation trend and typical stress relaxation curve

如圖5中曲線1所示，在應力松弛過程的初始階段，應力下降較為劇烈，之后逐漸趨于緩慢，這與圖5 中曲線2所示的吸合時間兩段式下降趨勢相吻合，顯然反力與吸合時間的變化也是同方向的。因此可以初步判斷貯存過程中吸合時間的變化是由簧片應力松弛造成的。

進一步，如果能夠證明反力與吸合時間呈線性關系，則可認為所監測得到的吸合時間退化數據將能直接用于反映反力(即簧片)的衰退程度。這對于研究密封式航天繼電器的貯存可靠性具有重要的理論意義和實用價值。

2.2 吸合時間與反力特性的關系

為了研究繼電器吸合時間與反力特性的對應關系，本文采用MSC公司的ADAMS虛擬樣機軟件對繼電器進行了建模(如圖6所示)與動態特性仿真，通過改變簧片反力，得到對應的吸合時間值。

圖6 繼電器的有限元模型Fig.6 Finite element model of certain relay

通過分析繼電器的結構可知，在貯存過程中，動簧片、靜合靜簧片及返簧均存在一定的預變形量，因而將發生應力松弛，而動合靜簧片則處于自由狀態，可以認為其不會發生應力松弛。由簧片應力松弛導致的反力特性變化將表現為圖4中曲線2的整體變化，初力對應于該曲線的S2處，是推動銜鐵端部使動簧片與靜合觸點恰好分離時的力，通過前文對曲線2各段的影響因素分析可知，S2處反力的大小受到動簧片反力、靜合靜簧片反力及返簧反力的綜合影響，因而其變化可體現三者的應力松弛情況，故此，本文選定初力作為代表繼電器反力特性的參量。不改變繼電器尺寸參數及動、靜簧片的相對位置，以0.005 N為步長,在[0.65 N,0.75 N]范圍內改變初力值，獲得反力特性與吸合時間的關系如圖7所示。

圖7 仿真得到的簧片初力與吸合時間關系Fig.7 Simulation results of the relationships between reed initial forces and relay pick-up time

可見，簧片初力與吸合時間基本呈線性關系，相關系數為0.997 0，線性方程為

Tsim=3 705.59Fsim+804.09

(1)

式中，Tsim為仿真得到的吸合時間；Fsim為仿真所設置的初力值。

2.3 實驗驗證

另取新的航天繼電器樣品進行貯存加速實驗，為了便于初力測量，對實驗繼電器進行開殼處理。實驗過程中，繼電器初力及吸合時間的定期監測分別通過文獻[20]中的靜態吸反力特性測試系統與文獻[17]中的時間參數測量裝置完成。實驗溫度同樣設置為170 ℃，實驗共進行600 h，每隔200 h將繼電器恢復至室溫進行初力值及吸合時間的測量。

實驗繼電器初力的變化如圖8所示，從圖中可以看出實驗過程中初力逐漸減小，意味著簧片反力發生了退化。

圖8 簧片初力實測結果Fig.8 Test results of reed initial forces

實驗繼電器吸合時間與初力值的對應關系如圖9所示。可以看出，隨著實驗時間的增加，吸合時間和初力都在減小，且近似為一條直線，相關系數為0.989 3，線性擬合結果如圖9中直線所示，線性方程為

Ttest=3 538.04Ftest+900.08

(2)

式中，Ttest為實測吸合時間；Ftest為實測初力值。這也進一步表明，貯存過程中吸合時間的變化是由于反力而不是吸力的變化引起的，且吸合時間與初力呈局部線性的關系。

圖9 實驗得到的簧片初力與吸合時間關系Fig.9 Test results of the relationships between reed initial forces and relay pick-up time

仿真和實驗結果均證實了吸合時間與初力的近似線性關系，對于仿真和實驗結果所存在的細微偏差，則是由生產過程中不確定因素所導致的航天繼電器個體差異造成的，不影響分析結果。

上述分析表明，利用吸合時間的監測結果來反映繼電器貯存過程中簧片的應力松弛情況是可行的，這對于研究密封式航天繼電器貯存性能退化及貯存可靠性具有重要的現實意義。進一步而言，可通過建立吸合時間的退化模型，評估并預測簧片乃至整個繼電器的貯存可靠性。

3 吸合時間貯存退化模型

結合吸合時間和初力的近似線性關系，基于應力松弛理論，可推導出繼電器貯存過程中吸合時間的退化模型。常用的應力松弛模型是Larson-Miller[21]提出的用于概括應力松弛數據的經驗公式，為

θ=F(S)=(1.8T+491.67)(lnt+C)

(3)

式中，θ為Larson-Miller參數；T為攝氏溫度；t為時間；C通常取為20。

選擇式(3)中F(S)為應力松弛實驗中的剩余初力百分率，即

FS/F0=(1.8T+491.67)(lnt+20)

(4)

式中，FS為S時刻的初力值；F0為0時刻的初力值。

吸合時間與初力的近似線性關系為

TS=kFS+c

(5)

將式(4)帶入式(5)可以得到貯存過程中吸合時間的退化模型為

TS=kF0(1.8T+491.67)(lnt+20)+c

(6)

應用式(6)的模型對前述貯存實驗數據進行最小二乘法非線性擬合，結果如圖10所示，可見模型吻合程度較好。

圖10 吸合時間測試數據及模型計算值Fig.10 Measure and calculate results of pick-up time

4 結論

1)利用貯存加速實驗系統對航天繼電器進行貯存加速實驗，測得了高溫貯存狀態下吸合時間的退化數據。數據顯示，吸合時間的退化趨勢呈兩段式下降，在開始階段下降的比較劇烈，而后逐漸趨于平緩；吸合時間的退化大部分發生在第一階段。

2)通過分析吸合時間的貯存退化機理推測出，航天繼電器貯存狀態下吸合時間的變化主要由簧片應力松弛導致的反力變化造成，受吸力影響不大，實驗結果亦驗證了這一推測。

3)仿真結果和實測數據均表明，吸合時間與初力存在近似線性關系，這意味著通過吸合時間的變化規律來研究貯存過程中的應力松弛效應是可行的。

4)建立了高溫貯存條件下航天繼電器貯存過程吸合時間退化模型，并基于實驗數據對該模型進行了擬合，擬合結果表明該模型能夠很好地反映吸合時間的貯存退化過程，為下一步基于吸合時間進行繼電器貯存可靠性評估奠定了基礎。

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(編輯 于玲玲)

Research on Storage Degradation Mechanism of Aerospace Electromagnetic Relay Pick-Up Time

YeXuerongLinYigangHuangXiaoyiZhaiGuofu

(School of Electrical Engineering & Automation Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China)

As a hermetically sealed electrical component, the storage reliability of aerospace electromagnetic relay (EMR) plays an important role in weapons, such as missiles. How to test and evaluate the performance degradation and storage reliability of aerospace EMR are widely concerned by both relay consumers and manufactures. Through the storage accelerated degradation testing of a certain type of aerospace EMR based on a self designed testing system, the degradation data of pick-up time were obtained and analyzed. According to the analysis of degradation mechanism of pick-up time in long-term storage, reed force degradation caused by stress relaxation was verified to be the main cause. The results of both simulation and testing show that pick-up time is approximate linear relation to reed initial force. Then pick-up time was chosen as the indication of reed stress relaxation degradation. Meanwhile, the pick-up time degradation model under high temperature was built, and it could provide the basis for latter aerospace EMR storage reliability assessment and life prediction.

Aerospace electromagnetic relay, storage, pick-up time, stress relaxation

國家自然科學基金項目(51377029)和火箭軍武器裝備科研項目(二炮2014年002號)資助。

2016-04-06 改稿日期2016-09-06

TM581.3

葉雪榮 男，1981年生，副教授，博士生導師，研究方向為電器失效物理、電器可靠性與測試技術。

E-mail:xuelai1981@163.com

林義剛 男，1985年生，博士研究生，研究方向為電器貯存可靠性、加速試驗及壽命預測技術。

E-mail:linyg1985@foxmail.com(通信作者)