某功率型繼電器抗振性提升措施

張 杰

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

繼電器廣泛應用于軍用航天、航空、兵器、船舶等領域，元器件所處的環境條件非常惡劣，對元器件的耐環境能力要求較高，特別振動試驗的高量級振動和耐久振動試驗[1]最能直接體現產品的整體耐環境能力水平。通過對施加外部力學應力，考核繼電器內部結構抗諧振和軸孔耐磨能力，發現結構設計缺陷和裝配制造缺陷等引起的故障模式。本文通過對某功率型繼電器振動失效故障進行分析、故障定位，確定產品結構薄弱點，進而針對性的提出了產品的結構改進措施，通過仿真分析和驗證試驗，切實提高了產品的抗振性，滿足用戶的使用要求。

2 故障模式及問題定位

某功率型繼電器在某用戶整機可靠性試驗階段，耐久振動試驗過程中出現常開加電不通故障，對失效繼電器經X光機透視，發現銜鐵、簧片端部與殼之間存在明顯間隙，未產生接觸，見圖1。啟封后，發現產品內部存在許多細小黑色有機物粉末，其他未見異常，見圖2。

圖1 X射線檢查圖示

圖2 黑色粉末圖片

進一步對故障繼電器各部件分解，檢查銜鐵轉軸等部位，發現銜鐵轉軸磨損嚴重，轉軸端部磨損形成了明顯的小臺階，且有大量黑色粉末，銜鐵轉軸及配合蓋板孔磨損見圖3、圖4。收集產品內部黑色粉進行成分分析，分析結果見圖5。

圖3 銜鐵轉軸磨損圖示

圖4 支架孔磨損圖片

圖5 成分分析結果

根據成分分析結果，黑色粉末應為銜鐵、支架在振動摩擦高溫下形成的氧化金屬粉末，在孔口附近的成分基本為鋅白銅支架材料，吸附有少量的銜鐵脫落物。

通過上述對故障產品分析檢查，可以定位產品振動試驗中出現加電常開不通故障是由于銜鐵軸和蓋板孔在振動應力作用下軸孔磨損嚴重，導致軸孔配合間隙變大，產品加電后銜鐵軸在孔內的支點發生偏移，超行程減退，最終引起產品加電后常開不通故障。

3 結構仿真及常開不通分析

3.1 固有頻率分析

分析該功率型銜鐵組合部分的固有頻率，此分析為有預應力的固有頻率分析，因此選用Pre-Stress Modal模式，邊界條件設定如圖6。軸只能轉動，因此給軸圓柱約束，僅保留轉動自由度，給一個底面無摩擦約束，使其僅能在其平面內運動，兩個復原簧片上的復原力為0.36N。

圖6 邊界條件設定

得出前六階固有頻率如圖7所示，頻率分別為951Hz、1114Hz、5205Hz、5288Hz、6128Hz和6135Hz。

圖7 前六階固有頻率

對用戶殼體振動量級監測，監測結果見圖8所示。

圖8 控制盒殼體振動監測圖

通過圖8可以看出，用戶殼體的諧振頻率段為800Hz～1200Hz,而產品銜鐵組合部件的一階、二階固有頻率為951Hz、1114Hz，與用戶殼體的諧振頻率段重合，容易導致產品銜鐵組合部件在該頻率段出現諧振放大。

3.2 加電常開不通原因分析

某功率型繼電器銜鐵為整體軸結構，銜鐵兩端軸是在銜鐵冷沖成型后車制加工而成，銜鐵材料為電工純鐵DT4C，硬度低、耐磨性差；蓋板孔材料為鋅白銅，硬度相對電工純鐵高。產品在耐久振動過程中，受軸孔材料耐磨性差和諧振放大的共同影響，銜鐵軸孔微動磨損加劇，產生大量的摩擦脫落黑色聚合物，隨著振動時間的加長，軸孔接觸部位配合關系受到破壞，導致軸孔配合間隙變大，產品加電后銜鐵軸在孔內的支點發生偏移，超行程減退，最終引起產品加電后常開不通故障。

4 產品改進

4.1 產品改進方案

為提高銜鐵軸的耐磨性，將銜鐵整體軸結構更改為銜鐵分體軸結構[2]，提高軸的硬度和耐磨性。

4.2 改進方案分析

(1)軸材質由DT4C改進為不銹鋼材質，提高了軸的耐磨性能，有利于產品耐久振動性能。

(2)分體軸結構可以采用磨削加工，提高了軸尺寸的一致性和表面質量，銜鐵整體軸公差范圍為±0.02mm；分體軸的公差范圍提高到±0.005mm，銜鐵整體軸采用車制加工，軸的表面粗糙度控制在0.8以下；分體軸采用磨削加工，軸的表面粗糙度可以保證在0.4以下，提高了軸的表面質量。

(3)避免銜鐵軸不清角影響，銜鐵整體軸經常存在軸根部不清角的問題，容易導致產品振動時出現不動作問題，采用分體軸結構后該問題可以解決。

4.3 結構改進后工藝保證措施

(1)鉚裝后垂直度保證措施

為保證銜鐵組合鉚裝后的垂直度，在銜鐵鉚裝后增加投影檢查工序，剔除軸與銜鐵組合超差大于1°的銜鐵組合，避免銜鐵歪斜影響。

(2)銜鐵軸牢度保證措施

為保證銜鐵與軸鉚裝后牢度滿足環境應力和溫度應力的影響，銜鐵鉚裝后要求進行小軸鉚裝牢度檢查：用30N±2N的力推小軸，小軸不應松動。

(3)改進后銜鐵磁效能保證措施

通過電磁仿真分析，改進后磁路部位未出現磁飽和現象,具體分析如下：

分析兩個線圈通反向電流、銜鐵和鐵心有1mm邊距時的場強分布情況。在Maxwell中建立三維模型，加載電流載荷如圖8，電流大小根據給定電壓、電阻及匝數設定為155安匝。

圖9 電流載荷

得出整體場強分布如圖10，鐵芯處場強最大，最大場強不超過1.6T(電工純鐵DT4C飽和磁場強度為1.8T。

圖10 場強分布圖

5 改進后產品驗證試驗

5.1 驗證試驗

抽取10只產品進行試驗摸底，試驗主要考核產品耐久振動性能和銜鐵分體軸結構抗溫度交變應力和振動循環應力的能力，試驗項目為：溫度沖擊→高量級耐久振動試驗→溫度沖擊。

(1)溫度沖擊試驗

溫度：-55℃～+85℃，極限溫度下保溫30min，5個循環，并在極限溫度下對整個溫度范圍內的動作電壓和釋放電壓，應滿足要求。

(2)高量級耐久振動試驗

振動條件按表1進行，去激勵振動，每隔4h加電檢測一次，檢查常開觸點是否正常接通，產品動作電壓是否滿足規范要求。

表1 振動項目及結果

(3)溫度沖擊試驗

溫度：-55℃～+85℃，極限溫度下保溫30min，5個循環，并在極限溫度下對整個溫度范圍內的動作電壓和釋放電壓，應滿足要求。

5.2 試驗結果

10只產品經過振動和溫度沖擊試驗全部合格，試驗后進行電參數檢測均滿足要求。檢查內部結構，軸孔無異常磨損及磨損多余物產生。

圖11 振動后軸孔狀態

6 結語

綜上所述，本文通過對某功率型繼電器振動失效故障進行分析、故障定位，確定產品結構薄弱點，進而針對性的提出了產品的結構改進措施，通過仿真分析和驗證試驗，切實提高了產品的抗振性，滿足用戶的使用要求。該產品通過結構改進提高產品抗振性的方法對于該系列繼電器具有一定的借鑒作用。