電磁繼電器動作延遲失效模式與機理分析

范士海，譚士海

（航天科工防御技術研究試驗中心，北京 100854）

引言

電磁繼電器作為一種電子控制器件，它是利用電磁鐵來控制電路的一種開關，其工作原理為：給線圈兩端施加一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，相應地線圈就會產生磁場，銜鐵被吸合，帶動與銜鐵相連的推動桿推動動簧片，使常閉觸點分離，常開觸點閉合。當線圈斷電后，銜鐵被釋放，帶動與銜鐵相連的推動桿復位，常開觸點分離，常閉觸點閉合，完成一個開關工作過程。由于電磁繼電器是通過機械接觸與斷開來實現(xiàn)通斷功能轉換的，使其具有斷態(tài)高絕緣電阻和通態(tài)低導通電阻特性，加之其具有體積小，控制電信號小，應用電路簡單，可實現(xiàn)多路同時控制的優(yōu)點，使其在航天、航空、船舶、兵器以及民用裝備上得到了廣泛的應用。另一方面，由于電磁繼電器工作中既涉及電路、磁路，又涉及機械動作，使其與其它元器件相比，更容易出現(xiàn)可靠性問題[1]。作者在前面的文章中，介紹了電磁繼電器導通失效的模式與機理[2]。本文將通過一些典型的失效案例，詳細介紹電磁繼電器動作延遲失效的模式，分析引起動作延遲失效模式的機理，為進一步提高電磁繼電器的使用可靠性提供有益的依據。

1 電磁繼電器動作延遲失效模式與機理

1.1 銜鐵轉軸不對中造成動作延遲失效

銜鐵轉軸對銜鐵動作起著支撐作用，其上下兩轉軸孔中心要對中，否則銜鐵吸合或釋放動作就有可能受到阻礙作用，造成動作延遲。下面通過具體案例詳細說明。

案例1：某型號電磁繼電器用戶在整機上只使用一組常開觸點。據委托方介紹，用戶在使用時發(fā)現(xiàn)該組常開觸點曾出現(xiàn)吸合延遲情況。

按照廠家手冊對該繼電器進行常溫電性能測試，結果為：產品吸合電壓、釋放電壓、接觸電阻、線圈電阻、絕緣電阻均合格，具體測試結果見表1，故障不復現(xiàn)。

表1 繼電器常溫電性能測試結果

用體視顯微鏡對失效件進行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)外觀完整，表面標識清晰，玻璃絕緣子未見明顯開裂等異常現(xiàn)象。對該繼電器進行PIND、密封和X射線檢查，結果為：PIND和密封合格；X射線檢查未發(fā)現(xiàn)內部結構異常。

用機械方法打開失效繼電器，觀察繼電器內部結構，結果為：繼電器線圈兩端引出線未見明顯異常；內部未見明顯的金屬及非金屬多余物；使用的一組常開觸點動、靜簧片未見明顯異常，觸點部位未見明顯燒蝕、打火及粘連現(xiàn)象；且與其他組常開、常閉動靜簧片比對觀察未見明顯差異；去掉線圈后，觀察銜鐵動作，也未見明顯異常；繼續(xù)對銜鐵軸進行解剖，發(fā)現(xiàn)：銜鐵軸表面上下相對位置有磨損、變色痕跡，且與之配合的銜鐵孔對應部位也有磨損痕跡，如圖1、2所示。

圖1 銜鐵軸磨損及氧化變色形貌

進一步對銜鐵磨損、變色區(qū)進行掃描電鏡及能譜分析，結果為：除含有Cu、Sn基體元素外，還含有O元素。表明銜鐵磨損區(qū)已氧化變色。

根據以上檢測與觀察，分析得出，該繼電器常開觸點吸合延遲是由于該繼電器銜鐵軸在使用時曾出現(xiàn)不對中，使其瞬時延遲所致。

1.2 銜鐵軸部位存在粉末多余物造成動作延遲

銜鐵軸孔不對中，可以造成銜鐵軸轉動的摩擦力增大，導致銜鐵動作延遲。如果銜鐵軸與孔之間存在多余物粉末，同樣可以造成銜鐵軸轉動的摩擦力增大，導致銜鐵動作延遲。下面介紹的案例則屬于此種情況。

案例2：某型號電磁繼電器為延時電磁繼電器。繼電器在整機調試時，出現(xiàn)繼電器動作延遲的失效現(xiàn)象。

對繼電器進行測試，繼電器動作電壓、釋放電壓、接觸電阻及延時時間等參數均滿足廠家手冊合格參考值范圍，繼電器測試合格。

繼電器外觀及X射線檢查未見明顯異常。PIND及氣密性檢測合格。采用機械方法啟封繼電器，置于顯微鏡下觀察，結果為：繼電器內部延時電路部分各焊點焊接良好，各個元器件未見明顯缺陷；觸點簧片裝配良好，觸點間未見明顯拉弧打火或粘連現(xiàn)象；銜鐵裝配未見明顯不對中現(xiàn)象；在銜鐵表面及銜鐵軸附近發(fā)現(xiàn)綠色粉末狀物質，進一步拆解下銜鐵軸，發(fā)現(xiàn)軸銷表面也存在綠色粉末狀物質，同時在軸銷軸孔接觸部位還存在粉末碾壓痕跡，如圖3、圖4所示。

圖2 銜鐵孔磨損形貌

圖3 上銜鐵軸銷表面粉末狀物質

圖4 下銜鐵軸銷表面粉末狀物質

對綠色粉末狀物質進行成分分析，綠色粉末主要成分為Cu、Zn、Ni、O元素。

根據以上的檢測與觀察，分析得出：該繼電器失效可能是因為內部銜鐵氧化、產生綠色粉末狀氧化物，粉末掉落到銜鐵軸內，影響銜鐵正常轉動，發(fā)生銜鐵延遲的失效現(xiàn)象。

1.3 動作部件位置異常導致動作延遲

繼電器動作延遲有時是因為繼電器的動作部件（如推動桿、玻璃球等），與其它部件之間的距離太近，其它部件對動作部件的動作構成阻礙作用，導致繼電器動作延遲。

案例3：某型號電磁繼電器為國內某廠生產的產品。用戶在使用過程中出現(xiàn)繼電器動作延遲現(xiàn)象，解焊后振動，再測試后失效現(xiàn)象未復現(xiàn)。

根據廠家手冊對失效電磁繼電器進行常溫電性能測試，失效件主要技術指標均合格，動作、釋放狀態(tài)正常，失效件失效現(xiàn)象未復現(xiàn)，具體測試結果見表2。

表2 主要測試結果（25 ℃）

繼電器外觀及X射線檢查未見明顯異常；PIND及氣密性檢測合格。用機械開封法打開管殼，使用體視顯微鏡對其內部結構進行觀察。失效件內部簧片與上、下觸點間未發(fā)現(xiàn)明顯拉弧燒蝕痕跡；但一側推桿玻璃球位置明顯存在異常，玻璃球距上觸點金屬桿距離偏小，當簧片與下觸點接觸時，玻璃球與上觸點金屬桿接觸摩擦。從玻璃球與簧片的接觸點可見，兩側接觸位置不對稱，一側接觸點距上觸點金屬桿的距離小于玻璃球的半徑，上觸點金屬桿側面也可見明顯的磨損痕跡，形貌如圖5所示。

圖5 失效繼電器內部結構形貌

根據以上的檢測與觀察，分析得出：該繼電器失效是由于玻璃球距上觸點金屬桿距離偏小，當玻璃球推動簧片與下觸點接觸時，玻璃球與上觸點金屬桿接觸摩擦，進而可能出現(xiàn)暫時延遲現(xiàn)象，導致簧片不動作。

1.4 內部水汽嚴重超標導致繼電器低溫下動作延遲失效

繼電器內部水汽含量嚴重超標，低溫環(huán)境下，水汽在銜鐵轉軸部位凝露結霜，會造成銜鐵轉動阻力增大；水汽在觸點表面凝露結霜，也導致觸點接觸電阻增大，兩者綜合作用結果，就導致繼電器低溫時轉換時間增大。

案例4：微型密封直流保持磁繼電器是國內某廠生產的產品。用戶在整機試驗時發(fā)現(xiàn)該型號1只繼電器-40 ℃時轉換時間實際大于1 s，產品規(guī)范里面規(guī)定繼電器繞組加上轉換電壓為矩形脈沖時，其轉換時間不大于2 ms。

對失效繼電器以及委托方提供的一只參考件進行外觀檢查：兩只繼電器外觀完整，表面標識清晰，繼電器玻璃絕緣子周圍有較厚三防漆覆蓋，引腳有焊接后拆卸痕跡，未見明顯松動或其他異常。對兩只繼電器進行PIND、密封細檢檢查，結果為PIND和密封細檢合格。

目前我所不能進行低溫轉換時間測試。按照廠家手冊對兩只繼電器進行常溫電性能測試，主要檢測參數均合格，檢測結果見表3。

表3 電性能測試結果

用水汽含量分析儀對兩只繼電器進行內部水汽測量，檢測結果為內部水汽含量不合格，合格判據為小于5000 ppm（0.5 %）。此外失效繼電器內部氦氣、氟碳化合物含量異常。詳細檢測結果見表4。

表4 繼電器內部氣氛檢測結果

用機械方法打開兩只繼電器，觀察繼電器內部結構，主要結果為：繼電器觸點簧片未見明顯異常；從內部觀察玻璃絕緣子，兩只繼電器內部絕緣子均未見明顯異常；線圈表面未見明顯異常。

對兩個繼電器簧片繼續(xù)開封，用體視顯微鏡和金相顯微鏡對簧片接觸部位進行形貌觀察，主要觀察結果為：失效繼電器一組簧片正面、背面均有較深壓痕，其中正面壓痕處有發(fā)黑現(xiàn)象；另一組簧片壓痕較淺，如圖6所示。參考繼電器兩組簧片觸點部位壓痕深度基本相同，未見明顯發(fā)黑現(xiàn)象。

圖6 失效繼電器一組簧片正面、背面體視顯微鏡形貌

用掃描電子顯微鏡對兩組繼電器簧片接觸部位進行成分分析，主要結果為：失效繼電器觸點表面發(fā)黑部位存在C、O、Mg、K、Ca、Au元素，其余部位主要含Au元素，如圖7所示；參考繼電器觸點表面主要含Au元素，局部區(qū)域含微量C元素，如圖8所示。

圖7 失效繼電器簧片觸點發(fā)黑部位成分分析結果

圖8 參考繼電器觸點成分分析結果

通過對失效繼電器進行外觀檢查、PIND、密封、X射線檢查、功能測試、開封及內部檢查，并與參考件進行對比分析，得出：該繼電器外觀未見明顯異常；PIND及密封細檢檢查合格；繼電器主要電參數測試結果合格；失效件和參考件內部水汽含量測試結果不合格；開封內部檢查繼電器內部主要結構未見明顯異常；失效繼電器一組簧片存在異常磨損，表面發(fā)黑，存在沾污。

根據上述觀察結果，分析認為：該繼電器-40 ℃時轉換時間增大，主要是由于繼電器內部水汽含量嚴重超標，水汽露點溫度提高，在觸點表面凝露，導致觸點電阻變大；同時觸點表面存在有機物沾污，也導致觸點接觸電阻增大，兩者綜合作用影響繼電器簧片導通、導致低溫時轉換時間增大。

2 結束語

繼電器的動作延遲失效在使用過程中具有偶發(fā)性，難于復現(xiàn)的特點。往往出現(xiàn)一次后，再次啟動，繼電器就恢復正常。有時設備放置一段時間未加電使用，首次加電即出現(xiàn)動作延遲現(xiàn)象，再次加電繼電器又恢復正常。另一方面，繼電器的動作延遲有時又與繼電器的安裝方向，外部環(huán)境（如振動、溫度）等因素有一定的關系。基于上述原因，繼電器的此種失效模式給整機的故障定位和故障復現(xiàn)帶來一定困難。雖然對繼電器而言，動作延遲（或卡滯）不屬于致命失效，但對整機的影響有時是很嚴重的，尤其對航天產品這種復雜系統(tǒng)，甚至可能造成整個任務失敗。所以研究電磁繼電器動作延遲失效模式與機理，對于制造方和使用方都具有非常重要的意義。