關(guān)于某電源產(chǎn)品使用電磁繼電器失效的故障分析

中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所 魏一鳴 呂 冰 展宏圖 趙小勇

本文主要介紹了某電源產(chǎn)品使用的電磁繼電器因動(dòng)簧片內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力沒(méi)有充分釋放導(dǎo)致的觸點(diǎn)燒蝕的故障模式，通過(guò)故障樹分析法對(duì)電磁繼電器的故障根源進(jìn)行分析，確定了失效的根本原因，并提出了生產(chǎn)過(guò)程的建議為避免類似故障重復(fù)發(fā)生。

電磁繼電器是一種由控制電流通過(guò)線圈時(shí)產(chǎn)生的電磁吸力來(lái)驅(qū)動(dòng)磁路中的可動(dòng)部分，從而實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)的開(kāi)、閉或轉(zhuǎn)換功能的控制元件，對(duì)電路的開(kāi)、閉邏輯進(jìn)行切換。本文以某電源產(chǎn)品使用的電磁繼電器失效的分析過(guò)程為切點(diǎn)，對(duì)電磁繼電器的失效原因進(jìn)行深入分析，從而對(duì)電磁繼電器的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)參數(shù)使用提供建議。

1 故障背景

某電源產(chǎn)品常溫加電測(cè)試，電源時(shí)有輸出，時(shí)無(wú)輸出。拆開(kāi)該故障電源進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)故障是由于電源產(chǎn)品的使能控制功能失效，導(dǎo)致故障。該電源產(chǎn)品的使能控制功能是由一支電磁繼電器在電源輸入端主回路做控制功能，其部分電路如圖1所示。

電源模塊正常工作時(shí)，控制信號(hào)ON/OFF由X1.40和X1.41進(jìn)入電源模塊內(nèi)電磁繼電器K1的3、7輸入端，激勵(lì)線圈工作，激勵(lì)線圈次級(jí)后觸點(diǎn)（即6、1端）閉合，+27VAIN輸入電壓經(jīng)6、1端向后續(xù)電路供電；需要關(guān)斷電源模塊時(shí)，控制信號(hào)ON/OFF不工作（斷開(kāi)或懸空），激勵(lì)線圈次級(jí)后觸點(diǎn)（即6、1端）斷開(kāi)，從而切斷+27VAIN輸入電壓與后續(xù)電路通道，完成控制目的。

圖1 輸入端控制電路

更換了該電源產(chǎn)品的電磁繼電器后，電源工作穩(wěn)定，使能控制功能正常，可確定該電源故障是由電磁繼電器失效引起。

2 電磁繼電器檢測(cè)結(jié)果

用機(jī)械方法將電磁繼電器的金屬封裝外殼打開(kāi)后，檢查動(dòng)簧片、觸點(diǎn)、激勵(lì)線圈、銜鐵和鎖緊裝置等完好無(wú)損，功能正常。檢查動(dòng)簧片彈性良好，符合要求。在立體顯微鏡下觀察，對(duì)電磁繼電器簧片與常開(kāi)點(diǎn)接觸部位進(jìn)行仔細(xì)觀察，結(jié)果可見(jiàn)兩組電磁繼電器簧片接觸部位均存在燒蝕痕跡，將簧片從電磁繼電器上取下觀察，可見(jiàn)兩組簧片表面均存在燒蝕痕跡，對(duì)常開(kāi)點(diǎn)對(duì)應(yīng)接觸部位進(jìn)行觀察，也可見(jiàn)燒蝕痕跡。

3 失效原因分析

該電磁繼電器開(kāi)封解剖后得知器件內(nèi)所有機(jī)械部件完好無(wú)損，功能正常。兩組簧片及常開(kāi)觸點(diǎn)接觸面有燒蝕痕跡，原因是簧片及常開(kāi)觸點(diǎn)接觸面之間原先存在自身缺陷。在長(zhǎng)期帶載運(yùn)行中，接觸不良點(diǎn)持續(xù)惡化，從點(diǎn)發(fā)展到面，最終造成常開(kāi)觸點(diǎn)間過(guò)功率燒蝕，觸點(diǎn)無(wú)法通過(guò)電流即電信號(hào)。由于接觸面經(jīng)過(guò)過(guò)功率燒蝕后，導(dǎo)電性能降低但沒(méi)有完全失缺，所以表現(xiàn)為不穩(wěn)定，時(shí)好時(shí)壞等故障現(xiàn)象。

分析結(jié)論：這只電磁繼電器的失效是由于常開(kāi)觸點(diǎn)間過(guò)功率燒蝕后，導(dǎo)致兩者之間接觸不良所致。

4 機(jī)理分析

依據(jù)故障現(xiàn)象，建立電源模塊故障樹如圖2所示。

電源模塊故障樹分析結(jié)果如下：

（1）X1事件。將故障件電磁繼電器K1原位更換新件后，故障現(xiàn)象立刻消失，故障點(diǎn)明確。故可排除輸入端控制電路線路故障分支。

（2）X2事件。該電磁繼電器額定負(fù)載28V/5A，實(shí)際工作負(fù)載28V/1.2A，降額裕量為20%，遠(yuǎn)小于額定量；觸點(diǎn)負(fù)載5A,28Vdc(阻性)及壽命2×104次，而實(shí)際使用觸點(diǎn)負(fù)載1.2A,28Vdc(阻性)及大約壽命不超過(guò)1×103次，是額定值的1/20，遠(yuǎn)小于技術(shù)要求。因此選型設(shè)計(jì)合理，設(shè)計(jì)參數(shù)和降額裕量滿足使用要求?？膳懦O(shè)計(jì)缺陷分支。

（3）X3、X4事件。檢查失效器件外觀形態(tài)正常，無(wú)外界因素?zé)龘p或機(jī)械外力損傷痕跡。依據(jù)產(chǎn)品實(shí)際使用環(huán)境，可以排除該分支。

圖2 電源模塊故障樹

（4）X5事件。電磁繼電器K1在該電源產(chǎn)品中長(zhǎng)期使用，同批次62只全部正常使用，從電磁繼電器廠家獲得數(shù)據(jù)，近十年該型電磁繼電器累計(jì)售出13000余支，此次為首次報(bào)故。

表1 失效電磁繼電器出廠時(shí)與失效后測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比差異

（5）X6事件。當(dāng)電磁繼電器負(fù)載端發(fā)生短路或超過(guò)電磁繼電器額定負(fù)載時(shí)，會(huì)對(duì)電磁繼電器產(chǎn)生致命損壞，使得觸點(diǎn)及簧片過(guò)流熔融。如果負(fù)載異常即大電流或短路故障發(fā)生，首先燒斷的應(yīng)該是保險(xiǎn)管FU1。因此負(fù)載異常的條件不成立，故可排除該分支。

（6）X7事件。當(dāng)電磁繼電器負(fù)載端過(guò)電壓時(shí)，觸點(diǎn)間隙不夠，就會(huì)產(chǎn)生擊穿，電磁繼電器觸點(diǎn)就會(huì)被電弧燒蝕。本電路電磁繼電器負(fù)載端電壓為標(biāo)稱+28V，這個(gè)電壓值是固定不變的。對(duì)故障件電磁繼電器負(fù)載端進(jìn)行檢測(cè)測(cè)試，沒(méi)有負(fù)載端過(guò)電壓情況發(fā)生。

（7）X8事件。電磁繼電器線圈加電時(shí)間過(guò)慢會(huì)導(dǎo)致動(dòng)簧片與常開(kāi)點(diǎn)接觸電阻變大，長(zhǎng)時(shí)間電熱作用，會(huì)使其過(guò)功率燒毀。經(jīng)檢查測(cè)試，ON/OFF控制信號(hào)的上電、下電時(shí)間工作在微秒級(jí)，最大不超過(guò)10微秒，符合性能參數(shù)要求。故可排除該分支。

（8）X9事件?；善阅芡嘶?、觸點(diǎn)的超行程不夠等均會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)接觸不良。當(dāng)觸點(diǎn)局部通過(guò)電流時(shí)，因長(zhǎng)時(shí)間電熱作用，觸點(diǎn)也會(huì)燒蝕失效。

將該電磁繼電器失效后的參數(shù)與原始參數(shù)對(duì)比：其中釋放電壓沒(méi)有變化，接觸電阻、動(dòng)作時(shí)間、釋放時(shí)間均出現(xiàn)了微量變化，產(chǎn)品動(dòng)作電壓出現(xiàn)了1.4V左右的較大變化。綜合得出變化率如表1所示。

接觸電阻、動(dòng)作時(shí)間、釋放時(shí)間的數(shù)據(jù)變化趨向以及變化量值均在合理范圍內(nèi)，沒(méi)有明顯異常。產(chǎn)品動(dòng)作電壓變化率為8.75%，是參數(shù)變化最大的。從電磁繼電器動(dòng)作電壓變化的機(jī)理分析，該產(chǎn)品的內(nèi)部機(jī)械力的反力部分參數(shù)發(fā)生了趨向減小的變化。而電磁繼電器能夠產(chǎn)生反力的零部件僅有復(fù)原彈簧和動(dòng)簧片兩種零件。又由于復(fù)原彈簧機(jī)械力的減少變化容易引起電磁繼電器釋放電壓參數(shù)產(chǎn)生趨向減小變化，即復(fù)原反力減小則電磁繼電器釋放電壓同樣會(huì)減小，而使用前后電磁繼電器釋放電壓無(wú)變化，故可以判斷，出現(xiàn)機(jī)械力變小變化的是電磁繼電器的動(dòng)簧片零件，而不是復(fù)簧零件。

由上述分析可以證明，其中一組常閉觸點(diǎn)出現(xiàn)變化，造成變化的因素為觸點(diǎn)壓力變化，且變化趨向?yàn)闄C(jī)械力變小。

綜上，此次故障是由于生產(chǎn)過(guò)程中動(dòng)簧片內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力沒(méi)有充分釋放，在長(zhǎng)期使用后，應(yīng)力釋放加上常開(kāi)靜觸點(diǎn)與動(dòng)簧片出現(xiàn)觸點(diǎn)接觸燒蝕，導(dǎo)致觸點(diǎn)出現(xiàn)接觸不可靠。在隨后的電路切換中，由于該只電磁繼電器已經(jīng)出現(xiàn)觸點(diǎn)接觸不可靠，則出現(xiàn)接觸不良的現(xiàn)象。

在依次排除上述各故障樹分支后，電磁繼電器自身缺陷分支成立。

5 改進(jìn)措施

經(jīng)過(guò)故障樹方法分析之后，確認(rèn)了該起故障是由于電磁繼電器動(dòng)簧片內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力沒(méi)有充分釋放導(dǎo)致。為了降低甚至杜絕此類問(wèn)題的再次發(fā)生，對(duì)電磁繼電器生產(chǎn)過(guò)程提出以下幾點(diǎn)建議：

（1）生產(chǎn)過(guò)程增加釋放材料內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力步驟，可通過(guò)一定環(huán)境或手段加速內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力的釋放；（2）改變動(dòng)簧片材料，采用可快速釋放內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力的金屬材料，降低隱患；（3）更改動(dòng)簧片設(shè)計(jì)尺寸，降低因內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力釋放后形變導(dǎo)致的接觸不可靠問(wèn)題；（4）通過(guò)增大觸點(diǎn)面積或增大復(fù)原彈簧機(jī)械力等方式增加設(shè)計(jì)余量，減緩觸點(diǎn)燒蝕過(guò)程，延長(zhǎng)電磁繼電器使用壽命。

結(jié)論：通過(guò)此次對(duì)電磁繼電器失效進(jìn)行詳細(xì)的故障分析，解析了一種因電磁繼電器動(dòng)簧片內(nèi)部機(jī)械應(yīng)力沒(méi)有充分釋放導(dǎo)致的觸點(diǎn)燒蝕。這種失效因素?zé)o法在生產(chǎn)使用后及時(shí)發(fā)現(xiàn)，往往是使用一段時(shí)間甚至數(shù)年之后發(fā)生，因此存在隱性危害。為了減少因電磁繼電器失效造成的設(shè)備故障，必須深入探究電磁繼電器的失效原因，在明確電磁繼電器失效機(jī)理后，才能對(duì)采取針對(duì)性的控制措施，對(duì)廠家生產(chǎn)電磁繼電器的質(zhì)量也能提出更高要求。