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(diǎn)的閉合斷開來進(jìn)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(gè)系統(tǒng)的可靠度，鑒于近期蘇州三號線正線頻發(fā)由于繼電器偶然失效導(dǎo)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(jìn)行探討。

關(guān)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(yùn)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(shù)字量信號傳遞、邏輯控制、主電路供電等均依靠繼電器的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)。以蘇州三號線車輛專業(yè)為例，在車上使用的繼電器（包含延時(shí)模塊）就高達(dá)134個(gè)。

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(xiàng)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(jìn)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(xiàng)目使用的密封式繼電器為例，主要有線圈、動(dòng)觸點(diǎn)、靜觸點(diǎn)、動(dòng)作機(jī)構(gòu)及繼電器外殼組成。線圈與動(dòng)靜觸點(diǎn)是繼電器最重要的部件之一，當(dāng)繼電器接入電源后，線圈中產(chǎn)生電磁力，動(dòng)觸點(diǎn)上的銜鐵或永久磁鐵收到電磁力吸引后，向靜觸點(diǎn)移動(dòng)最終接觸閉合。動(dòng)靜觸點(diǎn)閉合后，主回路即導(dǎo)通。線圈中的電磁效如下：

上式為繼電器電磁機(jī)構(gòu)吸合特性。[1]

分析上式可知，繼電器線圈得電到銜鐵動(dòng)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(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)閉合。

3、繼電器失效原因分析

繼電器失效形式主要有：①結(jié)構(gòu)失效②動(dòng)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(dá)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(dòng)靜觸頭的頻繁吸合斷開，往往會(huì)伴隨著物理性的磨損。當(dāng)磨損到達(dá)一定程度時(shí)，電磁力吸附動(dòng)觸頭到極限導(dǎo)程后，仍無法與靜觸點(diǎn)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(dāng)靜觸點(diǎn)的材料，在高溫或其他原因的作用下剝落，附著在動(dòng)觸頭上，最終導(dǎo)致線圈不通電的時(shí)候動(dòng)觸頭與靜觸頭沒有間隙，直接導(dǎo)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(diǎn)間進(jìn)入了其他雜質(zhì)導(dǎo)致的，這種情況在密封式繼電器中較為少見，因?yàn)槊芊馐嚼^電器除了在生產(chǎn)過程中觸點(diǎn)是暴露在外界環(huán)境中的，其使用時(shí)動(dòng)靜觸頭與外界環(huán)境是隔開的。在非密封式繼電器使用時(shí)，外界環(huán)境的好壞會(huì)直接影響繼電器的使用壽命，在高污染的環(huán)境下，非密封式繼電器極易產(chǎn)生觸點(diǎn)黏連，又稱“粘結(jié)失效”。

粘結(jié)失效可分為：①動(dòng)態(tài)粘結(jié)②靜態(tài)粘結(jié)。

①動(dòng)態(tài)粘結(jié)指繼電器在斷電時(shí)，動(dòng)靜觸頭間有大電流，導(dǎo)致其分離時(shí)產(chǎn)生高溫電弧，將動(dòng)靜觸頭的表面材料溶解，冷卻粘結(jié)。除了繼電器本身制造工藝，觸點(diǎn)材料等影響因素外，繼電器斷電時(shí)減少負(fù)載（即減小電流）也是避免動(dòng)態(tài)粘結(jié)的重要手段。所以盡量在負(fù)載停止工作的情況下進(jìn)行控制回路斷電。

②靜態(tài)粘結(jié)的形成比動(dòng)態(tài)粘結(jié)少的多，在一個(gè)生產(chǎn)工藝符合標(biāo)準(zhǔn)，觸點(diǎn)材料使用規(guī)范的繼電器使用中，很少會(huì)遇到靜態(tài)粘結(jié)。靜態(tài)粘結(jié)主要看繼電器工作時(shí)其觸點(diǎn)的發(fā)熱情況，減小動(dòng)靜觸頭接觸電阻、減小工作電流（控制負(fù)載）或縮短繼電器持續(xù)工作時(shí)間都可以避免靜態(tài)粘結(jié)的產(chǎn)生。

繼電器的吸合力依靠線圈產(chǎn)生的電磁力，在額定電壓的輸入下，線圈產(chǎn)生的電磁力是不變的，銜鐵受到電磁力帶動(dòng)動(dòng)觸點(diǎn)向靜觸點(diǎn)移動(dòng)，最終動(dòng)靜觸頭接觸閉合。在動(dòng)觸頭移動(dòng)的導(dǎo)程中，會(huì)存在一定的反力。若繼電器中進(jìn)入其他雜質(zhì)，導(dǎo)致動(dòng)觸頭移動(dòng)的反力增大，或線圈故障導(dǎo)致吸引力減小，都會(huì)導(dǎo)致繼電器通電后，動(dòng)靜觸頭不接觸，主回路無法導(dǎo)通，這種故障歸類為動(dòng)作及特性失效。

4、繼電器可靠性分析

可靠性定義：產(chǎn)品在規(guī)定條件下，規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。

目前可靠性分析方法有很多，常見的有FMECA，F(xiàn)TA。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(tǒng)中每一產(chǎn)品所有可能產(chǎn)生的故障模式及對系統(tǒng)造成的所有可能影響，并按每一故障模式嚴(yán)重程度及其發(fā)生概率排序，從而發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中潛在的薄弱環(huán)節(jié)，通過有效地補(bǔ)措施，以消除或減少故障出現(xiàn)的可能性，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。

FMECA分為系統(tǒng)定義、FMEA和CA三個(gè)主要步驟?？杉?xì)分為：

（1）明確分析范圍

（2）系統(tǒng)任務(wù)分析

（3）系統(tǒng)功能分析

（4）確定產(chǎn)品故障判據(jù)

（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(bǔ)償措施分析

（10）危害性分析

按嚴(yán)重程度分類：A無法容忍的;B嚴(yán)重的;C可容忍的;D輕微的。

故障樹定性分析是尋找某個(gè)故障事件基本原因的可靠手段，由于每個(gè)故障事件的發(fā)生都是由一個(gè)比較微小的根源或根源集構(gòu)成的。通過分析列舉出可能導(dǎo)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(xiàn)次數(shù)最多的原因即最可能導(dǎo)致事件發(fā)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(gè)觸點(diǎn)失效進(jìn)行FTA分析。故障樹建造的實(shí)質(zhì)是尋找所研究系統(tǒng)故障和導(dǎo)致系統(tǒng)故障的各因素之的邏輯關(guān)系，并將這種關(guān)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(yùn)用上行法進(jìn)行計(jì)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(diǎn)故障 ? ?X2：DIR的PRO/3.B5觸點(diǎn)故障

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

X5：DIR的DRV/3.C2觸點(diǎn)故障 ? ?X6：列車處于零速狀態(tài)

最小割集是導(dǎo)致頂事件發(fā)生的原因的組合，求出最小割集后，如果數(shù)據(jù)足夠，能夠給出故障樹中各個(gè)底事件發(fā)生的概率，可進(jìn)一步作定量分析。當(dāng)?shù)讓訑?shù)據(jù)不足以支撐定量分析時(shí)，也可只進(jìn)行定性分析。組成最小割集的底事件越少，此項(xiàng)底事件就越重要，因?yàn)閮H需要觸發(fā)一個(gè)底事件就會(huì)導(dǎo)致頂事件的發(fā)生;組成最小割集的底事件數(shù)量相同時(shí)，應(yīng)比較該割集中底事件的出現(xiàn)次數(shù)，出現(xiàn)次數(shù)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(xiàn)次數(shù)較多（DIR的ATC/13.C6觸點(diǎn)故障），應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注此事件。

對于DIR的PRO觸點(diǎn)及ATC觸點(diǎn)，在設(shè)計(jì)時(shí)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(gè)系統(tǒng)中的觸點(diǎn)。故即使DIR的單個(gè)觸點(diǎn)或DIR繼電器整個(gè)故障，都可以用DBPS來旁路掉DIR使列車保證基本的運(yùn)行能力。

5、總結(jié)

本文主要對蘇州三號線使用的密封式電磁繼電器進(jìn)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(shè)計(jì)符合實(shí)際運(yùn)用的廠家品牌和繼電器型號。定期檢查電器柜內(nèi)繼電器狀態(tài)，為繼電器提供一個(gè)良好的工作環(huán)境。最后針對蘇三頻發(fā)的DIR繼電器失效問題，需要重點(diǎn)關(guān)注DIR串入ATC的觸點(diǎn)。

考慮到正線運(yùn)行DIR發(fā)生故障時(shí)的情況，列車設(shè)計(jì)了DBPS用于保證列車基本運(yùn)行能力。故發(fā)生故障時(shí)要求司機(jī)熟悉正線故障應(yīng)急處理指南，并且處理迅速準(zhǔn)確，減少故障晚點(diǎn)率。

參考文獻(xiàn)

[1]管永超.不同類型負(fù)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(xué)，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.