電磁繼電器失效分析及可靠性壽命評(píng)估

王聰聰，韓曉敏，付宇寬，李志國(guó)，徐立立，楊靜

（1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司，唐山 064000； 2.廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司，廣州 510656）

引言

電磁繼電器是一種電子控制元器件，它可以通過(guò)較小的電流、較低的電壓去控制較大的電流、較高的電壓。電磁繼電器主要由輸入回路和輸出回路兩部分組成。輸入回路一般是控制端，輸出回路是被控制端。當(dāng)觸發(fā)某種機(jī)制的信號(hào)輸入到控制端時(shí)，會(huì)有電流通過(guò)電磁鐵的線圈而產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而對(duì)銜鐵產(chǎn)生吸力，在銜鐵的帶動(dòng)下使得被控制回路閉合，從而發(fā)出控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)某種系統(tǒng)的控制。

電磁繼電器在軌道交通領(lǐng)域是信號(hào)控制的基礎(chǔ)電子元器件，具有信號(hào)傳遞、系統(tǒng)配電、執(zhí)行控制等功能，因此在鐵路這種以信號(hào)控制為主的運(yùn)輸工具上被廣泛應(yīng)用。電磁繼電器在高鐵上應(yīng)用較多，起的作用也比較繁雜，主要包括起到輸出制動(dòng)信號(hào)、過(guò)分相信號(hào)、火災(zāi)報(bào)警信號(hào)以及風(fēng)機(jī)啟動(dòng)等等[1]。電磁繼電器的關(guān)鍵部件是觸點(diǎn)部件，觸點(diǎn)可靠性直接影響到電磁繼電器的可靠性。密封電磁繼電器失效模式的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，其80 %以上失效模式是接觸部分失效[2]。一般情況下，觸點(diǎn)兩個(gè)接觸面之間受多種因素影響，除了觸點(diǎn)材料、觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)影響外，還受觸點(diǎn)電流、開(kāi)路電壓、溫度的影響[3]。

截止2017年底，我國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到12.7萬(wàn)km，其中高鐵2.5萬(wàn)km。動(dòng)車組列車的大規(guī)模運(yùn)行，對(duì)列車的運(yùn)行安全也提出了越來(lái)越高的要求。繼電器接觸電阻超差到一定程度，將會(huì)導(dǎo)致某些命令或信號(hào)傳輸不到位，這種故障將會(huì)影響到列車正常運(yùn)行，甚至?xí)l(fā)嚴(yán)重的事故。因此，對(duì)應(yīng)用于高速列車的繼電器進(jìn)行可靠性研究，評(píng)估繼電器的預(yù)期壽命，為檢測(cè)、維護(hù)提供依據(jù)[4]。

本文對(duì)列車上實(shí)際使用發(fā)生失效的繼電器進(jìn)行宏觀及微觀的分析，確定其失效模式及其失效的機(jī)理。同時(shí)按照《有可靠性指標(biāo)的電磁繼電器評(píng)估規(guī)范》[5]對(duì)繼電器進(jìn)行可靠性評(píng)估，可靠性試驗(yàn)過(guò)程中定期檢測(cè)樣品的各項(xiàng)電性能參數(shù)，評(píng)估各電性能參數(shù)的變化情況，確定繼電器的可靠性等級(jí)，同時(shí)在各個(gè)參數(shù)的合理使用范圍內(nèi)，評(píng)估繼電器的剩余使用壽命。

1 研究對(duì)象介紹與分析

本文研究對(duì)象為西門子3TH系列的中間繼電器，采用E型鐵心、雙斷點(diǎn)橋式觸頭系統(tǒng)的直動(dòng)式運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，有八對(duì)觸頭可組合。觸頭材料由電性能優(yōu)越的銀合金制成，具有使用壽命長(zhǎng)及良好的接觸可靠性。滅弧室均呈封閉型，并由阻燃材料阻擋電弧向外噴射。

電磁繼電器電性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 繼電器主要參數(shù)

繼電器工作過(guò)程：線圈不得電的時(shí)候，繼電器內(nèi)部的動(dòng)觸點(diǎn)在彈簧的拉力作用下與靜合靜觸點(diǎn)接觸，與動(dòng)合靜觸點(diǎn)斷開(kāi)；當(dāng)某一時(shí)刻線圈通電時(shí)，繼電器驅(qū)動(dòng)回路導(dǎo)通，線圈產(chǎn)生電磁吸力，銜鐵克服彈力被鐵芯吸合，動(dòng)觸點(diǎn)隨銜鐵往下運(yùn)動(dòng)，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)不接觸的動(dòng)合靜觸點(diǎn)閉合，完成吸合過(guò)程；當(dāng)線圈掉電時(shí)，銜鐵在彈簧的作用下，使其恢復(fù)常態(tài)。

2 繼電器失效分析

動(dòng)車車載繼電器一旦發(fā)生故障，將會(huì)導(dǎo)致列車的某些控制信號(hào)不能發(fā)送或發(fā)送出錯(cuò)，給列車的運(yùn)行帶來(lái)極大的安全隱患。分析實(shí)際使用繼電器的失效原因，動(dòng)車的安全運(yùn)行具有重要意義，本文對(duì)列車用3TH系列繼電器進(jìn)行失效分析，分析其失效的根本原因。

2.1 失效分析步驟

繼電器的失效分析主要從宏觀及微觀兩個(gè)大的方面開(kāi)始。宏觀方面，主要從產(chǎn)品的外觀、結(jié)構(gòu)、電性能參數(shù)等測(cè)試進(jìn)行初始的評(píng)價(jià)；微觀方面。主要是將新品和故障繼電器進(jìn)行解剖，進(jìn)行電子顯微鏡以及SEM能譜分析，分析新品與故障品之間的區(qū)別[6]。最后，結(jié)合實(shí)際的工作環(huán)境、使用工況以及宏觀和微觀的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合的分析，確定故障繼電器的失效機(jī)理，分析流程見(jiàn)圖1。

圖1 失效分析流程

2.2 失效樣品宏觀分析

本次選取3件實(shí)際使用的樣品進(jìn)行分析，分別對(duì)外觀、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電性能進(jìn)行檢測(cè)，外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)異常，繼電器的吸合時(shí)間、釋放時(shí)間、吸合電壓及釋放電壓等電特性均在產(chǎn)品要求范圍內(nèi)，但有2件樣品的接觸電阻超標(biāo)（＞0.5 Ω）。外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，電性能（不含接觸電阻）測(cè)試見(jiàn)表2，接觸電阻見(jiàn)表3。

表2 電性能參數(shù)（不含接觸電阻）

表3 電性能參數(shù)（接觸電阻）

圖2 樣品的外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.3 失效樣品微觀分析

通過(guò)對(duì)三件樣品進(jìn)行外觀、結(jié)構(gòu)以及電性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其中有2件樣品的接觸電阻不符合實(shí)際的使用要求，但吸合與釋放時(shí)間、吸合與釋放電壓均在產(chǎn)品規(guī)格范圍內(nèi)，因此需要對(duì)接觸電阻區(qū)域進(jìn)行電鏡檢測(cè)，檢測(cè)觸點(diǎn)的形貌以及成分的變化情況。本文選擇失效品3TH4262-05#樣品接觸電阻OPEN的通道、3TH4262-01#樣品接觸電阻220 Ω通道、3TH4244-01樣品接觸電阻為2 Ω通道，未失效樣品3TH4244-22#樣品接觸電阻為0.3 Ω通道，四個(gè)通道的微觀形貌見(jiàn)圖3，成分分析見(jiàn)圖4。

圖3 分析樣品通道微觀相貌

圖4 分析樣品通道成分分析

通過(guò)上述觀察，220 Ω接觸點(diǎn)的接觸區(qū)域不集中，處于分散的狀態(tài)，這將導(dǎo)致動(dòng)、靜觸片接觸時(shí)，不會(huì)充分接觸，導(dǎo)致接觸電阻偏大；OPEN狀態(tài)靜觸點(diǎn)表面沒(méi)有清晰的接觸區(qū)，有較明顯的附著物附在接觸區(qū)域，使動(dòng)、靜觸點(diǎn)不能良好的接觸，導(dǎo)致接觸電阻呈現(xiàn)OPEN狀態(tài)；常閉觸點(diǎn)2 Ω觸點(diǎn)表面附著物較稀疏，接觸區(qū)色澤比較明亮，因此其接觸電阻很??；未失效品常開(kāi)通道電阻為0.3 Ω靜觸點(diǎn)接觸區(qū)域面積較大，摩擦痕跡明顯，雖然接觸區(qū)域周圍存在明顯的附著物，但不影響接觸。

對(duì)比通道接觸電阻OPEN與通道電阻0.3 Ω二者的成分無(wú)很大差別，主要成分都是Ag，同時(shí)還有Pa、C、O、S、Cu等元素。觸片除了有Ag、Pa、Cu等金屬元素外，還存在C、O等非基體材料元素，說(shuō)明基材材料有氧化和碳化的現(xiàn)象。繼電器是一種經(jīng)常吸合與斷開(kāi)的器件，觸點(diǎn)在閉合或斷開(kāi)的瞬間，全部的能量集中釋放在最后離開(kāi)的那個(gè)微小區(qū)域，使其周圍的溫度迅速上升到金屬的沸點(diǎn)，在這樣的高溫條件下，會(huì)發(fā)生氧化[7]。如果此時(shí)流經(jīng)觸點(diǎn)的電流超過(guò)觸點(diǎn)材料的燃弧電流，觸點(diǎn)間隙會(huì)形成拉弧，會(huì)將觸點(diǎn)表面形成燒蝕[8]。繼電器長(zhǎng)時(shí)間經(jīng)歷這種動(dòng)作，最終導(dǎo)致接觸電阻增加，接觸失效。

3 可靠性壽命評(píng)估

通過(guò)對(duì)實(shí)際使用繼電器的失效分析，發(fā)現(xiàn)繼電器主要是工作過(guò)程中，電弧導(dǎo)致的觸點(diǎn)電弧侵蝕是引起電磁繼電器接觸性能變化的原因。電磁繼電器是一種長(zhǎng)壽命產(chǎn)品，不同類型的電磁繼電器有其不同的使用壽命，本文中3TH系列繼電器的電壽命為1.2×106次。高鐵 動(dòng)車等高速軌道交通自投入運(yùn)營(yíng)已經(jīng)超過(guò)10年，每年都會(huì)投入大量的維修及更換設(shè)備的費(fèi)用，為降低運(yùn)維費(fèi)用，同時(shí)不降低可靠性及安全性，需要對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行可靠性評(píng)估。

3.1 評(píng)估方案

依據(jù)《有可靠性指標(biāo)的電磁繼電器評(píng)估規(guī)范》[5]對(duì)繼電器進(jìn)行可靠性評(píng)估，可靠性試驗(yàn)過(guò)程中定期檢測(cè)樣品的各項(xiàng)電性能參數(shù)，評(píng)估各電性能參數(shù)的變化情況，確定繼電器的可靠性等級(jí)，同時(shí)在各個(gè)參數(shù)的合理使用范圍內(nèi)，評(píng)估繼電器的剩余使用壽命。

根據(jù)GB/T 15510《控制用電磁繼電器可靠性試驗(yàn)通則》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，同時(shí)根據(jù)繼電器的規(guī)格書(shū)，繼電器允許的每小時(shí)吸合斷開(kāi)次數(shù)為1000次，同時(shí)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GBT 15510，級(jí)別為L(zhǎng)、允許失效數(shù)Ac=1的總試驗(yàn)次數(shù)為20.2×106，同時(shí)為減少試驗(yàn)時(shí)間，進(jìn)行測(cè)試的樣品為22件，根據(jù)可靠性理論，則每個(gè)繼電器的試驗(yàn)電壽命次數(shù)（吸合斷開(kāi)）次數(shù)為：

根據(jù)實(shí)際可操作性且每小時(shí)吸合與斷開(kāi)不超過(guò)1000次，實(shí)際采用吸合2 s、斷開(kāi)2 s，則1 h的吸合與斷開(kāi)次數(shù)為900次。

則試驗(yàn)時(shí)間為：Td=ns/900/24 h = 42.5天 （2）

將所有參試樣品按照實(shí)際工作的時(shí)候通電、連接負(fù)載，保證線圈、觸點(diǎn)均通137.5 V電壓，接通負(fù)載保證通過(guò)觸點(diǎn)的電流為實(shí)際工作時(shí)的所測(cè)最大電流240 mA，通電后開(kāi)始可靠性試驗(yàn)，按照吸合2 s、斷開(kāi)2 s為完成一次吸合與斷開(kāi)試驗(yàn)。試驗(yàn)溫度依據(jù)GB/T 15510，選擇試驗(yàn)溫度為30 ℃。試驗(yàn)過(guò)程中，定期檢查外觀、接觸電阻、吸合與斷開(kāi)時(shí)間、吸合與釋放電壓，確定各個(gè)性能參數(shù)是否有變化趨勢(shì)。

試驗(yàn)實(shí)施見(jiàn)圖5 。

圖5 可靠性試驗(yàn)實(shí)施圖

3.2 試驗(yàn)過(guò)程中性能參數(shù)變化

試驗(yàn)過(guò)程中，繼電器的吸合時(shí)間與釋放時(shí)間、吸合電壓與釋放電壓幾乎無(wú)變化，接觸電阻隨著試驗(yàn)時(shí)間的增長(zhǎng)，呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。各個(gè)通道的吸合時(shí)間及釋放時(shí)間、吸合電壓及釋放電壓未有明顯的變化趨勢(shì)，而各個(gè)通道的接觸電阻隨時(shí)間有顯著變化，詳細(xì)見(jiàn)表4。

可靠性鑒定試驗(yàn)后，所有通道的吸合時(shí)間的最大值小于產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定的常開(kāi)與常閉的最小門限值42 ms；所有通道的釋放時(shí)間的最大值小于產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定的常開(kāi)和常閉的最小門限值40 ms；所有通道的吸合電壓和釋放電壓均小于產(chǎn)品規(guī)范規(guī)定。

可靠性鑒定試驗(yàn)后，繼電器的常閉通道接觸電阻是呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)的，對(duì)所有試驗(yàn)繼電器的接觸電阻按照每個(gè)時(shí)間點(diǎn)取平均值，則每個(gè)檢測(cè)時(shí)間點(diǎn)的均值如表4。試驗(yàn)后接觸電阻小于0.5 Ω，仍在設(shè)備可用范圍內(nèi)。因此，需要對(duì)接觸電阻退化到0.5 Ω進(jìn)行擬合，確定實(shí)際的可用時(shí)間。

表4 接觸電阻與時(shí)間關(guān)系

3.3 接觸電阻退化評(píng)估

繼電器的接觸電阻是呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，因此使用Matlab對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，接觸電阻隨時(shí)間變化的方程為公式（1），擬合曲線見(jiàn)圖6；其中，擬合方程相關(guān)系數(shù)R2值為0.9846，接近于1，說(shuō)明擬合程度非常好。

圖6 繼電器接觸電阻退化趨勢(shì)

根據(jù)實(shí)際使用的接觸電阻要求，當(dāng)接觸電阻退化到0.5 Ω，即不滿足使用要求。因此，以接觸電阻退化到0.5 Ω為失效閾值求解方程（1），利用Matlab “fzero(＠(x)149.8*exp(0.0007273*x)+0.0000837*exp (0.02391*x)-500,0)” 求解方程（1）得出接觸電阻退化到0.5 Ω的時(shí)間為625 h，按照可靠性評(píng)估方案，則試驗(yàn)至625 h時(shí)，繼電器的動(dòng)作次數(shù)為562500。

3.4 繼電器預(yù)估壽命

本項(xiàng)目所選擇繼電器為京廣線列車上使用的過(guò)分相類型繼電器，此線路上過(guò)分相為25 km執(zhí)行一次，線路里程為2300 km，則列車單程繼電器要?jiǎng)幼?2次。按照列車一年運(yùn)營(yíng)365天，根據(jù)可靠性評(píng)估結(jié)果，繼電器的預(yù)期壽命為：

4 結(jié)論

1）經(jīng)過(guò)分析，失效接觸器的失效原因?yàn)閯?dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)接觸不良。接觸不良的前提是長(zhǎng)期使用的接觸器觸點(diǎn)表面生成氧化物和硫化物，形成阻擋層，電接觸可以燒穿一定厚度的阻擋層，阻擋層厚度增大到不能電燒穿時(shí)，觸點(diǎn)還可以通過(guò)摩擦破壞阻擋層形成接觸，但是觸點(diǎn)摩擦力較小，在其偏差范圍內(nèi)存在摩擦力不足，僅保持接觸而不足以破壞阻擋層，導(dǎo)致接觸不良。

2）通過(guò)對(duì)繼電器進(jìn)行可靠性測(cè)試，根據(jù)繼電器接觸的退化趨勢(shì)以及實(shí)際可使用的失效閾值，繼電器預(yù)期壽命為16.75年。按照動(dòng)車組運(yùn)行480萬(wàn)公里或12年即更換的要求，繼電器仍可繼續(xù)使用4.75年，可以達(dá)到延壽的預(yù)期要求。