電磁繼電器動作延遲失效模式與機(jī)理分析

范士海，譚士海

（航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)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(guān)，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(yīng)地線圈就會產(chǎn)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(diǎn)分離，常開觸點(diǎn)閉合。當(dāng)線圈斷電后，銜鐵被釋放，帶動與銜鐵相連的推動桿復(fù)位，常開觸點(diǎn)分離，常閉觸點(diǎn)閉合，完成一個(gè)開關(guān)工作過程。由于電磁繼電器是通過機(jī)械接觸與斷開來實(shí)現(xiàn)通斷功能轉(zhuǎn)換的，使其具有斷態(tài)高絕緣電阻和通態(tài)低導(dǎo)通電阻特性，加之其具有體積小，控制電信號小，應(yīng)用電路簡單，可實(shí)現(xiàn)多路同時(shí)控制的優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)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(jī)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(dǎo)通失效的模式與機(jī)理[2]。本文將通過一些典型的失效案例，詳細(xì)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(jī)理，為進(jìn)一步提高電磁繼電器的使用可靠性提供有益的依據(jù)。

1 電磁繼電器動作延遲失效模式與機(jī)理

1.1 銜鐵轉(zhuǎn)軸不對中造成動作延遲失效

銜鐵轉(zhuǎn)軸對銜鐵動作起著支撐作用，其上下兩轉(zhuǎn)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(xì)說明。

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

按照廠家手冊對該繼電器進(jìn)行常溫電性能測試，結(jié)果為：產(chǎn)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(jié)果見表1，故障不復(fù)現(xiàn)。

表1 繼電器常溫電性能測試結(jié)果

用體視顯微鏡對失效件進(jìn)行外觀檢查，發(fā)現(xiàn)外觀完整，表面標(biāo)識清晰，玻璃絕緣子未見明顯開裂等異?，F(xiàn)象。對該繼電器進(jìn)行PIND、密封和X射線檢查，結(jié)果為：PIND和密封合格；X射線檢查未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常。

用機(jī)械方法打開失效繼電器，觀察繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，結(jié)果為：繼電器線圈兩端引出線未見明顯異常；內(nèi)部未見明顯的金屬及非金屬多余物；使用的一組常開觸點(diǎn)動、靜簧片未見明顯異常，觸點(diǎn)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(jìn)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(yīng)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(jìn)一步對銜鐵磨損、變色區(qū)進(jìn)行掃描電鏡及能譜分析，結(jié)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(jù)以上檢測與觀察，分析得出，該繼電器常開觸點(diǎn)吸合延遲是由于該繼電器銜鐵軸在使用時(shí)曾出現(xiàn)不對中，使其瞬時(shí)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(zhuǎn)動的摩擦力增大，導(dǎo)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(zhuǎn)動的摩擦力增大，導(dǎo)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(shí)電磁繼電器。繼電器在整機(jī)調(diào)試時(shí)，出現(xiàn)繼電器動作延遲的失效現(xiàn)象。

對繼電器進(jìn)行測試，繼電器動作電壓、釋放電壓、接觸電阻及延時(shí)時(shí)間等參數(shù)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(jī)械方法啟封繼電器，置于顯微鏡下觀察，結(jié)果為：繼電器內(nèi)部延時(shí)電路部分各焊點(diǎn)焊接良好，各個(gè)元器件未見明顯缺陷；觸點(diǎn)簧片裝配良好，觸點(diǎn)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(zhì)，進(jìn)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(zhì)，同時(shí)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(zhì)

圖4 下銜鐵軸銷表面粉末狀物質(zhì)

對綠色粉末狀物質(zhì)進(jìn)行成分分析，綠色粉末主要成分為Cu、Zn、Ni、O元素。

根據(jù)以上的檢測與觀察，分析得出：該繼電器失效可能是因?yàn)閮?nèi)部銜鐵氧化、產(chǎn)生綠色粉末狀氧化物，粉末掉落到銜鐵軸內(nèi)，影響銜鐵正常轉(zhuǎn)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(dǎo)致動作延遲

繼電器動作延遲有時(shí)是因?yàn)槔^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(gòu)成阻礙作用，導(dǎo)致繼電器動作延遲。

案例3：某型號電磁繼電器為國內(nèi)某廠生產(chǎn)的產(chǎn)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(fù)現(xiàn)。

根據(jù)廠家手冊對失效電磁繼電器進(jìn)行常溫電性能測試，失效件主要技術(shù)指標(biāo)均合格，動作、釋放狀態(tài)正常，失效件失效現(xiàn)象未復(fù)現(xiàn)，具體測試結(jié)果見表2。

表2 主要測試結(jié)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(jī)械開封法打開管殼，使用體視顯微鏡對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。失效件內(nèi)部簧片與上、下觸點(diǎn)間未發(fā)現(xiàn)明顯拉弧燒蝕痕跡；但一側(cè)推桿玻璃球位置明顯存在異常，玻璃球距上觸點(diǎn)金屬桿距離偏小，當(dāng)簧片與下觸點(diǎn)接觸時(shí)，玻璃球與上觸點(diǎn)金屬桿接觸摩擦。從玻璃球與簧片的接觸點(diǎn)可見，兩側(cè)接觸位置不對稱，一側(cè)接觸點(diǎn)距上觸點(diǎn)金屬桿的距離小于玻璃球的半徑，上觸點(diǎn)金屬桿側(cè)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(nèi)部結(jié)構(gòu)形貌

根據(jù)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(diǎn)金屬桿距離偏小，當(dāng)玻璃球推動簧片與下觸點(diǎn)接觸時(shí)，玻璃球與上觸點(diǎn)金屬桿接觸摩擦，進(jìn)而可能出現(xiàn)暫時(shí)延遲現(xiàn)象，導(dǎo)致簧片不動作。

1.4 內(nèi)部水汽嚴(yán)重超標(biāo)導(dǎo)致繼電器低溫下動作延遲失效

繼電器內(nèi)部水汽含量嚴(yán)重超標(biāo)，低溫環(huán)境下，水汽在銜鐵轉(zhuǎn)軸部位凝露結(jié)霜，會造成銜鐵轉(zhuǎn)動阻力增大；水汽在觸點(diǎn)表面凝露結(jié)霜，也導(dǎo)致觸點(diǎn)接觸電阻增大，兩者綜合作用結(jié)果，就導(dǎo)致繼電器低溫時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間增大。

案例4：微型密封直流保持磁繼電器是國內(nèi)某廠生產(chǎn)的產(chǎn)品。用戶在整機(jī)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)該型號1只繼電器-40 ℃時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間實(shí)際大于1 s，產(chǎn)品規(guī)范里面規(guī)定繼電器繞組加上轉(zhuǎn)換電壓為矩形脈沖時(shí)，其轉(zhuǎn)換時(shí)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(jìn)行外觀檢查：兩只繼電器外觀完整，表面標(biāo)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(jìn)行PIND、密封細(xì)檢檢查，結(jié)果為PIND和密封細(xì)檢合格。

目前我所不能進(jìn)行低溫轉(zhuǎn)換時(shí)間測試。按照廠家手冊對兩只繼電器進(jìn)行常溫電性能測試，主要檢測參數(shù)均合格，檢測結(jié)果見表3。

表3 電性能測試結(jié)果

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

表4 繼電器內(nèi)部氣氛檢測結(jié)果

用機(jī)械方法打開兩只繼電器，觀察繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，主要結(jié)果為：繼電器觸點(diǎn)簧片未見明顯異常；從內(nèi)部觀察玻璃絕緣子，兩只繼電器內(nèi)部絕緣子均未見明顯異常；線圈表面未見明顯異常。

對兩個(gè)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(jìn)行形貌觀察，主要觀察結(jié)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(diǎn)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(jìn)行成分分析，主要結(jié)果為：失效繼電器觸點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)發(fā)黑部位成分分析結(jié)果

圖8 參考繼電器觸點(diǎn)成分分析結(jié)果

通過對失效繼電器進(jìn)行外觀檢查、PIND、密封、X射線檢查、功能測試、開封及內(nèi)部檢查，并與參考件進(jìn)行對比分析，得出：該繼電器外觀未見明顯異常；PIND及密封細(xì)檢檢查合格；繼電器主要電參數(shù)測試結(jié)果合格；失效件和參考件內(nèi)部水汽含量測試結(jié)果不合格；開封內(nèi)部檢查繼電器內(nèi)部主要結(jié)構(gòu)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(jù)上述觀察結(jié)果，分析認(rèn)為：該繼電器-40 ℃時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間增大，主要是由于繼電器內(nèi)部水汽含量嚴(yán)重超標(biāo)，水汽露點(diǎn)溫度提高，在觸點(diǎn)表面凝露，導(dǎo)致觸點(diǎn)電阻變大；同時(shí)觸點(diǎn)表面存在有機(jī)物沾污，也導(dǎo)致觸點(diǎn)接觸電阻增大，兩者綜合作用影響繼電器簧片導(dǎo)通、導(dǎo)致低溫時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間增大。

2 結(jié)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(fù)現(xiàn)的特點(diǎn)。往往出現(xiàn)一次后，再次啟動，繼電器就恢復(fù)正常。有時(shí)設(shè)備放置一段時(shí)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(fù)正常。另一方面，繼電器的動作延遲有時(shí)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(guān)系?；谏鲜鲈?，繼電器的此種失效模式給整機(jī)的故障定位和故障復(fù)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(jī)的影響有時(shí)是很嚴(yán)重的，尤其對航天產(chǎn)品這種復(fù)雜系統(tǒng)，甚至可能造成整個(gè)任務(wù)失敗。所以研究電磁繼電器動作延遲失效模式與機(jī)理，對于制造方和使用方都具有非常重要的意義。