王智彬，陳雁，張偉

（中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

0 引言

作為電信號及能量傳輸切換的重要機電元件，電磁繼電器在航空航天等重要領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，其可靠性對單機系統(tǒng)乃至于整機而言都十分重要，歷史上曾發(fā)生過多次由于繼電器失效而導(dǎo)致整機系統(tǒng)失效甚至整個型號研制工作失敗的案例。由于繼電器內(nèi)部涉及磁路、電路和機械等多個系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此需要多個系統(tǒng)共同精密配合才能實現(xiàn)其預(yù)定的功能，因而，如何盡可能地提高電磁繼電器的可靠性便成為了人們一直關(guān)注的焦點[1-5]。生產(chǎn)裝配工藝與使用環(huán)境應(yīng)力導(dǎo)致的電磁繼電器失效模式紛繁復(fù)雜，其中加電激勵后無動作響應(yīng)的失效模式占有相當(dāng)?shù)谋壤?，是一種嚴(yán)重的功能失效模式。本文對一起電磁繼電器加電后不動作的失效案例進行了分析研究，確認(rèn)了導(dǎo)致其失效的直接原因，并以此案例為基礎(chǔ)討論了繼電器設(shè)計生產(chǎn)中各項指標(biāo)相互配合的重要性。

1 失效案例分析

1.1 故障現(xiàn)象描述

某型號用單機在裝焊完成后進行單板調(diào)試時發(fā)現(xiàn)某型號規(guī)格的5只額定電壓 （產(chǎn)品的規(guī)定使用電壓）為27 V的繼電器在收到正常的開機指令后未響應(yīng)，隨后，多次對其施加指令后，5只繼電器中有3只 （編號1#、2#和3#）恢復(fù)動作，其觸點可以根據(jù)指令要求正確地吸合，另2只 （編號4#、5#）的故障未消除。使用直流電源對4#繼電器進行線性加壓，當(dāng)電壓達到22 V時 （超過了該產(chǎn)品規(guī)范要求的動作電壓的范圍16～19 V，動作電壓是指使繼電器開始發(fā)生動作的最小電壓），繼電器發(fā)生動作，正常轉(zhuǎn)換。

1.2 失效原因分析

調(diào)研以往類似的案例后發(fā)現(xiàn)，繼電器加電不動作的原因包括過量級振動沖擊導(dǎo)致繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化、銜鐵和軛鐵之間發(fā)生粘連、觸點間冷焊或因過電應(yīng)力發(fā)生熔接、多余物卡阻轉(zhuǎn)動部件等，需在分析過程中對這些可能的原因分別進行排查。

檢查失效繼電器的外觀時發(fā)現(xiàn)，其外殼無凹坑等變形痕跡，玻璃絕緣子無破損。密封性測試結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。用X射線檢查繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也未見異常，加電監(jiān)測結(jié)果顯示動作正常。對繼電器進行粒子碰撞噪聲檢測 （PIND：Particle Impact Noise Petection），未見可動多余物。開封后檢查繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，未見多余物和異常結(jié)構(gòu)，對銜鐵、軛鐵和簧片觸點等重點部位進行檢查，發(fā)現(xiàn)其形貌與同型號不同批次的繼電器的相同部位的形貌沒有明顯的差異，與廠家及用戶溝通后確認(rèn)，失效繼電器未經(jīng)歷振動試驗等容易誘發(fā)粘連的過程，使用中觸點間也未經(jīng)歷過異常電應(yīng)力，因而可以排除上述原因。

進一步檢查失效繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)繼電器銜鐵小軸與U形槽配合較緊。在掃描電鏡下對失效繼電器以及同型號不同批次的繼電器進行檢查時發(fā)現(xiàn)，失效繼電器中有4只繼電器的銜鐵小軸根部的圓角半徑均明顯大于同型號不同批次的繼電器的銜鐵小軸根部的圓角半徑，相應(yīng)在U形槽表面與圓角接觸部位的磨損痕跡也更大，檢查結(jié)果如圖1-3所示。

與廠家確認(rèn)了該圓角半徑的工藝控制要求后發(fā)現(xiàn)，4只失效繼電器銜鐵小軸根部圓角的半徑均超出了工藝尺寸要求的上限，而檢查的同型號不同批次的繼電器的該部分的尺寸均在工藝控制要求的范圍內(nèi)。另一只失效繼電器的銜鐵小軸圓角半徑雖然符合生產(chǎn)廠的工藝控制要求，但是檢查時發(fā)現(xiàn)其銜鐵小軸粗徑和細徑部分不同軸。如果銜鐵小軸根部半徑過大或者粗徑與細徑部分不同軸，那么在將銜鐵小軸裝入U形槽后，均會導(dǎo)致小軸轉(zhuǎn)動卡滯問題。至此，該繼電器加電不動作的直接原因已找到，即銜鐵小軸根部圓角尺寸超差或粗細徑部分不同軸的現(xiàn)象在特定的狀態(tài)下使銜鐵轉(zhuǎn)動時承受的摩擦阻力增大，從而導(dǎo)致了繼電器加電不轉(zhuǎn)換的故障。

圖1 繼電器內(nèi)部形貌及銜鐵與U形槽形貌圖

圖2 失效繼電器銜鐵小軸根部圓角形貌

圖3 失效繼電器U形槽雙邊磨損形貌

確認(rèn)失效原因后，對生產(chǎn)廠的生產(chǎn)工序進行了嚴(yán)格的排查，發(fā)現(xiàn)小軸尺寸超差是由于生產(chǎn)過程中未及時更換已磨損的加工刀具所導(dǎo)致的，而小軸粗細徑部分不同軸是由于刃磨刀具對材料進行二次裝夾使軸心位置發(fā)生了偏離所導(dǎo)致的。由于小軸對繼電器的轉(zhuǎn)換起到了決定性的作用，因此，為了避免發(fā)生類似情況，今后應(yīng)將小軸的臺階加工工序定義為關(guān)鍵工序并對相關(guān)尺寸進行100%的檢驗；同時應(yīng)加強對刀具的檢查，以確定刀具的磨損情況，并及時地刃磨或更換刀具，以便于從根本上杜絕該類問題。

2 案例深度剖析

通過失效分析，確認(rèn)了未及時更換已遭到磨損的刀具是導(dǎo)致加工出的小軸尺寸超差的直接原因。然而另一個問題出現(xiàn)了：之前生產(chǎn)的該型號規(guī)格的繼電器的銜鐵小軸也同樣存在刀具磨損帶來的尺寸超差的問題，而繼電器卻從未出現(xiàn)過因為小軸尺寸超差卡滯而導(dǎo)致的加電不動作的問題。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該型號規(guī)格的繼電器的產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)經(jīng)歷過一次更改。之前該型號規(guī)格的繼電器的動作電壓的規(guī)范要求為8～16 V，在交付用戶進行試驗的過程中，繼電器會在沖擊過程中出現(xiàn)中位、翻轉(zhuǎn)等故障現(xiàn)象，為了滿足用戶提出的抗沖擊要求，生產(chǎn)廠調(diào)整了裝配工藝中的電氣校正工序，以增大磁鋼的帶載保持力。相應(yīng)地由于保持力的增大，欲使銜鐵發(fā)生動作，線包通電時就應(yīng)產(chǎn)生更大的電磁力，而生產(chǎn)商并未對線包的狀態(tài)進行相應(yīng)的更改，所以只能通過提升電壓來增加安匝數(shù)進而增大電磁力，改進后的繼電器產(chǎn)品的動作電壓指標(biāo)就由原先的8～16 V提升至了16～19 V。

以下我們對該型繼電器銜鐵發(fā)生動作的初始狀態(tài)進行受力分析，以明晰單獨更改帶載保持力這一項技術(shù)狀態(tài)對整個繼電器產(chǎn)品的動作可靠性帶來的影響。當(dāng)繼電器銜鐵一端與軛鐵吸合時，對另一線包施加額定電壓使銜鐵發(fā)生動作，在該初始狀態(tài)時，銜鐵發(fā)生動作的動力包括線包產(chǎn)生的電磁吸力F1，以及與簧片接觸的推動器受到的簧片回復(fù)力F2，而動作阻力只有來自吸合面的磁鋼帶載保持力F3（在不考慮摩擦卡阻等因素的條件下）。合力為動力與阻力之差，即F合=F1+F2-F3。若F合＞0，則銜鐵發(fā)生動作，反之銜鐵不動。而在F合為正的情況下，其值越大，則銜鐵發(fā)生動作時能克服的阻力 （包括各種摩擦卡阻等）也越大，即轉(zhuǎn)換動力的余量越大，銜鐵的動作可靠性也會越高。

我們在對線包施加額定電壓的情況下測量了原有型與改進型 （非失效繼電器批次）繼電器產(chǎn)品各3只的轉(zhuǎn)換動力的余量，測得的結(jié)果如表1所示，其中A、B、C為改進型繼電器，D、E、F為原有型繼電器。

由表1可知，改進型產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換動力的余量明顯地小于原有型產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換動力的余量，這是在F1和F2不變的情況下（線包安匝數(shù)與觸簧系統(tǒng)未更改）單獨增大F3（增大磁鋼帶載保持力）所導(dǎo)致的必然結(jié)果。因而在面臨同樣大小的小軸摩擦阻力時，可能會出現(xiàn)改進型繼電器產(chǎn)品加電不動作，而原有型產(chǎn)品則可以克服該阻力完成動作的情況。通過以上剖析，我們不難發(fā)現(xiàn)，僅僅靠增大帶載保持力來提高繼電器產(chǎn)品的抗沖擊能力是不科學(xué)的，因為它是以犧牲繼電器的動作可靠性為代價的。

表1 繼電器轉(zhuǎn)換動力余量測試結(jié)果

3 結(jié)束語

通過以上分析得知，繼電器產(chǎn)品加電不動作的直接原因是由于銜鐵小軸尺寸超差導(dǎo)致摩擦阻力增大，深層原因是單獨增大磁鋼帶載保持力而未作其他的適應(yīng)性更改致使產(chǎn)品轉(zhuǎn)換動力的余量減小，動作可靠性降低。因此，在繼電器產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中應(yīng)充分識別關(guān)鍵零件和關(guān)鍵工序 （如本案例中的銜鐵小軸及其機加工工序），加強工藝控制，加嚴(yán)質(zhì)量檢驗，確保產(chǎn)品狀態(tài)一致、合格與可靠。此外，對于繼電器這種通過內(nèi)部機、電路、磁路等各個不同類別的系統(tǒng)之間的精密配合來實現(xiàn)其功能的復(fù)雜機電元件，在進行初始設(shè)計或后續(xù)更改時，應(yīng)充分考慮各部分之間的相互配合并進行理論和試驗的充分驗證，切不可為追求單一技術(shù)指標(biāo)而單獨更改直接關(guān)聯(lián)的單項技術(shù)狀態(tài)。

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