军用电磁继电器失效分析研究

摘 要： 军用电磁继电器的可靠性要求极高，任何失效情形必须找出失效原因，进行失效归零。总结了军用电磁继电器的失效分析方法，并对贮存和使用过程中常见的失效模式及失效机理进行分析。针对机械变形、环境应力等影响电磁继电器失效的典型因素及其作用机理进行详细探讨。在此基础上，完成了两个军用电磁继电器失效的实际案例研究。最后，结合失效机理研究提出电磁继电器的可靠性改进措施。

关键字： 电磁继电器； 失效分析； 失效模式； 失效机理

中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）10?0131?05

0 引 言

电磁继电器是一种由控制电流通过线圈时产生的电磁吸力来驱动磁路中的可动部分，从而实现出点的开、闭或转换功能的控制元件，电磁继电器具有转换深度高、多路同步切换、输入/输出比大、抗干扰能力强的特点，常作为控制元件被广泛应用于现代国防军事、工业自动化、交通运输及农业机械等领域中。

1 电磁继电器的结构

对电磁继电器进行全面的失效物理分析，剖析失效机理与失效模式，可以发现电磁继电器的固有质量问题，也可能发现因不按规定条件使用而失效的使用质量问题。

2 电磁继电器的失效分析方法

在进行外观检查时，引脚玻璃绝缘子等处应重点检查，而电测试主要是要得到接触电阻，电接触压降等参数，开封检查则重点检查机械部件有无变形，支架间隙是否合理，线圈有无损坏，触头污染情况等。最后，经过检测确定失效点，并根据物理分析来确定失效机理，找出失效原因，得出失效结论。

3 电磁继电器的失效模式与失效机理

电磁继电器失效后电测试表现如下：分合线圈电路后动触簧无动作；动触簧有动作但是动作行程不满足要求；触头连接上但电参数超差；电磁继电器时而正常工作，时而不能正常工作。

3.1 机械变形对机械系统失效的影响

3.2 环境应力对电磁继电器失效的影响

3.3 电弧放电对触头电接触失效的影响

在电磁继电器触头闭合的过程中，由于簧片自身的弹性，触头处会产生短时间的回跳。当两个触头距离较小而两端电压较大的情况下会出现击穿电弧（燃弧）。触头转换包括吸合过程和释放过程。吸合过程可分为静合触头分断过程、动触头自由运动过程、动合触头闭合过程，释放过程可分为动台触头分断过程、动触头自由运动过程、静台触头闭合过程。因此触头转换一次（包括线圈吸合和释放）会出现4次燃弧过程和至步两次回跳[5]。触头转换过程中出现的触头间隙预击穿和回跳现象，所产生的电弧是触头材料的侵蚀是造成电磁继电器电接触失效的主要原因。

在电感负载中，特别是电动机，开始通电时，电动机起动转矩最大，因而起动电流就大。一般情况下，起动瞬态电流应是平均电流的5～15倍。如果选用的电磁继电器余量过小，起动时的瞬态起动电流会大大超出继电器的接触电流范围，电磁继电器动作吸合过程中由于刚接触时簧片的弹性，会产生短时问的同跳现象，正是瞬态接触电流最大的时候，因接触面积不够大，产生吸合接触瞬态大电流而接触面积又小的情况，从而产生接触电弧，电弧又产生高温，使接触点周围的金属熔化[1]。

3.4 残留物与残留气体对电磁继电器失效的影响

电磁继电器的残留物来源主要有如下两个方面：一是生产过程中清洗工艺不足导致的残留；二是使用一段时间后由于振动环境影响或者疲劳老化导致结构附着物脱落或者破碎。而残留气体主要来源是使用过程中内部材料释放的杂质气体[9?10]。

残留物由于残留位置的不确定性会导致机械卡死等问题，残留气体主要是会污染腐蚀部件，尤其在触头处微粒的堆积会形成微粒污染膜，氧化物、硫化物、氯化物等环境气氛会形成腐蚀膜，表面水蒸气结成水膜后会形成化学腐蚀膜，有机物气氛会形成有机化学膜。实验表面，密封继电器的生产工艺过程中涉及的松香、真空胶和ZnCl2是形成这种触头表面各类污染膜的主要因素[11]。污染膜的形成会导致电磁继电器触头的接触电阻过大甚至超标而失效[12]。

3.5 密封失效对电磁继电器失效的影响

裂

4 失效案例分析

4.1 失效案例一

失效背景：GJQX?20M/028?12型电磁继电器失效件为2006年生产，出厂前已进行外观检查、绝缘电阻测试、耐压测试、三温测试等项验收试验，存放期间还要进行外观检查、绝缘电阻测试、耐压测试、三温测试、振动试验、寿命试验、跳流试验等项定期检验。此次失效件已出厂使用2年左右，在使用中用来控制信号灯，负载电流170 mA。失效时出现常开触点和动触点常闭合现象，动触点不可控。产品开罩后发现动簧片已不在常闭点上，而处在常开点和常闭点之间。

失效分析：失效检测项目及结果如表2所示。由于失效件已被开封可以直接进行镜检观察，发现动

簧片处在常开点和常闭点之间。用探针去拨动簧片发现动簧片已失去弹性，检查动簧片整体发现动簧片在根部处已断裂。将绕组线圈部分拆除，取出簧片观察从动簧片断裂口可以判断出是由于机械应力导致的断裂。一般簧片断裂可以分为三种情况，第一种是由于在生产加工中对材料造成了机械损伤导致其材料本身的强度降低，在振动条件下所产生的外应力使其断裂，但是在对动簧片检查时没有发现动簧片受到机械应力损伤的痕迹，因此排除了此种可能性。第二种是动簧片本身在材料上存在某种缺陷使其强度降低，在振动条件下所产生的外应力使其断裂，但是根据对断裂口的镜检观察，没有发现金属新旧断裂面的存在和金属结构异常情况存在，因此也排除此种可能性。第三种就是完全因为外应力导致其断裂，作为簧片本身存在弹性，弹性是在簧片可变形的运动方向，而垂直簧片运动方向的外应力相比之下就非常容易使簧片断裂。

失效分析结论：该电磁继电器失效是由于在飞机上使用时的振动产生了和动簧片运动方向相垂直的外应力。致使动簧片断裂，导致整个继电器的这一组功能失效。

4.2 失效案例二

电路中各元器件也不可能外观保持完好。失效分析结论：综上分析可以判断出该密封混合延时继电器的损坏是由于绕组输入端存在正向瞬态过高电压导致内部SY2039双向电压瞬态抑制二极管保护导通，致使继电器绕组正负极端子内部引线过流熔断，延时继电器过压受损。

5 结 语

针对电磁继电器，总结了进行失效分析的一般流程，对常见的失效模式与失效机理开展了研究，并完成了两个失效案例分析。通过失效分析，对电磁继电器的工艺提出改进建议和可靠性改进措施，可为提高电磁继电器的固有可靠性提供支持。要提高电磁继电器可靠性，必须从电磁继电器的失效机理出发，采取切实可行的措施。在生产过程中要加强工艺控制和管理，如改进机械部件的生产工艺和安装技术，提高机械部件的精度，机械部件成型后延长应力释放期，清理封装内的多余物与残留物，控制腔内气体以及化学残留物成分，改进密封性工艺并加强密封性检查，严格控制线圈绕制过程中的机械损伤，线圈引线应留出足够的余量，控制各个焊接处的焊接参数，避免内部焊接不牢带来的失效。使用过程中，应该注意选用额定电流较大的电磁继电器型号，以增大负载余量，减少接触电弧带来的不利影响，提高可靠性。另外要注意减小使用环境的振动，采取缓冲措施，防止外部和内部的机械损伤。经常检查电磁继电器的密封性，防止破损后杂物、水汽、有害气体进入腔内造成机械损伤或对部件的腐蚀。筛选时应加强多余物碰撞检测，减小日后使用过程中失效的隐患。

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