某电磁继电器加电不动作失效分析研究

王智彬，陈雁，张伟

（中国空间技术研究院，北京 100094）

0 引言

作为电信号及能量传输切换的重要机电元件，电磁继电器在航空航天等重要领域得到了广泛的应用，其可靠性对单机系统乃至于整机而言都十分重要，历史上曾发生过多次由于继电器失效而导致整机系统失效甚至整个型号研制工作失败的案例。由于继电器内部涉及磁路、电路和机械等多个系统，结构复杂，因此需要多个系统共同精密配合才能实现其预定的功能，因而，如何尽可能地提高电磁继电器的可靠性便成为了人们一直关注的焦点[1-5]。生产装配工艺与使用环境应力导致的电磁继电器失效模式纷繁复杂，其中加电激励后无动作响应的失效模式占有相当的比例，是一种严重的功能失效模式。本文对一起电磁继电器加电后不动作的失效案例进行了分析研究，确认了导致其失效的直接原因，并以此案例为基础讨论了继电器设计生产中各项指标相互配合的重要性。

1 失效案例分析

1.1 故障现象描述

某型号用单机在装焊完成后进行单板调试时发现某型号规格的5只额定电压 （产品的规定使用电压）为27 V的继电器在收到正常的开机指令后未响应，随后，多次对其施加指令后，5只继电器中有3只 （编号1#、2#和3#）恢复动作，其触点可以根据指令要求正确地吸合，另2只 （编号4#、5#）的故障未消除。使用直流电源对4#继电器进行线性加压，当电压达到22 V时 （超过了该产品规范要求的动作电压的范围16～19 V，动作电压是指使继电器开始发生动作的最小电压），继电器发生动作，正常转换。

1.2 失效原因分析

调研以往类似的案例后发现，继电器加电不动作的原因包括过量级振动冲击导致继电器的内部结构发生变化、衔铁和轭铁之间发生粘连、触点间冷焊或因过电应力发生熔接、多余物卡阻转动部件等，需在分析过程中对这些可能的原因分别进行排查。

检查失效继电器的外观时发现，其外壳无凹坑等变形痕迹，玻璃绝缘子无破损。密封性测试结果符合标准要求。用X射线检查继电器的内部结构，也未见异常，加电监测结果显示动作正常。对继电器进行粒子碰撞噪声检测 （PIND：Particle Impact Noise Petection），未见可动多余物。开封后检查继电器的内部结构，未见多余物和异常结构，对衔铁、轭铁和簧片触点等重点部位进行检查，发现其形貌与同型号不同批次的继电器的相同部位的形貌没有明显的差异，与厂家及用户沟通后确认，失效继电器未经历振动试验等容易诱发粘连的过程，使用中触点间也未经历过异常电应力，因而可以排除上述原因。

进一步检查失效继电器的内部结构，发现继电器衔铁小轴与U形槽配合较紧。在扫描电镜下对失效继电器以及同型号不同批次的继电器进行检查时发现，失效继电器中有4只继电器的衔铁小轴根部的圆角半径均明显大于同型号不同批次的继电器的衔铁小轴根部的圆角半径，相应在U形槽表面与圆角接触部位的磨损痕迹也更大，检查结果如图1-3所示。

与厂家确认了该圆角半径的工艺控制要求后发现，4只失效继电器衔铁小轴根部圆角的半径均超出了工艺尺寸要求的上限，而检查的同型号不同批次的继电器的该部分的尺寸均在工艺控制要求的范围内。另一只失效继电器的衔铁小轴圆角半径虽然符合生产厂的工艺控制要求，但是检查时发现其衔铁小轴粗径和细径部分不同轴。如果衔铁小轴根部半径过大或者粗径与细径部分不同轴，那么在将衔铁小轴装入U形槽后，均会导致小轴转动卡滞问题。至此，该继电器加电不动作的直接原因已找到，即衔铁小轴根部圆角尺寸超差或粗细径部分不同轴的现象在特定的状态下使衔铁转动时承受的摩擦阻力增大，从而导致了继电器加电不转换的故障。

图1 继电器内部形貌及衔铁与U形槽形貌图

图2 失效继电器衔铁小轴根部圆角形貌

图3 失效继电器U形槽双边磨损形貌

确认失效原因后，对生产厂的生产工序进行了严格的排查，发现小轴尺寸超差是由于生产过程中未及时更换已磨损的加工刀具所导致的，而小轴粗细径部分不同轴是由于刃磨刀具对材料进行二次装夹使轴心位置发生了偏离所导致的。由于小轴对继电器的转换起到了决定性的作用，因此，为了避免发生类似情况，今后应将小轴的台阶加工工序定义为关键工序并对相关尺寸进行100%的检验；同时应加强对刀具的检查，以确定刀具的磨损情况，并及时地刃磨或更换刀具，以便于从根本上杜绝该类问题。

2 案例深度剖析

通过失效分析，确认了未及时更换已遭到磨损的刀具是导致加工出的小轴尺寸超差的直接原因。然而另一个问题出现了：之前生产的该型号规格的继电器的衔铁小轴也同样存在刀具磨损带来的尺寸超差的问题，而继电器却从未出现过因为小轴尺寸超差卡滞而导致的加电不动作的问题。通过调查发现，该型号规格的继电器的产品技术状态经历过一次更改。之前该型号规格的继电器的动作电压的规范要求为8～16 V，在交付用户进行试验的过程中，继电器会在冲击过程中出现中位、翻转等故障现象，为了满足用户提出的抗冲击要求，生产厂调整了装配工艺中的电气校正工序，以增大磁钢的带载保持力。相应地由于保持力的增大，欲使衔铁发生动作，线包通电时就应产生更大的电磁力，而生产商并未对线包的状态进行相应的更改，所以只能通过提升电压来增加安匝数进而增大电磁力，改进后的继电器产品的动作电压指标就由原先的8～16 V提升至了16～19 V。

以下我们对该型继电器衔铁发生动作的初始状态进行受力分析，以明晰单独更改带载保持力这一项技术状态对整个继电器产品的动作可靠性带来的影响。当继电器衔铁一端与轭铁吸合时，对另一线包施加额定电压使衔铁发生动作，在该初始状态时，衔铁发生动作的动力包括线包产生的电磁吸力F1，以及与簧片接触的推动器受到的簧片回复力F2，而动作阻力只有来自吸合面的磁钢带载保持力F3（在不考虑摩擦卡阻等因素的条件下）。合力为动力与阻力之差，即F合=F1+F2-F3。若F合＞0，则衔铁发生动作，反之衔铁不动。而在F合为正的情况下，其值越大，则衔铁发生动作时能克服的阻力 （包括各种摩擦卡阻等）也越大，即转换动力的余量越大，衔铁的动作可靠性也会越高。

我们在对线包施加额定电压的情况下测量了原有型与改进型 （非失效继电器批次）继电器产品各3只的转换动力的余量，测得的结果如表1所示，其中A、B、C为改进型继电器，D、E、F为原有型继电器。

由表1可知，改进型产品的转换动力的余量明显地小于原有型产品的转换动力的余量，这是在F1和F2不变的情况下（线包安匝数与触簧系统未更改）单独增大F3（增大磁钢带载保持力）所导致的必然结果。因而在面临同样大小的小轴摩擦阻力时，可能会出现改进型继电器产品加电不动作，而原有型产品则可以克服该阻力完成动作的情况。通过以上剖析，我们不难发现，仅仅靠增大带载保持力来提高继电器产品的抗冲击能力是不科学的，因为它是以牺牲继电器的动作可靠性为代价的。

表1 继电器转换动力余量测试结果

3 结束语

通过以上分析得知，继电器产品加电不动作的直接原因是由于衔铁小轴尺寸超差导致摩擦阻力增大，深层原因是单独增大磁钢带载保持力而未作其他的适应性更改致使产品转换动力的余量减小，动作可靠性降低。因此，在继电器产品的生产过程中应充分识别关键零件和关键工序 （如本案例中的衔铁小轴及其机加工工序），加强工艺控制，加严质量检验，确保产品状态一致、合格与可靠。此外，对于继电器这种通过内部机、电路、磁路等各个不同类别的系统之间的精密配合来实现其功能的复杂机电元件，在进行初始设计或后续更改时，应充分考虑各部分之间的相互配合并进行理论和试验的充分验证，切不可为追求单一技术指标而单独更改直接关联的单项技术状态。

[1]孙静，胡会能，王全，等.航天用电磁继电器的常见失效模式及机理分析 [C]//全国第三届航空航天失效分析会议论文集.昆明：2000.

[2]张延伟，陈雁.对某微型继电器线圈开路的失效分析 [J].电子产品可靠性与环境试验， 2002， 20 （5）： 15-17.

[3]陆俭国，骆燕燕，李文华，等.航天继电器贮存寿命试验及失效分析 [J].电工技术学报， 2009， 24 （2）： 54-59.

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