航天继电器贮存过程吸合时间退化机理研究

叶雪荣 林义刚 黄晓毅 翟国富

(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 哈尔滨 150001)



航天继电器贮存过程吸合时间退化机理研究

叶雪荣 林义刚 黄晓毅 翟国富

(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 哈尔滨 150001)

航天继电器作为一种密封的电器元件，其贮存可靠性对于导弹等武器装备至关重要。如何测试评价航天继电器在贮存过程中性能及可靠性的衰退，是继电器用户和厂家非常关心的问题。利用开发的实验系统对某型号航天继电器进行了贮存加速实验，得到了吸合时间的变化规律。分析并验证了贮存过程中吸合时间变化的主要原因是簧片应力松弛所导致的反力变化。通过仿真与实验均证实了吸合时间与簧片初力存在近似的线性关系，进而提出可采用吸合时间来表征簧片的应力松弛退化特性。建立了高温条件下继电器吸合时间的贮存退化模型，为进一步研究继电器贮存可靠性及贮存寿命预测奠定了基础。

航天继电器 贮存 吸合时间 应力松弛

0 引言

航天继电器是国防武器装备系统中不可缺少的关键元器件之一，其贮存可靠性直接影响国防武器装备系统的可靠性。李子先等[1]通过故障树分析方法，对密封电磁继电器贮存条件下的失效模式进行了归纳分析，提出了故障诊断方法。陆俭国等[2]分析了航天电磁继电器的贮存失效机理，并利用灰色理论对加速贮存寿命实验数据进行了预测。王召斌等[3,4]从失效物理的角度对航天电磁继电器接触失效进行了研究，建立了温度应力下的航天电磁继电器贮存退化物理方程。

航天继电器贮存过程中，其簧片、线圈、骨架、漆包线以及磁性材料等均会发生一定程度的退化，从而影响继电器的动作特性或接触性能。对于长期贮存的航天继电器，利用贮存过程的测试数据准确评估其性能衰退程度并预测未来的工作特性，对于厂家和继电器用户均具有至关重要的意义。

继电器的吸合过程由电磁系统与触簧系统配合完成，M. Hammerschmidt等[5]指出，吸合时间作为可表征继电器吸合过程的特性参数，与触点间隙、接触压力等机械参数存在确定的关系。因此，吸合时间退化数据包含了反映继电器零部件退化的特征信息。在贮存过程中，电磁系统的退化主要体现为线圈漆包线电阻的变化，而触簧系统的退化主要由簧片应力松弛引起，二者的共同作用导致了继电器吸合时间的退化。

目前国内外学者对材料的应力松弛研究的比较深入[6-9]。A.Fox[10]在研究铍铜合金条材的弯曲应力松弛特性时指出，应力松弛的下降率与时间的对数呈线性关系。K.Hashizume等[11]在研究了弹簧用铜合金板材的应力松弛特性后，建立了Hashizume公式。朱永庆等[12]对继电器接触簧片材料(国产锡青铜和铍青铜带材)进行了加速应力松弛实验研究，从短期内的变化规律推算了长时间的应力松弛量。已有研究大多单从材料的角度研究应力松弛，本文在对航天继电器进行贮存加速实验时发现，吸合时间在贮存过程中变化较为明显且具有特定的趋势，通过分析导致吸合时间退化的原因后，提出采用吸合时间表征簧片应力松弛贮存退化特性，并建立了退化模型，可为继电器贮存可靠性研究提供参考。

1 继电器贮存加速实验及结果

1.1 航天继电器贮存环境应力分析与贮存加速应力 的确定

航天继电器的贮存过程会受到多种环境因素的影响，包括温度、湿度和振动等。表1中给出了某装备用航天继电器25年贮存期内的力学环境统计及其耐力学指标。

表1 某航天继电器贮存期内的力学环境统计

由表1可见，继电器贮存过程中所受的振动加速度很小，远低于其能够承受的力学环境指标。此外，在25年的贮存期内，与一直作用于继电器的温度应力相比，力学应力的总计作用时间仅为71 h，占全部贮存时间的0.032 4%，所能够造成的振动磨损、机械疲劳微乎其微，完全可以忽略。因此本文在进行加速贮存试验时，不考虑振动应力的影响。

温度作为持续作用于航天继电器整个贮存过程的环境因素，与退化过程的化学反应速率有着直接的关系，对继电器等电子元器件的影响也是显而易见的。已有文献指出，温度因素是导致继电器贮存失效的最主要环境因素[2]。而对于湿度而言，由于航天继电器采用金属壳密封结构，且生产过程内部水汽含量控制较严，因而，可以认为贮存时湿度所带来的影响很小。综上，本文经比较分析后，将温度确定为加速贮存应力。

在常温贮存时，继电器性能退化极为缓慢，因此需要在不改变产品失效机理的前提下进行加速退化实验[13,14]:通过提高贮存实验应力水平的方式加快继电器性能的退化，然后基于实验过程中测得的性能退化数据研究继电器性能贮存退化规律及可靠性[15,16]。本文所研究的某型号航天继电器，其最低耐温等级的材料为H级“6050聚酰亚胺薄膜”，所允许的最高使用温度是180 ℃。为了避免因超过该极限温度而引入新的失效模式，同时在保证失效机理一致性的前提下尽可能提高实验对象的性能退化速率，本文将实验温度设定为170 ℃。

1.2 实验系统与实验过程

本文利用文献[17]开发的接触电阻和时间参数测试系统进行贮存加速实验，测试系统的总体框图如图1所示。整个测试系统由恒温箱、继电器切换电路、接触电阻测试电路、时间参数测试电路、下位机和上位机系统软件构成。恒温箱中放置的待测继电器经由切换电路轮流接入至测试电路中，进行接触电阻和时间参数的测试。下位机除用于控制恒温箱的温度和湿度以及切换电路的切换状态外，还负责将测试数据送入上位机系统软件中对数据进行分析、处理。

图1 测试系统总体结构框图Fig.1 Major structures diagram of test system

实验过程中，每隔72 h将继电器温度恢复至室温，并测量一次继电器的接触电阻及吸合时间等性能参数。实验继电器的电磁系统和触簧系统如图2所示，其线圈电压为直流28 V，触点负载为5 A。线圈通电后产生电磁吸力，衔铁在电磁吸力与簧片反力的合力作用下运动，推动器推动动簧片与动合静簧片接触，动合触点闭合，继电器吸合。

图2 实验继电器结构Fig.2 Schematic structure of EMR for test

1.3 吸合时间的测试结果

吸合时间是指继电器线圈加电到动触点首次碰撞动合静触点所需的时间。利用上述实验系统对10只继电器进行为期210天的贮存加速实验，获得这些继电器的吸合时间数据。从统计的角度分析吸合时间的退化规律，10只继电器吸合时间平均值的趋势如图3a所示，可以看出在高温长期贮存时吸合时间变化曲线明显呈两段式下降，第一阶段下降较快，而在第二阶段曲线逐渐趋于平缓。在0～2 000 h区间，吸合时间减小约220 μs，而在2 000～5 000 h区间，吸合时间减小约50 μs，可知吸合时间的退化大部分发生于第一阶段。对整个加速贮存实验过程中每次测量的吸合时间数据绘制箱线图，如图3b所示，可见10组吸合时间的退化趋势均呈两段式下降。

图3 吸合时间退化趋势Fig.3 Degradation trend of pick-up time

2 吸合时间变化原因分析

将电磁系统所产生电磁吸力(或力矩)在气隙处的归算值与此处衔铁行程(或衔铁转角)之间的关系称为吸力特性。将触簧系统所产生机械反作用力(或力矩)在气隙处的归算值与此处衔铁行程(或衔铁转角)之间的关系称为反力特性[18]。当吸力特性曲线高于反力特性曲线时，继电器吸合，反之继电器释放。典型继电器吸、反力特性曲线如图4所示。图4中，1、3、4为不同线圈电压下的吸力特性，而机械反力特性则由四段折线构成：S=0处表示衔铁开始运动；0～S1段指从衔铁开始运动到推动杆与动簧片刚刚接触的阶段，该阶段反力特性仅受返簧的影响；S1～S2段为推动杆与动簧片接触到动簧片与静合静触点刚刚分离的阶段，这一阶段的机械反力体现为返簧、动簧片和静合静簧片的共同作用；S2～S3段表示动簧片在触点间隙之间运动的过程，该过程反力特性受到动簧片与返簧的共同作用；从S3开始为第四阶段，表示动簧片与动合静触点接触之后的运动过程，此阶段反力特性受到返簧、动簧片与动合静簧片的综合影响。

图4 典型继电器吸、反力特性曲线Fig.4 Typical graph of attractive force and spring force characteristics of EMR

继电器的吸合过程是在吸力和反力的共同作用下进行的，吸合时间的减小可由吸力变大或反力减小造成，即二者的合力变大使簧片运动加快，从而导致吸合时间变短。

2.1 贮存过程吸、反力特性的变化

吸力由线圈励磁使磁系统磁化产生，对于本文所研究的航天继电器，其磁系统包括磁性材料(DT4E)及线圈。文献[19]指出，在不经受较高温度与冲击应力的条件下，可以认为磁性材料的磁性能基本不发生改变。而贮存过程线圈的退化主要体现为漆包线电阻的变化，继电器贮存加速实验中线圈电阻的测试结果见表2，可见，线圈电阻虽略有增加的趋势，但阻值变化仅约0.2%。此外，由于继电器在贮存过程中的动作次数十分有限，且影响磁系统中磁气隙大小的铁心、长/短轭铁及衔铁均为刚体，在贮存过程中其形状及相对位置并不会发生变化，因而，可以认为磁气隙不会发生变化。综合考虑贮存过程中磁系统的变化情况，可以认为吸力将基本保持不变，即贮存过程中吸合时间的变化并非由吸力变化导致。

表2 实验中的线圈电阻测量值

反力由簧片提供，作为弹性元件，簧片在贮存过程中会发生应力松弛，其结果是造成簧片的反力减小。在吸力基本不变的情况下，反力的减小将使吸合过程加快，从而导致吸合时间的减小。图5中给出了吸合时间变化趋势与典型应力松弛曲线的对比情况。

图5 吸合时间变化与典型应力松弛曲线对比Fig.5 Comparison of pick-up time degradation trend and typical stress relaxation curve

如图5中曲线1所示，在应力松弛过程的初始阶段，应力下降较为剧烈，之后逐渐趋于缓慢，这与图5 中曲线2所示的吸合时间两段式下降趋势相吻合，显然反力与吸合时间的变化也是同方向的。因此可以初步判断贮存过程中吸合时间的变化是由簧片应力松弛造成的。

进一步，如果能够证明反力与吸合时间呈线性关系，则可认为所监测得到的吸合时间退化数据将能直接用于反映反力(即簧片)的衰退程度。这对于研究密封式航天继电器的贮存可靠性具有重要的理论意义和实用价值。

2.2 吸合时间与反力特性的关系

为了研究继电器吸合时间与反力特性的对应关系，本文采用MSC公司的ADAMS虚拟样机软件对继电器进行了建模(如图6所示)与动态特性仿真，通过改变簧片反力，得到对应的吸合时间值。

图6 继电器的有限元模型Fig.6 Finite element model of certain relay

通过分析继电器的结构可知，在贮存过程中，动簧片、静合静簧片及返簧均存在一定的预变形量，因而将发生应力松弛，而动合静簧片则处于自由状态，可以认为其不会发生应力松弛。由簧片应力松弛导致的反力特性变化将表现为图4中曲线2的整体变化，初力对应于该曲线的S2处，是推动衔铁端部使动簧片与静合触点恰好分离时的力，通过前文对曲线2各段的影响因素分析可知，S2处反力的大小受到动簧片反力、静合静簧片反力及返簧反力的综合影响，因而其变化可体现三者的应力松弛情况，故此，本文选定初力作为代表继电器反力特性的参量。不改变继电器尺寸参数及动、静簧片的相对位置，以0.005 N为步长,在[0.65 N,0.75 N]范围内改变初力值，获得反力特性与吸合时间的关系如图7所示。

图7 仿真得到的簧片初力与吸合时间关系Fig.7 Simulation results of the relationships between reed initial forces and relay pick-up time

可见，簧片初力与吸合时间基本呈线性关系，相关系数为0.997 0，线性方程为

Tsim=3 705.59Fsim+804.09

(1)

式中，Tsim为仿真得到的吸合时间；Fsim为仿真所设置的初力值。

2.3 实验验证

另取新的航天继电器样品进行贮存加速实验，为了便于初力测量，对实验继电器进行开壳处理。实验过程中，继电器初力及吸合时间的定期监测分别通过文献[20]中的静态吸反力特性测试系统与文献[17]中的时间参数测量装置完成。实验温度同样设置为170 ℃，实验共进行600 h，每隔200 h将继电器恢复至室温进行初力值及吸合时间的测量。

实验继电器初力的变化如图8所示，从图中可以看出实验过程中初力逐渐减小，意味着簧片反力发生了退化。

图8 簧片初力实测结果Fig.8 Test results of reed initial forces

实验继电器吸合时间与初力值的对应关系如图9所示。可以看出，随着实验时间的增加，吸合时间和初力都在减小，且近似为一条直线，相关系数为0.989 3，线性拟合结果如图9中直线所示，线性方程为

Ttest=3 538.04Ftest+900.08

(2)

式中，Ttest为实测吸合时间；Ftest为实测初力值。这也进一步表明，贮存过程中吸合时间的变化是由于反力而不是吸力的变化引起的，且吸合时间与初力呈局部线性的关系。

图9 实验得到的簧片初力与吸合时间关系Fig.9 Test results of the relationships between reed initial forces and relay pick-up time

仿真和实验结果均证实了吸合时间与初力的近似线性关系，对于仿真和实验结果所存在的细微偏差，则是由生产过程中不确定因素所导致的航天继电器个体差异造成的，不影响分析结果。

上述分析表明，利用吸合时间的监测结果来反映继电器贮存过程中簧片的应力松弛情况是可行的，这对于研究密封式航天继电器贮存性能退化及贮存可靠性具有重要的现实意义。进一步而言，可通过建立吸合时间的退化模型，评估并预测簧片乃至整个继电器的贮存可靠性。

3 吸合时间贮存退化模型

结合吸合时间和初力的近似线性关系，基于应力松弛理论，可推导出继电器贮存过程中吸合时间的退化模型。常用的应力松弛模型是Larson-Miller[21]提出的用于概括应力松弛数据的经验公式，为

θ=F(S)=(1.8T+491.67)(lnt+C)

(3)

式中，θ为Larson-Miller参数；T为摄氏温度；t为时间；C通常取为20。

选择式(3)中F(S)为应力松弛实验中的剩余初力百分率，即

FS/F0=(1.8T+491.67)(lnt+20)

(4)

式中，FS为S时刻的初力值；F0为0时刻的初力值。

吸合时间与初力的近似线性关系为

TS=kFS+c

(5)

将式(4)带入式(5)可以得到贮存过程中吸合时间的退化模型为

TS=kF0(1.8T+491.67)(lnt+20)+c

(6)

应用式(6)的模型对前述贮存实验数据进行最小二乘法非线性拟合，结果如图10所示，可见模型吻合程度较好。

图10 吸合时间测试数据及模型计算值Fig.10 Measure and calculate results of pick-up time

4 结论

1)利用贮存加速实验系统对航天继电器进行贮存加速实验，测得了高温贮存状态下吸合时间的退化数据。数据显示，吸合时间的退化趋势呈两段式下降，在开始阶段下降的比较剧烈，而后逐渐趋于平缓；吸合时间的退化大部分发生在第一阶段。

2)通过分析吸合时间的贮存退化机理推测出，航天继电器贮存状态下吸合时间的变化主要由簧片应力松弛导致的反力变化造成，受吸力影响不大，实验结果亦验证了这一推测。

3)仿真结果和实测数据均表明，吸合时间与初力存在近似线性关系，这意味着通过吸合时间的变化规律来研究贮存过程中的应力松弛效应是可行的。

4)建立了高温贮存条件下航天继电器贮存过程吸合时间退化模型，并基于实验数据对该模型进行了拟合，拟合结果表明该模型能够很好地反映吸合时间的贮存退化过程，为下一步基于吸合时间进行继电器贮存可靠性评估奠定了基础。

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(编辑 于玲玲)

Research on Storage Degradation Mechanism of Aerospace Electromagnetic Relay Pick-Up Time

YeXuerongLinYigangHuangXiaoyiZhaiGuofu

(School of Electrical Engineering & Automation Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China)

As a hermetically sealed electrical component, the storage reliability of aerospace electromagnetic relay (EMR) plays an important role in weapons, such as missiles. How to test and evaluate the performance degradation and storage reliability of aerospace EMR are widely concerned by both relay consumers and manufactures. Through the storage accelerated degradation testing of a certain type of aerospace EMR based on a self designed testing system, the degradation data of pick-up time were obtained and analyzed. According to the analysis of degradation mechanism of pick-up time in long-term storage, reed force degradation caused by stress relaxation was verified to be the main cause. The results of both simulation and testing show that pick-up time is approximate linear relation to reed initial force. Then pick-up time was chosen as the indication of reed stress relaxation degradation. Meanwhile, the pick-up time degradation model under high temperature was built, and it could provide the basis for latter aerospace EMR storage reliability assessment and life prediction.

Aerospace electromagnetic relay, storage, pick-up time, stress relaxation

国家自然科学基金项目(51377029)和火箭军武器装备科研项目(二炮2014年002号)资助。

2016-04-06 改稿日期2016-09-06

TM581.3

叶雪荣 男，1981年生，副教授，博士生导师，研究方向为电器失效物理、电器可靠性与测试技术。

E-mail:xuelai1981@163.com

林义刚 男，1985年生，博士研究生，研究方向为电器贮存可靠性、加速试验及寿命预测技术。

E-mail:linyg1985@foxmail.com(通信作者)