范士海,譚士海
(航天科工防御技術(shù)研究試驗中心,北京 100854)
電磁繼電器是一種自動控制機電元件,它的工作原理是:用電磁開關(guān)控制,通過機械動作使導(dǎo)體之間完成彼此接觸或斷開的轉(zhuǎn)換,使接觸導(dǎo)體具有通斷電流的能力。由于電磁繼電器是具有電磁和機械可動系統(tǒng)的機電一體化元件,加之生產(chǎn)過程中大部分裝配調(diào)整是手工操作,影響其可靠性的因素較多,與其它電子元器件相比,批一致性和可靠性相對較低,屬于可靠性較差的元器件[1,2]。有資料介紹[3]:上世紀(jì)70年代,日本發(fā)射的第一顆科學(xué)衛(wèi)星,用了1 400個元器件,其中繼電器占0.9 %,但其失效數(shù)占到了總元器件失效的1.4 %。所以電磁繼電器屬失效率很高的一類元器件。
在眾多電磁繼電器的失效模式中,導(dǎo)通失效占比較大,占到失效總數(shù)的40 %以上。導(dǎo)通失效包括接觸電阻增大,接觸電阻增大且不穩(wěn)定,閉合觸點瞬時斷開或(長時間)斷開等模式。另外,導(dǎo)通失效還包括斷開觸點異常導(dǎo)通的失效模式。
下面通過一些典型的導(dǎo)通失效案例詳細介紹,分析引起各種導(dǎo)通失效模式的失效機理。為進一步提高電磁繼電器使用可靠性提供有益的依據(jù)。
閉合觸點的接觸電阻變大是電磁繼電器一種常見的失效模式。對于一個合格電磁繼電器,通常要求其接觸電阻小于50 mΩ。發(fā)生失效后,其接觸電阻可能變?yōu)閹装俸翚W,直至歐姆量級。
1.1.1 案例1
某型號電磁繼電器在整機調(diào)試中出現(xiàn)一只失效,失效模式為觸點接觸電阻變大。該型號繼電器有三組主轉(zhuǎn)換觸點:第一組1、2常開觸點;第二組3、4常開觸點;第三組5、6常開觸點。對該失效繼電器進行常溫電性能測試,結(jié)果為第二組3、4觸點之間接觸電阻超差,阻值約為200 mΩ,而標(biāo)稱值為≤50 mΩ。
采用機械方法將繼電器啟封,在體視鏡下進行觀察,常開觸點3、4表面存在明顯的燒蝕熔融現(xiàn)象,該組觸點周圍部件發(fā)黑,如圖1所示。常開觸點1、2表面也存在燒蝕熔融現(xiàn)象,但燒蝕程度比3、4觸點輕,如圖2所示。另一組常開觸點未發(fā)現(xiàn)明顯異常;繼電器銜鐵、線包等內(nèi)部結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)異常,繼電器內(nèi)部也未發(fā)現(xiàn)可導(dǎo)致繼電器失效的多余物。
圖1 常開觸點3、4表面燒蝕熔融現(xiàn)象
圖2 常開觸點1、2表面燒蝕熔融現(xiàn)象
根據(jù)以上的觀察,分析得出,該繼電器失效是由于常開主觸點3、4受到異常大電流的沖擊作用,造成該組常開觸點嚴重?zé)g,觸點的表面狀態(tài)發(fā)生了變化,造成該組主觸點間接觸電阻增大。
1.1.2 案例2
整機單位產(chǎn)品調(diào)試時發(fā)現(xiàn)1只某型號電磁繼電器一組常開觸點接觸電阻偏大。常溫下,按照廠家手冊對該繼電器進行常溫電性能測試,結(jié)果為:產(chǎn)品吸合電壓、釋放電壓、線圈電阻、絕緣電阻均合格,但發(fā)現(xiàn)一組常開觸點接觸電阻偏大(111.8 mΩ,標(biāo)稱值為≤50 mΩ),故障復(fù)現(xiàn)。具體測試結(jié)果見表1。
表1 繼電器常溫電性能測試結(jié)果
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。開封后檢查繼電器內(nèi)部,線包、銜鐵、軛鐵、推動桿、簧片等內(nèi)部結(jié)構(gòu)未見明顯異常。觸點表面未見明顯拉弧打火、燒蝕現(xiàn)象;但可見失效的一組常開動、靜簧片間存在有機多余物堆積,常閉觸點上端也有少量有機多余物,如圖3所示。
圖3 一組常開、常閉觸點處存在有機物形貌
根據(jù)以上的觀察,分析得出,該繼電器常開觸點接觸電阻偏大是由于該組常開動、靜簧片間存在有機多余物堆積所致。
導(dǎo)通失效的另一種失效模式是接觸電阻增大且不穩(wěn)定。包括兩種情況:一種情況是失效繼電器導(dǎo)通電阻有時大于標(biāo)稱值,有時小于標(biāo)稱值,即在標(biāo)稱值上下波動;另一種情況是接觸電阻始終大于標(biāo)稱值,但每次測試都不一致。
1.2.1 案例3
整機單位在進行試驗時,發(fā)現(xiàn)1只某型號電磁繼電器失效,現(xiàn)象為一路觸點導(dǎo)通后導(dǎo)通電阻變大且不穩(wěn)定。
根據(jù)委托方的介紹,失效繼電器為圖4中兩個圈注處所指示的管腳間導(dǎo)通電阻變大。常溫下,對繼電器出現(xiàn)失效的兩個管腳間的導(dǎo)通電阻進行多次測試,結(jié)果為:每次測量結(jié)果不同,導(dǎo)通電阻大部分測量值在23~45 mΩ范圍內(nèi),偶爾會出現(xiàn)60~70 mΩ的情況(標(biāo)稱值為≤50 mΩ)。
圖4 繼電器外觀形貌
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。開封后檢查內(nèi)部結(jié)構(gòu)未見明顯異常。發(fā)生失效的內(nèi)部觸點未發(fā)現(xiàn)存在明顯的燒蝕、打火等異?,F(xiàn)象。用掃描電子顯微鏡對繼電器出現(xiàn)失效的觸點表面進行形貌觀察,除接觸部位有磨損痕跡外,其它未見明顯異常。
進一步對繼電器失效觸點表面進行能譜(EDX)分析,結(jié)果為:繼電器靜觸點表面除Au、Ni等元素外,還有C、O元素,說明存在有機物沾污(如圖5所示)。根據(jù)以上的檢測與觀察,分析得出:繼電器失效是由于相關(guān)觸點表面存在有機物沾污,使得觸點接觸電阻增大引起的。
圖5 繼電器靜觸點表面EDX圖像
繼電器導(dǎo)通電阻失效的第三種失效模式為閉合觸點完全斷開。包括兩種情況:瞬時斷開或長時間斷開;下面介紹的失效案例即屬于此種情況。
1.3.1 案例4
整機單位使用時發(fā)現(xiàn)一只某型號電磁繼電器存在瞬斷現(xiàn)象。根據(jù)廠家手冊,對失效電磁繼電器進行常溫電性能測試,結(jié)果為合格。
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。開封后觀察兩組常開觸點、常閉觸點,對應(yīng)的動、靜觸點未見明顯拉弧、燒蝕現(xiàn)象;動、靜簧片未見明顯松動現(xiàn)象;銜鐵軸未見明顯彎曲變形痕跡,對中未見明顯異常;但可見失效電磁繼電器銜鐵間隙內(nèi)、殼體內(nèi)有白色透明及黃色(似松香類)有機類多余物(如圖6所示)。
圖6 繼電器內(nèi)部多余物形貌
進一步對繼電器內(nèi)部白色多余物、黃色多余物進行掃描電鏡形貌觀察及能譜成分分析,結(jié)果為:白色多余物成分主要含有C、O、S、Cl、Ca元素,黃色多余物成分主要含有C、O元素。
根據(jù)以上的檢測結(jié)果,分析認為:該電磁繼電器失效是由于內(nèi)部存在非金屬活動多余物導(dǎo)致其瞬時斷路所致。
1.3.2 案例5
某型號電磁繼電器在整機進行搖擺試驗時,發(fā)現(xiàn)其中一組常閉觸點斷開。根據(jù)廠家手冊,用萬用表對管腳間進行通斷測試。發(fā)現(xiàn)一組常閉觸點為開路狀態(tài)。繼電器外觀檢查未見明顯異常。采用粒子碰撞噪聲檢測儀(PIND),對失效電磁繼電器進行臥向多余物檢測,發(fā)現(xiàn)存在粒子噪聲或其它異?,F(xiàn)象,檢測結(jié)果為不合格。對失效電磁繼電器進行氣密性檢測(粗檢和細檢),檢測結(jié)果為合格。對繼電器進行X射線及CT檢查,發(fā)現(xiàn):繼電器內(nèi)部一組常閉觸點存在未閉合、有間隙現(xiàn)象,另一組常閉觸點正常閉合;同時常開觸點未見明顯異常(如圖7所示)。
圖7 失效繼電器X射線檢查圖像
啟封繼電器,在體視鏡下進行觀察,發(fā)現(xiàn)失效常閉觸點已表現(xiàn)為閉合狀態(tài),另一組常閉觸點為正常閉合狀態(tài);兩組常開觸點為正常開路狀態(tài);分別對兩組常開觸點、常閉觸點對應(yīng)的動、靜簧片觀察,未見明顯拉弧、燒蝕痕跡;但發(fā)現(xiàn)其中曾開路的一組常閉觸點靜簧片的一側(cè)存在一個呈三角形狀、灰黑色的有機類多余物,且靜簧片接觸表面有灰色有機類物質(zhì)殘留(如圖8、9所示)。
圖8 失效常閉觸點靜簧片一側(cè)多余物
根據(jù)以上的檢測結(jié)果,分析得出:該電磁繼電器失效是由于一組常閉觸點動、靜簧片間及其附近存在非金屬(有機類)多余物,形成絕緣層,使常閉觸點無法正常導(dǎo)通所致。
圖9 靜簧片內(nèi)表面有機類物殘留形貌
以上介紹的案例均為閉合觸點接觸電阻變大(包括開路)情況,下面介紹的案例屬于另一類導(dǎo)通失效情況,即斷開觸點異常導(dǎo)通。與接觸電阻變大情況相比,出現(xiàn)這種失效模式的概率較低。
1.4.1 案例6
某型號電磁繼電器在整機做隨機振動試驗監(jiān)測時,發(fā)生繼電器常開觸點閉合,繼續(xù)進行隨機振動常開觸點功能恢復(fù)。
對該失效繼電器進行常溫電性能測試,結(jié)果為電性能參數(shù)均符合廠家手冊要求。用粒子碰撞噪聲檢測系統(tǒng)對失效繼電器進行粒子碰撞噪聲檢測,發(fā)現(xiàn)存在除背景噪聲之外的噪聲信號。用真空檢漏設(shè)備對失效繼電器進行密封(細檢、粗檢)檢查,未發(fā)現(xiàn)明顯異常。用微焦點X射線儀檢查繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu),未見明顯異常。
用機械方法啟封繼電器發(fā)現(xiàn):在管殼內(nèi)、線包、常開觸點及常閉觸點附近區(qū)域均存在可動的顆粒狀松香多余物,如圖10和圖11所示。
圖10 繼電器管殼內(nèi)部松香形貌
圖11 常開觸點及常閉觸點區(qū)域松香形貌
鑒于繼電器管殼內(nèi)、線包、常開觸點及常閉觸點附近區(qū)域均存在大量可動的顆粒狀松香多余物,由于繼電器內(nèi)部各部件之間的間隙很小,如果顆粒狀多余物剛好處于某部位,使動簧片處于常開觸點吸合狀態(tài),則導(dǎo)致其在進行隨機振動試驗監(jiān)測時瞬態(tài)常開觸點閉合,繼續(xù)進行隨機振動多余物位置發(fā)生變化,常開觸點則恢復(fù)斷開狀態(tài)。
歸納起來,導(dǎo)致電磁繼電器導(dǎo)通失效的機理包括兩大方面:一是觸點表面狀態(tài)發(fā)生了化學(xué)或物理變化,如燒蝕氧化或接觸面變?yōu)榘纪共黄降龋欢抢^電器內(nèi)部存在多余物,如觸點表面附著有機物,或者不導(dǎo)電的活動多余物夾在閉合觸點之間,造成接觸電阻增大或完全開路。由于繼電器內(nèi)部動作部件之間的間隙很小,尺寸極小的多余物即有可能引起繼電器失效。而且多余物引起繼電器失效具有偶發(fā)、復(fù)雜、難于復(fù)現(xiàn)的特點,需給予特別的關(guān)注。