高冬冬

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

小型大功率密封電磁繼電器是武器型號上使用的關鍵元器件，在系統(tǒng)中實現(xiàn)電源線路的切換功能。本文探討的某型號大功率繼電器的觸點組形式為1H1Z，主觸點為雙斷點結構，可切換70A×28Vd.c.負載，具有體積小、負載能力強和環(huán)境指標優(yōu)越的特點。該繼電器是為滿足用戶的特定環(huán)境指標要求而研制的，有效緩解了用戶的急需。由于研制周期較短，要求的環(huán)境指標高(尤其是高量級隨機振動指標)，產(chǎn)品在振動篩選試驗時的合格率很低。為保證產(chǎn)品的可靠性，提高振動合格率，需要對該繼電器進行了優(yōu)化改進。

2 繼電器的結構特點及主要環(huán)境指標

該繼電器磁路結構為差動式結構，依靠兩側極靴面的不對稱性、磁鋼極性偏移等方法解決了銜鐵的自動復原問題，實現(xiàn)單穩(wěn)態(tài)功能；磁路的磁效率高，有利于實現(xiàn)較大的負載體積比；主觸點采用了雙斷點橋式連接方式，使觸點負載達到了70A×28Vd.c.。繼電器主要環(huán)境指標：溫度范圍：-65℃～+125℃；正弦振動：(10～3000)Hz，294m/s2；隨機振動峰值時：37(m/s2)2/Hz；加速度：294 m/s2。

3 繼電器存在的主要問題

該繼電器的隨機振動功能試驗條件是用戶提出的特殊環(huán)境指標要求，振動指標要求很高，繼電器的該項篩選項目合格率很低，一般為40%左右，有時高達60%，振動可靠性較低。

4 繼電器隨機振動失效的原因分析

4.1 魚刺圖分析

該繼電器存在隨機振動失效問題的時間較長，并非偶然因素引起。根據(jù)繼電器的失效模式，從查找導致繼電器失效的固有特性角度出發(fā)，繪制如下的魚刺圖，如圖1所示。

4.2 原因分析

4.2.1人為因素

經(jīng)過復查，繼電器的調(diào)試人員均為培訓合格，持證上崗的具有多年產(chǎn)品調(diào)試經(jīng)驗的員工，技能水平高，并且未出現(xiàn)過人員變動。因此，人為因素可以排除。

圖1 隨機振動失效魚刺圖

4.2.2環(huán)境因素

1)振動臺振動放大

經(jīng)過復查，篩選使用的振動臺經(jīng)過了計量，計量合格，振動臺存在的固有諧振頻率在2700Hz附近；該繼電器在進行正弦振動時，經(jīng)受(10～3000)Hz，294m/s2量級的掃頻振動，繼電器不會出現(xiàn)失效現(xiàn)象，說明繼電器的固有諧振頻率已超出了振動臺的固有諧振頻率，而隨機振動的頻率范圍在(20～2000)Hz，尚沒有達到振動臺的固有諧振頻率。因此，可以排除振動臺放大因素。

2)外磁場影響

振動篩選場地主要的外磁場來源為振動臺。通過計量，振動臺表面具有一定的磁場，但該繼電器在振動臺表面時的吸動值和釋放值均無明顯變化，說明該繼電器本身磁場強度較大，而振動臺表面的磁場強度較小，不會對繼電器產(chǎn)生明顯影響。因此，可以排除外磁場影響。

4.2.3簧片材料因素

該繼電器使用的簧片材料為高彈性合金，這種材料具有很好的彈性，適合簧片壓力要求較大的大功率繼電器簧片使用，在公司其它繼電器上得到較為廣泛的應用，材料的來源穩(wěn)定，使用過該材料的繼電器未反饋過材料異常問題。因此，可以排除簧片材料因素。

4.2.4工藝缺陷

按照工藝要求，該繼電器的接觸簧片需要經(jīng)過的工序有：整形→預?！鷻C械老化→清洗→焙烘(24h)→初?！鷻C械老化→清洗→焙烘(24h)→復校，經(jīng)過這些工序后，簧片壓力能夠保證很好的穩(wěn)定性。因此，可以排除工藝缺陷因素。

4.2.5設計余量不足

該繼電器在調(diào)試時，激勵狀態(tài)下的主觸點常開壓力和輔助觸點常開壓力調(diào)試均接近下限值，當調(diào)試壓力增大時則會出現(xiàn)銜鐵吸合不到位的現(xiàn)象，而常開觸點壓力小時很容易引起觸點監(jiān)測失效，故該原因不能排除。

導致常開觸點壓力小的主要原因是繼電器在激勵狀態(tài)下的電磁吸力不足，因此，可以通過提高繼電器在激勵狀態(tài)下的電磁吸力做進一步的驗證。

通過上述復查、分析，可以看出：電磁吸力不足導致可能是導致繼電器長期以來隨機振動失效的主要原因。

5 優(yōu)化改進

5.1 繼電器動作原理

如圖2所示，該繼電器線圈通電時，產(chǎn)生的磁通Φ1與磁鋼產(chǎn)生的磁通Φ3方向相反，在右側氣隙處線圈產(chǎn)生的電磁力會抵消一部分Φ3在銜鐵右側產(chǎn)生的吸力，同時線圈磁通Φ1與磁鋼產(chǎn)生的Φ2相方向相同，在左側氣隙處線圈產(chǎn)生的電磁力與Φ2在銜鐵左側產(chǎn)生的電磁力相疊加，銜鐵會向左側轉動，使銜鐵左側與軛鐵吸合。銜鐵轉動過程帶動動簧片轉動，使之與靜簧片接觸，靜簧片隨之發(fā)生形變，并產(chǎn)生一定大小的觸點壓力，即常開觸點壓力，最終實現(xiàn)觸點切換功能。

圖2 線圈通電時磁通回路示意圖

從上述動作原理能夠看出，足夠大的電磁吸力，才能保證足夠大的常開觸點壓力和觸點跟蹤距離，從而避免常開觸點監(jiān)測失效現(xiàn)象。

5.2 改進措施

在圖2的左側，軛鐵與銜鐵的磁極形狀，可以看作矩形軛鐵與銜鐵，如示意圖3所示。

圖3 磁極形狀圖示

在圖2中，左側固定在銜鐵工作面上的隔磁片為錫青銅材料，屬于抗磁性材料，隔磁片的相對磁導率為0.9999[2]，與空氣磁導率相當，其厚度相當于繼電器在吸合狀態(tài)下銜鐵與軛鐵之間的剩余磁氣隙，在磁路中起到調(diào)節(jié)釋放電壓值，防止銜鐵出現(xiàn)不釋放的功能。根據(jù)上述電磁吸力公式可知，隔磁片的厚度越大，剩余磁氣隙越大，δ越大，電磁吸力越小；反之亦反。

根據(jù)上述分析，可以將隔磁片的厚度適當減小，減小剩余磁氣隙，減小δ，增大電磁吸力，從而增大常開觸點壓力，避免隨機振動失效現(xiàn)象。該種方法對繼電器原有結構改動很小，很方便驗證。

5.3 改進效果

將隔磁片的厚度由原來的0.09mm分別改進為0.06mm和0.03mm，各進行50套產(chǎn)品的裝配驗證，驗證效果見表1。

表1 驗證批次篩選情況

從表1可以看出，采用厚度為0.06mm的隔磁片效果較好，隨機振動監(jiān)測失效比例為6.5%，明顯低于改進前的失效率(40%～60%)；而采用厚度為0.03mm的隔磁片時，雖然隨機振動監(jiān)測失效比例為0%，但出現(xiàn)了3只釋放值超差的現(xiàn)象，這主要是由于電磁吸力增大較多，容易引起正弦振動后釋放電壓超差現(xiàn)象，因此選取的隔磁片厚度不宜太小。

對采用0.09mm、0.06mm和0.03mm隔磁片的產(chǎn)品，在線圈激勵狀態(tài)下分別測量它們的觸點壓力，進行對比分析，對比結果見表2。

從表2可以看出，觸點壓力隨著隔磁片厚度的減小明顯增大。通過振動試驗驗證可以得知，當隔磁片厚度為0.06mm時，主觸點壓力為1.75N，輔助觸點壓力為0.7N，此時，產(chǎn)品的觸點壓力能夠保證產(chǎn)品經(jīng)受住隨機振動指標，保證既不產(chǎn)生大比例監(jiān)測失效，也不出現(xiàn)釋放值超差的問題；而當隔磁片厚度偏大時容易出現(xiàn)監(jiān)測失效比例增大現(xiàn)象，當隔磁片厚度偏小時容易引起釋放值超差的問題。

表2 觸點壓力對比

可見，選擇厚度為0.06mm的隔磁片是較為優(yōu)化的改進方案，相應地要求是繼電器激勵狀態(tài)下主觸點壓力大于1.7N，輔助觸點壓力大于0.65N，并保證銜鐵與軛鐵吸合到位，這樣可以有效提高繼電器的抗振性能，使繼電器滿足指標要求很高的隨機振動功能試驗。

6 結語

綜上所述，繼電器激勵狀態(tài)下的觸點壓力小導致繼電器在隨機振動條件下的監(jiān)測失效；減小隔磁片厚度，能夠有效地增大繼電器在激勵狀態(tài)下的電磁吸力，實現(xiàn)足夠大的觸點壓力，從而減小繼電器隨機振動監(jiān)測失效比例，提高可靠性；隔磁片的厚度選取不宜過小，否則容易引起繼電器釋放電壓超差等新問題；因此，適當選擇隔磁片的厚度尤為重要，需要結合繼電器的具體結構特點進行分析驗證，從而選擇最優(yōu)化的方法。