電磁繼電器沖擊失效邊界研究

徐子健，南宮自軍,2，李炳蔚，張子駿，余慕春，牛智玲，王佳南

(1.中國運載火箭技術研究院， 北京 100076； 2.爆炸科學與技術國家重點實驗室， 北京 100081；3.北京強度環境研究所， 北京 100076)

電磁繼電器是信號控制的基礎電子元器件，具有信號傳遞、執行控制、系統配電等功能[1]，在航天器控制系統、測量系統等核心設備中應用廣泛。航天器在全壽命周期過程中會經歷復雜多樣的沖擊環境，在沖擊載荷作用下，電磁繼電器容易發生觸點的誤動作，甚至造成內部結構的變形與破壞，導致輸出控制信號異常，嚴重影響航天器可靠性[2,3]。電磁繼電器沖擊失效邊界是指一系列導致電磁繼電器發生臨界失效的沖擊環境的包絡，當沖擊環境達到失效邊界時，即認為該沖擊環境將導致電磁繼電器發生失效。目前電磁繼電器沖擊失效邊界的研究還不夠系統全面，從而導致兩個問題：首先，傳統的航天電子設備研制方法依然采用“試錯”式流程，即設計生產完成后，需要開展一系列沖擊環境試驗，若試驗未通過則需要重新更改設計，極大地影響了研制效率與研制成本；其次，某些關鍵航天電子設備中的電磁繼電器處于臨界失效沖擊環境附近，地面試驗并不能完全包絡天地差異以及沖擊環境散差，導致實際飛行過程中電磁繼電器存在發生失效的風險，進而可能引發航天電子設備故障，甚至造成飛行事故。因此，為了提高航天電子設備研制效率，降低研制成本，確保航天器的可靠性與環境適應性，亟需針對電磁繼電器沖擊失效邊界開展研究。

電磁繼電器利用輸入電流或電壓，在電磁鐵鐵芯與銜鐵間產生的吸引力作用而工作[4]。針對電磁繼電器的振動特性，翟國富等[5-6]通過分析電磁繼電器簧片系統結構，建立了簧片系統振動特性數學模型，給出了求解簧片系統振動響應的解析表達式以及檢驗電磁繼電器觸簧系統抗振性的判據，并分析了影響電磁繼電器觸簧系統振動加速度的相關因素，包括材料特性參數、尺寸參數、觸點初壓力、觸點質量等。任曾勛[7]通過建立繼電器的數學模型，研究了繼電器在沖擊載荷作用下的動力響應特性，針對幾種典型的沖擊載荷給出了響應的解析解和首次斷開的時間間隔，并討論了繼電器的斷開條件。陳英華等[8]通過有限元仿真和振動臺試驗對電磁繼電器沖擊特性進行了研究，分析了在不同幅值、方向沖擊載荷下繼電器接觸系統的觸頭間力響應時間歷程和“抖斷”現象，歸納了尺寸參數與繼電器沖擊特性間的影響關系，給出了提高電磁繼電器耐沖擊性能的方法。綜上所述，現有研究主要集中在振動沖擊環境對于繼電器性能的影響，而對于電磁繼電器沖擊失效邊界的系統性研究較少。

本研究首先結合電磁繼電器的結構形式與工作原理，建立簡化的力學模型，對電磁繼電器沖擊動力學響應與失效模式進行分析，得到不同失效模式的控制參數與失效邊界；設計并開展電磁繼電器臨界失效沖擊試驗，通過不同沖擊環境的逐級加載，得到電磁繼電器的沖擊失效邊界，驗證理論分析的結果，為航天電子設備沖擊環境適應性設計提供參考。

1 電磁繼電器沖擊動力學響應與失效模式分析

電磁繼電器作為一種常用的電子元器件[9]，主要由線圈、銜鐵、觸簧等部件組成(如圖1所示)，其中觸簧系統是電磁繼電器的重要組成部分，也是完成輸出功能的執行機構。觸簧系統主要包括基座、動簧片、靜簧片、動觸頭、靜觸頭等(如圖2所示)，在電磁驅動力作用下，動觸頭與靜觸頭保持接觸或斷開，實現信號控制等功能[9-10]。

圖1 電磁繼電器結構示意圖

圖2 觸簧系統結構示意圖

根據觸簧系統特性，可以將其簡化為一端固支、一端活動鉸支的等截面梁，梁上質量均勻分布，動觸頭可以簡化為與梁固連的集中質量，如圖3所示。

圖3 觸簧系統簡化力學模型

沖擊載荷的作用可以等效為基礎激勵y(t)，觸梁的絕對位移響應為w(x,t)，觸梁結構的相對位移為z(x,t)=w(x,t)-y(x,t)，忽略阻尼效應，梁的運動平衡方程為

(1)

其中：A為梁的截面積；ρ為材料密度；EI為抗彎剛度。

利用振型疊加法，假設方程解的形式為

(2)

其中：Zi(x)為第i階主振型；Ti(t)為第i階廣義位移。梁結構邊界條件為

z(0,t)=z′(0,t)=0

z(l,t)=z″(l,t)=0

(3)

假設滿足邊界條件的主振型函數為

Zi(x) =Ci(sin(kix)-sh(kix)) +

Di(cos(kix)-ch(kix))

(4)

(5)

梁上各點處剪力為

(6)

觸點處的支反力Fy為

Fy=Q(l,t)

(7)

記靜止狀態下觸點處的電磁驅動力為F0，則動觸點與靜觸點保持接觸的條件為

(8)

在沖擊載荷作用下，梁上各截面處最大正應力為

(9)

σ(x,t)≥σc

(10)

其中，σc為材料極限應力，一般為材料的屈服強度或抗拉強度。觸簧系統發生高應力失效破壞后，將導致繼電器發生“常閉觸點斷開/常開觸點閉合”的失效模式，且沖擊結束后無法恢復，因此“常閉觸點斷開/常開觸點閉合”是一種不可逆的失效模式，且該失效模式由結構內部應力導致。

2 基于沖擊響應譜的失效邊界

沖擊環境主要特性包括幅值、持續時間、波形等，由于復雜沖擊環境時間歷程具有較大的隨機性，因此一般采用沖擊響應譜(Shock Response Spectrum,SRS)對沖擊環境進行表征。沖擊響應譜是指將沖擊激勵施加到一系列線性單自由度彈簧質量系統(如圖4所示)，將各單自由度系統(SDOF)的最大響應值作為對應于系統固有頻率的函數繪制而成的響應曲線[11]。

圖4 受到基礎激勵的一系列單自由度系統示意圖

將各單自由度系統的相對位移響應、偽速度響應、絕對加速度響應在時域的最大值繪制成譜即可得到相對位移沖擊響應譜、偽速度沖擊響應譜、加速度沖擊響應譜，三者之間存在如下關系[12-14]

(11)

其中，D、V、A分別為相對位移沖擊響應譜、偽速度沖擊響應譜、加速度沖擊響應譜的譜值

(12)

任何一個結構系統的動力學響應都可以視為一系列單自由度系統響應的疊加，因此利用沖擊響應譜可以表征結構在沖擊載荷作用下的響應水平[15,16]。對于高加速度響應引發的電磁繼電器觸簧系統觸點“觸點抖動”的失效形式，其失效邊界由結構加速度響應控制。因此，可以采用加速度沖擊響應譜表征“觸點抖動”的失效邊界。當沖擊環境加速度響應譜未達到損傷邊界時，繼電器不發生“觸點抖動”失效；當沖擊環境下加速度響應譜最大值達到或超過損傷邊界時，繼電器將發生“觸點抖動”失效

(13)

其中：Amax為加速度沖擊響應譜最大值；Ac為加速度沖擊響應譜損傷邊界。

對于高應力造成的電磁繼電器“常閉觸點斷開/常開觸點閉合”失效模式，其失效邊界由結構內部應力水平控制。結構應力水平與沖擊環境最大偽速度響應相關[13-14,17-18]，

σmax=κρcVmax/λ

(14)

(15)

(16)

其中：Vmax為偽速度沖擊響應譜最大值；Vc為偽速度沖擊響應譜損傷邊界。

3 電磁繼電器臨界失效沖擊試驗方案

為了進一步探究電磁繼電器沖擊失效環境特性，驗證理論分析的結果，設計并開展了電磁繼電器臨界失效沖擊試驗。選取同批次1JT10-1型電磁繼電器，質量等級為“七專級”，參試電磁繼電器安裝在專用電路板上，每塊電路板上均安裝4只狀態相同的電磁繼電器，如圖5所示。

圖5 參試電路板

將沖擊試驗條件分為沖擊響應譜拐點頻率700 Hz與2 000 Hz兩組，分別對應1號與2號參試電路板。每組加載量級由低到高逐級加載，直至電磁繼電器發生失效。采用空氣炮沖擊試驗臺(如圖6所示)模擬元器件所處的沖擊環境，并實現規定試驗條件的逐級加載。

利用分布于板上的5個測點對PCB板上沖擊環境進行測量，其中1～4號測點為加速度傳感器測點，5號測點為激光測點(如圖5所示)。針對被測電磁繼電器，通過測試設備采集電磁繼電器輸出的電壓值信號，電磁繼電器正常工作輸出電壓為：常開觸點0±0.15 V，常閉觸點5±0.15 V，若輸出電壓超過此范圍，則認為繼電器發生失效。

圖6 空氣炮沖擊試驗臺示意圖

4 試驗結果與討論

在700 Hz與2 000 Hz沖擊響應譜拐點頻率沖擊環境逐級加載過程中，兩組參試電磁繼電器試驗板先后發生“觸點抖動”與“常閉觸點斷開/常開觸點閉合”的失效模式。

4.1 “觸點抖動”失效模式

隨著載荷量級的逐步提高，電磁繼電器首次發生“觸點抖動”的失效模式時，兩組參試電路板的電性能測試數據如圖7所示，其中橫坐標為采集時間，縱坐標為電壓，實線為常開觸點輸出電壓，虛線為常閉觸點輸出電壓。可以看出，1號參試電路板1號、2號繼電器的常閉觸點與常開觸點以及2號參試電路板1號繼電器的常閉觸點與常開觸點，輸出電壓發生抖動且超過閾值。沖擊結束后自檢測，發生觸點抖動的繼電器輸出電壓均恢復正常。因此，可以認為電磁繼電器“觸點抖動”是沖擊瞬間的短時失效模式。

首次發生“觸點抖動”失效時，各測點測得的700 Hz與2 000 Hz拐點頻率臨界失效沖擊環境的加速度沖擊響應譜如圖8所示，偽速度沖擊響應譜如圖9所示，其中橫坐標為單自由度系統頻率，縱軸為單自由度系統在沖擊環境下的最大加速度/偽速度響應。可以看出，該失效模式發生時，不同頻率臨界失效沖擊環境的加速度沖擊響應譜水平相當，其中1號試驗板為769～1 057 g，2號試驗板為991～1 875 g；偽速度沖擊響應譜則存在較大差異，其中1號試驗板為2.12～2.71 m/s，2號試驗板為0.78～1.52 m/s。

第1節與第2節理論分析得到，電磁繼電器“觸點抖動”失效由觸簧系統加速度響應過大造成，加速度沖擊響應譜可以表征沖擊環境下結構系統加速度響應水平。沖擊試驗結果也表明，引發該失效模式的不同沖擊環境的加速度沖擊響應譜水平相當。因此，對于電磁繼電器“觸點抖動”的失效模式，沖擊環境的加速度沖擊響應譜可以表征沖擊沖擊環境嚴酷度，該失效模式下電磁繼電器失效邊界為臨界加速度沖擊響應。

圖7 參試電路板電性能測試數據圖(“觸點抖動”失效模式)

圖8 臨界失效沖擊環境加速度沖擊響應譜(“觸點抖動”失效模式)

4.2 “常閉觸點斷開/常開觸點閉合”失效模式

隨著載荷量級的進一步提高，電磁繼電器首次發生“常閉觸點斷開/常開觸點閉合”的失效模式時，沖擊結束后自檢測數據如圖10所示。可以看出，沖擊結束后1號參試電路板1號繼電器常閉觸點斷開、常開觸點閉合，3號繼電器常閉觸點斷開；2號參試電路板1號繼電器常閉觸點斷開，3號繼電器常閉觸點斷開、常開觸點閉合，4號繼電器常開觸點閉合。因此，可以認為電磁繼電器 “常閉觸點斷開/常開觸點閉合”是一種高量級沖擊載荷造成的不可恢復的失效模式。

圖10 參試電路板自檢測數據圖(“常閉觸點斷開/常開觸點閉合”失效模式)

首次發生“常閉觸點斷開/常開觸點閉合”失效時，各測點測得的700 Hz與2 000 Hz拐點頻率臨界失效沖擊環境的加速度沖擊響應譜如圖11所示，偽速度沖擊響應譜如圖12所示。可以看出，該失效模式發生時，不同頻率沖擊環境的偽速度沖擊響應譜水平相當，其中1號試驗板為21.20～26.56 m/s，2號試驗板為19.57～28.76 m/s；加速度沖擊響應譜則存在較大差異,其中1號試驗板為7 892～10 290 g，2號試驗板為22 840～30 100 g。

圖11 臨界失效沖擊環境加速度沖擊響應譜(“常閉觸點斷開/常開觸點閉合”失效模式)

圖12 臨界失效沖擊環境偽速度沖擊響應譜(“常閉觸點斷開/常開觸點閉合”失效模式)

第1節與第2節理論分析得到，電磁繼電器“常閉觸點斷開/常開觸點閉合”失效是由于觸簧系統應力過大造成永久變形甚至斷裂破壞，偽速度沖擊響應譜可以表征沖擊環境下結構應力水平。沖擊試驗結果也表明，引發該失效模式的不同沖擊環境的偽速度沖擊響應譜水平相當。因此，對于電磁繼電器“常閉觸點斷開/常開觸點閉合”的失效模式，沖擊環境的偽速度沖擊響應譜可以表征沖擊沖擊環境嚴酷度，該失效模式下電磁繼電器失效邊界為臨界偽速度沖擊響應。

5 結論

1) 沖擊載荷作用下，電磁繼電器會發生“觸點抖動”與“常閉觸點斷開/常開觸點閉合”兩種不同的失效模式，對應的失效控制參數分別為結構加速度響應與結構內部應力；

2) 對于“觸點抖動”失效模式，沖擊環境的加速度沖擊響應譜可以表征沖擊沖擊環境嚴酷度，該失效模式下電磁繼電器失效邊界為臨界加速度沖擊響應；

3) 對于“常閉觸點斷開/常開觸點閉合”失效模式，沖擊環境的偽速度沖擊響應譜可以表征沖擊環境嚴酷度，該失效模式下電磁繼電器失效邊界為臨界偽速度沖擊響應；

4) 通過電磁繼電器臨界失效沖擊試驗，得到電磁繼電器不同失效模式對應的臨界沖擊環境，驗證了沖擊失效邊界有效性。

后續將進一步開展電磁繼電器的失效分析，利用無損檢測、開封檢測等手段，求得內部結構形式、尺寸、材料特性等詳細信息，探究其內部微結構與材料層面的沖擊失效機理，建立有效的沖擊損傷/失效評估方法，提高航天電子設備研制效率，為航天器沖擊環境適應性設計提供參考。