提高某大功率繼電器抗振性能的方法研究

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(guān)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(jié)構(gòu)，可切換70A×28Vd.c.負(fù)載，具有體積小、負(fù)載能力強(qiáng)和環(huán)境指標(biāo)優(yōu)越的特點。該繼電器是為滿足用戶的特定環(huán)境指標(biāo)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(biāo)高(尤其是高量級隨機(jī)振動指標(biāo))，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(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

2 繼電器的結(jié)構(gòu)特點及主要環(huán)境指標(biāo)

該繼電器磁路結(jié)構(gòu)為差動式結(jié)構(gòu)，依靠兩側(cè)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(fù)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(fù)載體積比；主觸點采用了雙斷點橋式連接方式，使觸點負(fù)載達(dá)到了70A×28Vd.c.。繼電器主要環(huán)境指標(biāo)：溫度范圍：-65℃～+125℃；正弦振動：(10～3000)Hz，294m/s2；隨機(jī)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(jī)振動功能試驗條件是用戶提出的特殊環(huán)境指標(biāo)要求，振動指標(biāo)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(dá)60%，振動可靠性較低。

4 繼電器隨機(jī)振動失效的原因分析

4.1 魚刺圖分析

該繼電器存在隨機(jī)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(dǎo)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(fù)查，繼電器的調(diào)試人員均為培訓(xùn)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(jī)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(fù)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(jìn)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(jī)振動的頻率范圍在(20～2000)Hz，尚沒有達(dá)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(qiáng)度較大，而振動臺表面的磁場強(qiáng)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(yīng)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(yù)校→機(jī)械老化→清洗→焙烘(24h)→初校→機(jī)械老化→清洗→焙烘(24h)→復(fù)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(shè)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(dāng)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(dǎo)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(jìn)一步的驗證。

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

5 優(yōu)化改進(jìn)

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(cè)氣隙處線圈產(chǎn)生的電磁力會抵消一部分Φ3在銜鐵右側(cè)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(cè)氣隙處線圈產(chǎn)生的電磁力與Φ2在銜鐵左側(cè)產(chǎn)生的電磁力相疊加，銜鐵會向左側(cè)轉(zhuǎn)動，使銜鐵左側(cè)與軛鐵吸合。銜鐵轉(zhuǎn)動過程帶動動簧片轉(zhuǎn)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(jìn)措施

在圖2的左側(cè)，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(cè)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(dǎo)率為0.9999[2]，與空氣磁導(dǎo)率相當(dāng)，其厚度相當(dāng)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(dāng)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(jī)振動失效現(xiàn)象。該種方法對繼電器原有結(jié)構(gòu)改動很小，很方便驗證。

5.3 改進(jìn)效果

將隔磁片的厚度由原來的0.09mm分別改進(jìn)為0.06mm和0.03mm，各進(jìn)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(jī)振動監(jiān)測失效比例為6.5%，明顯低于改進(jìn)前的失效率(40%～60%)；而采用厚度為0.03mm的隔磁片時，雖然隨機(jī)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(jìn)行對比分析，對比結(jié)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(dāng)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(jī)振動指標(biāo)，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(dāng)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(dāng)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(jìn)方案，相應(yīng)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(biāo)要求很高的隨機(jī)振動功能試驗。

6 結(jié)語

綜上所述，繼電器激勵狀態(tài)下的觸點壓力小導(dǎo)致繼電器在隨機(jī)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(jī)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(dāng)選擇隔磁片的厚度尤為重要，需要結(jié)合繼電器的具體結(jié)構(gòu)特點進(jìn)行分析驗證，從而選擇最優(yōu)化的方法。