關于某電源產品使用電磁繼電器失效的故障分析

中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所 魏一鳴 呂 冰 展宏圖 趙小勇

本文主要介紹了某電源產品使用的電磁繼電器因動簧片內部機械應力沒有充分釋放導致的觸點燒蝕的故障模式，通過故障樹分析法對電磁繼電器的故障根源進行分析，確定了失效的根本原因，并提出了生產過程的建議為避免類似故障重復發生。

電磁繼電器是一種由控制電流通過線圈時產生的電磁吸力來驅動磁路中的可動部分，從而實現觸點的開、閉或轉換功能的控制元件，對電路的開、閉邏輯進行切換。本文以某電源產品使用的電磁繼電器失效的分析過程為切點，對電磁繼電器的失效原因進行深入分析，從而對電磁繼電器的生產和設計參數使用提供建議。

1 故障背景

某電源產品常溫加電測試，電源時有輸出，時無輸出。拆開該故障電源進行檢查，發現故障是由于電源產品的使能控制功能失效，導致故障。該電源產品的使能控制功能是由一支電磁繼電器在電源輸入端主回路做控制功能，其部分電路如圖1所示。

電源模塊正常工作時，控制信號ON/OFF由X1.40和X1.41進入電源模塊內電磁繼電器K1的3、7輸入端，激勵線圈工作，激勵線圈次級后觸點（即6、1端）閉合，+27VAIN輸入電壓經6、1端向后續電路供電；需要關斷電源模塊時，控制信號ON/OFF不工作（斷開或懸空），激勵線圈次級后觸點（即6、1端）斷開，從而切斷+27VAIN輸入電壓與后續電路通道，完成控制目的。

圖1 輸入端控制電路

更換了該電源產品的電磁繼電器后，電源工作穩定，使能控制功能正常，可確定該電源故障是由電磁繼電器失效引起。

2 電磁繼電器檢測結果

用機械方法將電磁繼電器的金屬封裝外殼打開后，檢查動簧片、觸點、激勵線圈、銜鐵和鎖緊裝置等完好無損，功能正常。檢查動簧片彈性良好，符合要求。在立體顯微鏡下觀察，對電磁繼電器簧片與常開點接觸部位進行仔細觀察，結果可見兩組電磁繼電器簧片接觸部位均存在燒蝕痕跡，將簧片從電磁繼電器上取下觀察，可見兩組簧片表面均存在燒蝕痕跡，對常開點對應接觸部位進行觀察，也可見燒蝕痕跡。

3 失效原因分析

該電磁繼電器開封解剖后得知器件內所有機械部件完好無損，功能正常。兩組簧片及常開觸點接觸面有燒蝕痕跡，原因是簧片及常開觸點接觸面之間原先存在自身缺陷。在長期帶載運行中，接觸不良點持續惡化，從點發展到面，最終造成常開觸點間過功率燒蝕，觸點無法通過電流即電信號。由于接觸面經過過功率燒蝕后，導電性能降低但沒有完全失缺，所以表現為不穩定，時好時壞等故障現象。

分析結論：這只電磁繼電器的失效是由于常開觸點間過功率燒蝕后，導致兩者之間接觸不良所致。

4 機理分析

依據故障現象，建立電源模塊故障樹如圖2所示。

電源模塊故障樹分析結果如下：

（1）X1事件。將故障件電磁繼電器K1原位更換新件后，故障現象立刻消失，故障點明確。故可排除輸入端控制電路線路故障分支。

（2）X2事件。該電磁繼電器額定負載28V/5A，實際工作負載28V/1.2A，降額裕量為20%，遠小于額定量；觸點負載5A,28Vdc(阻性)及壽命2×104次，而實際使用觸點負載1.2A,28Vdc(阻性)及大約壽命不超過1×103次，是額定值的1/20，遠小于技術要求。因此選型設計合理，設計參數和降額裕量滿足使用要求。可排除設計缺陷分支。

（3）X3、X4事件。檢查失效器件外觀形態正常，無外界因素燒損或機械外力損傷痕跡。依據產品實際使用環境，可以排除該分支。

圖2 電源模塊故障樹

（4）X5事件。電磁繼電器K1在該電源產品中長期使用，同批次62只全部正常使用，從電磁繼電器廠家獲得數據，近十年該型電磁繼電器累計售出13000余支，此次為首次報故。

表1 失效電磁繼電器出廠時與失效后測試數據對比差異

（5）X6事件。當電磁繼電器負載端發生短路或超過電磁繼電器額定負載時，會對電磁繼電器產生致命損壞，使得觸點及簧片過流熔融。如果負載異常即大電流或短路故障發生，首先燒斷的應該是保險管FU1。因此負載異常的條件不成立，故可排除該分支。

（6）X7事件。當電磁繼電器負載端過電壓時，觸點間隙不夠，就會產生擊穿，電磁繼電器觸點就會被電弧燒蝕。本電路電磁繼電器負載端電壓為標稱+28V，這個電壓值是固定不變的。對故障件電磁繼電器負載端進行檢測測試，沒有負載端過電壓情況發生。

（7）X8事件。電磁繼電器線圈加電時間過慢會導致動簧片與常開點接觸電阻變大，長時間電熱作用，會使其過功率燒毀。經檢查測試，ON/OFF控制信號的上電、下電時間工作在微秒級，最大不超過10微秒，符合性能參數要求。故可排除該分支。

（8）X9事件。簧片性能退化、觸點的超行程不夠等均會導致觸點接觸不良。當觸點局部通過電流時，因長時間電熱作用，觸點也會燒蝕失效。

將該電磁繼電器失效后的參數與原始參數對比：其中釋放電壓沒有變化，接觸電阻、動作時間、釋放時間均出現了微量變化，產品動作電壓出現了1.4V左右的較大變化。綜合得出變化率如表1所示。

接觸電阻、動作時間、釋放時間的數據變化趨向以及變化量值均在合理范圍內，沒有明顯異常。產品動作電壓變化率為8.75%，是參數變化最大的。從電磁繼電器動作電壓變化的機理分析，該產品的內部機械力的反力部分參數發生了趨向減小的變化。而電磁繼電器能夠產生反力的零部件僅有復原彈簧和動簧片兩種零件。又由于復原彈簧機械力的減少變化容易引起電磁繼電器釋放電壓參數產生趨向減小變化，即復原反力減小則電磁繼電器釋放電壓同樣會減小，而使用前后電磁繼電器釋放電壓無變化，故可以判斷，出現機械力變小變化的是電磁繼電器的動簧片零件，而不是復簧零件。

由上述分析可以證明，其中一組常閉觸點出現變化，造成變化的因素為觸點壓力變化，且變化趨向為機械力變小。

綜上，此次故障是由于生產過程中動簧片內部機械應力沒有充分釋放，在長期使用后，應力釋放加上常開靜觸點與動簧片出現觸點接觸燒蝕，導致觸點出現接觸不可靠。在隨后的電路切換中，由于該只電磁繼電器已經出現觸點接觸不可靠，則出現接觸不良的現象。

在依次排除上述各故障樹分支后，電磁繼電器自身缺陷分支成立。

5 改進措施

經過故障樹方法分析之后，確認了該起故障是由于電磁繼電器動簧片內部機械應力沒有充分釋放導致。為了降低甚至杜絕此類問題的再次發生，對電磁繼電器生產過程提出以下幾點建議：

（1）生產過程增加釋放材料內部機械應力步驟，可通過一定環境或手段加速內部機械應力的釋放；（2）改變動簧片材料，采用可快速釋放內部機械應力的金屬材料，降低隱患；（3）更改動簧片設計尺寸，降低因內部機械應力釋放后形變導致的接觸不可靠問題；（4）通過增大觸點面積或增大復原彈簧機械力等方式增加設計余量，減緩觸點燒蝕過程，延長電磁繼電器使用壽命。

結論：通過此次對電磁繼電器失效進行詳細的故障分析，解析了一種因電磁繼電器動簧片內部機械應力沒有充分釋放導致的觸點燒蝕。這種失效因素無法在生產使用后及時發現，往往是使用一段時間甚至數年之后發生，因此存在隱性危害。為了減少因電磁繼電器失效造成的設備故障，必須深入探究電磁繼電器的失效原因，在明確電磁繼電器失效機理后，才能對采取針對性的控制措施，對廠家生產電磁繼電器的質量也能提出更高要求。