继电器电寿命试验技术探讨.doc

继电器电寿命试验技术探讨 摘 要：论述了航天继电器寿命试验技术在航空航天系统可靠性中的重要性，简述了国内外继电器可靠性寿命试验的研究现状，指出其存在的主要问题。在坚固和参考传统寿命试验方法的基础上，提出了将寿命预测方法和加速度寿命试验方法有机结合的寿命试验方法总体设计思想，并研制了相应的寿命试验装置。关键词：继电器；寿命试验；寿命预测；加速寿命试验0 引言航天继电器是航天领域不可或缺且应用广泛的电子元器件，其可靠性直接影响到航天系统的可靠性。目前，电寿命是评价继电器产品品质与可靠性的一项重要指标，而电寿命试验是获取该指标的重要手段。因此，研究航天继电器电寿命技术对于测定、验证、提高产品可靠性具有重要的现实意义。据有关电磁继电器失效模式的技术统计数据显示，其失效模式80以上是接触部分失效。故研究继电器电寿命试验技术首先应该重点研究继电器出点失效模式及检测方法。继电器接触时效主要模式有：接触电阻大；触点超程减小；出点熔焊；触点冷焊；出点桥接（见表1）。表密封继失效机理电器常见接触失效模式及机理失效模式失效机理检测方法接触电阻大出点磨损、表面凹凸不平、触电超程减小、电膜阻增大检测接触电阻触点超程减小衔铁超程减小、推动干变形、触点磨损检测超程时间触点熔焊解除压力大、燃弧时间长检测分段时间触点冷焊触点表面太光洁、材料硬度太高、接触压力大、簧片分断力小检测分段时间触点桥接 触点熔焊、冷焊、触点间隙过小、触点超程过大同时检测常开和常闭触点接触电阻由表1可见，进行寿命试验时，必须同时检测继电器的多个参数和时间参数综合判断该继电器是否已达到寿命。1 国内外研究现状1.1 国外研究现状在国外，继电器电寿命试验方法的制定工作较早，美国早在上世纪60年代发布了军用标准MIL-R-39016“有可靠性指标的电磁继电器总规范”。随后日本、IEC、法国和德国都制定了相应的标准。在寿命试验设备方面，美国、日本等发达国家已普遍采用计算机进行监测和控制，达到了较高的精度和技术水平。现阶段，国外很多学者正致力于研究各种试验条件下继电器触电的特征参数、表面形态及失效模式在寿命试验过程中变化规律，为科学有效的进行产品寿命试验提供了指导。WERNER通过试验发现，接触电阻的变化规律和负载有直接关系，随着负载的增大，接触电阻反而会出现减小的趋势；另外，电弧引起的材料转移会改变触点的位移特性，从而引起吸合时间、释放时间、超程时间等时间参数发生变化。CHEN Zhuanke等研究了银触点在空载值4A情况接触电阻的变化规律。结果表明，接触电阻在小负载下比较稳定，而在大负载下波动幅值和频率较大。因此，以往单独通过接触电阻等电参数作为产品的失效判据是不够的，也是不科学的。1.2 国内研究现状国内寿命试验方法的标准基本上参考美国军标制定的，但寿命试验设备的自动化水平还较低。现阶段我国各继电器生产厂家主要是依据现行相关军用标准（GJB 65B-99、GJB 1042A-2002、GJB 1461-29等）的基础上，使用吻合标准的试验台进行可靠性寿命试验。各标准规范了寿命试验的整个过程以GJB65B为例规定产品失效判据为接触电阻不能超标以及不得有机械和电器失效。该标准仅关心和寿命相关的电参数，而忽视了同样可以反映产品磨损的时间参数。另外，在实际操作过程中，一般采用中间检测方法，即在样品动作一定次数后检测一次参数，该犯法虽然简便，但很容易遗漏样品所发生的失效，准确度低，往往会导致最后寿命分析结果异常。如何在兼顾现行标准的同时，更加科学、准确地进行寿命试验，我国进行了一些研究工作。文献5，6从触点失效机理出发，分析了吸合时间、释放时间、超程时间、燃弧时间等特性参数对继电器寿命的影响，在此基础上首次将寿命预测方法运用到继电器上，采用时间序列和回归分析方法分别建立了超程时间、吸合时间单变量几双变量寿命预测模型。文献7根据继电器接触电阻的变化规律，分别采用了时间序列方法、神经网络方法、数学统计方法建立了以接触电阻为特征参数的寿命预测模型，并对这些方法预测准确度进行了比较。从上述研究内容可以看出，目前的继电器寿命预测方法仅仅是针对少数几个寿命参数而言，而继电器寿命往往是受到多个特征参数综合影响，因此有必要进一步研究多变量寿命预测方法。文献8提出了一种快速评价密封式电磁继电器贮存寿命试验的方法，即以温度为加速应力，采用恒定应力加速度试验寿命方法对样品进行加速寿命试验，从而达到缩小试验时间的目的。目前，该方法只运用于继电器贮存寿命试验，工作加速寿命试验方法还有待研究。上述各种继电器电寿命试验方法的详细比较如表2所示。试验方法试验条件特点研究水平传统寿命试验额定负载中等电流低电平破坏周期性长较成熟加速寿命试验加速应力负载破坏性周期短起步寿命预测额定负载非破坏性周期短起步2 目前存在的问题由于继电器的失效模式多种多样，原因错综复杂，一种失效模式可能有多种失效原因造成；一种失效原因也可能引起多种失效模式。这就导致各种寿命试验都很难全面、科学地对产品进行可靠性寿命评价。目前，航天继电器电寿命试验方法存在的主要问题有：（1）传统的寿命试验方法和寿命试验装置仅检测接触电阻、吸合电压、释放电压、等电参数，而未检测和寿命试验相关的吸合时间等时间参数，容易造成失效样品的漏判。（2）传统的寿命试验没有采取连续的检测方法对样品每一次状况进行检测，在中间过程的一次失效有可能遗漏，试验结果并不能准确的反映出样品的真实寿命。（3）现阶段寿命试验台自动化程度不高，需人工参与，无法实现特征参数的自动检测和判别，受人工因素影响大，且操作复杂。（4）寿命预测试验方法存在特征变量测试精度不高，寿命特征量选取单一等问题。多变量寿命预测方法和高精度寿命预测模型的建立还有待进一步研究。（5）没有实现有实际意义的工作寿命加速寿命试验方法。3 总体设计思想利用现在不断高速发展的计算机控制技术和自动化技术，将进一步大大提高寿命试验的检测精度和自动化水平，从而也为科学地进行寿命预测和加速寿命试验提供了可能。因此，笔者的设计思想是：在参照传统寿命试验方法的基础上，通过高速的数据采集及处理系统连续地监测寿命特征参数，将寿命预测技术和寿命试验技术有机的结合起来，从而快速、非破坏性的获取产品的可靠性寿命指标。具体实施方法为：在超出正常环境条件下对样品进行加速寿命试验，采用寿命预测方法预测个加速度应力下的寿命，再通过加速寿命模型反推出正常环境条件下的继电气寿命。主要内容如下：（1）研究继电器的失效模式和失效机理，确定和寿命相关的寿命特征参数，主要有接触电阻、吸合电压、释放电压、吸合时间、释放时间、超程时间和燃弧时间。（2）研制高速数据采集及处理系统和寿命试验装置，实现高精度、高可靠、连续地监测寿命特征参数，并按要求进行可靠性寿命试验。器硬件原理如图1和图2所示。从图中可看出，高速数据采集及 处理系统通过实时采集继电器每次动作的线圈电流、触电电压、触点压降和触点电流波形计算寿命特征参数。由于每个数据采集及处理系统只能监测单个触点，因此，在寿命试验装置中需要通过级联多个系统对多个继电器同时进行寿命试验。（3）分析继电器的失效机理，论证加速寿命试验和寿命预测技术的可行性；确定加速寿命试验的加速应力；确定寿命特征变量作为预测模型的参数。（4）根据寿命试验过程中寿命特征参数的变化规律，采用一定的寿命预测方法建立寿命预测模型；采用寿命试验过程中采集的寿命特征数据完成预测模型的参数辨识；根据预测模型的预测结果对该模型精度和可信度进行评价、修正和优化。（5）根据试验条件确定最优加速寿命试验方法，包括加速寿命试验类型、加速应力大小、试品数量的选取等；建立加速寿命试验的非参数模型，利用试验数据，完成加速寿命试验的统计分析，实现加速模型的参数辨识并利用该模型反推额定负载下寿命参数。（6）利用寿命预测结果和加速寿命试验结果，采用数理统计方法单独以及综合对该批次样品进行可靠性寿命评价。4 结 语传统寿命试验方法、寿命预测方法和加速寿命试验方法各有优缺点，本文通过综合比较3种寿命试验方法，在参考传统寿命试验方法的基础上，提出将寿命预测方法和加速寿命试验方法有机结合的新寿命试验方法。目前，已经完成了高速数据采集及处理系统和寿命试验装置的研制。【参考文献】1密封继电器的可靠性分析。低压电器，2007（9）：9-12