繼電器電壽命試驗(yàn)技術(shù)探討

1、繼電器電壽命試驗(yàn)技術(shù)探討 摘 要：論述了航天繼電器壽命試驗(yàn)技術(shù)在航空航天系統(tǒng)可靠性中的重要性，簡(jiǎn)述了國(guó)內(nèi)外繼電器可靠性壽命試驗(yàn)的研究現(xiàn)狀，指出其存在的主要問(wèn)題。在堅(jiān)固和參考傳統(tǒng)壽命試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，提出了將壽命預(yù)測(cè)方法和加速度壽命試驗(yàn)方法有機(jī)結(jié)合的壽命試驗(yàn)方法總體設(shè)計(jì)思想，并研制了相應(yīng)的壽命試驗(yàn)裝置。關(guān)鍵詞：繼電器；壽命試驗(yàn)；壽命預(yù)測(cè)；加速壽命試驗(yàn)0 引言航天繼電器是航天領(lǐng)域不可或缺且應(yīng)用廣泛的電子元器件，其可靠性直接影響到航天系統(tǒng)的可靠性。目前，電壽命是評(píng)價(jià)繼電器產(chǎn)品品質(zhì)與可靠性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，而電壽命試驗(yàn)是獲取該指標(biāo)的重要手段。因此，研究航天繼電器電壽命技術(shù)對(duì)于測(cè)定、驗(yàn)證、提高產(chǎn)品可靠性具

2、有重要的現(xiàn)實(shí)意義。據(jù)有關(guān)電磁繼電器失效模式的技術(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，其失效模式80以上是接觸部分失效。故研究繼電器電壽命試驗(yàn)技術(shù)首先應(yīng)該重點(diǎn)研究繼電器出點(diǎn)失效模式及檢測(cè)方法。繼電器接觸時(shí)效主要模式有： eq oac(,1)接觸電阻大； eq oac(,2)觸點(diǎn)超程減?。?eq oac(,3)出點(diǎn)熔焊； eq oac(,4)觸點(diǎn)冷焊； eq oac(,5)出點(diǎn)橋接（見表1）。表密封繼失效機(jī)理電器常見接觸失效模式及機(jī)理失效模式失效機(jī)理檢測(cè)方法接觸電阻大出點(diǎn)磨損、表面凹凸不平、觸電超程減小、電膜阻增大檢測(cè)接觸電阻觸點(diǎn)超程減小銜鐵超程減小、推動(dòng)干變形、觸點(diǎn)磨損檢測(cè)超程時(shí)間觸點(diǎn)熔焊解除壓力大、燃弧時(shí)間長(zhǎng)檢測(cè)分

3、段時(shí)間觸點(diǎn)冷焊觸點(diǎn)表面太光潔、材料硬度太高、接觸壓力大、簧片分?jǐn)嗔πz測(cè)分段時(shí)間觸點(diǎn)橋接 觸點(diǎn)熔焊、冷焊、觸點(diǎn)間隙過(guò)小、觸點(diǎn)超程過(guò)大同時(shí)檢測(cè)常開和常閉觸點(diǎn)接觸電阻由表1可見，進(jìn)行壽命試驗(yàn)時(shí)，必須同時(shí)檢測(cè)繼電器的多個(gè)參數(shù)和時(shí)間參數(shù)綜合判斷該繼電器是否已達(dá)到壽命。1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀在國(guó)外，繼電器電壽命試驗(yàn)方法的制定工作較早，美國(guó)早在上世紀(jì)60年代發(fā)布了軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL-R-39016“有可靠性指標(biāo)的電磁繼電器總規(guī)范”。隨后日本、IEC、法國(guó)和德國(guó)都制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。在壽命試驗(yàn)設(shè)備方面，美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，達(dá)到了較高的精度和技術(shù)水平?，F(xiàn)階段，國(guó)外很多

4、學(xué)者正致力于研究各種試驗(yàn)條件下繼電器觸電的特征參數(shù)、表面形態(tài)及失效模式在壽命試驗(yàn)過(guò)程中變化規(guī)律，為科學(xué)有效的進(jìn)行產(chǎn)品壽命試驗(yàn)提供了指導(dǎo)。WERNER通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，接觸電阻的變化規(guī)律和負(fù)載有直接關(guān)系，隨著負(fù)載的增大，接觸電阻反而會(huì)出現(xiàn)減小的趨勢(shì)；另外，電弧引起的材料轉(zhuǎn)移會(huì)改變觸點(diǎn)的位移特性，從而引起吸合時(shí)間、釋放時(shí)間、超程時(shí)間等時(shí)間參數(shù)發(fā)生變化。CHEN Zhuanke等研究了銀觸點(diǎn)在空載值4A情況接觸電阻的變化規(guī)律。結(jié)果表明，接觸電阻在小負(fù)載下比較穩(wěn)定，而在大負(fù)載下波動(dòng)幅值和頻率較大。因此，以往單獨(dú)通過(guò)接觸電阻等電參數(shù)作為產(chǎn)品的失效判據(jù)是不夠的，也是不科學(xué)的。1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)壽命試驗(yàn)方

5、法的標(biāo)準(zhǔn)基本上參考美國(guó)軍標(biāo)制定的，但壽命試驗(yàn)設(shè)備的自動(dòng)化水平還較低?，F(xiàn)階段我國(guó)各繼電器生產(chǎn)廠家主要是依據(jù)現(xiàn)行相關(guān)軍用標(biāo)準(zhǔn)（GJB 65B-99、GJB 1042A-2002、GJB 1461-29等）的基礎(chǔ)上，使用吻合標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行可靠性壽命試驗(yàn)。各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了壽命試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程以GJB65B為例規(guī)定產(chǎn)品失效判據(jù)為接觸電阻不能超標(biāo)以及不得有機(jī)械和電器失效。該標(biāo)準(zhǔn)僅關(guān)心和壽命相關(guān)的電參數(shù)，而忽視了同樣可以反映產(chǎn)品磨損的時(shí)間參數(shù)。另外，在實(shí)際操作過(guò)程中，一般采用中間檢測(cè)方法，即在樣品動(dòng)作一定次數(shù)后檢測(cè)一次參數(shù)，該犯法雖然簡(jiǎn)便，但很容易遺漏樣品所發(fā)生的失效，準(zhǔn)確度低，往往會(huì)導(dǎo)致最后壽命分析結(jié)果異常。

6、如何在兼顧現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，更加科學(xué)、準(zhǔn)確地進(jìn)行壽命試驗(yàn)，我國(guó)進(jìn)行了一些研究工作。文獻(xiàn)5，6從觸點(diǎn)失效機(jī)理出發(fā)，分析了吸合時(shí)間、釋放時(shí)間、超程時(shí)間、燃弧時(shí)間等特性參數(shù)對(duì)繼電器壽命的影響，在此基礎(chǔ)上首次將壽命預(yù)測(cè)方法運(yùn)用到繼電器上，采用時(shí)間序列和回歸分析方法分別建立了超程時(shí)間、吸合時(shí)間單變量幾雙變量壽命預(yù)測(cè)模型。文獻(xiàn)7根據(jù)繼電器接觸電阻的變化規(guī)律，分別采用了時(shí)間序列方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法建立了以接觸電阻為特征參數(shù)的壽命預(yù)測(cè)模型，并對(duì)這些方法預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度進(jìn)行了比較。從上述研究?jī)?nèi)容可以看出，目前的繼電器壽命預(yù)測(cè)方法僅僅是針對(duì)少數(shù)幾個(gè)壽命參數(shù)而言，而繼電器壽命往往是受到多個(gè)特征參數(shù)綜合影響，因此

7、有必要進(jìn)一步研究多變量壽命預(yù)測(cè)方法。文獻(xiàn)8提出了一種快速評(píng)價(jià)密封式電磁繼電器貯存壽命試驗(yàn)的方法，即以溫度為加速應(yīng)力，采用恒定應(yīng)力加速度試驗(yàn)壽命方法對(duì)樣品進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，從而達(dá)到縮小試驗(yàn)時(shí)間的目的。目前，該方法只運(yùn)用于繼電器貯存壽命試驗(yàn)，工作加速壽命試驗(yàn)方法還有待研究。上述各種繼電器電壽命試驗(yàn)方法的詳細(xì)比較如表2所示。試驗(yàn)方法試驗(yàn)條件特點(diǎn)研究水平傳統(tǒng)壽命試驗(yàn)額定負(fù)載中等電流低電平破壞周期性長(zhǎng)較成熟加速壽命試驗(yàn)加速應(yīng)力負(fù)載破壞性周期短起步壽命預(yù)測(cè)額定負(fù)載非破壞性周期短起步2 目前存在的問(wèn)題由于繼電器的失效模式多種多樣，原因錯(cuò)綜復(fù)雜，一種失效模式可能有多種失效原因造成；一種失效原因也可能引起多種失

8、效模式。這就導(dǎo)致各種壽命試驗(yàn)都很難全面、科學(xué)地對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性壽命評(píng)價(jià)。目前，航天繼電器電壽命試驗(yàn)方法存在的主要問(wèn)題有：（1）傳統(tǒng)的壽命試驗(yàn)方法和壽命試驗(yàn)裝置僅檢測(cè)接觸電阻、吸合電壓、釋放電壓、等電參數(shù)，而未檢測(cè)和壽命試驗(yàn)相關(guān)的吸合時(shí)間等時(shí)間參數(shù)，容易造成失效樣品的漏判。（2）傳統(tǒng)的壽命試驗(yàn)沒(méi)有采取連續(xù)的檢測(cè)方法對(duì)樣品每一次狀況進(jìn)行檢測(cè)，在中間過(guò)程的一次失效有可能遺漏，試驗(yàn)結(jié)果并不能準(zhǔn)確的反映出樣品的真實(shí)壽命。（3）現(xiàn)階段壽命試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)化程度不高，需人工參與，無(wú)法實(shí)現(xiàn)特征參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)和判別，受人工因素影響大，且操作復(fù)雜。（4）壽命預(yù)測(cè)試驗(yàn)方法存在特征變量測(cè)試精度不高，壽命特征量選取單一等問(wèn)題

9、。多變量壽命預(yù)測(cè)方法和高精度壽命預(yù)測(cè)模型的建立還有待進(jìn)一步研究。（5）沒(méi)有實(shí)現(xiàn)有實(shí)際意義的工作壽命加速壽命試驗(yàn)方法。3 總體設(shè)計(jì)思想利用現(xiàn)在不斷高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)，將進(jìn)一步大大提高壽命試驗(yàn)的檢測(cè)精度和自動(dòng)化水平，從而也為科學(xué)地進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)和加速壽命試驗(yàn)提供了可能。因此，筆者的設(shè)計(jì)思想是：在參照傳統(tǒng)壽命試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)高速的數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)連續(xù)地監(jiān)測(cè)壽命特征參數(shù)，將壽命預(yù)測(cè)技術(shù)和壽命試驗(yàn)技術(shù)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，從而快速、非破壞性的獲取產(chǎn)品的可靠性壽命指標(biāo)。具體實(shí)施方法為：在超出正常環(huán)境條件下對(duì)樣品進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)，采用壽命預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)個(gè)加速度應(yīng)力下的壽命，再通過(guò)加速壽命模型

10、反推出正常環(huán)境條件下的繼電氣壽命。主要內(nèi)容如下：（1）研究繼電器的失效模式和失效機(jī)理，確定和壽命相關(guān)的壽命特征參數(shù)，主要有接觸電阻、吸合電壓、釋放電壓、吸合時(shí)間、釋放時(shí)間、超程時(shí)間和燃弧時(shí)間。（2）研制高速數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)和壽命試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠、連續(xù)地監(jiān)測(cè)壽命特征參數(shù)，并按要求進(jìn)行可靠性壽命試驗(yàn)。器硬件原理如圖1和圖2所示。從圖中可看出，高速數(shù)據(jù)采集及 處理系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)采集繼電器每次動(dòng)作的線圈電流、觸電電壓、觸點(diǎn)壓降和觸點(diǎn)電流波形計(jì)算壽命特征參數(shù)。由于每個(gè)數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)只能監(jiān)測(cè)單個(gè)觸點(diǎn)，因此，在壽命試驗(yàn)裝置中需要通過(guò)級(jí)聯(lián)多個(gè)系統(tǒng)對(duì)多個(gè)繼電器同時(shí)進(jìn)行壽命試驗(yàn)。（3）分析繼電器的

11、失效機(jī)理，論證加速壽命試驗(yàn)和壽命預(yù)測(cè)技術(shù)的可行性；確定加速壽命試驗(yàn)的加速應(yīng)力；確定壽命特征變量作為預(yù)測(cè)模型的參數(shù)。（4）根據(jù)壽命試驗(yàn)過(guò)程中壽命特征參數(shù)的變化規(guī)律，采用一定的壽命預(yù)測(cè)方法建立壽命預(yù)測(cè)模型；采用壽命試驗(yàn)過(guò)程中采集的壽命特征數(shù)據(jù)完成預(yù)測(cè)模型的參數(shù)辨識(shí)；根據(jù)預(yù)測(cè)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)該模型精度和可信度進(jìn)行評(píng)價(jià)、修正和優(yōu)化。（5）根據(jù)試驗(yàn)條件確定最優(yōu)加速壽命試驗(yàn)方法，包括加速壽命試驗(yàn)類型、加速應(yīng)力大小、試品數(shù)量的選取等；建立加速壽命試驗(yàn)的非參數(shù)模型，利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，完成加速壽命試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)加速模型的參數(shù)辨識(shí)并利用該模型反推額定負(fù)載下壽命參數(shù)。（6）利用壽命預(yù)測(cè)結(jié)果和加速壽命試驗(yàn)結(jié)果，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法單獨(dú)以及綜合對(duì)該批次樣品進(jìn)