(10)關(guān)于SRU在壽命試驗(yàn)中常閉觸點(diǎn)粘結(jié)失效的分析

東莞三友電器有限公司總5頁(yè)繼電器生產(chǎn)、技術(shù)、品質(zhì)培訓(xùn)教材（10）SRU型繼電器壽命試驗(yàn)中常閉觸點(diǎn)粘結(jié)失效分析二零零二年六月二十日修訂SRU型繼電器（以下簡(jiǎn)稱SRU）在壽命試驗(yàn)中常閉觸點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱B觸點(diǎn)）過(guò)早出現(xiàn)粘結(jié)故障，是該產(chǎn)品品質(zhì)的重大缺陷。為解決該問題，進(jìn)行了一系列試驗(yàn)和分析。但對(duì)分析結(jié)論的認(rèn)可，尚待生產(chǎn)實(shí)踐的檢驗(yàn)。SRU壽命試驗(yàn)的條件是：觸點(diǎn)負(fù)載12A*125VAC，阻性、線圈電壓脈幅值為額定工作電壓，通斷比1:1，動(dòng)作頻率為每分鐘30次，環(huán)境溫度為室溫。壽命試驗(yàn)中記錄線圈脈沖次數(shù)，常開觸點(diǎn)（以下稱A觸點(diǎn)）與常閉觸點(diǎn)（B觸點(diǎn)）動(dòng)作次數(shù)（指有效動(dòng)作次數(shù)）。技術(shù)課規(guī)定，當(dāng)線圈連續(xù)加五次脈沖電壓而觸點(diǎn)不能斷開或閉合負(fù)載時(shí)，壽命試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)能使該產(chǎn)品停止試驗(yàn)（俗稱停機(jī)）。如果重新啟動(dòng)，該產(chǎn)品仍能正常動(dòng)作，試驗(yàn)可繼續(xù)進(jìn)行。這樣的啟動(dòng)允許10次，屆時(shí)就算壽命結(jié)束。在重新啟動(dòng)不成功時(shí)，也認(rèn)為壽命結(jié)束。在上述規(guī)定下，SRU的壽命往往只有1萬(wàn)次多次到5萬(wàn)次之間，只有極個(gè)別能達(dá)8萬(wàn)次以上。所有的早期失效都是B觸點(diǎn)粘結(jié)，大部分樣品都以B觸點(diǎn)粘死而告終。而A觸點(diǎn)在8萬(wàn)次之前幾乎不失效。拆開失效產(chǎn)品的外殼，觀察觸點(diǎn)狀況，可以看到A觸點(diǎn)表面平整，燒損均勻，而B觸點(diǎn)表面凹凸不平，情況嚴(yán)重時(shí)還出現(xiàn)針刺。統(tǒng)觀SRU的大量壽命試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不同批次的產(chǎn)品的壽命可以相差很多，，也可能相差不大，同一批次產(chǎn)品的壽命相差也會(huì)很懸殊。以前廠里對(duì)此問題曾進(jìn)行過(guò)大量試驗(yàn)和分析。發(fā)現(xiàn)壽命與觸點(diǎn)的GAP、FOLLOW和B觸點(diǎn)壓力（以下簡(jiǎn)稱B壓力）有關(guān)，得出上述觸點(diǎn)參數(shù)大致的合理范圍。然而，最近按此參數(shù)調(diào)整出的同一樣品，其壽命相差卻十分懸殊，有的達(dá)8萬(wàn)多次，有的只有一萬(wàn)多次，由此看來(lái)，觸點(diǎn)粘結(jié)故障還另有原因。從理論上講，觸點(diǎn)粘結(jié)是在觸點(diǎn)閉合過(guò)程產(chǎn)生的?？茖W(xué)試驗(yàn)已經(jīng)證明。其產(chǎn)生的原因分兩種情況，一種是觸點(diǎn)閉合無(wú)回跳的情況，在這種情況下，只有電流很大（數(shù)百安培）和電壓較高（數(shù)百伏以上）時(shí)，才出現(xiàn)粘結(jié)。我廠產(chǎn)品無(wú)此情況，在此就不對(duì)它進(jìn)行分析了。另一種是觸點(diǎn)閉合有回跳的情況，在這種情況下，只要電流和電壓滿足產(chǎn)生電弧的條件，即大于臨介電弧電流和電壓（一般在零點(diǎn)幾安和十幾伏的范圍），就可能產(chǎn)生粘結(jié)。由此我們可以斷言，觸點(diǎn)粘結(jié)的根源在于觸點(diǎn)閉合時(shí)的回跳現(xiàn)象。我們知道，觸點(diǎn)在斷開較大負(fù)載（大于臨介電弧電流和電壓）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電弧。電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，這時(shí)，在極短的時(shí)間內(nèi)，放電間隙（電弧區(qū)）會(huì)產(chǎn)1生很高的熱量，這些熱量大部分傳給了觸點(diǎn)，引起觸點(diǎn)發(fā)熱，直至使觸點(diǎn)金屬熔化或汽化。這種現(xiàn)象在觸點(diǎn)斷開過(guò)程中會(huì)燒蝕觸點(diǎn)材料，若通斷頻率不高，觸點(diǎn)能可靠熄弧，就不會(huì)引起粘結(jié)，這是因?yàn)樵谙ɑ『笕刍幜⒓茨痰木壒?。在回跳的閉合就不一樣了?；靥怯|點(diǎn)閉合時(shí)觸點(diǎn)互相碰撞而產(chǎn)生的多次閉合和斷開。在觸點(diǎn)閉合時(shí)若電路內(nèi)接有帶電負(fù)載（即帶電閉合），那么，回跳過(guò)程中的多次斷開就會(huì)產(chǎn)生電弧。這個(gè)電弧在觸點(diǎn)再次閉合之前有可能不熄滅。該電弧引起的觸點(diǎn)熔化點(diǎn)就不凝固，直到觸點(diǎn)再次閉合，電弧才不存在，于是溫度很快降下來(lái)，觸點(diǎn)熔化處就會(huì)焊起來(lái)。如果這個(gè)焊點(diǎn)強(qiáng)度是夠大，那么，在觸點(diǎn)應(yīng)斷開的半個(gè)動(dòng)作周期內(nèi)正常的觸點(diǎn)分?jǐn)嗔Α獙?duì)于B觸點(diǎn)來(lái)說(shuō)就是銜鐵帶動(dòng)觸點(diǎn)閉合的力，就可能不足以將觸點(diǎn)分?jǐn)啵@就是粘結(jié)。一般來(lái)說(shuō)，觸點(diǎn)回跳的幅度不會(huì)很大，對(duì)SRU的B觸點(diǎn)來(lái)說(shuō)，估計(jì)在0.1mm以下，所以回跳產(chǎn)生產(chǎn)的電弧長(zhǎng)度很短，往往只存在電弧的陽(yáng)極壓降區(qū)和陰極壓降區(qū)，不存在弧柱，有人認(rèn)為這不是真正的電弧，有人稱之為短弧。短弧一般不燒損觸點(diǎn)材料，主要產(chǎn)生材料轉(zhuǎn)移，使得觸點(diǎn)表面形貌變得凹凸不平，表面形成金屬瘤和凹坑。斷開過(guò)程形成的電弧才是真正意義上的電弧，這種電弧在交流負(fù)載時(shí)不產(chǎn)生材料轉(zhuǎn)移，只發(fā)生材料燒損。SRU的常開觸點(diǎn)（A觸點(diǎn)）閉合時(shí)回跳很小，所以主要是材料燒損，不易粘結(jié)。而SRU的B觸點(diǎn)回跳嚴(yán)重，所以主要故障是粘結(jié)，對(duì)B觸點(diǎn)來(lái)說(shuō)，燒損也同樣存在，因?yàn)樗泊嬖跀嚅_過(guò)程，但它允許的燒損量要比A觸點(diǎn)大得多。將上述理論應(yīng)用于我們廠的SRU的壽命試驗(yàn)分析，可以看出，SRU的B觸點(diǎn)壽命試驗(yàn)后的形貌屬于典型的短弧燒蝕形貌，因此可以斷定，B觸點(diǎn)粘結(jié)是由觸點(diǎn)回跳引起的。任何電磁繼電器（我們廠生產(chǎn)的都屬于電磁繼電器）觸點(diǎn)閉合前一瞬間都有相當(dāng)高的速度，所以觸點(diǎn)閉合時(shí)總會(huì)發(fā)生碰撞。這種碰撞屬于彈性碰撞，因而必然產(chǎn)生回跳?；靥鴮?duì)繼電器來(lái)說(shuō)是有百害而無(wú)一利的現(xiàn)象，應(yīng)盡量減少。除非閉合瞬間觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度很低，否則回跳不可能消除。根據(jù)前人的研究成果，已知觸點(diǎn)回跳的大小與下列因素有關(guān)：回跳幅值與碰撞前觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的總動(dòng)量（mv或Jω）。當(dāng)觸點(diǎn)閉合前觸點(diǎn)系統(tǒng)的總動(dòng)能一定時(shí)，回跳幅值與系統(tǒng)的質(zhì)量或轉(zhuǎn)動(dòng)慣量成反比。當(dāng)靜止的觸質(zhì)量很大時(shí)，回跳幅值隨接觸終壓力的增加而減小。當(dāng)靜止的觸點(diǎn)系統(tǒng)在碰撞后產(chǎn)生振蕩時(shí)，回跳時(shí)間會(huì)顯著增長(zhǎng)，并且極2不穩(wěn)定。回跳次數(shù)和幅值與動(dòng)靜觸點(diǎn)系統(tǒng)的振動(dòng)特性有關(guān)。由于觸點(diǎn)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，所以極難從理論上找出其規(guī)律性。有可能第一次回跳比后繼回跳幅值還小。觸點(diǎn)的硬度越低或強(qiáng)度越低回跳幅值也越小。SRU的靜止觸點(diǎn)系統(tǒng)的是一個(gè)振動(dòng)系統(tǒng)，因此觸點(diǎn)回跳很不穩(wěn)定。初始測(cè)得的回跳時(shí)間不一定與壽命試驗(yàn)過(guò)程的回跳時(shí)間一致，這增加了分析問題的難度。另外，我們只測(cè)了初始回跳時(shí)間，沒有測(cè)回跳次數(shù)和幅值，而回跳次數(shù)和幅值才是決定電弧能量多少的直接因素。所以，有時(shí)初始回跳時(shí)間長(zhǎng)的，壽命不一定差，這與回跳測(cè)量不全面有一定的關(guān)系。但，一般來(lái)講，回跳時(shí)間短時(shí)則回跳幅值與次數(shù)也相對(duì)小。從影響觸點(diǎn)回跳的五個(gè)因素來(lái)分析一下。我們對(duì)SRU可采取哪些措施來(lái)減輕觸點(diǎn)回跳。首先，動(dòng)觸點(diǎn)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量已經(jīng)固定，不能改變；其次，觸點(diǎn)材料，為了滿足燒損的要求也只能用AgCdo，對(duì)于其它三個(gè)因素，我們可能有所作為。第一，要使靜止觸點(diǎn)系統(tǒng)質(zhì)量加大，這種加大不是另外再添材料，而是使靜止觸點(diǎn)系統(tǒng)與骨架合為一體，這樣做還提高了靜止觸點(diǎn)系統(tǒng)的剛度，使其固有的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)動(dòng)簧片系統(tǒng)的振動(dòng)頻率，其振幅也大大縮??；第二，在滿足繼電器其它方面的各種技術(shù)要求的前提下，盡量減小動(dòng)觸點(diǎn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)速度，也就是選擇合理的GAP、FOLLOW對(duì)減少回跳總是有利的，而B壓力卻是把雙刃劍。B壓力大時(shí)會(huì)增加運(yùn)動(dòng)速度，但卻有利于抑制觸點(diǎn)回跳，所以B壓力需要試驗(yàn)加以確定。我最初只從減小碰撞速度上想來(lái)辦法，如減少FOLLOW、GAP和B壓力，但結(jié)果沒找出這三個(gè)數(shù)據(jù)與B觸點(diǎn)回跳的固定關(guān)系，請(qǐng)看表1的數(shù)據(jù)。編號(hào)123456GAP(mm)0.260.260.260.250.240.26Follow(mm)0.130.140.140.130.130.12B壓力121211121196.284.47.385.947.55.78裝外殼封膠后B回跳(4次中最大)8.2211.869.1822.986.05.73按碰撞速度來(lái)說(shuō)4號(hào)應(yīng)比1號(hào)小，可是回跳卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1號(hào)；另外從表1還可看出，封殼前后，B觸點(diǎn)回跳變化很大。經(jīng)過(guò)反復(fù)觀察、測(cè)試、比較分析，發(fā)現(xiàn)B腳與骨架是否緊貼，對(duì)B觸點(diǎn)回跳影響顯著。這說(shuō)明B腳在觸點(diǎn)碰撞后的振動(dòng)，大大增加了回跳時(shí)間，并且使回跳時(shí)間不穩(wěn)定，于是我想辦法將B腳支撐起來(lái)并減短其自由長(zhǎng)度，結(jié)果也不理想。剛裝好的繼電器B觸點(diǎn)回跳較少，但裝殼后的回跳有顯著變化（見表2）。拆殼觀察，發(fā)現(xiàn)B腳與骨架間出現(xiàn)縫隙，分析原因，可能是裝殼時(shí)的沖擊力使B腳松動(dòng)所致。說(shuō)明B腳在骨架中固定不夠牢固。經(jīng)裝裝殼、敲擊甚至繼電器正常反復(fù)的吸合、釋放，都會(huì)使B腳支撐發(fā)生變化，從而影響觸點(diǎn)回跳。編號(hào)A1A2A3A4A5A6B1B2B3B4B5B6初始B觸點(diǎn)回跳（ms）10.16.108.9810.988.788.127.605.025.326.225.669.44裝殼后B觸點(diǎn)回跳（ms）4.467.727.708.888.687.727.528.0810.427.044.848.62封膠后B觸點(diǎn)回跳（ms）3.845.264.748.308.988.206.108.326.428.085.829.22注表中數(shù)據(jù)均為4次測(cè)試的最大值。由于觸點(diǎn)回跳時(shí)間如此反復(fù)無(wú)常，所以，壽命次數(shù)與初始回跳時(shí)間之間難以找出明顯的相關(guān)性。為了牢固固定B腳，盡量使B腳與骨架成為一個(gè)整體，即加大靜點(diǎn)系統(tǒng)的質(zhì)量，在B腳上部水部部分與骨架間灌上膠，做了幾只樣品，效果比較顯著（見表3），從表中可以看出，回跳時(shí)間最小可達(dá)2ms以下，這是以前的產(chǎn)品從來(lái)沒有達(dá)到過(guò)的。編號(hào)123456789101112GAP(mm)0.250.260.250.200.250.250.280.300.300.320.290.30Follow(mm)0.130.140.150.160.150.140.140.130.150.150.130.13B壓力121213131313.5171718171818A壓力312525313128272323202628初始B回跳（ms）3.502.562.161.964.082.102.022.042.401.981.622.10封膠后B回跳（ms）4.83.92.363.565.442.021.732.904.643.022.002.944注：表中回跳數(shù)據(jù)系4次測(cè)量的最大值。由于膠水烘后會(huì)收縮，使得B腳與骨架間產(chǎn)生拉應(yīng)力，烘烤后GAP變小約0.05mm，所以這種辦法并不可靠。在繼電器動(dòng)作幾次后，B腳很可能會(huì)脫膠，使回跳大大增加，仍會(huì)嚴(yán)重威脅壽命。為了可靠解決這一問題，有以下幾個(gè)方案可供選擇：加大并改進(jìn)B腳壓入骨架固緊B腳的倒刺。B腳上端打一個(gè)小孔，孔內(nèi)灌膠，使B腳與骨架成一整體（如圖）骨架上設(shè)計(jì)凸臺(tái)，B腳上端水平部分設(shè)計(jì)或缺口，交骨架上的凸臺(tái)卡進(jìn)孔或缺口內(nèi)。我認(rèn)為方案2比較牢靠，它可以徹底避免B腳與骨架膠脫的問題，另外兩個(gè)方案多少都存在B腳與骨架結(jié)合不牢的問題。從上述改進(jìn)的基礎(chǔ)上，再來(lái)優(yōu)選觸點(diǎn)機(jī)械參數(shù)，可將B觸點(diǎn)回跳降至最低。從目前掌握的試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，SRU的觸點(diǎn)