提高某大功率继电器抗振性能的方法研究

高冬冬

(贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550009)

1 引言

小型大功率密封电磁继电器是武器型号上使用的关键元器件，在系统中实现电源线路的切换功能。本文探讨的某型号大功率继电器的触点组形式为1H1Z，主触点为双断点结构，可切换70A×28Vd.c.负载，具有体积小、负载能力强和环境指标优越的特点。该继电器是为满足用户的特定环境指标要求而研制的，有效缓解了用户的急需。由于研制周期较短，要求的环境指标高(尤其是高量级随机振动指标)，产品在振动筛选试验时的合格率很低。为保证产品的可靠性，提高振动合格率，需要对该继电器进行了优化改进。

2 继电器的结构特点及主要环境指标

该继电器磁路结构为差动式结构，依靠两侧极靴面的不对称性、磁钢极性偏移等方法解决了衔铁的自动复原问题，实现单稳态功能；磁路的磁效率高，有利于实现较大的负载体积比；主触点采用了双断点桥式连接方式，使触点负载达到了70A×28Vd.c.。继电器主要环境指标：温度范围：-65℃～+125℃；正弦振动：(10～3000)Hz，294m/s2；随机振动峰值时：37(m/s2)2/Hz；加速度：294 m/s2。

3 继电器存在的主要问题

该继电器的随机振动功能试验条件是用户提出的特殊环境指标要求，振动指标要求很高，继电器的该项筛选项目合格率很低，一般为40%左右，有时高达60%，振动可靠性较低。

4 继电器随机振动失效的原因分析

4.1 鱼刺图分析

该继电器存在随机振动失效问题的时间较长，并非偶然因素引起。根据继电器的失效模式，从查找导致继电器失效的固有特性角度出发，绘制如下的鱼刺图，如图1所示。

4.2 原因分析

4.2.1人为因素

经过复查，继电器的调试人员均为培训合格，持证上岗的具有多年产品调试经验的员工，技能水平高，并且未出现过人员变动。因此，人为因素可以排除。

图1 随机振动失效鱼刺图

4.2.2环境因素

1)振动台振动放大

经过复查，筛选使用的振动台经过了计量，计量合格，振动台存在的固有谐振频率在2700Hz附近；该继电器在进行正弦振动时，经受(10～3000)Hz，294m/s2量级的扫频振动，继电器不会出现失效现象，说明继电器的固有谐振频率已超出了振动台的固有谐振频率，而随机振动的频率范围在(20～2000)Hz，尚没有达到振动台的固有谐振频率。因此，可以排除振动台放大因素。

2)外磁场影响

振动筛选场地主要的外磁场来源为振动台。通过计量，振动台表面具有一定的磁场，但该继电器在振动台表面时的吸动值和释放值均无明显变化，说明该继电器本身磁场强度较大，而振动台表面的磁场强度较小，不会对继电器产生明显影响。因此，可以排除外磁场影响。

4.2.3簧片材料因素

该继电器使用的簧片材料为高弹性合金，这种材料具有很好的弹性，适合簧片压力要求较大的大功率继电器簧片使用，在公司其它继电器上得到较为广泛的应用，材料的来源稳定，使用过该材料的继电器未反馈过材料异常问题。因此，可以排除簧片材料因素。

4.2.4工艺缺陷

按照工艺要求，该继电器的接触簧片需要经过的工序有：整形→预校→机械老化→清洗→焙烘(24h)→初校→机械老化→清洗→焙烘(24h)→复校，经过这些工序后，簧片压力能够保证很好的稳定性。因此，可以排除工艺缺陷因素。

4.2.5设计余量不足

该继电器在调试时，激励状态下的主触点常开压力和辅助触点常开压力调试均接近下限值，当调试压力增大时则会出现衔铁吸合不到位的现象，而常开触点压力小时很容易引起触点监测失效，故该原因不能排除。

导致常开触点压力小的主要原因是继电器在激励状态下的电磁吸力不足，因此，可以通过提高继电器在激励状态下的电磁吸力做进一步的验证。

通过上述复查、分析，可以看出：电磁吸力不足导致可能是导致继电器长期以来随机振动失效的主要原因。

5 优化改进

5.1 继电器动作原理

如图2所示，该继电器线圈通电时，产生的磁通Φ1与磁钢产生的磁通Φ3方向相反，在右侧气隙处线圈产生的电磁力会抵消一部分Φ3在衔铁右侧产生的吸力，同时线圈磁通Φ1与磁钢产生的Φ2相方向相同，在左侧气隙处线圈产生的电磁力与Φ2在衔铁左侧产生的电磁力相叠加，衔铁会向左侧转动，使衔铁左侧与轭铁吸合。衔铁转动过程带动动簧片转动，使之与静簧片接触，静簧片随之发生形变，并产生一定大小的触点压力，即常开触点压力，最终实现触点切换功能。

图2 线圈通电时磁通回路示意图

从上述动作原理能够看出，足够大的电磁吸力，才能保证足够大的常开触点压力和触点跟踪距离，从而避免常开触点监测失效现象。

5.2 改进措施

在图2的左侧，轭铁与衔铁的磁极形状，可以看作矩形轭铁与衔铁，如示意图3所示。

图3 磁极形状图示

在图2中，左侧固定在衔铁工作面上的隔磁片为锡青铜材料，属于抗磁性材料，隔磁片的相对磁导率为0.9999[2]，与空气磁导率相当，其厚度相当于继电器在吸合状态下衔铁与轭铁之间的剩余磁气隙，在磁路中起到调节释放电压值，防止衔铁出现不释放的功能。根据上述电磁吸力公式可知，隔磁片的厚度越大，剩余磁气隙越大，δ越大，电磁吸力越小；反之亦反。

根据上述分析，可以将隔磁片的厚度适当减小，减小剩余磁气隙，减小δ，增大电磁吸力，从而增大常开触点压力，避免随机振动失效现象。该种方法对继电器原有结构改动很小，很方便验证。

5.3 改进效果

将隔磁片的厚度由原来的0.09mm分别改进为0.06mm和0.03mm，各进行50套产品的装配验证，验证效果见表1。

表1 验证批次筛选情况

从表1可以看出，采用厚度为0.06mm的隔磁片效果较好，随机振动监测失效比例为6.5%，明显低于改进前的失效率(40%～60%)；而采用厚度为0.03mm的隔磁片时，虽然随机振动监测失效比例为0%，但出现了3只释放值超差的现象，这主要是由于电磁吸力增大较多，容易引起正弦振动后释放电压超差现象，因此选取的隔磁片厚度不宜太小。

对采用0.09mm、0.06mm和0.03mm隔磁片的产品，在线圈激励状态下分别测量它们的触点压力，进行对比分析，对比结果见表2。

从表2可以看出，触点压力随着隔磁片厚度的减小明显增大。通过振动试验验证可以得知，当隔磁片厚度为0.06mm时，主触点压力为1.75N，辅助触点压力为0.7N，此时，产品的触点压力能够保证产品经受住随机振动指标，保证既不产生大比例监测失效，也不出现释放值超差的问题；而当隔磁片厚度偏大时容易出现监测失效比例增大现象，当隔磁片厚度偏小时容易引起释放值超差的问题。

表2 触点压力对比

可见，选择厚度为0.06mm的隔磁片是较为优化的改进方案，相应地要求是继电器激励状态下主触点压力大于1.7N，辅助触点压力大于0.65N，并保证衔铁与轭铁吸合到位，这样可以有效提高继电器的抗振性能，使继电器满足指标要求很高的随机振动功能试验。

6 结语

综上所述，继电器激励状态下的触点压力小导致继电器在随机振动条件下的监测失效；减小隔磁片厚度，能够有效地增大继电器在激励状态下的电磁吸力，实现足够大的触点压力，从而减小继电器随机振动监测失效比例，提高可靠性；隔磁片的厚度选取不宜过小，否则容易引起继电器释放电压超差等新问题；因此，适当选择隔磁片的厚度尤为重要，需要结合继电器的具体结构特点进行分析验证，从而选择最优化的方法。