继电器失效原因及可靠性分析

姚逸飞

摘要：电磁继电器依靠控制电路的供电，通过触点的闭合断开来进行信号传递、主电路通断等功能的电子元器件。其可靠度的高低直接影响到整个系统的可靠度，鉴于近期苏州三号线正线频发由于继电器偶然失效导致的正线故障，本文将在失效原因及可靠性两方面对地铁电磁继电器进行探讨。

关键词：继电器;失效原因;可靠性分析;

1、前言

继电器由于其广泛的运用性，在地铁列车上也扮演着极其重要的角色。地铁列车的数字量信号传递、逻辑控制、主电路供电等均依靠继电器的动作来实现。以苏州三号线车辆专业为例，在车上使用的继电器（包含延时模块）就高达134个。

因此，提高继电器的可靠性，将对电客车的可用性有直接影响，此项课题是困扰地铁车辆工程师多年的顽疾。本文将从：①继电器工作原理②继电器失效方式及原因③继电器可靠性分析三各方面对地铁继电器进行分析探讨。

2、继电器工作原理介绍

继电器的种类繁多，以苏州项目使用的密封式继电器为例，主要有线圈、动触点、静触点、动作机构及继电器外壳组成。线圈与动静触点是继电器最重要的部件之一，当继电器接入电源后，线圈中产生电磁力，动触点上的衔铁或永久磁铁收到电磁力吸引后，向静触点移动最终接触闭合。动静触点闭合后，主回路即导通。线圈中的电磁效如下：

上式为继电器电磁机构吸合特性。[1]

分析上式可知，继电器线圈得电到衔铁动作之前，线圈中的电流逐渐增大，电磁力逐渐增大，最终吸引带衔铁的动触点与静触点闭合。

3、继电器失效原因分析

继电器失效形式主要有：①结构失效②动作及特性失效③接触失效④误用失效这四种失效方式。其中又以触头接触失效最为普遍，其比例可达75-85%。

触头接触失效又分为3类：

①磨损失效

在常年累月的继电器工作过程中，随着动静触头的频繁吸合断开，往往会伴随着物理性的磨損。当磨损到达一定程度时，电磁力吸附动触头到极限导程后，仍无法与静触点接触，无法形成主回路通路，这就造成了继电器故障，也称“磨损失效”

②桥接失效

当静触点的材料，在高温或其他原因的作用下剥落，附着在动触头上，最终导致线圈不通电的时候动触头与静触头没有间隙，直接导通，造成主回路常通，这样的故障也叫“桥接失效”。

③污染失效

污染失效往往是由于继电器触点间进入了其他杂质导致的，这种情况在密封式继电器中较为少见，因为密封式继电器除了在生产过程中触点是暴露在外界环境中的，其使用时动静触头与外界环境是隔开的。在非密封式继电器使用时，外界环境的好坏会直接影响继电器的使用寿命，在高污染的环境下，非密封式继电器极易产生触点黏连，又称“粘结失效”。

粘结失效可分为：①动态粘结②静态粘结。

①动态粘结指继电器在断电时，动静触头间有大电流，导致其分离时产生高温电弧，将动静触头的表面材料溶解，冷却粘结。除了继电器本身制造工艺，触点材料等影响因素外，继电器断电时减少负载（即减小电流）也是避免动态粘结的重要手段。所以尽量在负载停止工作的情况下进行控制回路断电。

②静态粘结的形成比动态粘结少的多，在一个生产工艺符合标准，触点材料使用规范的继电器使用中，很少会遇到静态粘结。静态粘结主要看继电器工作时其触点的发热情况，减小动静触头接触电阻、减小工作电流（控制负载）或缩短继电器持续工作时间都可以避免静态粘结的产生。

继电器的吸合力依靠线圈产生的电磁力，在额定电压的输入下，线圈产生的电磁力是不变的，衔铁受到电磁力带动动触点向静触点移动，最终动静触头接触闭合。在动触头移动的导程中，会存在一定的反力。若继电器中进入其他杂质，导致动触头移动的反力增大，或线圈故障导致吸引力减小，都会导致继电器通电后，动静触头不接触，主回路无法导通，这种故障归类为动作及特性失效。

4、继电器可靠性分析

可靠性定义：产品在规定条件下，规定时间内完成规定功能的能力。

目前可靠性分析方法有很多，常见的有FMECA，FTA。高级的有云模型分析和灰色理论分析。本文着重使用前两种分析方法。

FMECA方法是分析系统中每一产品所有可能产生的故障模式及对系统造成的所有可能影响，并按每一故障模式严重程度及其发生概率排序，从而发现设计中潜在的薄弱环节，通过有效地补措施，以消除或减少故障出现的可能性，提高产品的质量和可靠性。

FMECA分为系统定义、FMEA和CA三个主要步骤。可细分为：

（1）明确分析范围

（2）系统任务分析

（3）系统功能分析

（4）确定产品故障判据

（5）故障模式分析

（6）故障原因分析

（7）故障影响分析

（8）故障检测方法分析

（9）补偿措施分析

（10）危害性分析

按严重程度分类：A无法容忍的;B严重的;C可容忍的;D轻微的。

故障树定性分析是寻找某个故障事件基本原因的可靠手段，由于每个故障事件的发生都是由一个比较微小的根源或根源集构成的。通过分析列举出可能导致事件的原因，将其列举成故障树，利用上行法求故障树的最小集合并简化，出现次数最多的原因即最可能导致事件发生的原因。

由于篇幅限制，本文仅对苏州三号线DIR继电器的5个触点失效进行FTA分析。故障树建造的实质是寻找所研究系统故障和导致系统故障的各因素之的逻辑关系，并将这种关系用故障树图形符号表示，其中：T表示顶事件，M代表中间事件，X代表底事件。

建立故障树后，运用上行法进行计算：

M1=X4*X6  M2=X2  M3=X1  M4=X4*   M5=X3*X6  M6=M1 +M2=X4*X6+X2  M7=X5

最终T1=M1+M2+....M7=X1+X4* +X3*X6+（X4*X6+X2）+X5

可得最小割集：{X1}，{X4* }，{X3*X6}，{X4*X6+X2}，{X5}。

其中X1-X6的定义分别为：

X1：DIR的DRV/3.C6触点故障    X2：DIR的PRO/3.B5触点故障

X3：DIR的TCMS/7.C4触点故障    X4：DIR的ATC/13.C6触点故障

X5：DIR的DRV/3.C2触点故障    X6：列车处于零速状态

最小割集是导致顶事件发生的原因的组合，求出最小割集后，如果数据足够，能够给出故障樹中各个底事件发生的概率，可进一步作定量分析。当底层数据不足以支撑定量分析时，也可只进行定性分析。组成最小割集的底事件越少，此项底事件就越重要，因为仅需要触发一个底事件就会导致顶事件的发生;组成最小割集的底事件数量相同时，应比较该割集中底事件的出现次数，出现次数越多，该底事件越重要。按照上述分析的最小割集，可见其中X4出现次数较多（DIR的ATC/13.C6触点故障），应重点关注此事件。

对于DIR的PRO触点及ATC触点，在设计时就考虑到其故障情况，在电路图中加入了DBPS（门旁路旋钮）用于旁路DIR在这两个系统中的触点。故即使DIR的单个触点或DIR继电器整个故障，都可以用DBPS来旁路掉DIR使列车保证基本的运行能力。

5、总结

本文主要对苏州三号线使用的密封式电磁继电器进行了原理介绍、失效形式分析、可靠性分析。为了减少列车故障率，提高继电器的可靠性，我们需要选择做工良好，设计符合实际运用的厂家品牌和继电器型号。定期检查电器柜内继电器状态，为继电器提供一个良好的工作环境。最后针对苏三频发的DIR继电器失效问题，需要重点关注DIR串入ATC的触点。

考虑到正线运行DIR发生故障时的情况，列车设计了DBPS用于保证列车基本运行能力。故发生故障时要求司机熟悉正线故障应急处理指南，并且处理迅速准确，减少故障晚点率。

参考文献

[1]管永超.不同类型负载下电磁继电器失效模式研究排[D].哈尔滨.哈尔滨理工大学，2016.

[2]江长流.继电器可靠性提升探讨[J].电工材料，2017，No.3：23-26.