（电机与电器专业论文）小型电磁继电器可靠性试验装置的研究.pdf

小型电磁继电器可靠性试验装置的研究 s t u d yo ft h er e l i a b l l i t yt e s td e v i c eo f m i n i t y p ee l e c t r o m a g n e t i cr e l a y a b s t r a c t t h em i n i t y p e e l e c t r o m a g n e t i cr e l a yi s o n ek i n do fc o n t r o l l i n g l o w v o l t a g ee l e c t r i c a p p l i a n c e s ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cr e l a yi sa l s oak i n do fe l e c t r o m e c h a n i c a lp r o d u c t i th a si t s s u p e r i o r i t yo v e ro t h e rc o n t r o l l i n ga p p l i a n c e sb e c a u s eo fi t sh i g h l yi n s u l a t i o nw i t ho p e nc i r c u i t a n di t sa b s o l u t e l yl i t t l er e s i s t a n c ew i t hc l o s e dc i r c u i t s ot h ee l e c t r o m a g n e t i cr e l a yi sw i d e l y u s e di nt h ei n d u s t r ya n dm a n yk i n d so fc o n t r o l l i n gs y s t e m sa n di th a sr e m a r k a b l ee f f e c to nt h e c o n t r o l l i n gs y s t e m s r e l i a b i l i t y i t i sa ni m p o r t a n ta p p r o a c ho fi m p r o v i n gt h e s y s t e m s r e l i a b i l i t yt oi m p r o v et h ee l e c t r o m a g n e t i cr e l a y sr e l i a b i l i t y t h er e l i a b i l i t yt e s td e v i c ei sa n e c e s s a r yc o m p o n e n tt os t u d yt h er e l i a b i l i t yo f r e l a y s i tc a nc h e c k 血ec o n t a c t so f t h er e l a ya n d e x a m i n et h er e l i a b i l i t yo ft h er e l a y , s ot h a tt h er e l i a b i l i t yo ft h er e l a yc a nb ei m p r o v e d c o n s t a n t l y t h em a i nf u n c t i o no ft h er e l i a b i l i t yt e s td e v i c eo fm i n i t y p ee l e c t r o m a g n e t i cr e l a yi st o c h e c kw h e t h e rb o t ht h ec o n t a c tv o l t a g eo ft h ec o n t a c t s d r o pa n dt h eo p e nc i r c u i tv o l t a g eo ft h e c o n t a c t s e x c e e dt h et h r e s h o l dv a l u eo rn o t i tc a nd e a lw i t ht h ef a u l ts a m p l e sa n dr e c o r dt h e t e s td a t aa u t o m a t i c a l l y ，t h ed e v i c ec a ni n na u t o m a t i c a l l ye x c e p tt h a tt h et e s tp a r a m e t e r sn e e d t ob es e t i tm a i n l yc o n s i s t so ft h ec o n t r o l l i n g c a b i n e ta n dl o a d i n g c a b i n e te t c t h e c o n t r o l l i n g c a b i n e tm a i n l yc o n s i s t so fa ni n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r , e x p a n s i o nc a r d so f c h e c k i n gc o n t a c t s a ni oe x p a n s i o nc a r d ( t h e7 2 0c a r d ) e t c t h el o a d i n g c a b i n e tm a i n l y c o n s i s t so ff o u rl o a d i n g c i r c u i t s e v e r yl o a d i n g c i r c u i t ss t r u c t u r ei sl i k ead r a w e r sa n di t i sa i n d e p e n d e n tc i r c u i tw h i c hc a l lc h e c kl6p a i r sc o n t a c t sa tt h es a m et i m e ，i ti sc o n v e n i e n tt o i n s t a l l ，d e b u ga n dr e p a i rt h i si n d e p e n d e n tc i r c u i t t h es o f t w a r eo ft h i sd e v i c em a i n l yi n c l u d e st h es u b p r o g r a mo fo p e r a t i o ni n t e r f a c e t h e s u b p r o g r a mo fc h e c k i n g ，t h es u b p r o g r a mo fd e a l i n gw i t ht h ed a t ao ft e s ta n dt h es u b p r o g r a mo f s e r v i c e t h i ss o f t w a r ei sp r o g r a m m e dw i t hcl a n g u a g e t h ecl a n g u a g eh a st h ea d v a n t a g e so f h i 曲一l e v e ll a n g u a g ea n dt h ea s s e m b l yl a n g u a g e ，s ot h ep r o g r a mi sf l e x i b l ea n dr e a l t i m e t h e o p e r a t i o ni n t e r f a c eu s e st h es t m c t a r eo ft h ep u l l d o w nm e n ua n dp o p - u pw i n d o w t t l eo p e r a t i o n c a nb ec o m p l e t e dt h r o u g hm o u s eo rk e y b o a r d s ot h ei n t e r f a c ei sp e r s p i c u o u sa n dt h eo p e r a t i o n i sc o n v e n i e n t t h i sd e s i g ns t y l ew e l lr e p r e s e n t st h ea m i c a b i l i t yo f t h es o f t w a r e k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cr e l a y , r e l i a b i l i t y , t e s td e v i c e ，d e s i g no fh a r d w a r e ，d e s i g no f s o f t w a r e 翌j ! 三些奎兰矍主兰堡笙苎 第一章绪论 1 - 1 引言 卜卜1 继电器可靠性研究及意义f 1 3 随着我国工业生产水平的不断提高，生产系统越来越复杂，工业生产对控制系统的工作可靠性提 出了更高的要求。其工作的可靠性不仅直接影响生产效率和产品质量，而且直接关系到生产设备和操 作人员的安全，发生故障时所造成的损失及危害随着系统规模的扩大而增加。在生产的控制系统中采 用大量的继电器，它对控制系统工作的可靠性至关重要，所以提高继电器的可靠性是提高系统可靠性 的前提。 产品可靠性是指产品在规定的条件下及规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性是产品质量的 一个重要方面，不同于产品的功能指标及其它质量指标，它随时间的推移而变化，表示了产品的耐久 性、无故障性和有效性等特征。以研究产品可靠性为主要内容的可靠性技术是指与产品可靠性有关的 工程方法。电器产品的质量应包括其技术性能指标和可靠性指标这两个方面。这两者之间既有联系又 有差别，假如产品的可靠性不商，即使其技术性能指标很先进，也不能认为产品质量好。例如，一台 继电器通断能力指标虽然很先进，但其动作不可靠，当线圈断电，触点应该分断时，它不能可靠地动 作，就可能扩大事故，这台继电器当然不能认为是质量好的产品；反之，产品的技术性能指标假如很 落后，即使其可靠性很高，也不能认为它是质量好的产品。例如，一台继电器的机械寿命和电寿命都 很低时，即使其可靠性很高，能够准确地按照要求动作，但是其应用范围以及实际应用效果都不会理 想，这台继电器当然也不能算是质量好的产品。因此，对于一个高质量的产品来说，高可靠性与先进 的技术性能指标是缺一不可的。产品在用户实际使用时显示出的可靠性称为工作可靠性。它是由制造 厂在生产过程中确定的固有可靠性和在使用过程中各种因素所决定的使用可靠性所构成。在使用过程 中影响产品可靠性的因素很多，从确定产品可靠性指标、原材料、零部件的选择，设计、制造、试验、 鉴定直到产品投入使用为止的各个阶段都与可靠性密切相关：而且在产品失效后对产品进行的失效分 析也与产品可靠性密切相关。因此提高产品可靠性的关键在于改进设计、严格地控制生产过程、加强 组织管理，但是必须通过试验予以验证。1 4 1 提高继电器的可靠性水平，是继电器行业一个紧迫的任务。 在许多使用场合，用户己不满足于“产品质量可靠”这种模糊的说法，而要求对产品可靠性有明确的 定量指标，因此科学地建立在可靠性理论基础上的可靠性试验便显得尤为重要。 提高继电器的可靠性是提高继电器产品质量的一个重要方面。继电器的种类很多，它们广泛用于 国民经济的各个部门，起着很重要的作用。但目前各种继电器产品的可靠性不很理想，常因继电器发 生故障而使各种系统不能正常工作，从而造成很大的经济损失。特别是随着科学技术和工业生产的发 展，自动控制系统的规模越来越大，一个大型的自动控制系统通常使用数万个继电器器件，只要其中 一个元件发生故障，可能会导致整个自动控制系统发生故障，并可能造成重大经济损失。所以系统的 可靠性基本上取决于该系统所用元件的可靠性，同时其可靠性一般随系统中所用元件的数量增加而下 降。假设系统为一个可靠性串联系统( 即整个系统中只要有一个元件失效，就会使系统发生故障) ， 则系统的可靠度r s 就等于它所用各元器件的可靠度的乘积，即 一 r 。兀 = s r 一! ：型皇壁丝皇堡里墨堡苎矍堑塞墼型塞 式中n 一系统所用元器件的数量 r 。一各元器件的可靠度( i = 1 ，2 ，n ) 。 电磁继电器是机电结合的电子元件，其断态的高绝缘性和通态的低阻性是其它电子元器件无法与 其相比的。因此在航空、航天、电子、邮电等军用及民用电子装备中，电磁继电器得到了广泛的应用。 但由于电磁继电器的生产过程中有很多工序仍采用手工操作，造成质量一致性水平较差，在应用过程 中经常出现故障，可靠性水平较低。而且，有些厂家生产条件落后，制造工艺水平低，所生产的继电 器不但技术性能指标低，而r s j 靠性指标也达不到标准，使得在应用中有可能引发重大事故。因此寻 求有效的途径提高电磁继电器的可靠性并能够通过试验的方法准确地测定其量值是迫切需要开展的 一项重要任务，不仅具有一定的经济效益，更具有广泛的社会效益。 卜1 2 国外继电器可靠性技术及试验装置的研究现状及发展趋势 国外的电气公司与各种国际机构( 如i e e e 等) 对继电器的可靠性工作都很受重视，一些著名的继 电器公司都设有可靠性管理部门或设有专职的可靠性工程师，继电器的可靠性研究工作已经是公司的 主要工作内容之一，产品可靠性的高低己成为国外各公司间竞争的重要手段。 美国是世界上从事可靠性研究最早、范围最广、最有成效的国家。原苏联、日本、德、英、法等 国在美国之后也积极开展了可靠性工作，并取得了不少进展，至今也已取得了很大的成效。在2 0 世 纪4 0 年代美国发现军用雷达处于故障状态的时间高达8 4 ，这就促使美国深入开展电子元件和电子 设备的可靠性研究，并制订了有关可靠性管理、可靠性设计及可靠性试验等方面的标准。它于1 9 5 2 年成立了第一个可靠性研究的正式机构即国防部电子装置可靠性咨询委员会( a g r e e ) 。经过对电子 产品的设计、试制、生产、试验、储存、运输、使用等各方面的可靠性问题做了大量而全面地研究之 后，知道了电子元件失效的普遍规律，并于1 9 5 7 年6 月a g r e e 发表了一份题为军用电子设备可 靠性的重要报告。这份报告比较完整地叙述了可靠性的理论基础和研究方法，被公认为可靠性的奠 基文献，且一直沿用至今。6 0 年代前后又陆续制定了一系列的军用规格和标准，称为今日可靠性标 准体系的基础，电子产品的可靠性研究己逐渐成熟，这对提高美国电子产品的可靠性起到了很大作用。 这是可靠性发展的第一阶段，即调查研究、制定技术规范和标准的阶段。第二阶段从1 9 5 7 年至1 9 6 2 年，是统计试验阶段，即从可靠性环境试验到生产过程中的全面质量管理阶段。第三阶段则在1 9 6 8 年以后，为可靠性保证阶段，即全面实现以可靠性为中心的管理。此后可靠性方面的研究工作又逐渐 深入到其它领域中，比如机械、电力、电工及化工等工业部门。国外典型的电磁继电器可靠性标准主 要有：美国于1 9 6 4 年发布了军用标准m i l r 一3 9 0 1 6 ( ( 有可靠性指标的电磁继电器总规范、日本于1 9 8 0 年发布了日本工业标准j i s c 5 4 4 0 有可靠性要求的控制用小型继电器通则、前苏联于1 9 8 3 年发布 的r o c t l 2 4 3 4 8 3 低压开关电器通用技术条件等。在日本、美国等国家的工业标准中都将失效率 的高低作为可靠性指标划分等级，进行可靠性评定，此外很多国家还对可靠性物理学进行深入研究。 所谓“可靠性物理学”就是专门研究产品失效机理的科学，它对产品怎样失效及为什么失效的具体物 理、化学过程进行研究。可以看出，可靠性物理学的研究是提高产品可靠性的基础性措施，美国、e t 本等国家对可靠性物理的研究都很重视。 可靠性数据是进行产品可靠性设计、可靠性分析及可靠性增长的基本依据，所以国外十分重视可 靠性数据库的建立。如美国政府的一个工业数据交换中, g ( g 1 d e p ) ，它包括美国及加拿大的六百多个 成员单位，建立了失效数据库、可靠性及维修性数据库等；前苏联电工研究所建立了包括发电机、变 压器、继电器等电力设各的可靠性数据库。实验室试验和现场调查是获取产品可靠性数据的两种主要 渠道，而可靠性试验装置是进行可靠性试验的必备工具，日本等多个国家都很重视试验装置的研究， 充分利用电子技术尤其是计算机技术的发展不断改进试验装置，最早是利用分立元件等组成传统装 置，逐步发展为用计算机进行控带试验。如日本安川公司在继电器接触可靠性试验中采用了i n t e r s 0 0 8 型电子计算机控制的自动试验装置；日本松下电器公司在继电器可靠性试验中采用了微型计算机控制 的全自动试验装置；日本富土通公司在舌簧继电器的可靠性试验中采用了计算机控制的试验装置，该 装置可同时进行2 0 0 个舌簧管的寿命试验。 2 1 1 5 - 6 1 2 尘型皇壁壁皇兰里墨堂堕矍董塞墼竺星 式中n 系统所用元器件的数量 r 一各元器件的叫靠度( i - 1 ，2 ，n ) 。 电磁继电器是机电结合的电子元件，其断态的高绝缘性和通志的低阻性是其它电子元器件无法与 其相比的。因此在航空、航天、电子、邮电等重用及民用电子装备中，电磁继电器得到了广泛的应用。 但由于电磁继电器的生产过程中有很多工序仍采用手工操作，造成质量一致性水平较差，在应用过稗 中经常出现故障，可靠性水平较低。而且，有些厂家生产条件落后，制造工艺水平低，所生产的继电 器不但技术性能指标低而且丌j 靠性指标也达不到标准，使得在应用中有可能引发重大事故。因此寻 求有效的途径提高电磁继电器的可靠性升能够通过试验的方法准确地测定其量值是迫切需要开展的 一项重要仟务，不仅其确定的经济教益，更具有广泛的社会效益。 卜1 2 国外继电器可靠性技术及试验装置的研究现状及发展趋势 国外的电气公司与各种国际机构( 如i e e e 等) 对继电器的可靠性工作都很受重视，一些著名的继 电器公司都设有可靠性管理部门或设有专职的可靠性j 一程师，继电器的可靠性研究工作已经是公司的 主要工作内容之一，产品可靠性的高低成为国外各公司唰竞争的熏要手段。 美国是世界上从事可靠性研究最早、范围最广、擐有成效的国家。原苏联、口本、德、英、法等 冒在美国之后也积极开震了可靠性工作，并取得了不少进展，至今也己取得了很大的成效。在2 0 世 纪4 0 年代美国技现军用雷达处于故障状态的时间高达8 4 ，这就促使美国深入开展电子元件和电子 设备的可靠性研究，并制订了有关叫靠性管理、可靠性设计及可靠性试验等方面的标准。它于1 9 5 2 年成立了第一个可靠性研究的正式机构即国防都电子装置可靠性咨询委员会( a g r e e ) 。经过对电子 产晶的设计、试制、生产、试验、储存、运输、使用等各方面的可靠性问题做了大量而全面地研究之 后，知道了电子元件失效的普遍规律，并于1 9 5 7 年6 月a g r e e 发表了一份题为军用电子设备可 靠性的重要报告。这份报告比较完整地叙述了可靠性的理论基础和研究方法，被公认为可靠性的奠 基文献，且一直沿用至今。6 0 年代前后又陆续制定了一系列的军用规格和标准，称为今日可靠性标 准体系的基础，电子产品的可靠性研究己逐渐成熟，这对提高美国电子产品的可靠性起到r 很大作用。 这是可靠性发展的第一阶段，即调查研究、制定技术魂范和标准的阶段。第二阶段从1 9 5 7 年至1 9 6 2 年，是统计试验阶段，即从可靠性环境试验到生产过程中的全面质量管理阶段。第三阶段则在1 9 6 8 年以后，为可靠性保证阶段，叩全面实现以可靠性为中心的管理。此后可靠性方面的研究工作又逐渐 深入到其它领域中比如机械、电力、电工及化工等工业部门。国外熟型的电磁继电器可靠性标准主 要有：美国于1 9 6 4 芷发布了重用标准m i l r3 9 0 _ 6 有可靠性指标的电磁继电器总规范、日本于1 9 8 0 年发布了日本工业标准j i s c 5 4 4 0 有可靠性要求的控制用小型继电器通则、前苏联于1 9 8 3 年发布 的r o c t l 2 4 3 48 3 低压开关电器通用技术条件等。在口本、美国等国家的工业标准中都将失效率 的高低作为可靠| 生指标划分等级，进行可靠性评定，此外很多国家还对可靠性物理学进行深入研究。 所谓“可靠性物理学”就是专门研究产品失效机理的科学，它对产品怎样失效及为什么失敬的具体物 理、化学过程进行研究。可牲看出，可靠性物理学的研究是提高产品可靠性的基础性措旌，美国、日 本等国家对可靠性物理的研究都很重视。 可靠性数据是进行产品町靠性设计、可靠性分析及可靠性增长的基本依据，所以国外十分重视百 靠性数据库的建立。如美国政府的一个工业数据交换中一6 , ( g l d e p ) 它包括美国及加拿大的六百多十 成员单位，建立了失效数据库、可靠性及维惨性数据库等；前苏联电工研究所建立了包括发电挑、变 压器、继电器等电力设备的可靠性数据库。实验室试验和现场调查是获取产品可靠性数据的两种主要 渠道，而可靠性试验装置是进行可靠性试验的必备工具。日本等多个国家都很重视试验装置的研究， 充分利用电子技术尤其是计算机技术的发展不断改进试验装置最早是利用分立元件等组成传统装 置，逐步发展为用讨算机进行控制试验。如日本安川公司在继电器接触可靠性试验中采用了i n t e r s 0 0 8 型电子计算机控制的自动试验装置：日本松下电器公司在继电器可靠性试验中采用了微型十算机控制 的垒自动试验装置，日本富土通公司在舌簧继电器的可靠| 生试验巾采用了计算机拧制的试验装置，该 装置可同时进行2 0 0 个舌簧管的寿命试验。“ 装置可同时进行2 0 0 个舌簧管的寿命试验。“ 河北工业大学硕士学位论文 卜1 3 我国继电器可靠性工作的现状及发展趋势 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，我国电器行业在可靠性工作方面共进行了下列工作： 1 以产学研相结合的方式开展了电磁式继电器等产品的可靠性研究，通过理论分析及大量试验 数据统计分析了产品的失效机理，提出了几十种规格的控制继电器等电器产品的可靠性指标 及考核方法。并制订了国家标准g b t 1 5 5 l o 一9 5 控制用电磁继电器可靠性试验通则f 北 京电工综合技术经济研究所和河北工业大学负责起草) 、国家军用标准g j b 6 5 b 一9 9 有可靠 性指标的电磁继电器总规范( 国营7 9 2 厂和中国电子技术标准化研究所负责起草) 。 2 研制出了贯彻国家标准g b t 15 5 1 0 的继电器可靠性试验装置以及贯彻有关行业标准的接触器 可靠性试验装置，还研制了电器触头接触可靠性试验装置。 3 通过刘这些产品的可靠性考核与早期失效机理的分析，对产品设计及制造工艺提出了改进措 施，使这些产品的可靠性得到较大幅度的提高，取得了一定成效。 我国电器产品可靠性研究虽然在很多方面取得了一些进展，但由于我国电器产品可靠性研究工作 起步较晚，不少电器产品还未开展可靠性研究与考核工作，在新产品开发时尚未认真开展可靠性设计 与可靠性制造，特别是我国电器行业的大多数企业对可靠性工作还重视不够，可靠性工作尚未认真开 展，我国电器产品的可靠性水平还普遍低于发达国家产品的可靠性水平。由此可以看出，产品可靠性 指标的制定，可靠性抽样理论的研究，可靠性试验方法，可靠性试验装置等定量考核产品可靠性的研 究工作是保证产品质量的基础。继电器的生产部门和研究部门都应加强可靠性管理工作，为了开展可 靠性设计、可靠性生产、可靠性实验和失效分析工作，必须要有健全的可靠性管理组织；为了收集现场 使用中的失效产品或现场失效信息，也需要健全的可靠性管理组织；为了把失效分析得到的信息反馈给 设计部门、生产部门和试验部门，更需要健全的可靠性管理组织。因此，加强可靠性管理工作是十分必 需和重要的。此外，还应加强继电器可靠性基础知识的普及与可靠性方面的人才培养。在市场经济竞 争中，以优取胜，以质量与可靠性取胜，必将成为共识，这就要求我们必须进一步开展继电器的可靠 性工作，将可靠性理论分析与试验相结合进一步完善可靠性指标体系，开展该产品的定量考核工作， 并分析其失效机理；找出改进与提高该产品的可靠性的途径以提高其可靠性水平。 1 1 7 - 8 1 2 电磁继电器概述 卜2 1 电磁继电器的基本结构、工作原理 电磁继电器是由控制电流通过线圈所产生的电磁吸力驱动磁路中的可动部分而实现触点开、闭或 转换功能的继电器。它是一种电磁控制器件，具有感测器官和执行器官，通常应用于控制电路中，起 着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成，如图1 1 所示1 。触点有动触点和静触 点之分，在工作过程中能够动作的称为动触点，不能动作的称为静触点。它的触点组有三种形式：常 开触点、常闭触点和转换触点。常开触点为继电器线圈未通电时处于断开状态的触点组，线圈通电后 闭合，故也称为动合触点；常闭触点为继电器线圈未通电时处于闭合状态的触点组，线圈通电后打开， 故也称为动断触点；转换触点组由两个静触点和一个动触点组成，线圈通电前动触点与常闭静触点闭 合，与常开静触点断开，线圈通电后动触点运动，与常闭静触点断开，与常开静触点闭合。电磁继电 器的工作原理：当线圈通电以后，铁心被磁化产生足够大的电磁力，吸动衔铁并带动簧片，使动触点 和静触点闭合( 常开触点) 或( 常闭触点) 分开；当线圈断电后，电磁吸力消失，衔铁返回原来的位 置，动触点和静触点又恢复到原来的状态即常开触点分开、常闭触点闭合。应用时只要把需要控制的 电路接到触点上，就可利用继电器的继电特性达到控制的目的。 尘型皇堂些皇堡旦量竺堡塞矍萋塑丝窒 1 底座2 ，反力弹簧3 ( 4 ) 调节螺钉5 非磁性垫片 6 衔铁7 铁心8 极靴9 电磁线圈1 0 触点系统 图1 1 电磁式继电器典型结构图 f i g1 1t y p i c a ls t r u c t u r eo fe l e c t r o m a g n e t i cr e l a y 继电器的工作特点是它具有跳跃式的输入一输出特性，这种输入量和输出量之间在整个变化过程 中的相互关系称为继电器的继电特性或控制特性”1 。如图1 2 所示，用x 表示输入回路的输入量，y 表示输出回路的输出量。当输出量x 连续变化到一定量x a 时，输出量y 发生跃变由0 增加到y a 值， 若输入量继续增加，则输出量保持不变。相反，当输入量减少到x b 时，y 又突然由y a 减少到0 。x a 被称为继电器的“动作值”：x b 被称为继电器的“释放值”；y a 即是继电器的“输出量”。 继电器按外形尺寸不同可分为： 1 微型继电器：最长边尺寸不大于l o m m 的继电器 2 超小型继电器：最长边尺寸大于l o m m ，但不大于2 5 m m 的继电器 3 小型继电器：最长边尺寸大于2 5 m m ，但不大于5 0 m m 的继电器 y 0 图1 2 电磁继电器的控制特性 f i g1 2c o n t r o l l i n gc h a r a c t e r i s t i co f e l e c t r o m a g n e t i cr e l a y 1 2 2 电磁继电器的主要技术参数1 0 - 1 2 1 额定工作参数：指继电器正常工作时的触点电压、触点电流、控制线圈电压( 或电流) 。电磁 继电器的控制对象主要是接触器、各种控制电器的电磁线圈和某些信号电路，所以触点的额定电压和 额定电流一般都很小。对于电压继电器耍考虑控制线圈的额定电压，电流继电器为控制线圈的额定电 流。 2 动作值：能使继电器的衔铁可靠吸合到最终位置的线圈电压( 或电流) 最小值。( 电压继电器 为线圈电压值；电流继电器为线圈电流值) 4 河北工业大学硕士学位论文 3 返回值：能使继电器的衔铁可靠释放至起始位置的线圈电压( 或电流) 最大值。( 电压继电器 为线圈电压值；电流继电器为线圈电流值) 4 动作时间：指继电器从线圈通电开始，到常开触点闭合所需要的时间。 5 释放时间：指继电器从线圈断电开始，到已闭合的常开触点断开所需要的时间。 6 接触电阻：触点闭合时，接触面上的附加电阻，包括收缩电阻和膜电阻。 卜3 本课题的主要研究内容 低压电器的可靠性试验装置的研究，从早期的由分立元件等组成的传统装置到现在的以工业控制 计算机( 简称工控机) 为控制核心的可靠性试验装置，已经先后经历了几代产品。装置的功能不断完 善，精确度、稳定性也不断得到提高。但是随着计算机技术、工业控制技术的不断提高，低压电器可 靠性标准的进一步完善，低压电器的生产制造业以及可靠性研究部门对低压电器可靠性试验装置的要 求也越来越高，因此本课题中借鉴国内外可靠性技术研究的相关成果，在河北工业大学电器研究所关 于低压电器可靠性试验装置研究成果的基础上，结合横向科研项目进一步研究小型电磁继电器可靠性 试验装置。 该可靠性试验装置的主要功能是监测触点的接触压降是否高于标准规定的门限值、触点的断开电 压是否低于标准规定的门限值，并对失效试品自动处理，自动记录、保存试验数据。该试验装置除了 必要的试验参数设定钋，能够自动控制运行，监测过程具有较高的自动化水平。本课题中所做的研究 工作主要包括以下几个方面： ( 一) 对电磁继电器的各项可靠性指标进行分析、研究，以提高试验的准确性和精度。 ( 二) 改进可靠性试验装置的结构，使其装配、维护更加方便，操作使用也更加简便。 ( 三) 优化线路结构，使试验装置的抗干扰能力提高。 ( 四)设计试验装置的软件系统，使界面更加简洁，界面操作也更加方便。 尘型皇竺些皇墅曼塞垡兰墼茎墨堑里塞 第二章继电器的可靠性理论 2 - 1 可靠性技术概述 2 - 1 1 可靠性技术的基本内容及概念 产品的可靠性技术就是指与可靠性有关的工程方法。影响产品的可靠性的因素很多，从确定产品 可靠性指标、研制、试验、鉴定直到投入使用的各个阶段，都与可靠性密切相关。以下是产品可靠性 技术基本内容的框图，图中表示了从产品设计、制造、可靠性筛选、可靠性试验、产品现场使用以及 对产品进行失效分析，并将所得到的信息反馈到设计、制造及可靠性筛选中去，以找到相应改进措施 的全过程。应该指出产品的可靠性设计、可靠性试验时的抽样方案的确定及试验结果的评估都要用到 布尔代数、概率论等数学工具，即所谓可靠性数学。 图2 1 可靠性技术基本内容框图 f i g2 1m a i nc o n t e n t sc h a r to f t h er e l i a b i l i t yt e c h n o l o g y 电器产品可分为不可修复产品和可修复产品两大类。不可修复产品是指不能修复或是虽能修复但 不值得修复的产品，例如小型继电器、小容量接触器等。可修复产品是指可以修复的产品，例如低压 断路器、高压断路器、成套装置等大型电器产品。该试验所要测试的小型电磁继电器属于不可修复产 品，对于不可修复产品常用的可靠性特征量有如下几个： 表2 i电器产品可靠性特征量 t a b l e2 1c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so f e l e c t r i c a lp r o d u c t 6 翌j ! 三些銮兰堡主兰堡堡塞 可靠性特征量的计算都与时间有关，这些特征量的具体化，就是产品故障或寿命特征的数学模型 化。只有通过可靠性试验才能确定产品故障或寿命特征符合哪一种数学分布才可以决定产品的可靠 性特征量，进而推算产品的可靠程度。在ij _ 靠性工程中，最常见的失效分布类型有指数分布、威布尔 分布、对数正态分布和正卷分布。 我国国家标准规定继电器以其失效率高低来划分可靠性等级，其失效率等级的名称、符号及最大 先效率如表22 所示0 】。 表2 2 继电器失效率等级符号及其最大失效车 t a b l e2 , 2g r a d i n gs y m b o lo fr e l a y sf a i l u r er a t ea n di t sm a x i m u m 亚五级y 3 l o _ 5 五级w 1 1 0 5 六级l 1 1 0 6 七级 q 1x 1 0 1 2 - 1 2 继电器失效模式及试验方案的分析 继电器失效情况的大量统计与分析表明，它的失效率有如图22 所示的变化规律。由于其形状象 浴盆，通常口q 做“浴盆”血线。 图2 2 继电器失效率的典型曲线 f i g2 2t y p i c a lc u r v eo ft h er e l a y sf a i l u r er a t e 其中旯( f ) = f ( r ) r ( f ) 为失效率 也称瞬时失效率) 即产品在t 时刻的单位时间内失效的概率 也可表述为产品在t 时刻( 或动作次数) 后的单位时间内失效的产品数与在t 时刻还在正常工作的产 品数的百分比值。在试验数据处理串可按下式计算： a ( f ) = 【n ( t + a t ) 一n ( f ) 【一h ( r ) ) ( 21 ) 式中；投入试验产品总数： h ( f ) 到t 时刻已失效产品总数： a t 监测到的时间间隔； 从浴盆曲线可以看出。产品失效分为三个阶段：早期失效期，偶然失效期和耗损失效期。早期失 效期的特点是产品失效率较高，但随工作时间的增加而降低，其失效的主要原因是在设计或制造工艺 上存在缺陷，例如生产工艺或生产环境不良、生产设备发生故障、操作人员疏忽及质量检验不严格等。 在避行可靠性试验前，应该利用筛选试验将之剔除。偶然失效期内失效是随机性的，失效率低且稳定， 这是产品的最佳工作时期。耗损失效期出现在产品工作的后期，其特点是失效率随工作时间的增加而 明显增大，其失效主要是由于产品的老化、磨损、疲劳等原因造成的。m “】 根据可靠性试验的大量统计，继电器的主要失效模式为下列几种”： 一 小型电磁继电器可靠性试验装置的研究 l - 接触失效 占失效数总数的7 0 ，表现为该接通时不通或接触电阻过大；该断开时不断开或 开路压降过小：个别表现为触点脱落，触点簧片断裂。 2 线圈失效常见有线圈断线，或短路。 3 绝缘失效绝缘电阻变小，介质耐压降低。 4 参数漂移动作、保持或释放电压( 或电流) 超出规定界限，时间参数增大，超出合格界限。 5 密封失效泄漏率过大或不密封。 由以上可知接触失效是继电器失效的主要模式，而接触失效主要是由于触点故障所引起的，故继 电器触点是影响继电器可靠工作的主要因素之一，所以考核继电器在工作时触点的电气特性是继电器 可靠性寿命试验的主要内容。触点在开断和闭合过程中，由于电弧等的侵蚀作用造成触点的电磨损， 随着触点电磨损的增加，触点的接触和断开性能减弱，这是导致接触失效的主要原因 ”】。 触点可靠性由两部分组成，是触点的固有可靠性；二是触点的使用可靠性。在对失效继电器进 行失效分析中发现，由于使用原因造成的失效约占百分之四十以上，所以继电器触点可靠性不高，除 自身质量原因外，使用不当也是一个主要原因。一般认为降额使用是提高可靠性最有效的措施，但是， 继电器与其它元器件有不同之处，并不是触点所加的负荷应力越小越可靠，这主要是由触点失效机理 决定的。当触点电流低于1 0 0 毫安时，触点的电弧作用明显减弱，触点在高温条件下析出的含碳物质 不能被电弧烧掉而沉积在触点表面，使触点接触电阻增大，影响接触可靠性。继电器的负荷应力虽然 不能过小，但是，技术条件给出的负荷应力是触点的最大额定值，是在任何情况下都不应该超过的参 数，如果在使用中超过，轻者可造成寿命缩短、可靠性降低，重者可烧毁触点，造成失效。这主要是 继电器触点在大负荷下工作时所产生的飞弧导致触点烧熔，在触点表面形成凹凸不平，形成机械咬台 而无法分开，触点负荷越大，飞弧越大，触点被烧毁的可能性越大，可知合理地降额使用仍是提高继 电器可靠性的有效措施。值得注意的是，继电器触点的额定负荷值是在阻性负载条件下给定的，当使 用的负载是感性、容性及灯载时，可产生1 0 倍以上的浪涌电流，所以如果不是阻性负载，使用时一 般应按表2 3 所示进行换算。由于非阻性负载的转换会严重降低继电器触点的可靠性，因此，为了保 护继电器触点，要根据不同性质的负载加装不同的灭弧电路。对于容性负载，可在触点与负载之间串 联一个瞬态抑制电阻，可减少通过触点的瞬态电流。对于感性负载，一般是在负载两端并联一个反向 保护二极管。陋2 0 】 表23 负载电流换算 t a b l e23t h ec o n v e r s i o nv a l u eo fi o a d sc u r r e n t 由于电磁继电器的电寿命很高，可达几百万次因此寿命试验的时间也要很长，为缩短试验时间， 允许提高试验操作频率，但必须保证线圈的通电时间大于继电器的动作时间，并保证被试继电器的动 作清晰，其可动部分在每次分断后至下一次动作前的间歇时间内保持静止状态，线圈或其它部件不超 过额定温升。 鉴于以上分析，在本课题中主要是测试触点的可靠性，在可靠性试验中考虑到如上所述诸多影响 触点的使用可靠性的因素，以求得真实的触点固有可靠性。在测试继电器可靠性特征量时，常常采用 以下三种类型的试验方案“j ：完全寿命试验、定数截尾寿命试验和定时截尾寿命试验。完全寿命试验 是指试验到所有试品均失效时才停止的寿命试验；定数截尾寿命试验是指寿命试验开始后试品的失效 数这到规定的失效数就停止的寿命试验；定时截尾寿命试验是指寿命试验开始后到规定的试验截止时 间( 或操作次数) 就停止的寿命试验。定数或定时截尾寿命试验根据在试验过程中某些试品失效后是 否立即用好的试品替换又分为有替换及无替换两种情况。 2 一l - 3 继电器可靠性试验的分类 为了测定、验证或提高产品可靠性而进行的试验称为可靠性试验，它是产品可靠性工作的一个重 8 河北工业大学硕士学位论文 要环节。按照试验项目可靠性试验可分为环境试验、筛选试验和寿命试验；按照可靠性工作阶段可靠 性试验可分为测定试验、鉴定试验和验收试验；也可按照其它标准进行分类。 1 环境试验：指为了分析评价环境条件剐产品性能的影响而进行的试验。 2 筛选试验：指为了剔除早期失效产品从而提高整批产品的可靠性水平而进行的试验。由于产 品可靠性设计不一定十分完善，各种原料性能、工艺条件、及设备状况的变动以及在批量生 产中出现的某些失误，而使生产出的产品不都符合可靠性指标和性能指标要求，这样会导致 有的产品“早期失效”。可靠性筛选就是对生产出的产品百分之百地进行筛选试验，以确保整 批产品有较高的可靠性。 3 ，寿命试验：指为了估计产品的可靠性特征量或鉴定产品的失效率( 可靠性) 等级而进行的试 验。按照施加应力水平的高低来划分，寿命试验可分为正常寿命试验和加速寿命试验。 4 测定试验：指测定产品可靠性特征值的试验，通常用来提供可靠性数据以测定设备的可靠性 指标。内容包括试验要求、试验中的性能测试和维护、试验方案、可靠性特征值的估算方法， 即无论有无故障试品的修理或替换，都可以通过试验得到故障率、故障前平均时间及平均故 障间隔时间的点估计值和置信区间。 5 鉴定试验：指为了验证产品设计是否符合规定的可靠性指标要求，在规定的综合环境试验条 件下进行的可靠性试验。它是在设计完成后为确定设备在规定的环境及工作条件下是否达到 规定的可靠性指标所进行的试验。 6 验证试验：是在规定条件下对交付的批生产的产品进行试验，以验证交付的产品是否满足规 定的可靠性要求。按生产条件构成检验批，并从检验批中随机抽取样品，与可靠性鉴定试验 相同的综合环境试验条件下进行可靠性验证试验。包括试验要求、试验环境条件、受试设备 要求、试验方案的确定、试验过程的管理、故障分类和判别、试验后数据的处理、批接收与 批拒收等内容。 2 2 继电器可靠性特征量的估计方法 在可靠性工作中，我们希望能计算出产品可靠性特征量的数值，但在实际工作中，产品的失效分 布类型及其参数值常常是不能确切知道的，这是因为对不同批的产品，其寿命分布的参数值往往有所 不同。所以我们很难确切地计算出产品的可靠性特征量。因此，一般都是通过抽取一定数量的产品进 行寿命试验，或者由现场使用中收集失效数据，来获得产品寿命的子样观察值，然后根据子样观察值， 求得与总体可靠性特征量比较接近的一个估计值，这个估计值就称为总体可靠性特征量的估计值( 或 估计区间) 。由子样观察值求总体可靠性特征量估计值( 或估计区间) 的方法可分为两种，一种是图 估计法，即用坐标纸作国的方法求解；另一种是数值分析方法，即利用数理统计的方法进行计算求解。 在此我们采用数值分析法，由子样观察值求总体可靠性特征量的估计值，数值分析法可分为点估 计和区间估计两种方法。点估计是根据子样观察值对所求得可靠性特征量求出它的一个估计值，然后， 可抽取相同数量的几批试品进行试验，得到几组不同的子样观察值，所计算出的可靠性特征量的估计 值一般也不都相同，所以可靠性特征量的点估计值的误差不是一个确定值，为消除点估计的不确定性， 可以由估计区间的方法进行估计。对总体的可靠性特征量给出一个估计区间的方法就称为置信区间估 计法，简称区间估计法。若对总体某一个可靠性特征量0 做出估计，则通过一定的方法定出一个区 间( o 。， u ) 。该区间包含。的真实值的概率一般用卜表示，其数学表达式为： p ( o 0 o u ) = 1 一a ( 2 2 ) 通常，l _ o 被称为置信度或置信水平，q 成为显著性水平，区间( 。，ou ) 称为置信区间， 。称 为置信下限，e 。称为置信上限，由于需要求出