(10)关于SRU在寿命试验中常闭触点粘结失效的分析.doc
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继电器生产、技术、品质培训教材(10)
SRU型继电器寿命
试验中常闭触点粘结
失效分析
二零零二年六月二十日修订
关于SRU型继电器在寿命试验中常闭触点粘结失效的分析
SRU型继电器(以下简称SRU)在寿命试验中常闭触点(以下简称B触点)过早出现粘结故障,是该产品品质的重大缺陷。
为解决该问题,进行了一系列试验和分析。
但对分析结论的认可,尚待生产实践的检验。
SRU寿命试验的条件是:
触点负载12A*125VAC,阻性、线圈电压脉幅值为额定工作电压,通断比1:
1,动作频率为每分钟30次,环境温度为室温。
寿命试验中记录线圈脉冲次数,常开触点(以下称A触点)与常闭触点(B触点)动作次数(指有效动作次数)。
技术课规定,当线圈连续加五次脉冲电压而触点不能断开或闭合负载时,寿命试验台应能使该产品停止试验(俗称停机)。
如果重新启动,该产品仍能正常动作,试验可继续进行。
这样的启动允许10次,届时就算寿命结束。
在重新启动不成功时,也认为寿命结束。
在上述规定下,SRU的寿命往往只有1万次多次到5万次之间,只有极个别能达8万次以上。
所有的早期失效都是B触点粘结,大部分样品都以B触点粘死而告终。
而A触点在8万次之前几乎不失效。
拆开失效产品的外壳,观察触点状况,可以看到A触点表面平整,烧损均匀,而B触点表面凹凸不平,情况严重时还出现针刺。
统观SRU的大量寿命试验结果,发现不同批次的产品的寿命可以相差很多,,也可能相差不大,同一批次产品的寿命相差也会很悬殊。
以前厂里对此问题曾进行过大量试验和分析。
发现寿命与触点的GAP、FOLLOW和B触点压力(以下简称B压力)有关,得出上述触点参数大致的合理范围。
然而,最近按此参数调整出的同一样品,其寿命相差却十分悬殊,有的达8万多次,有的只有一万多次,由此看来,触点粘结故障还另有原因。
从理论上讲,触点粘结是在触点闭合过程产生的。
科学试验已经证明。
其产生的原因分两种情况,一种是触点闭合无回跳的情况,在这种情况下,只有电流很大(数百安培)和电压较高(数百伏以上)时,才出现粘结。
我厂产品无此情况,在此就不对它进行分析了。
另一种是触点闭合有回跳的情况,在这种情况下,只要电流和电压满足产生电弧的条件,即大于临介电弧电流和电压(一般在零点几安和十几伏的范围),就可能产生粘结。
由此我们可以断言,触点粘结的根源在于触点闭合时的回跳现象。
我们知道,触点在断开较大负载(大于临介电弧电流和电压)时,会产生电弧。
电弧是一种气体放电现象,这时,在极短的时间内,放电间隙(电弧区)会产
1
生很高的热量,这些热量大部分传给了触点,引起触点发热,直至使触点金属熔化或汽化。
这种现象在触点断开过程中会烧蚀触点材料,若通断频率不高,触点能可靠熄弧,就不会引起粘结,这是因为在熄弧后熔化处立即凝固的缘故。
在回跳的闭合就不一样了。
回跳是触点闭合时触点互相碰撞而产生的多次闭合和断开。
在触点闭合时若电路内接有带电负载(即带电闭合),那么,回跳过程中的多次断开就会产生电弧。
这个电弧在触点再次闭合之前有可能不熄灭。
该电弧引起的触点熔化点就不凝固,直到触点再次闭合,电弧才不存在,于是温度很快降下来,触点熔化处就会焊起来。
如果这个焊点强度是够大,那么,在触点应断开的半个动作周期内正常的触点分断力——对于B触点来说就是衔铁带动触点闭合的力,就可能不足以将触点分断,这就是粘结。
一般来说,触点回跳的幅度不会很大,对SRU的B触点来说,估计在0.1mm以下,所以回跳产生产的电弧长度很短,往往只存在电弧的阳极压降区和阴极压降区,不存在弧柱,有人认为这不是真正的电弧,有人称之为短弧。
短弧一般不烧损触点材料,主要产生材料转移,使得触点表面形貌变得凹凸不平,表面形成金属瘤和凹坑。
断开过程形成的电弧才是真正意义上的电弧,这种电弧在交流负载时不产生材料转移,只发生材料烧损。
SRU的常开触点(A触点)闭合时回跳很小,所以主要是材料烧损,不易粘结。
而SRU的B触点回跳严重,所以主要故障是粘结,对B触点来说,烧损也同样存在,因为它也存在断开过程,但它允许的烧损量要比A触点大得多。
将上述理论应用于我们厂的SRU的寿命试验分析,可以看出,SRU的B触点寿命试验后的形貌属于典型的短弧烧蚀形貌,因此可以断定,B触点粘结是由触点回跳引起的。
任何电磁继电器(我们厂生产的都属于电磁继电器)触点闭合前一瞬间都有相当高的速度,所以触点闭合时总会发生碰撞。
这种碰撞属于弹性碰撞,因而必然产生回跳。
回跳对继电器来说是有百害而无一利的现象,应尽量减少。
除非闭合瞬间触点运动速度很低,否则回跳不可能消除。
根据前人的研究成果,已知触点回跳的大小与下列因素有关:
1、回跳幅值与碰撞前触点运动系统的总动量(mv或Jω)。
2、当触点闭合前触点系统的总动能一定时,回跳幅值与系统的质量或转动惯量成反比。
3、当静止的触质量很大时,回跳幅值随接触终压力的增加而减小。
4、当静止的触点系统在碰撞后产生振荡时,回跳时间会显著增长,并且极
2
不稳定。
回跳次数和幅值与动静触点系统的振动特性有关。
由于触点系统是一个复杂的振动系统,所以极难从理论上找出其规律性。
有可能第一次回跳比后继回跳幅值还小。
5、触点的硬度越低或强度越低回跳幅值也越小。
SRU的静止触点系统的是一个振动系统,因此触点回跳很不稳定。
初始测得的回跳时间不一定与寿命试验过程的回跳时间一致,这增加了分析问题的难度。
另外,我们只测了初始回跳时间,没有测回跳次数和幅值,而回跳次数和幅值才是决定电弧能量多少的直接因素。
所以,有时初始回跳时间长的,寿命不一定差,这与回跳测量不全面有一定的关系。
但,一般来讲,回跳时间短时则回跳幅值与次数也相对小。
从影响触点回跳的五个因素来分析一下。
我们对SRU可采取哪些措施来减轻触点回跳。
首先,动触点系统的转动惯量已经固定,不能改变;其次,触点材料,为了满足烧损的要求也只能用AgCdo,对于其它三个因素,我们可能有所作为。
第一,要使静止触点系统质量加大,这种加大不是另外再添材料,而是使静止触点系统与骨架合为一体,这样做还提高了静止触点系统的刚度,使其固有的振动频率远远超过动簧片系统的振动频率,其振幅也大大缩小;第二,在满足继电器其它方面的各种技术要求的前提下,尽量减小动触点系统的运动速度,也就是选择合理的GAP、FOLLOW对减少回跳总是有利的,而B压力却是把双刃剑。
B压力大时会增加运动速度,但却有利于抑制触点回跳,所以B压力需要试验加以确定。
我最初只从减小碰撞速度上想来办法,如减少FOLLOW、GAP和B压力,但结果没找出这三个数据与B触点回跳的固定关系,请看表1的数据。
编号
1
2
3
4
5
6
GAP(mm)
0.26
0.26
0.26
0.25
0.24
0.26
Follow(mm)
0.13
0.14
0.14
0.13
0.13
0.12
B压力
12
12
11
12
11
9
装外壳前B回跳(ms)(4次中最大)
6.28
4.4
7.38
5.94
7.5
5.78
装外壳封胶后B回跳(4次中最大)
8.22
11.86
9.18
22.98
6.0
5.7
3
按碰撞速度来说4号应比1号小,可是回跳却远远大于1号;另外从表1还可看出,封壳前后,B触点回跳变化很大。
经过反复观察、测试、比较分析,发现B脚与骨架是否紧贴,对B触点回跳影响显著。
这说明B脚在触点碰撞后的振动,大大增加了回跳时间,并且使回跳时间不稳定,于是我想办法将B脚支撑起来并减短其自由长度,结果也不理想。
刚装好的继电器B触点回跳较少,但装壳后的回跳有显著变化(见表2)。
拆壳观察,发现B脚与骨架间出现缝隙,分析原因,可能是装壳时的冲击力使B脚松动所致。
说明B脚在骨架中固定不够牢固。
经装装壳、敲击甚至继电器正常反复的吸合、释放,都会使B脚支撑发生变化,从而影响触点回跳。
编号
A1
A2
A3
A4
A5
A6
B1
B2
B3
B4
B5
B6
初始B触点回跳(ms)
10.1
6.10
8.98
10.98
8.78
8.12
7.60
5.02
5.32
6.22
5.66
9.44
装壳后B触点回跳(ms)
4.46
7.72
7.70
8.88
8.68
7.72
7.52
8.08
10.42
7.04
4.84
8.62
封胶后B触点回跳(ms)
3.84
5.26
4.74
8.30
8.98
8.20
6.10
8.32
6.42
8.08
5.82
9.22
注表中数据均为4次测试的最大值。
由于触点回跳时间如此反复无常,所以,寿命次数与初始回跳时间之间难以找出明显的相关性。
为了牢固固定B脚,尽量使B脚与骨架成为一个整体,即加大静点系统的质量,在B脚上部水部部分与骨架间灌上胶,做了几只样品,效果比较显著(见表3),从表中可以看出,回跳时间最小可达2ms以下,这是以前的产品从来没有达到过的。
编号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
GAP(mm)
0.25
0.26
0.25
0.20
0.25
0.25
0.28
0.30
0.30
0.32
0.29
0.30
Follow(mm)
0.13
0.14
0.15
0.16
0.15
0.14
0.14
0.13
0.15
0.15
0.13
0.13
B压力
12
12
13
13
13
13.5
17
17
18
17
18
18
A压力
31
25
25
31
31
28
27
23
23
20
26
28
初始B回跳(ms)
3.50
2.56
2.16
1.96
4.08
2.10
2.02
2.04
2.40
1.98
1.62
2.10
封胶后B回跳(ms)
4.8
3.9
2.36
3.56
5.44
2.02
1.73
2.90
4.64
3.02
2.00
2.94
4
注:
表中回跳数据系4次测量的最大值。
由于胶水烘后会收缩,使得B脚与骨架间产生拉应力,烘烤后GAP变小约0.05mm,所以这种办法并不可靠。
在继电器动作几次后,B脚很可能会脱胶,使回跳大大增加,仍会严重威胁寿命。
为了可靠解决这一问题,有以下几个方案可供选择:
1、加大并改进B脚压入骨架固紧B脚的倒刺。
2、B脚上端打一个小孔,孔内灌胶,使B脚与骨架成一整体(如图)
3、骨架上设计凸台,B脚上端水平部分设计或缺口,交骨架上的凸台卡进孔或缺口内。
我认为方案2比较牢靠,它可以彻底避免B脚与骨架胶脱的问题,另外两个方案多少都存在B脚与骨架结合不牢的问题。
从上述改进的基础上,再来优选触点机械参数,可将B触点回跳降至最低。
从目前掌握的试验数据看,SRU的触点参数比较合理的范围应是:
Gap=0.35--0.30mm
Follow=0.1—0.15mm
B压力有待进一步试验验证,估计应为12-18克。
上述改进措施,按理论推测,应能提高寿命。
现在看来,采取上述措施后,B触点之闭合回跳会显著降低,但它达不到A触点的水平,所以寿命粘结的可能性仍然存在,但我相信SRU的寿命定能得到改善。
从制造方面来看(不改变产品结构),确保B脚装配后紧贴骨架,固定牢固,是可行方法,对减少弹跳,提高寿命有重大意义。
5
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