(10)關于SRU在壽命試驗中常閉觸點粘結失效的分析

東莞三友電器有限公司總5頁繼電器生產(chǎn)、技術、品質培訓教材（10）SRU型繼電器壽命試驗中常閉觸點粘結失效分析二零零二年六月二十日修訂SRU型繼電器（以下簡稱SRU）在壽命試驗中常閉觸點（以下簡稱B觸點）過早出現(xiàn)粘結故障，是該產(chǎn)品品質的重大缺陷。為解決該問題，進行了一系列試驗和分析。但對分析結論的認可，尚待生產(chǎn)實踐的檢驗。SRU壽命試驗的條件是：觸點負載12A*125VAC，阻性、線圈電壓脈幅值為額定工作電壓，通斷比1:1，動作頻率為每分鐘30次，環(huán)境溫度為室溫。壽命試驗中記錄線圈脈沖次數(shù)，常開觸點（以下稱A觸點）與常閉觸點（B觸點）動作次數(shù)（指有效動作次數(shù)）。技術課規(guī)定，當線圈連續(xù)加五次脈沖電壓而觸點不能斷開或閉合負載時，壽命試驗臺應能使該產(chǎn)品停止試驗（俗稱停機）。如果重新啟動，該產(chǎn)品仍能正常動作，試驗可繼續(xù)進行。這樣的啟動允許10次，屆時就算壽命結束。在重新啟動不成功時，也認為壽命結束。在上述規(guī)定下，SRU的壽命往往只有1萬次多次到5萬次之間，只有極個別能達8萬次以上。所有的早期失效都是B觸點粘結，大部分樣品都以B觸點粘死而告終。而A觸點在8萬次之前幾乎不失效。拆開失效產(chǎn)品的外殼，觀察觸點狀況，可以看到A觸點表面平整，燒損均勻，而B觸點表面凹凸不平，情況嚴重時還出現(xiàn)針刺。統(tǒng)觀SRU的大量壽命試驗結果，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)品的壽命相差也會很懸殊。以前廠里對此問題曾進行過大量試驗和分析。發(fā)現(xiàn)壽命與觸點的GAP、FOLLOW和B觸點壓力（以下簡稱B壓力）有關，得出上述觸點參數(shù)大致的合理范圍。然而，最近按此參數(shù)調整出的同一樣品，其壽命相差卻十分懸殊，有的達8萬多次，有的只有一萬多次，由此看來，觸點粘結故障還另有原因。從理論上講，觸點粘結是在觸點閉合過程產(chǎn)生的?？茖W試驗已經(jīng)證明。其產(chǎn)生的原因分兩種情況，一種是觸點閉合無回跳的情況，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，才出現(xiàn)粘結。我廠產(chǎn)品無此情況，在此就不對它進行分析了。另一種是觸點閉合有回跳的情況，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（一般在零點幾安和十幾伏的范圍），就可能產(chǎn)生粘結。由此我們可以斷言，觸點粘結的根源在于觸點閉合時的回跳現(xiàn)象。我們知道，觸點在斷開較大負載（大于臨介電弧電流和電壓）時，會產(chǎn)生電弧。電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，這時，在極短的時間內，放電間隙（電弧區(qū)）會產(chǎn)1生很高的熱量，這些熱量大部分傳給了觸點，引起觸點發(fā)熱，直至使觸點金屬熔化或汽化。這種現(xiàn)象在觸點斷開過程中會燒蝕觸點材料，若通斷頻率不高，觸點能可靠熄弧，就不會引起粘結，這是因為在熄弧后熔化處立即凝固的緣故。在回跳的閉合就不一樣了。回跳是觸點閉合時觸點互相碰撞而產(chǎn)生的多次閉合和斷開。在觸點閉合時若電路內接有帶電負載（即帶電閉合），那么，回跳過程中的多次斷開就會產(chǎn)生電弧。這個電弧在觸點再次閉合之前有可能不熄滅。該電弧引起的觸點熔化點就不凝固，直到觸點再次閉合，電弧才不存在，于是溫度很快降下來，觸點熔化處就會焊起來。如果這個焊點強度是夠大，那么，在觸點應斷開的半個動作周期內正常的觸點分斷力——對于B觸點來說就是銜鐵帶動觸點閉合的力，就可能不足以將觸點分斷，這就是粘結。一般來說，觸點回跳的幅度不會很大，對SRU的B觸點來說，估計在0.1mm以下，所以回跳產(chǎn)生產(chǎn)的電弧長度很短，往往只存在電弧的陽極壓降區(qū)和陰極壓降區(qū)，不存在弧柱，有人認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材料，主要產(chǎn)生材料轉移，使得觸點表面形貌變得凹凸不平，表面形成金屬瘤和凹坑。斷開過程形成的電弧才是真正意義上的電弧，這種電弧在交流負載時不產(chǎn)生材料轉移，只發(fā)生材料燒損。SRU的常開觸點（A觸點）閉合時回跳很小，所以主要是材料燒損，不易粘結。而SRU的B觸點回跳嚴重，所以主要故障是粘結，對B觸點來說，燒損也同樣存在，因為它也存在斷開過程，但它允許的燒損量要比A觸點大得多。將上述理論應用于我們廠的SRU的壽命試驗分析，可以看出，SRU的B觸點壽命試驗后的形貌屬于典型的短弧燒蝕形貌，因此可以斷定，B觸點粘結是由觸點回跳引起的。任何電磁繼電器（我們廠生產(chǎn)的都屬于電磁繼電器）觸點閉合前一瞬間都有相當高的速度，所以觸點閉合時總會發(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^電器來說是有百害而無一利的現(xiàn)象，應盡量減少。除非閉合瞬間觸點運動速度很低，否則回跳不可能消除。根據(jù)前人的研究成果，已知觸點回跳的大小與下列因素有關：回跳幅值與碰撞前觸點運動系統(tǒng)的總動量（mv或Jω）。當觸點閉合前觸點系統(tǒng)的總動能一定時，回跳幅值與系統(tǒng)的質量或轉動慣量成反比。當靜止的觸質量很大時，回跳幅值隨接觸終壓力的增加而減小。當靜止的觸點系統(tǒng)在碰撞后產(chǎn)生振蕩時，回跳時間會顯著增長，并且極2不穩(wěn)定?；靥螖?shù)和幅值與動靜觸點系統(tǒng)的振動特性有關。由于觸點系統(tǒng)是一個復雜的振動系統(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。觸點的硬度越低或強度越低回跳幅值也越小。SRU的靜止觸點系統(tǒng)的是一個振動系統(tǒng)，因此觸點回跳很不穩(wěn)定。初始測得的回跳時間不一定與壽命試驗過程的回跳時間一致，這增加了分析問題的難度。另外，我們只測了初始回跳時間，沒有測回跳次數(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，有時初始回跳時間長的，壽命不一定差，這與回跳測量不全面有一定的關系。但，一般來講，回跳時間短時則回跳幅值與次數(shù)也相對小。從影響觸點回跳的五個因素來分析一下。我們對SRU可采取哪些措施來減輕觸點回跳。首先，動觸點系統(tǒng)的轉動慣量已經(jīng)固定，不能改變；其次，觸點材料，為了滿足燒損的要求也只能用AgCdo，對于其它三個因素，我們可能有所作為。第一，要使靜止觸點系統(tǒng)質量加大，這種加大不是另外再添材料，而是使靜止觸點系統(tǒng)與骨架合為一體，這樣做還提高了靜止觸點系統(tǒng)的剛度，使其固有的振動頻率遠遠超過動簧片系統(tǒng)的振動頻率，其振幅也大大縮小；第二，在滿足繼電器其它方面的各種技術要求的前提下，盡量減小動觸點系統(tǒng)的運動速度，也就是選擇合理的GAP、FOLLOW對減少回跳總是有利的，而B壓力卻是把雙刃劍。B壓力大時會增加運動速度，但卻有利于抑制觸點回跳，所以B壓力需要試驗加以確定。我最初只從減小碰撞速度上想來辦法，如減少FOLLOW、GAP和B壓力，但結果沒找出這三個數(shù)據(jù)與B觸點回跳的固定關系，請看表1的數(shù)據(jù)。編號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按碰撞速度來說4號應比1號小，可是回跳卻遠遠大于1號；另外從表1還可看出，封殼前后，B觸點回跳變化很大。經(jīng)過反復觀察、測試、比較分析，發(fā)現(xiàn)B腳與骨架是否緊貼，對B觸點回跳影響顯著。這說明B腳在觸點碰撞后的振動，大大增加了回跳時間，并且使回跳時間不穩(wěn)定，于是我想辦法將B腳支撐起來并減短其自由長度，結果也不理想。剛裝好的繼電器B觸點回跳較少，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，可能是裝殼時的沖擊力使B腳松動所致。說明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的吸合、釋放，都會使B腳支撐發(fā)生變化，從而影響觸點回跳。編號A1A2A3A4A5A6B1B2B3B4B5B6初始B觸點回跳（ms）10.16.108.9810.988.788.127.605.025.326.225.669.44裝殼后B觸點回跳（ms）4.467.727.708.888.687.727.528.0810.427.044.848.62封膠后B觸點回跳（ms）3.845.264.748.308.988.206.108.326.428.085.829.22注表中數(shù)據(jù)均為4次測試的最大值。由于觸點回跳時間如此反復無常，所以，壽命次數(shù)與初始回跳時間之間難以找出明顯的相關性。為了牢固固定B腳，盡量使B腳與骨架成為一個整體，即加大靜點系統(tǒng)的質量，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，回跳時間最小可達2ms以下，這是以前的產(chǎn)品從來沒有達到過的。編號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次測量的最大值。由于膠水烘后會收縮，使得B腳與骨架間產(chǎn)生拉應力，烘烤后GAP變小約0.05mm，所以這種辦法并不可靠。在繼電器動作幾次后，B腳很可能會脫膠，使回跳大大增加，仍會嚴重威脅壽命。為了可靠解決這一問題，有以下幾個方案可供選擇：加大并改進B腳壓入骨架固緊B腳的倒刺。B腳上端打一個小孔，孔內灌膠，使B腳與骨架成一整體（如圖）骨架上設計凸臺，B腳上端水平部分設計或缺口，交骨架上的凸臺卡進孔或缺口內。我認為方案2比較牢靠，它可以徹底避免B腳與骨架膠脫的問題，另外兩個方案多少都存在B腳與骨架結合不牢的問題。從上述改進的基礎上，再來優(yōu)選觸點機械參數(shù)，可將B觸點回跳降至最低。從目前掌握的試驗數(shù)據(jù)看，SRU的觸點