继电器可靠性设计和控制Word文档格式.docx

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失效分析是确定失效原因和模式的过程，以防止未来类似失效事件的发生。

失效分析要采用各种技术和手段探测继电器失效时的参数，确定失效的位置、程度或根源，提出纠正预防措施。

军用继电器失效分析后还要进行“双归零”工作，即技术归零和管理归零。

技术归零工作应满足“定位准确、机理清楚、问题复现、措施有效、举一反三”五条要求，管理归零工作应满足“过程清楚、责任明确、措施落实、严肃处理、完善规章”五条要求

1.3.4信息收集

与产品可靠性有关的理论、工艺技术、标准、考核办法、失效分析技术、失效机理、失效模式以及各种可靠性数据均称可靠性信息。

信息要完整、准确，要文字化和集中管理。

经过加工的信息，它的作用和价值才能体现出来。

1.3.5生产、试验设备、仪器仪表的维护

性能先进的生产设备和测量、试验设备是可靠性设计与控制的基础与保障。

为了保证生产设备与测量、试验设备的准确性和可靠性，应对这些生产、试验设备、仪器仪表进行控制和维护。

2 

可靠性设计的基本原则的要求

2.1可靠性设计的基本原则

2.1.1必须将产品的可靠性设计要求转化为明确的、定量化的可靠性设计指标，并有可靠性评价试验方案。

2.1.2必须将可靠性设计贯穿于继电器性能设计的每个环节，全面考虑影响产品可靠性的各种因素。

2.1.3可靠性设计应结合继电器的结构特点和性能要求进行。

2.1.4可靠性设计应由硬件和软件---即产品结构的可靠性和可靠性工艺、可靠性控制技术、可靠性应用技术等组成。

2.1.5可靠性设计的实施必须与可靠性管理紧密结合。

2.1.6可靠性设计应从我国国情出发，尽可能采用当今国内外成熟的新技术、新结构、新工艺、新原理和新材料。

2.1.7可靠性设计应是产品性能、可靠性、费用、研制周期等方面的最佳设计。

2.2可靠性设计程序

2.2.1确定可靠性设计指标

2.2.1.1将用户的可靠性要求，在综合平衡可靠性、性能、费用和研制周期等因素的基础上，转化为明确的、定量化的可靠性设计指标，并在设计任务书中予以明确规定。

2.2.1.2应对可靠性指标的必要性、可行性、经济性以及先进性进行论证，必要时进行试验验证。

2.2.1.3应有与可靠性指标相应的可靠性评价试验方案。

2.2.2制定可靠性设计方案

2.2.2.1可靠性设计方案应包括:

为实现可靠性指标的基础材料选定、工艺、结构等可靠性设计的设计方案。

2.2.2.2通过对同类产品的可靠性分析和不同设计方案的可靠性预计，对设计方案进行优化。

2.2.2.3对设计方案的可行性、先进性、经济性，进行可靠性设计评审，必要时进行试验验证。

2.2.3对经过优化确定的初样可靠性设计方案，其具体的设计细节由标准化、工艺、质量控制等部门进行严格的审查并会签。

2.2.4按GJB546A-96的要求，制订产品的质量保证大纲。

2.2.5初样制造，并在制造过程中实施质量控制。

2.2.6对制造出的样品按照可靠性评价试验方案和试验方法进行可靠性评价试验。

2.2.7初样制造后的可靠性设计评审，并对试验中的失效进行分析。

2.2.8根据可靠性评价试验、失效分析结果与设计评审意见，进行设计改进，正样制造，并对正样进行可靠性评价试验。

2.2.9正样制造及可靠性评价试验。

2.2.10最终可靠性设计评审。

2.2.11设计定型，产品能否达到预定的可靠性要求是是否定型的重要条件之一。

2.3继电器可靠性设计指标要求及论证

继电器可靠性设计指标包括以下方面的指标：

a 

环境适应性，如工作温度、耐潮湿、低气压、耐冲击、振动、加速度等。

b 

主要性能参数随时间的变化特性，如触点的接触电阻、绝缘强度随时间的变化，这种变化在寿命周期内应是有限的。

c 

产品寿命、失效率包括贮存寿命、使用寿命和现场的工作失效率，贮存时效率等，它是元器件可靠性的主要特征量；

对新品来讲，提供失效率是指鉴定失效率。

d 

主要失效模式及其分布，是指产品研制及使用中出现的失效模式及其分布。

2.3.1继电器所能适应的环境应力范围

2.3.1.1工作温度：

继电器应能在规定的极限温度下正常工作，并应能承受温度冲击的作用。

一般国军标GJB1042A、GJB65B以及GJB2888等有可靠性指标的继电器总规范规定的温度范围均为-65℃～125℃。

2.3.1.2 

振动；

继电器应能承受规定的正弦振动作用，在规定的振动频率和振幅、加速度的作用下，闭合触点的断开与断开触点的闭合时间均不应超过规定值的要求，在GJB1042A和GJB65B中均规定闭合触点的断开时间不应超过l0us，断开触点的闭合时间不应超过1us。

GJB65B还规定继电器应能承受功率谱密度为40（m/s2）2／Hz，总均方根值为239.1m/s2的随机振动作用。

在GJBl042A、GJB65B中规定了振动的频率范围和加速度值以及试验方法的要求。

2.3.1.3 

冲击：

继电器应能承受规定的冲击作用，在冲击作用下，闭合触点的断开和断开触点的闭合时间不应超过规定的要求。

一般冲击的加速度值为50g，75g、100g，随着整机产品环境指标的提高，对有些继电器的冲击加速度值以提高到120g或150g。

2.3.1.4加速度：

继电器应能承受规定的恒加速度的作用，在加速度作用下，继电器应能可靠的动作，触点可靠的转换，并要求在X、Y、Z每个方向（共六个方向）均能够可靠工作。

2.3.1.5其他要求：

当规定时，继电器应能在要求的特殊条件下正常工作，如耐辐射、失重、热真空、噪声干扰等。

3 

继电器可靠性设计的基本内容

3.1性能可靠性设计

根据产品合同书、研制任务书或技术协议书所要求的技术性能指标的要求，如环境适应指标包括工作温度范围、振动、冲击、加速度等，电性能指标包括触点额定负载、接触电阻、绝缘强度、线圈功耗、动作释放电压、时间特性等，确定继电器的类型、结构，然后对继电器接触系统、电磁系统和整体结构进行可靠性设计。

3.1.1接触系统的可靠性设计

3.1.1.1接触系统的可靠性设计的要求

接触系统是电磁继电器可靠性的关键结构单元。

继电器接触系统设计的任务是在给定的技术条件下，选定适当的触点接触形式、触点和簧片的材料、触点和簧片的几何尺寸以及触点间隙、触点初始压力和终压力、触点跟踪（超行程）等参数，从而满足继电器接触电阻、寿命、介质耐压等方面的可靠性要求，重点保证接触的可靠性。

3.1.1.2接触系统可靠性设计的内容

3.1.1.2.1触点和簧片的材料选择要求

a、具有良好的导电性、导热性；

b、触点及镀层材料应能耐电弧或电火花磨损和机械磨损，具有一定的硬度和抗粘接性能；

d、簧片材料应具有良好的弹性。

3.1.1.2.2触点接触形式及形状尺寸设计的要求：

a、对于微型、超小型等负载较小的继电器，触点宜采用点接触形式，以增大接触部位的压强，破坏触点表面的污染物。

对于大负载继电器，触点宜采用面接触形式，以增大散热面积，减缓触点电磨损。

b、触点组合形式上，应尽可能避免组装形式，减少组装带来的不可靠因素，以可靠的熔焊代替铆接。

c、采用不同材料的触点进行配对，以提高触点的抗电弧、抗磨损能力。

d、簧片设计质量要小，尺寸不宜过长，如采用高弹性模数的材料，降低材料的比重或提高簧片刚度等方法，以使其谐振频率高于给定环境频率指标，从而保证冲击、振动的环境适应性。

e、在通过额定电流时，簧片的电流密度不允许超过规定值，以保证簧片的温升不超过允许值，从而保证接触的可靠性。

3.1.1.2.3触点压力和跟踪的设计要求：

a、保证触点间电接触可靠，触点接触电阻稳定；

b、触点的跟踪应大于规定寿命内触点磨损的高度；

c、适当的选择触点压力与跟踪等机械参数，以尽可能减少触点的回跳次数和缩短触点回跳时间，从而减少触点的磨损和电弧烧蚀；

d、对于小负荷和中等负荷的继电器，触点间应有一定的跟踪来清洁表面，减少接触电阻及热效应，减少断故障，提高接触的可靠性；

对于大负荷继电器，应增大触点压力而跟踪不宜太大，以使触点断开时能够迅速的拉断电弧。

3.1.2电磁系统的可靠性设计

3.1.2.1电磁系统可靠性设计的要求：

电磁系统是由街铁、轭铁、铁芯、线圈、推杆及衔铁部分的支撑机构及连接其它系统的构件组成；

从研究可靠性的角度，电磁系统可分为磁路固定部分（包括线圈）和磁路可动部分（包括点焊在衔铁上的推杆）。

电磁系统的可靠性设计，除保证吸力特性与反力特性的合理匹配和提供一定吸力余量，以保证工作的可靠性和参数的稳定性外，还应考虑耐冲击振动、耐热、耐高电压和绝缘以及衔铁转动的灵活性等要求。

3.1.2.2电磁系统可靠性设计的内容：

a、足够的电磁吸力余量和合理的吸力特性与反力特性的匹配，是电磁系统可靠性设计的关键，特别是要提高衔铁动作时的起始吸力，以满足接触系统的初始压力、间隙和跟踪等方面的要求。

为解决衔铁吸合后吸力过大、释放电压偏低的间题，可采用增加隔磁片或将衔铁、轭铁或铁芯镀层中加一层铜底等方法。

b、通过合理的吸力特性与反力特性的匹配，减少衔铁闭合的撞击能量，以减少衔铁及触点的回跳，减少大负荷继电器的触点烧损。

c、固定部份尽可能做成整体或采用旋铆技术，减少连接带来的不可靠因素及非工作气隙，使磁路效率得到充分的利用，并提高整体结构的刚性。

d、可动部分相对支撑点应对称性好，点焊部位应远离转动部份以防止焊渣对转动产生影响，轴孔配合应使衔铁转动灵活但又不过松而晃动，减少轴向窜动，以提高转动部分的转动灵活性和耐冲击、振动性能。

e、避免电磁系统重心过高（相对继电器安装固定点），以提高耐机械应力能力。

f、尽可能避免在衔铁上加工超深轴孔，以保证较高的装配精度。

g、线圈固定应牢固，保证在环境机械应力下不产生任何相对运动，其引出线不应在机械应力下受力，线圈引出线应有绝缘套管防护。

h、选择的线圈漆包线应能耐受环境温度和线圈温升及触点电弧温升引起的热效应。

i、视线圈工作电压的大小，应有防瞬时感应反电势措施，以提高线圈工作的可靠性。

3.2结构可靠性设计

3.2.1机械结构的可靠性设计内容：

a、继电器内各结构件要有一定的安全系数，以保证在使用中不产生对产品性能有不良影响的有害变形、有害的振动或抖动；

对老化、磨损等应有一定的余量，反复承受机械负荷的部分不应在产品的寿命周期内产生疲劳和损坏；

要有一定的超负荷承受能力。

各结构件的连接要保证可靠、安全，如尽可能的采用点焊等方式。

应避免细而长的支架设计，以避免对外界应力的放大作用；

继电器的罩子应有足够的强度，以保证在装配、测试、安装中不因变形而引起继电器参数的变化，应采用耐强冲击的材料制造，并应牢固地安装在继电器机构上。

b、继电器安装方式及安装部位的确定应能使继电器承受技术条件规定的极限冲击、振动，不能因安装导致振动的加速度值被放大，安装支架应是继电器整体外壳的一部分，应牢固的连接在外壳上，以防止继电器与安装支架间产生任何移动，目前安装支架多采用点焊的方式安装在外壳上。

c、对于密封继电器，应经过干燥、排气，再充入露点低于-65℃的气体，采用熔焊方式进行密封。

密封继电器底板、罩子形状设计，材料的选用应考虑适于保证密封性的熔焊工艺。

为保证焊接质量，在罩子或底板的焊接部位增加焊筋，罩子与底板尺寸采用过盈配合等方式。

d、对于密封继电器，密封失效主要表现是漏气，熔焊部位有空隙或玻璃绝缘子漏气，都可能造成密封失效。

因此在设计过程中，罩子与底板的配合问题应加以关注，引出端材料应选用与玻璃封接匹配性能好的材料，尤其要注意在装配过程中不能使引出端承受过大的外力作用，以免造成玻璃绝缘子碎裂而漏气。

3.3工艺可靠性设计

3.3..1可靠性工艺设计的目的：

可靠性工艺设计的目的，是使产品设计固有可靠性在制造过程中给予充分的保证，或者说提高产品基本可靠性。

在制造期间，可靠性控制的基本任务是掌握、评价和控制加工、装配、流转、保管和运输过程中影响可靠性的因素。

可靠性工艺设计应起始于产品设计工艺性分析审查，当产品结构要素及材料确定之后，结构工艺就是产品可靠性基本保证。

3.3.2可靠性工艺设计的基本要求：

a、在经济的原则下，尽可能实现自动化和机械化加工，自动测试及工艺参数监控，使影响可靠性的人为因素减少到最低程度。

b、要充分考虑继电器零件小而薄、形状复杂、装配精度要求高、批量小、所有零件要有互换性的特点，从精加工要求出发，选用加工设备和设计工装，关键零、部件应研制专用自动化加工设备。

c、在选用测试仪表时，要避免测试线路在测试时对继电器性能的影响。

d、装配校正应尽可能采用夹具保证，减少校正工作量，保证质量一致性。

e、电气组装、机械组装应采用永久性连接工艺。

产品装配应以减少和消除触点污染、提高可靠性为目标，确定工艺方案和工艺流程。

f、必须充分注意特殊工序（难以准确评定其质量的关键工序）的工艺设计和验证。

如底座烧结到电镀工艺过程的测试控制、触点电镀、封罩前产品的的测试及洁净处理、分析控制等。

g、要有必要的符合有关标准要求的测试和分析手段，它是可靠性技术研究和产品可靠性评价、改进的物质基础。

h、认真进行技术经济分析研究，在保证产品可靠性要求的基础上，做到技术上先进、经济上合理。

i、应尽可能选择已经成熟的典型工艺和特种工艺，如采用熔焊密封工艺，真空焙烘、充氮工艺，采用点焊以代替锡焊、钎焊，减少污染，采用动态清洗工艺，采用组合线圈架制作与线圈绕制工艺。

j、为了确定影响工序质量的主要因素及其控制措施的有效性，可对为确保产品固有可靠性而必须采用的特殊工艺进行可靠性工艺验证试验。

3.4 

可靠性评价试验设计

3.4.1可靠性评价试验的目的：

a、揭示产品失效模式，为设计改进提供依据。

b、评价产品可靠性符合设计指标的程度。

c、积累可靠性数据，评估产品的可靠性水平。

3.4.2评价试验点的设置：

a、初样可靠性评价试验

初样可靠性评价试验的目的是考核设计原理和结构的正确性、合理性、可行性，通过试验暴露设计缺陷，为改进设计提供依据。

这里的评价试验主要是应力界限试验。

试验项目安排应尽可能使设计缺陷得以暴露，并能为可靠性预测提供必要的数据依据，不一定全部项目都作。

b、正样可靠性评价试验

正样可靠性评价试验的自的是全面考核设计质量及技术性能指标，是对产品的可靠性质量设计有效性的试验，主要是产品失效率鉴定及极限性能试验。

通过试验暴露样品失效模式和设计、制造缺陷，为进一步改进设计提供依据，并决定能否进行设计鉴定定型，试验内容及方法要严格按照设计任务书或已确定的国军标规定的条件和方法进行。

3.4.3可靠性评价试验的内容：

a、应力界限试验：

摸清产品所能承受的环境应力界限，评价其相对设计指标的富余量。

b、寿命试验或加速寿命试验。

c、失效模式监视试验：

针对某一失效模式机理而专门设计的加速监视试验。

4 

可靠性设计的主要技术

4.1继电器的耐热设计:

耐热设计的目的是根据热量的来源和分布，设法将热输入和危害降低到最小程度。

继电器所能承受的热输入除了最高环境温度外，还应考虑线圈温升，触点燃弧温升以及焊接产生的热输入，继电器的耐热设计可采取如下措施：

a、漆包线的最低工作温度应大于环境温度与线圈温升之和。

b、线圈架及包括材料应选耐温等级高、热变形小的塑料材料。

c、接触簧片应选用热稳定较好的弹性材料，导电、导热性能要好，通常选用的材料有：

银镁镍合金、铍青铜、锡青铜等材料。

簧片要有足够的散热面积。

d、采用熔焊密封工艺，簧片与引出端之间的连接应采用点焊工艺。

e、对于大负荷继电器，其引出端应采用铜芯可伐，兼顾导电、导热及与玻璃匹配封接的要求。

f、选择适当的触点材料以及机械参数，尽可能减少电弧，增大触点的散热能力，考虑采用隔弧罩等措施。

9、对于熔封继电器可考虑在设计时在底板上加一V型隔热槽，以防止焊接热影响到玻璃绝缘子。

4.2耐冲击振动设计：

对于一般的电磁继电器，导致其在冲击、振动作用下失效的直接原因为：

继电器自身具有的维持触点闭合的力小于冲击、振动施加在触点上的瞬时作用力，从而导致闭合触点的瞬时断开，或者断开触点间的间隙小于冲击、振动产生的触点振动的振幅值，从而导致断开的触点间瞬时闭合。

因此，提高继电器的耐冲击、振动性能可以从两个方面入手：

一是增大维持触点闭合的力，特别是常闭触点间的静合压力或者增大触点间的跟踪，增大触点间隙。

要增大静合触点压力和触点间隙，则必须增大电磁吸力，以保证继电器在静合压力和间隙增大的情况下能够吸合。

另一个方面是设法减少冲击、振动对触点的影响。

4.3参数稳定性设计

继电器参数变化问题，特别是接触电阻问题与生产工艺、生产环境洁净程度以及质量控制密切相关。

从设计角度讲，这些参数的变化方面是由于设计给出的余量较小，另一方面是各系统中不稳定因素较多，且较为严重。

对于灵敏型继电器，接触电阻问题与吸动、释放参数的变化问题常常会同时存在。

为了保证继电器的接触电阻、寿命以及介质耐压等要求，继电器接触系统中的接触压力、跟踪、间隙等机械参数就必须足够大，这就要求电磁系统提供足够的电磁吸力，以保证继电器在压力、间隙增大的情况下，能够可靠吸动。

对于吸力有限的灵敏型继电器，其吸力特性曲线与反力特性曲线不能合理的匹配，则往往导致机械参数与吸动参数不能同时满足，因此，接触电阻与吸动变化问题同时存在。

另一方面，由于吸力有限，衔铁动程较小，从而导致静合压力、间隙和动合跟踪之间的矛盾，在静合压力、间隙保证的情况下，动合跟踪就不能完全得到保证，导致继电器释放困难。

因此，吸力特性曲线与反力特性曲线得到合理匹配，提高衔铁打开状态时的起始吸力，是保证各项机械参数要求，也是解决接触电阻、吸动、释放参数变化超差的关键。

解决接触电阻、吸动、释放参数变化超差，还应考虑如下因素和方法：

a、选择适当的触点材料、形状，提高触点接触面的光洁度；

b、尽可能采用熔焊和点焊，减少焊剂的污染，绝缘材料不应释放出有害气体。

继电器封工艺孔前制定合理的真空焙烘温度和时间，继电器内部充入高纯氮气；

c、电磁系统的铆装应牢靠，衔铁要转动灵活，轴孔配合间隙要适当，衔铁轴向允许的位移要适当，簧片应牢靠固定，衔铁镀铜以提高释放参数。

4.4继电器耐负载、寿命设计：

对于高电平负载（包括额定阻性负载、感性负载：

交流负载、灯负载等），由于触点间的电弧的作用，使触点烧蚀、熔化，从而产生氧化、碳化，使继电器出现“断”故障。

另外也会使触点粘接在一起。

当触点切换中等电流负载时，由于电流小（100mA），电弧作用明显减弱，这时因气隙中及触点表面的热作用（尤其是在高温条件下）而析出的含碳物质不能被烧掉而沉积于触点的表面，使接触电阻较有电弧作用时明显增大，接触可靠性降低。

因此，高温下中等电流负载试验是考核触点表面是否存在严重有机污染的重要手段。

当负载电压降低到50mV以下，电流降低到50μA以下的低电平负载时，这种电流就无法击穿触点表面初始形成的膜电阻，使接触可靠性明显下降。

特别是在高温下，触点表面的有机膜会加厚。

在低温下，触点表面可能结霜，使触点的断故障明显增多。

4.4.1提高继电器高电平负载能力的方法有：

a、选择具有较高负载能力的触点材料，如AgCdO2、AgSnO2等；

b、采用不同触点材料的配对使用；

c、减少触点回跳，增大触点间隙；

d、增加触点间的分断力，以提高触点的抗粘接能力。

4.4.2减少低电平、中等电流负载下失效的方法主要有：

a、对继电器进行彻底的清洗，如采用有效地清洗剂进行动态清洗等；

b、密封前对继电器进行真空焙烘；

c、增大触点间的接触压力或跟踪；

d、触点表面进行光饰处理；

e、要求在超净环境下进行生产。

4.5熔封继电器气密性设计：

为了保证熔封继电器的气密性，可采取如下措施：

a、底板和罩子配合间隙不大于0.03mm，稍有过盈，过盈的大小根据继电器体积大小而定，过盈量以罩子和底板压平后，罩子不至于撕裂或没有较大的变形为好；

b，底板上最好设计－焊筋和隔热槽，通过焊筋和罩子熔焊在一起，隔热槽的作用是不让焊接热量扩散到底板的非焊接位置，以便热量集中，有利于焊接，同时也保护玻璃绝缘子免受焊接热的损害。

c，对于方形继电器来说，罩子四个角的半径R要尽量小一些，一般来说底板的四个角R走负差，罩子R走正差。

d、工艺孔密封钢球的一边不得倒角，这样钢球点焊前和工艺孔是很细的线接触，点焊后钢球和工艺孔接触面增大，能有效地保证气密性。

4.6 

失效分析技术

对同类产品故障模式进行收集分析（特别是使用现场故障），排出主次，找出失效原因，提出改进方案，进行验证，将有效措施用于设计，目前较普遍应用的方法有“失效模式和效应分析法”及“故障树分析法”。

在对失效的继电器进行分析之前，对失效的继电器的背景材料应详尽了解并记录，包括基本结构、工艺特点、常规失效模式、产品经历、使用条件、失效时的条件等，在对失效样品作外观目视后，必要时应作失效再现。

产品失效应按照产品失效分析程序进行，失效分析的原则是先进行非破坏性分析，后进行破