平衡力式继电器疲劳性能研究
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇平衡力式继电器疲劳性能研究范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
摘 要： 航空继电器作为航空器部件必不可少的重要组成部分，完成负载切换、自动控制、电路隔离和信传递等功能。以LEACH公司生产的平衡力式继电器为对象，阐述其结构和工作原理，归纳总结平衡力式继电器的疲劳模式和机理，选取触点接触电阻、释放时间以及弹跳时间为疲劳特征参数，并进行疲劳性能实验。实验结果表明，选取的疲劳特征参数可以反映继电器的工作特点以及疲劳性能变化趋势；该实验结论可为继电器的疲劳状态和剩余寿命的判断提供一定判别依据，具有较高的参考价值。
关键词： 平衡力式继电器； 疲劳模式； 特征参数选取； 疲劳实验
中图分类号： TN911?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0117?04
Study on fatigue performance of force?balanced relay
HAO Xiaohong， WANG Yong
（Training Center of Engineering Technology， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300， China）
Abstract： As an indispensable component of the aircraft， the aeronautical relay can realize the functions of load switchover， automatic control， circuit isolation， signal transmission， etc. Taking the force?balanced relay made by LEACH Company as an object， its structure and working principle are elaborated， and its fatigue mode and mechanism are summarized. The touch spot contact resistance， release time and bounce time are selected as the fatigue characteristic parameters. The fatigue performance experiment was carried out. The experimental results show that the selected fatigue characteristic parameters can reflect the working feature and fatigue performance variation trend of the relay. The experimental conclusion can provide a certain discriminating basis for the fatigue status and residual life of the force?balanced relay， and has high reference value.
Keywords： force?balanced relay； fatigue mode； characteristic parameter selection； fatigue test
0 引 言
随着空客A380、波音B787等新一代先进民航客机的大规模应用与推广，新型的电气控制技术和电气传动技术被推到了民航技术的风头浪尖。美国LEACH公司生产的平衡力式继电器具备转换深度高、多路同步切换、抗干扰能力强等优点，广泛使用机电气控制系统中，主要用于完成负载切换、自动控制、信号传递和电路隔离等一系列功能。
以空客A320飞机为例，据不完全统计，直接装机的继电器和接触器就有上百只，如果把机载设备中所使用的继电器和接触器也计算在内，其总数有上千只。当前国内外主流机型选用的继电器以LEACH型平衡力式继电器为主，排除在设计、制造等不合理因素之外，平衡力式继电器性能的好坏直接影响到航空设备能否正常工作。为了保证飞机的正常和安全飞行，开展对平衡力式继电器的可靠性相关研究势在必行。长期以来，国内外研究学者针对航天、航空继电器性能可靠性展开了大量的试验研究，从不同的物理或者化学理论角度对试验结果给予解释。但大多数基于继电器在失效或者指定动作次数之后进行的“事后分析”方法，并不能在产品失效前提前预防。
本文以平衡力式继电器为研究对象，详细分析其结构和工作原理，以继电器疲劳模式和机理为出发点，分析平衡力式继电器的关键性能参数，为其疲劳状态和剩余寿命的判断提供一定具有参考价值和判别依据。在继电器发生故障之前做到提前预防，降低失效概率，减少航空器错误维修几率，并进一步降低维护维修成本，从而保障航空器安全运行。
1 平衡力式继电器结构和工作原理
平衡力式继电器作为一种典型自动控制电器具有记忆功能、耗电少、线圈温升低、动作快、环境适应性好等优点，广泛应用于航空、航天等工作环境恶劣的电子设备中。该继电器机械结构采用永磁体的吸力取代传统继电器恢复弹簧的弹力，具有吸力强、重量轻、耗能少等特点。平衡力式继电器在吸合和释放时所受的吸力和反力基本相等，也就是说，继电器在吸合过程中有通电线圈产生的吸力与在释放过程中由永磁体产生的反力二者大小接近，把“大小相近的力”称为平衡力[1]。如图1所示。
由图1可知，平衡力式继电器的电磁系统主要由磁极A、磁极B、后磁极C、线圈、铁芯、衔铁、加在磁极A，B之间的永磁体NS及动触点簧片等部件组成，其中永磁体产生的磁力等同于其他电磁继电器的反力弹簧所产生的反力，图1所示位置为平衡力式继电器线圈失电状态下，衔铁受永磁体的电磁力而处于释放时的位置图。
当平衡力式继电器线圈断电时，永磁体产生一个与通电线圈磁通方向相反的磁通，此时衔铁受永磁体磁化，产生一个吸向磁极A的磁力，使继电器的常闭触点吸合，衔铁处于释放位置。当继电器线圈通电时，由通电线圈产生的磁通与永磁体方向相反，衔铁受该磁通产生的电磁吸力向磁极B移动，使继电器常开触点吸合，常闭触点断开，最终衔铁运动到继电器吸合位置。图2为线圈得电状态下，衔铁受永磁体的电磁力而处于吸合时的位置图[2]。
2 航空继电器疲劳模式分析
2.1 疲劳的基本概念
疲劳又称疲乏，是一种主观不适感觉。物理学上指材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹、或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象[3]。
从航空继电器丧失功能的角度上分析，疲劳所呈现的性质为继电器功能的退化。继电器的疲劳是指继电器性能随时间或周围环境的影响而逐渐缓慢下降，最后直到无法正常工作。其单一因素引起的疲劳过程如图3所示，其中纵坐标为继电器的疲劳特征参数xi，横坐标为继电器的工作时间t，X为继电器相对应的疲劳特征参数的疲劳阈值，即当xi达到或超出X时，继电器被判定为疲劳。
对于平衡力式继电器来说，由于其采用平衡力式结构，永久磁钢代替传统继电器恢复弹簧使继电器复原，所以相比传统继电器更加可靠，寿命更长。但由于通常使用于航空、航天器的电气控制系统中，控制负载的类型多样化以及周围环境较为恶劣，如：高低温的切变、盐雾的腐蚀、高振动、强冲击等，直接影响了继电器的使用性能，加速了平衡力式继电器疲劳进程，缩短了使用寿命。
2.2 平衡力式继电器疲劳模式
2.2.1 样品选取
为了确保实验样件的有效性、全面性，选取某航空公司航材库适航全新平衡力式继电器为标准样件，从各种机型的航空器上选取不同使用期限的平衡力式继电器作为实验样件。该实验样件抽取数量为30只，针对30只实验样件按照国军标电磁继电器相关标准《GJB1461?92》、《GJB65B?99》对继电器性能敏感参数进行实验测试。依据实验结果，结合平衡力式继电器使用环境等因素进行归纳总结，得出了形成继电器疲劳的主要因素和相关机理，为后面对平衡力式继电器的疲劳判别研究奠定了实验基础。
2.2.2 疲劳形成模式和机理
由于平衡力式继电器受环境条件（温度、湿度、盐雾等环境气体以及强振动冲击等）、负载类型、磁钢材料、触点材料以及继电器本身的结构特点等各种多方面因素的交叉影响使得继电器出现性能衰减或下降，以至于疲劳的形式呈现多样性和不确定性。文中对30只实验样件根据测试参数的结果，再结合每只样件的使用环境以及使用时间，采取从外观检查、参数测试、开腔验证等手段，并与标准样件进行比对，对引起继电器疲劳的主要形式进行分类总结，表1为引起平衡力式继电器的主要疲劳形式及原因对照表[4?7]。
表1 平衡力式继电器的主要疲劳形式及原因对照表
从表1可知，平衡力式继电器一旦疲劳，表现为整体性能退化，虽能满足继电器表象的通断要求，但是可靠性降低，易出现失效故障，如出现绝缘电阻小、触点间接触电阻大、继电器动作时间参数异常和触点出现粘连等。对照表1中形成平衡力式继电器疲劳的原因和产生机理不难看出，继电器疲劳的主要因素包含外因和内因两部分。外因表现为继电器受周围环境的影响不仅会导致绝缘材料老化，也会使得触点材料发生各种物理、化学变化，从而加速了继电器的疲劳进程；内因表现为触点在不同负载类型的频繁通断下，出现触点烧蚀、触点材料转移以及触点表面存在多余物等现象，从而使得继电器性能退化、可靠性降低，且伴随间断性失效故障。
3 平衡力式继电器疲劳性能参数分析
平衡力式继电器具有结构紧凑、体积小以及零部件装配较为分散等特点，使用过程中出现疲劳的随机性较强，疲劳形式和机理复杂度较高。结合平衡力式继电器的结构特点和工作原理，在继电器疲劳形成原因和产生机理的基础之上，提出基于疲劳性能参数的平衡力式继电器疲劳判别方法。
3.1 疲劳关键参数选取
疲劳关键参数必须具有特定且明确的物理含义，不仅可以反映继电器的工作特点以及性能变化趋势，而且参数相对稳定、易于测量。由于航空继电器是要求较为严格的控制电器，其实验试验方法需按照指定的标准执行，本文借鉴《有可靠性指标的电磁继电器总规范》（GJB65B?99）和《含可靠性指标的电磁继电器总规范》（GJB1461?92）等相关军用继电器标准的规定继电器进行疲劳试验、疲劳判据研究。基于上述相关标准，再结合平衡力式继电器自身特点，对继电器完成在线测试，监测继电器的吸合时间、释放时间、吸合电压、释放电压、接触电阻、弹跳时间等电参数，并将接触电阻、释放时间以及弹跳时间三个参数作为疲劳关键参数，以此直接反映和跟踪继电器运行状态以及性能变化趋势，并进一步更加准确地分析平衡力式继电器的疲劳机理和疲劳模式[8?12]。
3.2 疲劳关键参数分析
3.2.1 试验条件及参数设置
本文中所涉及到的有关平衡力式继电器疲劳参数都基于STM32+FPGA航空继电器时间参数测试装置进行采集和提取。该测试装置采用二级集散控制系y（DCS）设计思路，以STM32F429为核心芯片， 采用FPGA同步采样控制方式，可实现4路静合触点或动合触点同步高速采集，并以Excel形式存储和管理数据。平衡力式继电器参数和疲劳试验条件如表2所示。
选取了型号为200RU01W00A（件号）的平衡力式继电器在不同动作次数下的接触电阻、释放时间以及弹跳时间作为疲劳关键参数，以此来研究和分析继电器疲劳特性。航空继电器时间参数测试装置同时采集4路动合触点在阻性、感性负载条件下动作次数分别为500次，103次，2×103次，5×103次，104次，1.5×104次，2×104次以及3×104次下的接触电阻、释放时间和弹跳时间等参数，每隔1.5 s动作1次，并将所测参数以Excel形式进行存储和管理。如若测试遇到故障或者错误，自动关断负载，给出报警进行系统自动复位。
表2 平衡力式继电器参数和疲劳试验条件
3.2.2 测试参数分析
利用航空继电器时间参数测试装置对接触电阻、释放时间以及弹跳时间等参数在不同动作次数下进行测试。从图4（a）为平衡力式继电器任取两组触点的接触电阻分布图。从图4（a）中可以看出，在平衡力式继电器运行初期，接触电阻呈现不稳定趋势，可能偏大、偏小或不稳；继电器在稳定运行阶段，接触电阻低并且稳定，集中在阻值较小的范围，随着动作次数的增加，触点接触电阻呈现出增大的变化趋势，动作次数在2×104次以内，接触电阻阻值平缓变化，达到3×104次以上，阻值变化率显著增大。图4（b）、图4（c）为1#触点在不同动作次数下的释放时间以及触点释放弹跳时间数据分布图。从图中可以看出， 1#触点在随着动作次数的增加，虽然有随机和偶然因素的影响，释放时间和弹跳时间虽然看上去变化不律，但是总体都表现为动作时间变长的趋势。结合图4中所测接触电阻、释放时间以及弹跳时间综合分析，对继电器疲劳状态进行评估，虽然3个参数在实验期间并没有出现失效故障，但是随着动作次数的增加，继电器疲劳特征参数都一致表现为参数变大特性，这就意味着平衡力继电器可靠性下降。当动作次数达到3×104次及以上，继电器已经处于疲劳运行状态，甚至发生失效故障。
4 结 论
航空继电器作为航空器实现电气控制功能不可缺少的主要控制电器元件之一，其性能的好坏直接关系着航空器能否适航、安全的飞行，这就需要对其开展相关性能相研究。本文以LEACH公司生产的平衡力式继电器为研究对象，将继电器疲劳性能作为研究点，阐述了继电器疲劳模式和机理，分析了平衡力式继电器的疲劳关键性能参数，以平衡力式继电器接触电阻、释放时间以及弹跳时间为疲劳特征参数，进行了实验和数据分析。该实验数据结论可为平衡力式继电器疲劳状态和剩余寿命的判断提供一定具有参考价值和判别依据；提前失效预防，降低失效概率，减少航空器错误维修几率，节约维护维修成本，从而更好地保障航空器安全运行。
图4 对应参数在不同动作次数的数据分布图
参考文献
[1] 陈汉宁，王建国.一种超小型平衡力式密封直流电磁继电器的研制[J].机电元件，2008，28（1）：10?14.
[2] 孟跃进.平衡式电磁继电器的特性仿真分析[J].电气制造，2011（1）：52?53.
[3] 范铮，任锡庚.疲劳文献的初步分析[J].力学与实践，1988（2）：58?60.
[4] 翟国富，王其亚，程贤科，等.常温和高温环境下电磁继电器触点侵蚀及失效模式分析[J].电工技术学报，2010，25（9）：80?86.
[5] 任万滨，余琼，翟国富.转换型电磁继电器电接触失效分析[J].电工材料，2011（1）：14?19.
[6] 刘帼巾，陆俭国，王海涛，等.接触式继电器的失效分析[J].电工技术学报，2011，26（1）：81?85.
[7] 赵涛，张旭.继电器触点常见故障的成因及处理[J].电测与仪表，2003，40（2）：55?56.
[8] 陈鹏，陆俭国，姚芳，等.动态接触电阻测量及触点失效预测研究[J].电工电能新技术，2005，24（3）：27?30.
[9] 张菲菲，李志刚，李玲玲，等.触点寿命试验中初始接触电阻与寿命的关系研究[J].电力系统保护与控制，2015，43（5）：63?68.
[10] 翟国富，王淑娟，许峰，等.基于超程时间和吸合时间建模的继电器双变量寿命预测方法的研究[J].中国电机工程学报，2002，22（7）：76?80.
[11] 梁慧敏，王世成，翟国富.航天继电器载可靠性筛选试验中寿命预测技术的研究[J].低压电器，2004（7）：3?7.
[12] 李华，孙东旺，贺鹏举，等.基于超程时间回归模型的继电器寿命预测方法[J].电工技术学报，2013，28（z2）：414?417.