继电器可靠性加速寿命试验新方法的研究王淑娟，余琼，任立(哈尔滨工业大学军用电器研究所，黑龙江哈尔滨150001) 摘要：电寿命是评价继电器可靠性的一项重要指标，由电弧侵蚀和材料转移引起的该合不合、该断不断是继电器的两种主要接触失效模式，负载电流明显影响这两种失效模式，从而影响继电器寿命。
本文采用加速寿命试验装置对继电器进行了以负载电流为应力的恒定应力加速寿命试验，试验过程中测量了继电器每次动作过程中的接触电阻、吸合时间、释放时间等参数确定继电器是否失效。
分析了不同负载条件下继电器的失效模式和失效机理。
采用Weibull分布函数和逆幂率模型对加速寿命试验数据的进行了统计分析，建立了能够估计不同应力下继电器寿命的统计模型，并计算了大负载电流的加速因子。
关键词：继电器；加速寿命试验；电流应力；可靠性估计1 引言继电器是遥控、遥测、通信、检测、保护等电子设备中不可或缺且应用广泛的电子元器件，其可靠性直接影响到系统的可靠性。
目前，电寿命是评价继电器产品品质与可靠性的一项重要指标，而电寿命试验是获取该指标的重要手段。
随着继电器产品的寿命及可靠性不断提高，在额定负载条件下，采用一般的寿命试验方法估计产品的寿命需要耗费很长的试验时间。
针对上述问题，本文提出了加大应力、缩短试验时间的继电器加速寿命试验方法。
目前，加速寿命试验已经应用于发光二极管、航天电连接器等多种产品的寿命试验[1,2]以及继电器的贮存寿命试验中[3]，继电器工作寿命加速试验方法的研究较少。
负载电流的大小是影响继电器接触特性的一个重要因素。
Werner Rieder通过试验研究了不同负载条件下继电器接触电阻的变化规律[4]。
Zhuan-ke Chen 和Sawa测量了银触点在空载至4A情况下的接触电阻特性并分析了该特性产生的机理[5]。
大量研究也表明，负载电流对继电器燃弧时间、材料转移和触点侵蚀有显著的影响[6,7]。
然而，上述文章仅仅研究了继电器某些特征参数和负载电流的关系，而并没有研究不同电流条件下继电器的失效机理、失效模式、寿命及其分布规律。
本文以负载电流为加速应力，对某型号继电器的多个继电器样品在不同电流条件下进行恒定应力加速寿命试验。
为了确定加速寿命试验是否合理，对继电器的失效机理和失效模式的一致性进行了检验。
最后采用可靠性分析理论中常用的最佳线性无偏估计方法和最小二乘法对试验数据进行了统计分析，建立了继电器的失效物理模型。
2 试验方法2.1 试验装置接触电阻增大不是继电器触点失效的唯一模式，继电器寿命和触点间隙、触点吸合时间及释放时间有直接的关系[8]。
为了真实地检测继电器是否失效，设计了图1所示的单个触点寿命试验系统。
该系统通过四路AD实时采集继电器每次动作过程中的线圈电流、触点电压、触点压降和触点电流波形。
根据这些波形数据，逻辑控制及数据处理中心（由可编程逻辑器件和高速微处理器组成）可计算出继电器接触电阻、吸合时间、释放时间、燃弧时间和燃弧能量等多个参数[9,10]。
将多个单触点寿命试验系统通过CAN总线级联构成的多触点寿命试验系统，可对多个继电器同时进行寿命试验，系统如图2所示。
和现存的寿命试验系统相比，该系统能够监测继电器每次动作过程中的接触电阻、吸合时间、释放时间等参数，并显示其在寿命过程中的变化规律。
图1 单触点寿命试验系统图2 多触点寿命试验系统2.2试验条件 试验样品采用航天用的密封继电器。
试验中，样品工作在闭合和断开的不同直流阻性负载下试验条件如表1所示。
表1试验条件2.3 试验流程试验过程总共包含4个负载条件(4,5,6,7A)，在每个负载条件下，测试6只继电器的触点寿命。
当触点状态出现以下异常情况时，试验停止，说明该触点已经失效，此时的动作次数即为继电器的寿命。
(1) 接触电阻超限；(2) 吸合时间、释放时间出现异常。
3试验结果及数据分析3.1 失效模式和失效机理为了实时监测触点的行为，主要监测继电器接触电阻、吸合时间、释放时间、燃弧时间、燃弧能量等参数。
前三个参数用于观测触点失效模式，后两个参数用于监测触点电弧侵蚀程度。
试验结果表明，由电弧引起的电弧侵蚀和材料转移，导致继电器存在两种失效模式：(1) 触点该合不合(Non-Closing)； (2) 触点该断不断(Non-Opening)。
3.1.1 触点该合不合触点该合不合失效模式可以通过监测接触电阻检测出来，当出现触点该合不合时，接触电阻变为无穷大。
由于电弧的侵蚀，有效的接触材料逐渐被磨损，触点间隙不断增大，当间隙达到最大值时，接触压力为0，此时即发生触点该合不合失效。
图4为触点失效之前继电器接触电阻的变化规律。
从图中可看出，和以往很多研究结果不同的是，接触电阻在失效之前一直保持低且稳定值，体现一个突变的规律，而不是逐渐增大的过程。
图3 接触电阻和动作次数的关系（该合不合，5A ）3.1.2 触点该断不断 以往的寿命试验往往忽略吸合时间和释放时间等参数。
实际上，通过监测吸合时间和释放时间参数能够确定触点是否发生该断不断失效。
引起触点该断不断的原因主要包括触点熔焊和材料转移。
当触点发生熔焊时，触点无法正常分离，触点的释放时间会明显地增大；触点材料转移会使得触点间隙减小，此时，触点吸合时间会变小。
当触点间隙被填满时，吸合时间减小到最小值，触点发生该断不断失效。
图4为一发生该断不断失效触点在寿命试验过程中吸合时间和释放时间的变化规律。
从图中可看出，吸合时间显著变小，而释放时间变化不大，触点发生由材料转移引起的该断不断失效。
图4 吸合时间、释放时间和动作次数的关系（该断不断，4A ）同接触电阻、吸合时间和释放时间不同的是，触点的燃弧时间和燃弧能量似乎不能作为确定触点失效的一个参数，在整个寿命试验过程中变化较小，但整个寿命试验过程中的平均燃弧时间能够反映电弧对触点的侵蚀程度。
(a) 燃弧时间 (b) 燃弧能量图5 燃弧时间、燃弧能量和动作次数的关系（该合不合，5A ）3.2 试验结果 不同负载条件下，样品失效模式及其数量如表2所示。
从表中可看出，该合不合是该继电器的主要失效模式,占样品数量的91.7%，而且随着负载电流的增大，几乎不再出现该断不断失效。
原因可能是随着负载电流的增大，电弧引起的触点侵蚀比材料转移更严重。
表2 不同负载电流下两种失效模式的失效数量根据加速寿命试验失效机理一致性原则，选择每种负载条件下相同失效模式(该合不合)的5个样品寿命为研究对象，如表3所示。
从表3可看出，继电器寿命基本上随着负载电流的增大而减小，由于继电器本身特性的分散性，有些大负载条件下寿命反而会比小负载条件下的寿命长。
不同负载条件下，每只样品在寿命周期内的燃弧时间如图5所示。
由图可见，负载电流越大，样品燃弧时间越长，电弧对触点的侵蚀也越严重。
表3 不同负载电流下各个样品的寿命图6 各样品在寿命试验过程中的平均燃弧时间3.3 加速寿命试验数据统计分析 将不同电流条件下的试验数据绘制成累计失效函数曲线如图6所示，从图中可看出，对试验数据采用直线拟合效果良好，说明继电器在不同电流条件下寿命服从两参数的威布尔分布，除4A 之外，5，6，7A 变化趋势基本一致。
威布尔分布的失效分布函数为：(/)(;,)10mt F t m e t ηη-=- (≥) (1)式中，m 表示形状参数，η表示尺度参数。
采用BLUE 方法估计不同负载条件下的m 和η如表4所示。
由表可见，仅仅是4A 时的m 和其他电流条件差别相对较大，形状参数m 近似是个常数3.40。
Fig.6 用Weibull 分布拟合累计失效函数表4 不同电流下威布尔分布参数及平均寿命根据动力学理论，当加速应力为电压或者电流时，产品的失效物理方程为逆幂率模型：BA I η=(2)式中，A 和B 为常数，S 为应力，η为特征寿命，此处为负载电流。
采用最小二乘法对常数A 和B 的值进行估计，可求得产品失效物理模型如式（3）所示。
根据此模型计算寿命实际值和理论值的误差如表5所示。
由表可见，在5A 时，该模型误差最大为17.2%。
41.56230.610Iη⨯=(3) 表5 实际值和模型估计值的误差分析 加速因子F A 反映了加速应力对样品可靠性寿命的影响程度，其定义如公式(4)所示：1.56()USE ACCELERATED F ACCELERATEDUSEI A I ηη== (4)式中，USE η为正常使用应力下的寿命特征变量。
A C C E L E R A T E D η为加速应力下的寿命特征变量。
ACCELERATED I 为加速负载电流，USE I 为正常工作的负载电流。
利用公式(4)，可以求得本次试验中最大电流7A 对最小电流4A 的加速因子大约为2.40。
加速因子为可靠性实验设计提供了以实用的指导依据。
4 结论利用能够实时监测继电器每次动作过程中接触电阻、吸合时间、释放时间和燃弧时间等参数的加速寿命试验装置对24只继电器样品在28V/(4，5，6，7A)下分别进行了加速寿命寿命试验，得到了以下结论：(1) 91.7%的样品发生了由电弧侵蚀引起的该断不断失效，其余为该合不合失效。
(2) 在不同负载条件下，寿命都服从双参数威布尔分布，且形状参数近似为常数3.40。
(3) 求出了该继电器失效物理模型，该模型的最大误差为17.2%；计算了大负载电流的加速因子，在本次试验中，最高负载电流对最低负载电流的加速因子为2.40。
(4) 该方法可以推广应用于其他继电器加速寿命试验中。
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