范士海，谭士海

（航天科工防御技术研究试验中心，北京 100854）

引言

电磁继电器作为一种电子控制器件，它是利用电磁铁来控制电路的一种开关，其工作原理为：给线圈两端施加一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，相应地线圈就会产生磁场，衔铁被吸合，带动与衔铁相连的推动杆推动动簧片，使常闭触点分离，常开触点闭合。当线圈断电后，衔铁被释放，带动与衔铁相连的推动杆复位，常开触点分离，常闭触点闭合，完成一个开关工作过程。由于电磁继电器是通过机械接触与断开来实现通断功能转换的，使其具有断态高绝缘电阻和通态低导通电阻特性，加之其具有体积小，控制电信号小，应用电路简单，可实现多路同时控制的优点，使其在航天、航空、船舶、兵器以及民用装备上得到了广泛的应用。另一方面，由于电磁继电器工作中既涉及电路、磁路，又涉及机械动作，使其与其它元器件相比，更容易出现可靠性问题[1]。作者在前面的文章中，介绍了电磁继电器导通失效的模式与机理[2]。本文将通过一些典型的失效案例，详细介绍电磁继电器动作延迟失效的模式，分析引起动作延迟失效模式的机理，为进一步提高电磁继电器的使用可靠性提供有益的依据。

1 电磁继电器动作延迟失效模式与机理

1.1 衔铁转轴不对中造成动作延迟失效

衔铁转轴对衔铁动作起着支撑作用，其上下两转轴孔中心要对中，否则衔铁吸合或释放动作就有可能受到阻碍作用，造成动作延迟。下面通过具体案例详细说明。

案例1：某型号电磁继电器用户在整机上只使用一组常开触点。据委托方介绍，用户在使用时发现该组常开触点曾出现吸合延迟情况。

按照厂家手册对该继电器进行常温电性能测试，结果为：产品吸合电压、释放电压、接触电阻、线圈电阻、绝缘电阻均合格，具体测试结果见表1，故障不复现。

表1 继电器常温电性能测试结果

用体视显微镜对失效件进行外观检查，发现外观完整，表面标识清晰，玻璃绝缘子未见明显开裂等异常现象。对该继电器进行PIND、密封和X射线检查，结果为：PIND和密封合格；X射线检查未发现内部结构异常。

用机械方法打开失效继电器，观察继电器内部结构，结果为：继电器线圈两端引出线未见明显异常；内部未见明显的金属及非金属多余物；使用的一组常开触点动、静簧片未见明显异常，触点部位未见明显烧蚀、打火及粘连现象；且与其他组常开、常闭动静簧片比对观察未见明显差异；去掉线圈后，观察衔铁动作，也未见明显异常；继续对衔铁轴进行解剖，发现：衔铁轴表面上下相对位置有磨损、变色痕迹，且与之配合的衔铁孔对应部位也有磨损痕迹，如图1、2所示。

图1 衔铁轴磨损及氧化变色形貌

进一步对衔铁磨损、变色区进行扫描电镜及能谱分析，结果为：除含有Cu、Sn基体元素外，还含有O元素。表明衔铁磨损区已氧化变色。

根据以上检测与观察，分析得出，该继电器常开触点吸合延迟是由于该继电器衔铁轴在使用时曾出现不对中，使其瞬时延迟所致。

1.2 衔铁轴部位存在粉末多余物造成动作延迟

衔铁轴孔不对中，可以造成衔铁轴转动的摩擦力增大，导致衔铁动作延迟。如果衔铁轴与孔之间存在多余物粉末，同样可以造成衔铁轴转动的摩擦力增大，导致衔铁动作延迟。下面介绍的案例则属于此种情况。

案例2：某型号电磁继电器为延时电磁继电器。继电器在整机调试时，出现继电器动作延迟的失效现象。

对继电器进行测试，继电器动作电压、释放电压、接触电阻及延时时间等参数均满足厂家手册合格参考值范围，继电器测试合格。

继电器外观及X射线检查未见明显异常。PIND及气密性检测合格。采用机械方法启封继电器，置于显微镜下观察，结果为：继电器内部延时电路部分各焊点焊接良好，各个元器件未见明显缺陷；触点簧片装配良好，触点间未见明显拉弧打火或粘连现象；衔铁装配未见明显不对中现象；在衔铁表面及衔铁轴附近发现绿色粉末状物质，进一步拆解下衔铁轴，发现轴销表面也存在绿色粉末状物质，同时在轴销轴孔接触部位还存在粉末碾压痕迹，如图3、图4所示。

图2 衔铁孔磨损形貌

图3 上衔铁轴销表面粉末状物质

图4 下衔铁轴销表面粉末状物质

对绿色粉末状物质进行成分分析，绿色粉末主要成分为Cu、Zn、Ni、O元素。

根据以上的检测与观察，分析得出：该继电器失效可能是因为内部衔铁氧化、产生绿色粉末状氧化物，粉末掉落到衔铁轴内，影响衔铁正常转动，发生衔铁延迟的失效现象。

1.3 动作部件位置异常导致动作延迟

继电器动作延迟有时是因为继电器的动作部件（如推动杆、玻璃球等），与其它部件之间的距离太近，其它部件对动作部件的动作构成阻碍作用，导致继电器动作延迟。

案例3：某型号电磁继电器为国内某厂生产的产品。用户在使用过程中出现继电器动作延迟现象，解焊后振动，再测试后失效现象未复现。

根据厂家手册对失效电磁继电器进行常温电性能测试，失效件主要技术指标均合格，动作、释放状态正常，失效件失效现象未复现，具体测试结果见表2。

表2 主要测试结果（25 ℃）

继电器外观及X射线检查未见明显异常；PIND及气密性检测合格。用机械开封法打开管壳，使用体视显微镜对其内部结构进行观察。失效件内部簧片与上、下触点间未发现明显拉弧烧蚀痕迹；但一侧推杆玻璃球位置明显存在异常，玻璃球距上触点金属杆距离偏小，当簧片与下触点接触时，玻璃球与上触点金属杆接触摩擦。从玻璃球与簧片的接触点可见，两侧接触位置不对称，一侧接触点距上触点金属杆的距离小于玻璃球的半径，上触点金属杆侧面也可见明显的磨损痕迹，形貌如图5所示。

图5 失效继电器内部结构形貌

根据以上的检测与观察，分析得出：该继电器失效是由于玻璃球距上触点金属杆距离偏小，当玻璃球推动簧片与下触点接触时，玻璃球与上触点金属杆接触摩擦，进而可能出现暂时延迟现象，导致簧片不动作。

1.4 内部水汽严重超标导致继电器低温下动作延迟失效

继电器内部水汽含量严重超标，低温环境下，水汽在衔铁转轴部位凝露结霜，会造成衔铁转动阻力增大；水汽在触点表面凝露结霜，也导致触点接触电阻增大，两者综合作用结果，就导致继电器低温时转换时间增大。

案例4：微型密封直流保持磁继电器是国内某厂生产的产品。用户在整机试验时发现该型号1只继电器-40 ℃时转换时间实际大于1 s，产品规范里面规定继电器绕组加上转换电压为矩形脉冲时，其转换时间不大于2 ms。

对失效继电器以及委托方提供的一只参考件进行外观检查：两只继电器外观完整，表面标识清晰，继电器玻璃绝缘子周围有较厚三防漆覆盖，引脚有焊接后拆卸痕迹，未见明显松动或其他异常。对两只继电器进行PIND、密封细检检查，结果为PIND和密封细检合格。

目前我所不能进行低温转换时间测试。按照厂家手册对两只继电器进行常温电性能测试，主要检测参数均合格，检测结果见表3。

表3 电性能测试结果

用水汽含量分析仪对两只继电器进行内部水汽测量，检测结果为内部水汽含量不合格，合格判据为小于5000 ppm（0.5 %）。此外失效继电器内部氦气、氟碳化合物含量异常。详细检测结果见表4。

表4 继电器内部气氛检测结果

用机械方法打开两只继电器，观察继电器内部结构，主要结果为：继电器触点簧片未见明显异常；从内部观察玻璃绝缘子，两只继电器内部绝缘子均未见明显异常；线圈表面未见明显异常。

对两个继电器簧片继续开封，用体视显微镜和金相显微镜对簧片接触部位进行形貌观察，主要观察结果为：失效继电器一组簧片正面、背面均有较深压痕，其中正面压痕处有发黑现象；另一组簧片压痕较浅，如图6所示。参考继电器两组簧片触点部位压痕深度基本相同，未见明显发黑现象。

图6 失效继电器一组簧片正面、背面体视显微镜形貌

用扫描电子显微镜对两组继电器簧片接触部位进行成分分析，主要结果为：失效继电器触点表面发黑部位存在C、O、Mg、K、Ca、Au元素，其余部位主要含Au元素，如图7所示；参考继电器触点表面主要含Au元素，局部区域含微量C元素，如图8所示。

图7 失效继电器簧片触点发黑部位成分分析结果

图8 参考继电器触点成分分析结果

通过对失效继电器进行外观检查、PIND、密封、X射线检查、功能测试、开封及内部检查，并与参考件进行对比分析，得出：该继电器外观未见明显异常；PIND及密封细检检查合格；继电器主要电参数测试结果合格；失效件和参考件内部水汽含量测试结果不合格；开封内部检查继电器内部主要结构未见明显异常；失效继电器一组簧片存在异常磨损，表面发黑，存在沾污。

根据上述观察结果，分析认为：该继电器-40 ℃时转换时间增大，主要是由于继电器内部水汽含量严重超标，水汽露点温度提高，在触点表面凝露，导致触点电阻变大；同时触点表面存在有机物沾污，也导致触点接触电阻增大，两者综合作用影响继电器簧片导通、导致低温时转换时间增大。

2 结束语

继电器的动作延迟失效在使用过程中具有偶发性，难于复现的特点。往往出现一次后，再次启动，继电器就恢复正常。有时设备放置一段时间未加电使用，首次加电即出现动作延迟现象，再次加电继电器又恢复正常。另一方面，继电器的动作延迟有时又与继电器的安装方向，外部环境（如振动、温度）等因素有一定的关系。基于上述原因，继电器的此种失效模式给整机的故障定位和故障复现带来一定困难。虽然对继电器而言，动作延迟（或卡滞）不属于致命失效，但对整机的影响有时是很严重的，尤其对航天产品这种复杂系统，甚至可能造成整个任务失败。所以研究电磁继电器动作延迟失效模式与机理，对于制造方和使用方都具有非常重要的意义。