控制继电器的可靠性.docx
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控制继电器的可靠性
第7章控制继电器的可靠性指标与考核方法（样章3）
控制继电器是一种量大面广的基础电器元件，广泛用于机械、电子、航天航空、铁道、邮电、电力等各个部门。
一个大型设备或系统中一般都使用了不少继电器，为了保证设备或系统具有较高的可靠性，作为设备或系统中主要基础元件之一的控制继电器必须有很高的可靠性，所以控制继电器的可靠性已受到国内外普遍重视，不少国家（如美、日等国）均已制定了有可靠性指标的继电器标准。
1可靠性指标
为了统一继电器的可靠性考核方法，进一步推动我国继电器可靠性工作的开展，根据国家技术监督局下达的国家标准制订计划，由原机械工业部北京电工综合技术经济研究所和河北工业大学负责，上海电器科学研究所、成都机床电器研究所、许昌继电器研究所参加，共同制订了国家标准GB/T15510-1995“控制用电磁继电器可靠性试验通则”。
在这份国家标准中，规定控制继电器以其失效率高低来划分其可靠性等级，其失效率等级的名称、符号及每个等级的最大失效率如表4.7-1所示。
表4.7-1控制继电器失效率等级符号及其最大失效率
失效率等级名称
失效率等级符号
最大失效率max（1/10次）
亚五级
Y
3105
五级
W
1105
六级
L
1106
七级
Q
1107
由于采用失效率等级作为控制继电器的可靠性指标，所以其可靠性验证试验也称失效率试验。
2试验要求
2.1环境条件
1）一般情况下，试验应在GB2423《电工电子产品基本环境试验规程》规定的试验时的标准大气条件下进行。
即
温度15~35C
相对湿度45%~75%
大气压力86~106kPa
试验应在试验的标准大气条件中放置足够的时间（不少于8h），以使试品达到热平衡。
2）试验环境应注意避免灰尘和其他污染。
2.2安装条件
1）试品应安装在正常使用位置。
2）试品应安装在无显著冲击和振动的地方。
3）试品安装面与垂直面的倾斜度应符合产品标准的规定。
2.3试验电源条件
1）交流电源应为频率等于50Hz的正弦波电源，其容许偏差为
a）波形畸变因数不大于5%。
b）频率偏差为5%。
2）直流电源可采用发电机、蓄电池或稳压电源，若试验时不会影响产品性能，则可以采用三相全波整流电源，但其纹波分量应满足规定：
即峰值与谷值之差和直流全量之比值不大于6%。
3）试验过程中，当触点接通负载时，试验电源电压的波动相对于空载电压而言应不大于5%。
2.4负载条件
1）负载电源可为直流电源或交流电源，一般情况下，推荐采用直流电源。
2）负载可为阻性负载、感性负载、容性负载或非线性负载，一般情况下，推荐采用阻性负载（交流时cos=0.9~1.0，直流时L/R1ms）。
3）一般情况下，试验时触点电路电源电压UN应采用24V或产品标准中规定的触点最低直流额定电压值。
4）一般情况下，试验时触点电路负载电流IC的数值可采用额定电流或下列值：
2类触点（触点额定电压为5~250V，触点额定电流为0.1~1A的触点）：
100mA；
3类触点（触点额定电压为5~600V，触点额定电流为0.1~100A的触点）：
1A。
2.5激励条件
1）试验时，试品应以输入激励量的额定值进行激励。
2）每小时的循环次数：
试验时试品每小时的循环次数应不低于产品标准中规定的额定值，为缩短试验时间，在不影响试品正常动作与释放的条件下，试品每小时的循环次数可以高于产品标准中规定的额定值，其数值可从6，30，600，1200，1800，3600，7200，12000，18000，36000中选取。
3）负载比（负载因数）应从下列推荐数值，即15%，25%，33%，40%，50%，60%中选取。
3试验方法
3.1试品的准备
为满足产品寿命服从指数分布的假设，应采用筛选的方法来剔除早期失效的产品，所以试品应从稳定的工艺条件下批量生产并经过筛选的合格产品中随机抽取。
为了避免试验过分复杂，推荐采用常温（15~35C）下运行筛选。
筛选条件应是运行次数为5000次；激励条件、触点电路电源电压UN及触点电路负载电流与前面所示的试验要求相同。
3.2试品的检测
3.2.1试验前检测
试验前先对试品进行开箱检测，检查试品的零部件有无运输引起的损坏、断裂，剔除零部件损坏的试品，并按规定补足试品数。
剔除掉的试品不计入相关失效数r内。
3.2.2试验过程中检测
一般情况下，在试品每次循环的“接通”期的40%时间内与“断开”期的40%时间内，应监测试品的所有触点，监测闭合触点的接触压降及断开触点间的电压。
试验过程中不允许对产品进行清理和调整。
3.2.3试验后检测
一般情况下，试验后应对所有未失效试品的下列项目进行检查。
1）外观检查。
2）动作电压。
3）释放电压。
4）接触电阻。
5）绝缘电阻。
6）介质耐压。
7）吸合时间。
8）释放时间。
9）回跳时间。
10）线圈电阻。
3.3失效判据
当出现下列任意一种情况时，即认为该试品失效。
1）闭合触点的接触压降Uj超过下列极限值Ujm。
a.负载电流为额定电流时，接触压降的极限值Ujm为触点电路电源电压UN的5%或10%。
b.负载电流为100A或1A时，接触压降的极限值Ujm见表4.7-2。
表4.7-2触点接触压降的极限值Ujm
触点电路负载电流IC（mA）
触点接触压降的极限值Ujm（V）
100
0.5
1000
1.0
2）断开触点间的电压UC低于极限值Ucx，一般情况下，Ucx应为触点电路电源电压的90%。
3）触点发生熔接或其他形式的粘接。
4）触点燃弧时间超过0.1s。
5）继电器线圈通电时不动作。
6）继电器线圈断电时不返回。
7）试品零部件有破坏性损坏，连接导线及零部件松动。
8）试品在试验后检测中，任一项目的检测结果不符合产品标准的规定。
4可靠性验证试验的抽样方案及试验程序
4.1可靠性验证试验的抽样方案
继电器的可靠性验证试验（失效率试验）应在实验室进行，一般情况下，继电器的可靠性验证试验（失效率试验）推荐采用定时或定数截尾试验。
继电器的可靠性验证试验（失效率试验）分为定级试验、维持试验与升级试验。
定级试验是指为首次确定产品的失效率等级而进行的试验，或在某一失效率等级的维持试验或升级试验失败后，对产品重新确定其失效率等级而进行的试验。
维持试验是指为证明产品的失效率等级仍不低于定级试验或升级试验后所确定的失效率等级而进行的试验。
升级试验是指为证明产品的失效率等级比原定的失效率等级更高而进行的试验。
抽样方案的确定方法：
对于寿命服从单参数指数分布，无替换的定数截尾寿命试验为：
有
个试品进行寿命试验，到第
个试品失效时停止试验，其寿命数据为
，
，…，
。
寿命服从单参数指数分布时，可得：
（4.7-1）
图4.7-1
与
间的关系
其中
与
间的关系可用图4.7-1表示：
就等于自由度为
的
分布的
下侧分位点
。
由公式（4.7-1）求得的
值即为表4.7-3所示的故障率验证试验方案中的截尾时间
。
对于不同的
值，可求得相应的
值，从而可得出表4.7-3。
其中定级试验和升级试验的置信度取为0.9，维持试验的置信度取0.6。
表4.7-3定级试验和升级试验的抽样方案
允许失效
截尾时间数AC
TC（106次）
失效率等级
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
YW
0.768
1.30
1.77
2.23
2.66
3.09
3.51
3.92
4.33
4.74
W
2.30
3.89
5.32
6.68
7.99
9.27
10.53
11.77
13.3
14.21
L
23.0
38.9
53.2
66.8
79.9
92.7
105.3
117.7
130.0
142.1
Q
230
389
532
668
799
927
1053
1177
1300
1421
表4.7-4维持试验的抽样方案
失效率
等级
最大的维持周期（月）
AC=0
AC=1
AC=2
AC=3
AC=4
AC=5
AC=6
AC=7
AC=8
AC=9
YW
6
0.308
0.673
1.03
1.39
1.75
2.10
2.45
2.80
3.15
3.50
W
6
0.916
2.02
3.10
4.18
5.25
6.30
7.35
8.40
9.44
10.5
L
12
9.16
20.2
31.0
41.8
52.5
63.0
73.5
84.0
94.4
105
Q
24
91.6
202
310
418
525
630
735
840
944
1050
4.2可靠性验证试验的程序
4.2.1定级试验
定级试验的程序如下：
1）选定失效率等级，首次定级试验一般应选失效率等级为YW或W级。
2）选定允许失效数AC和截尾失效数
，推荐在2~5的范围内选择AC，不推荐选择AC=0。
3）根据选定的失效率等级和AC，由表4.7-3查截尾时间TC。
4）选定试品的试验截止时间tz，tz应不超过产品标准中规定的电寿命次数，但不得低于105次。
5）根据TC、AC及tz由下式确定试品数n，即
应注意，试品数n一般不得小于10。
6）从批量生产并经过筛选的合格产品中随机抽取n个试品，供抽样的产品数量应不小于试品数n的10倍。
7）按本章试验方法中的规定进行试验与检测。
8）统计相关失效数r及失效试品的相关试验时间（失效发生时间），对试验后检测出的相关失效试品，其相关试验时间按试验结束时的时间计算。
9）统计累积相关试验时间T。
10）试验结果判定。
当相关失效数r未达到截尾失效数rc（即rAc），而累积相关试验时间T达到或超过了截尾时间TC，则判为试验合格（接收）；当累积相关试验时间T未达到截尾时间TC，而相关失效数r达到或超过了截尾失效数rc（r>Ac），则判为试验不合格（拒收）。
4.2.2维持试验
定级试验合格的产品，一般情况下，应按表4.7-4中规定的维持周期进行该等级的维持试验，维持试验按下列程序进行。
1）选定允许失效数Ac。
2）根据产品已试验合格的失效率等级及选定的允许失效数，由表4.7-4查出截尾时间Tc。
3）选定试品的试验截止时间tz（其方法与定级试验时相同）。
4）确定试品数n（其方法与定级试验时相同）。
5）抽取试品（其方法与定级试验时相同）。
6）按本章试验方法中的规定进行试验与检测。
7）统计相关失效数r及各失效试品的相关试验时间（其方法与定级试验时相同）。
8）统计累积相关试验时间T。
9）试验结果判定（其方法与定级试验时相同）。
10）若维持试验合格，则应继续按规定的维持周期进行下一次维持试验；若维持试验不合格，则应重新进行定级试验，以确定其失效率等级。
11）重新确定失效率等级时，应将该产品从首次定级试验起的全部试验数据（包括维持试验不合格的数据）进行累计，根据累计的相关失效数及累积的相关试验时间，由表4.7-3确定产品的失效率等级。
4.2.3升级试验
定级试验合格的产品可继续进行升级试验。
升级试验的数据可从定级试验和维持试验的试品进行延长试验以及为升级试验投入的试品进行试验得出。
升级试验按下列程序进行。
1）选定待升的失效率等级（一般比原定的等级高一级）。
2）选定允许失效数AC。
3）根据选定的失效率等级及允许失效数由表4.7-3查出截尾时间TC。
4）根据TC确定延长试验的时间以及为升级试验投入的试品数和试验时间。
5）抽取试品（其方法与定级试验时相同）。
6）按规定进行试验与检测。
7）统计相关失效数r及累积相关试验时间T。
8）试验结果判定（其方法与定级试验时相同）。
9）若升级试验合格，则应按规定的维持周期进行该等级的维持试验，若升级试验不合格，则应重新进行定级试验，以确定其失效率等级。
10）重新确定失效率等级时，应将该产品的全部试验数据进行累计，根据累计的相关失效数及累积的相关试验时间由表4.7-3确定产品的失效率等级。
5可靠性试验装置
继电器可靠性试验装置应能执行国家标准GB/T15510-1995“控制用电磁继电器可靠性试验通则”，通常采用微机进行控制与检测。
5.1试验装置的技术性能
对于控制继电器的可靠性试验来说，其总试验时间是相当长的。
因此，要采用多台试品多触点同时进行试验的方法，试验装置具有多路输出与多路输入。
试验进行时，可以对试品每次动作均监测其所有闭合触点的接触压降及所有断开触点间的电压，以鉴别触点是否发生接触压降过大或触点间发生桥接、粘接、绝缘电阻过低等故障。
另外，考虑到某些标准中规定的考核方法，装置在试品的每次动作时，还可以考核其吸合时间和释放时间是否超过规定值。
对接触压降、短开触点间的电压、吸合时间、释放时间进行连续性监测。
此外，试验装置在试验过程中应能对电磁继电器的吸合电压、释放电压自动地进行定期测量，每次测量的时间间隔是可以任意调节的，对于接触电阻的具体数值也可以定期测量。
试验结束后，检测试品的绝缘电阻、介质耐压等，可利用常规试验设备一次性测试。
发生失效时，装置可以记录失效的试品编号、失效发生的时间和失效模式并整理数据输出报警。
试验的初始参数，如判断接触压降过大的门限电压、吸合时间的门限值、试验总次数等各种参数值均可通过键盘输入主机，并且在试验过程中可以随时由键盘修改调整。
为了使试验能更加灵活地进行，若试验过程中发生失效，装置可根据输入的控制参数判断试验是否应停止。
试验装置的其他功能还有整定试验操作频率、意外断电后不丢失数据等。
断电后如恢复供电，本装置有自起动和由操作人员人工起动两种方法，无论采用哪种方法都不破坏已产生的数据，已进行的试验次数也会连续计算下去。
对于试品的电磁系统线圈，试验装置既可以驱动直流线圈也可以驱动交流线圈，只规定被驱动线圈的电压最大值（通常这个最大值可达1000V），只要用户加到试品线圈上的电压不超过此值，试验装置便可以进行通断线圈的操作，对试品触点的型式（常开、常闭、转换等）均无限制。
5.2试验装置的硬件设计
对试验装置来说，除要求高度可靠外，还应有一些分析处理能力，能很方便地完成各种试验以及完成继电器失效的类型判断、打印、报警等。
微处理机本身的可靠性一般是相当高的，因而外围设备的选择是显得十分重要了。
为了进一步提高整个装置的可靠性，可选用较为成熟的模块线路。
同时还应考虑到装置的价格不致太高，对主机的选用不必强调其运算能力，而应当首先选用面向控制的工业控制计算机。
其中较为完善的是STD-BUS总线模块式工业控制计算机。
STD-BUS总线全称为工业控制标准总线，而以此标准设计制造的各种计算机模块，便称为STD-BUS总线模块。
装置的原理框图如图4.7-1所示。
下面简述硬件各部分的原理。
图4.7-1继电器可
靠性试验装置的硬件框图
5.2.1主机
主机采用功能较为完善的微处理机系统。
严格地说，主机并不是STD-BUS总线模块，而是一个带有STD-BUS接口的微机系统。
这样可保持主机的完整功能和灵活配接。
利用编在主机内存储器的程序（此程序是固化在主机内存储器的），按规定的试验方法，使各种模块板协调工作，即可完成可靠性试验工作。
主机本身直接控制着显示器、打印机及键盘设备，在其内部也配有计时器硬件。
所以所有试验中得到的数据以及试验的进行情况均可显示出来。
操作人员可通过键盘控制试验的参数、安排试验。
借助于键盘，也可进行一些特殊的试验，试验的数据可以直接输出，供高级计算机进行数据分析，也可稍加分析和处理后在打印机上打印输出，供操作人员分析。
主机一般不进行数理统计之类较为复杂的数学运算。
5.2.2数模转换板
数模（D/A）转换板把主机送来的数字量转换成模拟量。
经过功率放大后，变成足以驱动多台试品（继电器）线圈的模拟电压，此电压通常为线圈的额定电压，以完成线圈的通电，当数模转换器输出电压为零时，线圈断电，在需要测量试品的吸合电压时，主机送到数模转换板的是连续增加的数字量，并应符合试验加压方法的要求。
而加在线圈上的模拟电压也就成了符合规定加压波形的电压了，同时主机还在每一次升压之间不断地测量线圈两端的电压和检测相应触点的闭合情况。
这样便可测出试品的吸合电压。
当需要测量试品的释放电压时，主机送来的是一系列连续减少的数字量而不是增加的数字量，其他的过程和测量吸合电压时相仿。
需要说明的是，上述的升压、降压过程只适用于直流线圈，对于交流线圈不能简单的用放大后的模拟电压驱动，而必须采取其他的措施。
5.2.3模数转换板
模数转换板把外部的模拟电压转换成数字量，供主机测量触点的接触压降、断开触点间电压以及线圈电压。
该模块通过一个多路开关由多路模拟信号共同使用。
一般把各路触点上的电压量和各个继电器线圈上的电压量都同时送到多路开关的输入端，而是否送入模数转换板则要由主机来控制。
主机在任一时刻只选通某一路信号，通过多路开关到达模数转换板的输入端，而不需要的电压信号便被隔离在多路开关的输入端。
这样，在多对触点的电压和多台试品线圈上的电压便可进行分时转换了。
同时被测触点的对数一般在40~120对较好。
触点对数太多时将影响试验的操作频率；触点对数太少时会使试验不得不分成许多批来做，这两种情况均会影响试验速度。
对于试品的台数，一般根据触点数目的多少选定。
但无论试品台数多少几乎都不影响试验的时间。
因为线圈电压是定期测量而不是每次动作都测量。
5.2.4扩展外存
扩展外存的作用是存储大量的试验数据，主要以磁性记录设备为主，因为向外存储器存取数据要占用主机一定的时间，所以并不是每一个试验数据都立即送入外存储器的，而是先保存在主机的内存储器当中，当数据在内存储器中有一定量后便成批地转移到外存储器中。
外存储器是对内存储器的补充。
当试验数据不多时，一般不必使用外存储器。
通常几十万次的可靠性试验，内存储量也十分富裕了。
整个模块系统安装在专用的插座上，该插座可任意增加模块使系统的功能增加。
5.3试验装置的软件设计
程序流程图4.7-2所示。
图4.7-2程序流程图
软件的主要程序段有下列几项。
5.3.1系统初始化
1）系统自检检查存储器、打印机、各个模块是否正常工作。
2）查对试品的接线由于在一台试品上可以同时有常开、常闭及转换触点，故本装置可自动查对出任一台试品上的触点有多少对、各是什么形式的触点、这种查对的结果可以打印成表格输出，以供操作人员核对接线是否有误。
5.3.2初始参数的输入
1）由操作人员通过键盘将初始数据，如操作频率、试验总次数、接触压降的门限值等参数输入至系统的内存储器。
2）输出打印所有原始参数，供操作人员核对。
对于不合逻辑的输入（通常由操作人员的误操作造成），程序软件会筛选出，以完成纠错的任务。
3）依据初始参数完成试验系统中各部分的设定。
5.3.3线圈的加电
主机通过驱动器将额定电压加到线圈上。
考虑到试验的需要，某一试品失去继续试验的意义后（如发生了不可恢复的故障），主机将通过一个屏蔽子程序撤除该试品、这时当线圈加电时额定电压不会加到该试品的线圈上。
5.3.4线圈断电
即切断线圈的电源
5.3.5判定试品有无失效产生
1）判定所有应当闭合的触点的接触压降是否过大。
2）判定所有应当打开的触点间的电压是否过低。
3）判定每台试品的吸合时间和释放时间是否超过了规定值。
5.3.6故障处理
1）当判断出有失效发生时，该程序可分析出失效形式，输出失效发生的时间、失效触点的编号和失效试品的编号，同时将失效的数据存入内存储器备查。
2）依据输入的初始参数，决定发生失效的试品是否继续试验下去或者整个试验是否可以结束。
5.3.7定期测量
当每次动作累加到预先设定的时间后，该程序完成吸合电压、释放电压、触点压降等参数的测量工作并输出结果。
5.3.8结束程序
1）重复上面的定期测量工作。
2）整理全部数据，打印详细的试验报告。
3）发出停机信号和使有关模块复位。
5.3.9停机
在程序流程中、每个操作完成后系统处于键盘扫描状态，这就是说控制人员可正常中断程序流程，一般不会中断某项正在进行的工作。
如果确有必要，也可以通过专门的复位键使试验立即停止，无论怎样，已得到的试验结果数据均不会丢失。
程序中专门有一套消除数据的复杂操作指令，所以不会因误操作而造成数据的丢失。
（王景芹苏秀苹）
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