基于可靠性理论的交流接触器可靠性试验研究

一、前言

    开关电器，尤其是低压电器，是电气自动化设备不可缺少的元件，其可靠性至关重要。产品的可靠性是指产品在规定的条件下及规定的时间内完成规定功能的能力。可靠性是产品的重要质量特征，它不同于产品的功能指标及其它质量指标。它随时间的推移而变化，表示了产品的耐久性、无故障性和有效性等特征。

    随着低压电器产品容量的增大，使用的范围也变得更为广泛，从而导致产品、部件及组成的设备或系统发生故障的机会增加，造成的经济损失也在加剧。因此，提高开关电器的可靠性水平，是电器行业一个紧迫而又严峻的任务。在许多使用场合，用户已不满足于“产品质量可靠”这种模糊的说法，而要求对产品可靠性有明确的定量指标。因此科学的建立在可靠性理论基础上的可靠性试验的方法便显得尤为重要。作为一个范例，本文的方法同样可用于其它电气组件以及电气系统的可靠性分析。

二、可靠性试验方法及失效判据

    3TB40交流接触器辅助触头的可靠性试验是在多功能继电器、接触器可靠性微机试验系统上进行的。随机抽取某厂生产的16台具有2常开和2常闭辅助触头的3TB40产品，在线监测触头压降、线圈电流和动作时间。

    （一）试验方法

    触头压降监测是通过D/A转换器给出触头压降的门限值，将此值和实际的触头压降值比较，当实际的触头压降值低于门限值时，判定为触头接触良好，试品的触头此次监测合格。否则，判定为触头接触不良，试品的触头此次监测不合格。线圈电流监测首先通过电阻将电流信号转换为电压信号，然后与D/A转换器给出触头压降的门限值比较，得出线圈电流的监测结果。试品的吸合时间和复位时间监测是通过8253定时器定时，给出试品吸合时间和复位时间的标准门限值，当标准时间门限值到时，定时器计数脉冲归零，并发出信号，计算机接到信号后发出命令，监测触头压降。若触头压降合格，判为试品吸合时间或复位时间合格，否则，判为试品吸合时间或复位时间长。

    （二）试验条件

    每个辅助触头回路施加24V直流电压，串接240Ω电阻，即辅助触头回路的电流大约 100mA。连续试验的操作频率为7200次/小时。

    试验截止时间位30万次，是一次定时截尾的寿命试验。

    （三）失效判据

    多功能继电器、接触器可靠性微机试验系统在线监测触头压降、线圈电流和动作时间。将监测结果与失效判据（标准的门槛值）比较，给出试品此次是否合格的结论。

三、试验结果及失效分析

    （一）失效分析

    当产品的寿命服从指数分布时，其失效率估算有二种方法：

    点估计法 λ=γ/T

    失效率按下式估算：式中，T—总试验时间（次数） γ—试验过程中试品失效数 　　　

    在无替换定时截尾寿命试验中，总试验时间为：式中，n—试品总数 ti—第i台试品的失效时间（次数）t0—试验截止时间 　　　　　　　　　

    （二）区间估计法

    区间估计有两种形式：单边估计和双边估计。对于单边估计，失效率的估计区间为：

    λL=00式中，X20?6（2γ＋2）—自由度为2γ＋2，置信度为0.6（1－α=0.6）的X2分布下的下侧分位数对于双边估计，失效率的估计区间为：式中，X20.2（2γ）—自由度为2γ，置信度为0.2（α/2=0.2）的X2分布下的上侧分位数
X20.8（2γ＋2）—自由度为2γ＋2，置信度为 0.8（1－α/2=0.8）的X2分布下的   

    （三）下侧分位数

    对于指数分布，失效率估算出来以后，其它特征量即可求出：

    可靠度：R（t）=e－μλt　　　　　

    平均寿命：可靠寿命：中位寿命：　　　　　　　　　

    将试验的结果数据代入式（1）～（10），得到了3TB40交流接触器的可靠性特征量，见表5。同时，根据试验数据，用威布尔概率估算其形状参数m，得m=0.95≈1.0。故可认为其寿命失效服从指数分布，用指数分布估算其可靠性特征量是有效的。

    （四）失效机理

    试验结果可知，试品的失效模式只有一种，即触头的接触失效。由此可见：

    1．3TB40交流接触器的电磁机构可靠性水平较高，动作时间没有超标，机构没有发生故障。

    2．3TB40交流接触器的辅助触头出现多次接触失效。这是因为在试验过程中，触头负载电压为直流24V，电流100mA。电流低于银触头的起弧电流，故在通电过程中不会形成电弧放电。由于辅助触头在空气中的氧化，使得辅助触头的膜电阻Rj增大，导致接触压降增大，触头出现了接触失效。

    3．辅助触头的接触失效可能是材质缺陷造成的。由表2可知，第七个试品的第二个常开触头（即7.2K）在44796～123215次范围内，故障类型均为接触故障三档。其形成机理可能是膜电阻，也可能是触头材料中的杂质或材质不均所引起的。又如15 2B，接触压降不稳定，这也反映了接触压降Rj很不稳定。

    4．在试验过程中发现，有故障的触头，历经104次通断后，故障消失，或故障出现的频数大大地减小。这一现象可能是由于通断过程中的机械冲击力和火花放电（辉光放电）清理了触头表面无机膜、尘埃膜和表面杂质等。尤其是机械力和电热效应使触头表面得以调质处理，使触头在机械加工过程中形成的表面应力得以消除或改善，提高了导热能力，改善了表面接触情况，使接触电阻下降。

四、结论

    本文介绍了3TB－40交流接触器辅助触头的可靠性试验方法及失效判据。通过试验监测的结果，对其可靠性进行了试验研究，给出了可靠性的特征指标。找出了影响产品可靠性指标的主要因素。对产品的失效机理进行了探讨。为接触器的可靠性设计提供参考。针对此批3TB－40交流接触器辅助触头，得出以下结论：

    1．产品的寿命失效分布服从规律指数分布；

    2．电磁机构可靠性水平较高。动作时间没有超标，机构没有发生故障；

    3．辅助触头出现多次接触失效。主要是辅助触头的膜电阻Rj大、辅助触头的材质有缺陷造成的；

    4．机械力和电热效应会使触头表面得以调质处理，改善了表面接触情况，使接触电阻下降.

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