基于可靠性理論的交流接觸器可靠性試驗研究

一、前言

    開關(guān)電器，尤其是低壓電器，是電氣自動化設備不可缺少的元件，其可靠性至關(guān)重要。產(chǎn)品的可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下及規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力�？煽啃允钱a(chǎn)品的重要質(zhì)量特征，它不同于產(chǎn)品的功能指標及其它質(zhì)量指標。它隨時間的推移而變化，表示了產(chǎn)品的耐久性、無故障性和有效性等特征。

    隨著低壓電器產(chǎn)品容量的增大，使用的范圍也變得更為廣泛，從而導致產(chǎn)品、部件及組成的設備或系統(tǒng)發(fā)生故障的機會增加，造成的經(jīng)濟損失也在加劇。因此，提高開關(guān)電器的可靠性水平，是電器行業(yè)一個緊迫而又嚴峻的任務。在許多使用場合，用戶已不滿足于“產(chǎn)品質(zhì)量可靠”這種模糊的說法，而要求對產(chǎn)品可靠性有明確的定量指標。因此科學的建立在可靠性理論基礎(chǔ)上的可靠性試驗的方法便顯得尤為重要。作為一個范例，本文的方法同樣可用于其它電氣組件以及電氣系統(tǒng)的可靠性分析。

二、可靠性試驗方法及失效判據(jù)

    3TB40交流接觸器輔助觸頭的可靠性試驗是在多功能繼電器、接觸器可靠性微機試驗系統(tǒng)上進行的。隨機抽取某廠生產(chǎn)的16臺具有2常開和2常閉輔助觸頭的3TB40產(chǎn)品，在線監(jiān)測觸頭壓降、線圈電流和動作時間。

    （一）試驗方法

    觸頭壓降監(jiān)測是通過D/A轉(zhuǎn)換器給出觸頭壓降的門限值，將此值和實際的觸頭壓降值比較，當實際的觸頭壓降值低于門限值時，判定為觸頭接觸良好，試品的觸頭此次監(jiān)測合格。否則，判定為觸頭接觸不良，試品的觸頭此次監(jiān)測不合格。線圈電流監(jiān)測首先通過電阻將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后與D/A轉(zhuǎn)換器給出觸頭壓降的門限值比較，得出線圈電流的監(jiān)測結(jié)果。試品的吸合時間和復位時間監(jiān)測是通過8253定時器定時，給出試品吸合時間和復位時間的標準門限值，當標準時間門限值到時，定時器計數(shù)脈沖歸零，并發(fā)出信號，計算機接到信號后發(fā)出命令，監(jiān)測觸頭壓降。若觸頭壓降合格，判為試品吸合時間或復位時間合格，否則，判為試品吸合時間或復位時間長。

    （二）試驗條件

    每個輔助觸頭回路施加24V直流電壓，串接240Ω電阻，即輔助觸頭回路的電流大約 100mA。連續(xù)試驗的操作頻率為7200次/小時。

    試驗截止時間位30萬次，是一次定時截尾的壽命試驗。

    （三）失效判據(jù)

    多功能繼電器、接觸器可靠性微機試驗系統(tǒng)在線監(jiān)測觸頭壓降、線圈電流和動作時間。將監(jiān)測結(jié)果與失效判據(jù)（標準的門檻值）比較，給出試品此次是否合格的結(jié)論。

三、試驗結(jié)果及失效分析

    （一）失效分析

    當產(chǎn)品的壽命服從指數(shù)分布時，其失效率估算有二種方法：

    點估計法 λ=γ/T

    失效率按下式估算：式中，T—總試驗時間（次數(shù)） γ—試驗過程中試品失效數(shù) 　　　

    在無替換定時截尾壽命試驗中，總試驗時間為：式中，n—試品總數(shù) ti—第i臺試品的失效時間（次數(shù)）t0—試驗截止時間 　　　　　　　　　

    （二）區(qū)間估計法

    區(qū)間估計有兩種形式：單邊估計和雙邊估計。對于單邊估計，失效率的估計區(qū)間為：

    λL=00式中，X20?6（2γ＋2）—自由度為2γ＋2，置信度為0.6（1－α=0.6）的X2分布下的下側(cè)分位數(shù)對于雙邊估計，失效率的估計區(qū)間為：式中，X20.2（2γ）—自由度為2γ，置信度為0.2（α/2=0.2）的X2分布下的上側(cè)分位數(shù)
X20.8（2γ＋2）—自由度為2γ＋2，置信度為 0.8（1－α/2=0.8）的X2分布下的   

    （三）下側(cè)分位數(shù)

    對于指數(shù)分布，失效率估算出來以后，其它特征量即可求出：

    可靠度：R（t）=e－μλt　　　　　

    平均壽命：可靠壽命：中位壽命：　　　　　　　　　

    將試驗的結(jié)果數(shù)據(jù)代入式（1）～（10），得到了3TB40交流接觸器的可靠性特征量，見表5。同時，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，用威布爾概率估算其形狀參數(shù)m，得m=0.95≈1.0。故可認為其壽命失效服從指數(shù)分布，用指數(shù)分布估算其可靠性特征量是有效的。

    （四）失效機理

    試驗結(jié)果可知，試品的失效模式只有一種，即觸頭的接觸失效。由此可見：

    1．3TB40交流接觸器的電磁機構(gòu)可靠性水平較高，動作時間沒有超標，機構(gòu)沒有發(fā)生故障。

    2．3TB40交流接觸器的輔助觸頭出現(xiàn)多次接觸失效。這是因為在試驗過程中，觸頭負載電壓為直流24V，電流100mA。電流低于銀觸頭的起弧電流，故在通電過程中不會形成電弧放電。由于輔助觸頭在空氣中的氧化，使得輔助觸頭的膜電阻Rj增大，導致接觸壓降增大，觸頭出現(xiàn)了接觸失效。

    3．輔助觸頭的接觸失效可能是材質(zhì)缺陷造成的。由表2可知，第七個試品的第二個常開觸頭（即7.2K）在44796～123215次范圍內(nèi)，故障類型均為接觸故障三檔。其形成機理可能是膜電阻，也可能是觸頭材料中的雜質(zhì)或材質(zhì)不均所引起的。又如15 2B，接觸壓降不穩(wěn)定，這也反映了接觸壓降Rj很不穩(wěn)定。

    4．在試驗過程中發(fā)現(xiàn)，有故障的觸頭，歷經(jīng)104次通斷后，故障消失，或故障出現(xiàn)的頻數(shù)大大地減小。這一現(xiàn)象可能是由于通斷過程中的機械沖擊力和火花放電（輝光放電）清理了觸頭表面無機膜、塵埃膜和表面雜質(zhì)等。尤其是機械力和電熱效應使觸頭表面得以調(diào)質(zhì)處理，使觸頭在機械加工過程中形成的表面應力得以消除或改善，提高了導熱能力，改善了表面接觸情況，使接觸電阻下降。

四、結(jié)論

    本文介紹了3TB－40交流接觸器輔助觸頭的可靠性試驗方法及失效判據(jù)。通過試驗監(jiān)測的結(jié)果，對其可靠性進行了試驗研究，給出了可靠性的特征指標。找出了影響產(chǎn)品可靠性指標的主要因素。對產(chǎn)品的失效機理進行了探討。為接觸器的可靠性設計提供參考。針對此批3TB－40交流接觸器輔助觸頭，得出以下結(jié)論：

    1．產(chǎn)品的壽命失效分布服從規(guī)律指數(shù)分布；

    2．電磁機構(gòu)可靠性水平較高。動作時間沒有超標，機構(gòu)沒有發(fā)生故障；

    3．輔助觸頭出現(xiàn)多次接觸失效。主要是輔助觸頭的膜電阻Rj大、輔助觸頭的材質(zhì)有缺陷造成的；

    4．機械力和電熱效應會使觸頭表面得以調(diào)質(zhì)處理，改善了表面接觸情況，使接觸電阻下降.

相關(guān)閱讀:

• ...2011/10/21 15:42·基于可編程邏輯控制器和觸摸屏的搶答器設計
• ...2011/09/14 13:14·基于可編程控制器多諧振蕩器的設計與分析
• ...2011/08/26 11:51·基于可編程邏輯的便攜式設備多節(jié)鋰聚合物電池管理
• ...2009/07/14 14:49·基于可編程邏輯的便攜式設備多節(jié)鋰聚合物電池管理