面向长期贮存的航天电磁继电器退化建模及失效机理研究

Aerospace electromagnetic relay (EMR) is one of the key electromechanical components used for signal transmission, load switching, circuit protection and control in "long-term storage, one shot" weapon equipment system. Its storage reliability affects not only whether the weapon system is available at any time, but also the economic losses caused by unreasonable scrap. It is still lack of the system test and rapid assessment theory and method to make aerospace EMR meet the requirements of long-term storage. This project takes aerospace EMR for an engineering example, the research content includes the following several parts. First the storage reliability test method based on performance degradation is studied and the degradation law of characteristic parameters is revealed. Second the relationship between structure parameters and material and reliability index is studied and then a mathematic model of the degradation process is set up. Third the storage degradation failure mechanism is studied, and storage degradation physical equation and the equivalent dynamics model of aerospace EMR are established. At last the storage degradation assessment methods is studied, storage degradation parameter combination forecast model is set up in order to solve the problem of rapid assessment of EMR storage life. The research content in this project is the common problems of switching device. The storage degradation model of contact and the related test and evaluation method will be established and it is of great significance for improving the storage reliability of switching device.

用于长期贮存、一次使用的武器装备系统中的航天电磁继电器，是实现信号传递、负载切换、电路保护与控制等功能的关键机电元件，其贮存可靠性既关系武器装备随时能用、可用，又关系到产品非合理报废造成的经济损失。如何使航天电磁继电器满足武器装备对其提出的长贮要求，尚缺乏系统的试验检测与快速评估的理论与方法。本项目以航天电磁继电器为工程实例，研究基于性能退化的贮存可靠性试验方法，揭示其特性参数的退化规律；研究其材料、结构参数与可靠性指标的关系，建立退化过程的数学模型；研究其贮存退化失效机理，建立航天电磁继电器贮存退化物理方程与贮存等效动力学模型；研究其贮存退化评估方法，建立航天电磁继电器贮存退化参数组合预测模型，解决电磁继电器贮存寿命的快速评估问题。本项目所研究的是开关电器的共性基础问题，拟建立的触点贮存退化模型及相关试验及评价方法对于提高开关电器的贮存可靠性具有重要的科学意义和实用价值。

航天继电器是武器装备中常见的机电元件。某些武器装备具有“长期贮存，一次使用”的特点，因此，正确预计继电器的贮存寿命，对于保障军事装备在完整寿命期内的正常使用具有重要理论意义和实用价值。目前对于航天电磁继电器这类高可靠长寿命机电元件的贮存可靠性关注较少，相关研究面临试验及检测水平不高、性能参数变化规律不明、失效模式与失效机理不清、评估与预测手段不足等一系列问题。因此，如何评估航天电磁继电器的贮存可靠性已成为亟待解决的重要问题。首先，设计并实现了航天电磁继电器贮存退化试验系统。采用交流信号激励的改进四线法和二端对法来提高小电流下的接触电阻测量精度。该测试分析系统时间参数的检测分辨率为1μs，触点接触电阻的测试分辨率为0.01mΩ。其次，对航天电磁继电器的贮存退化试验条件、试验方法、试验过程进行了探索性研究。通过航天继电器的贮存加速退化试验，得到贮存性能退化数据。得到贮存条件下继电器各性能参数随时间的变化规律。再次，从航天电磁继电器的功能、结构及贮存环境应力出发，从其传导特性的角度对继电器的贮存失效机理进行了分析，建立了退化物理方程。采用SEM试验及EDX分析方法，定期对继电器触点进行微观形貌及化学成分变化分析，为继电器贮存失效机理分析提供依据。根据扩散理论，通过三维菲克方程建立了航天电磁继电器的基于腐蚀膜的接触电阻增长模型。最后，利用多种智能算法对航天电磁继电器的贮存寿命预测方法进行了研究。建立了航天继电器贮存退化参数的G-ANN模型，并对接触电阻实测值进行了参数预测，结果表明短时预测精度较高。建立了基于支撑向量机（SVM）的退化参数预测模型，对接触电阻的实测值进行了预测。从预测结果分析来看，其训练样本以及预测样本的拟合度较高。借助于Gamma随机过程的方法研究贮存退化过程，建立退化模型，利用极大似然法估计模型参数，得到继电器各应力下的寿命分布。研究中还探讨了果蝇算法优化的神经网络预测模型及综合考虑结合Bootstrap抽样和MCMC方法的贝叶斯零失效贮存寿命评估方法在航天电磁继电器贮存可靠性研中的应用。.