(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽,550009)

1 引言

在裝備制造業(yè)中，對電路系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換開關的性能要求日益提高，轉(zhuǎn)換開關的主要功能是實現(xiàn)電路系統(tǒng)中某一節(jié)點的導通與切斷之間的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換開關工作的可靠性直接影響著整個裝備電路系統(tǒng)的功能。本文所述分離開關屬于多觸點組的轉(zhuǎn)換開關，該型開關在工作時要求能夠瞬間復位，多組觸點轉(zhuǎn)換一致，接觸可靠。

2 故障現(xiàn)象

某型彈在進行全彈溫循試驗(高溫60℃、4h，低溫-40℃、4h，變化率3℃/min)過程的低溫(-40℃)時，出現(xiàn)拔下分離開關的保險銷后，分離開關的轉(zhuǎn)換信號延遲10s后才導通的故障現(xiàn)象，后續(xù)再進行測試時，延遲導通的故障現(xiàn)象不再復現(xiàn)。開關編號：25#。

3 定位準確

3.1 故障復現(xiàn)

按壓開關推動桿使其達到全工作行程后釋放，目視觀察推動桿復位速度偏慢，說明開關確實存在轉(zhuǎn)換信號延遲的故障。

3.1.1 故障復現(xiàn)試驗

本次采用1只功能正常的開關(23#)與故障件(25#)同時開展故障復現(xiàn)試驗：

(1)開關保持壓緊狀態(tài)，開展溫循試驗(高溫+60℃、低溫-40℃)，并分別在以下規(guī)定時機測試轉(zhuǎn)換時間：試驗前測試、高溫60℃保溫4h后測試、低溫-40℃，保溫4h后測試，測試結(jié)果見表1。

(2)開關保持壓緊狀態(tài)，加嚴溫循試驗條件(高溫+60℃、低溫-50℃)，并分別在以下規(guī)定時機測試轉(zhuǎn)換時間：試驗前測試、高溫60℃保溫4h后測試、低溫-50℃，保溫4h后測試，測試結(jié)果見表1。

從表1的測試結(jié)果可以看出，25#開關的轉(zhuǎn)換時間大于23#開關，并且兩只開關轉(zhuǎn)換時間的變化趨勢均表現(xiàn)為低溫狀態(tài)大于高溫狀態(tài)，高溫狀態(tài)大于常溫狀態(tài)。加嚴試驗條件后兩次溫循的試驗結(jié)果基本一致，數(shù)據(jù)變化趨勢相同。

(3)改變溫度條件，測試開關全行程(7.5mm)力，測試結(jié)果如下表3；

表1 故障復現(xiàn)試驗(轉(zhuǎn)換時間測試記錄)

表2 故障復現(xiàn)試驗(全行程力測試記錄)

從表3的測試結(jié)果看：25#開關的全行程力大于23#開關，并且兩只開關全行程力的變化趨勢均表現(xiàn)為隨著溫度的降低，全行程力逐漸變大。

3.1.2 故障復現(xiàn)試驗結(jié)論

通過23#(正常開關)和25#(故障件)兩只開關的對比試驗得出以下結(jié)論：

(1)開關的轉(zhuǎn)換時間未出現(xiàn)長達10s的延遲，但延遲時間隨著溫度的降低逐漸增加；

(2)開關的全行程力受溫度環(huán)境的影響，溫度越低，全行程力越大。

3.2 故障定位

3.2.1 故障定位試驗

為了確定故障原因，兩只開關均進行拆殼及相關測試試驗。

(1)改變溫度條件，測試同批次彈簧力，測試結(jié)果如下表3；

表3 故障定位試驗(彈簧力測試記錄)

表3的測試結(jié)果說明彈簧力沒有隨溫度的降低而發(fā)生明顯變化。

(2)改變溫度條件，測試推動桿與密封圈之間的摩擦力，測試結(jié)果如下表4；

表4 故障定位試驗(摩擦力測試記錄)

表4的測試結(jié)果說明推動桿與密封圈之間的摩擦力隨溫度的降低而增大，溫度越低摩擦力越大。

(3)改變溫度條件，測試動、靜接觸系統(tǒng)的插拔力，測試結(jié)果如下表5；

表5的測試結(jié)果說明動插拔力沒有隨溫度的降低而發(fā)生明顯變化。

(4)常溫下測試緊固螺釘?shù)臄Q緊程度與推動桿和密封圈間摩擦力的關系，測試結(jié)果如下表6；

表5 故障定位試驗(插拔力測試記錄)

表6 螺釘擰緊程度對摩擦力的影響測試記錄

從表6的測試結(jié)果看，緊固螺釘?shù)乃删o程度不同，密封圈和推動桿之間的摩擦力不同。隨著螺釘?shù)臄Q松，密封圈擠壓變形量逐漸變小，與推動桿間的摩擦力隨之減小。25#開關與23#開關相比，開始階段摩擦力變化不是很明顯；當螺釘松開一定程度時，變化急劇增大，說明25#開關密封圈擠壓變形量大于23#開關。

(5)分別將23#和25#開關各自的動接觸系統(tǒng)分別裝入各自的外殼方形導向腔內(nèi)，分別在-40℃和-50℃保溫4h，保溫后動接觸系統(tǒng)在自身重力的作用下，能夠在導向腔內(nèi)自由滑動，無卡涉現(xiàn)象。說明動接觸系統(tǒng)與外殼型腔內(nèi)壁之間的摩擦力沒有隨溫度的降低而出現(xiàn)增大的現(xiàn)象。

3.2.2 試驗結(jié)論

通過兩只開關故障復現(xiàn)試驗和故障定位試驗測試數(shù)據(jù)的對比分析，動、靜接觸系統(tǒng)的插拔力、彈簧力及動接觸系統(tǒng)與外殼的摩擦力并沒有隨溫度的降低而發(fā)生明顯變化，而推動桿與密封圈間的摩擦力隨溫度的降低而增大，溫度越低摩擦力越大。特別是25#開關，由于其密封圈擠壓變形量大于功能正常的開關，以至于摩擦力達到50.81N。根據(jù)分析得出結(jié)論：由于溫度降低，推動桿與密封圈間的摩擦力逐漸增大，最終影響開關推動桿的正常復位，出現(xiàn)信號延遲的問題。

4 機理清楚

4.1 開關結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，主要由常閉系統(tǒng)、常開系統(tǒng)、動接觸系統(tǒng)、導線、推動桿、彈簧、密封圈、上蓋及外殼等組成。

圖1 開關原理結(jié)構(gòu)圖

工作過程：當推動桿按下并插入保險銷時，動接觸系統(tǒng)與常閉系統(tǒng)之間可靠斷開，與常開系統(tǒng)之間可靠接觸；當拔下保險銷時，推動桿及動接觸系統(tǒng)在彈簧恢復力的作用下快速復位，動接觸系統(tǒng)與常開系統(tǒng)之間可靠斷開，與常閉系統(tǒng)之間可靠接通，通過上述工作循環(huán)實現(xiàn)開關信號的切換功能，開關信號最終由電纜輸出。

4.2 故障樹分析(FTA)

圖2 分離開關轉(zhuǎn)換時間延遲的故障樹

4.3 摩擦力復算

開關內(nèi)部的運動部件(推動桿、動接觸系統(tǒng))與不可運動部件(上蓋、密封圈、常閉系統(tǒng)、常開系統(tǒng)和外殼)之間存在多個環(huán)節(jié)的配合。具體為：①推動桿與上蓋之間；②推動桿與密封圈之間；③密封圈放置空間；④推動桿與常閉系統(tǒng)之間；⑤動接觸系統(tǒng)與外殼之間。每個環(huán)節(jié)均可能阻礙推動桿的運動。具體配合公差計算結(jié)果如下表所示。

表7 配合公差計算結(jié)果

考慮到開關在復位過程中，開關處于垂直放置，運動部件(推動桿、動接觸系統(tǒng))對不可運動部件(上蓋、常閉系統(tǒng)和外殼)不存在正壓力作用，因此推動桿與上蓋之間、推動桿與常閉系統(tǒng)之間、動接觸系統(tǒng)與外殼之間不存在摩擦力。其存在阻礙推動桿復位的因素包括如下方面：

(1)推動桿與密封圈之間摩擦力；

(2)推動桿、動接觸系統(tǒng)自身的重力；

推動桿、動接觸系統(tǒng)為運動部件，總質(zhì)量為27.61g，遠小于彈簧的反力，約81N。故該方面的因素可以排除。

(3)動接觸系統(tǒng)與常開系統(tǒng)之間的插拔力。

試驗的結(jié)果表明，動接觸系統(tǒng)與常開系統(tǒng)之間的插拔力不會隨著溫度的降低而發(fā)生變化，因此該因素也可以排除。

通過摩擦力的復算證明在零件尺寸不超差的情況下，除密封圈與推動桿環(huán)節(jié)的摩擦力外，其他環(huán)節(jié)對開關摩擦力不構(gòu)成影響。

4.4 零件尺寸復測

本節(jié)對23#和25#各個環(huán)節(jié)的配合尺寸進行測量，測量工具采用游標卡尺，塞規(guī)。通過測量結(jié)果判斷是否存在尺寸超差而產(chǎn)生摩擦力的環(huán)節(jié)。

表8 零件尺寸復測結(jié)果

計算23#和25#開關內(nèi)部的運動部件與不可運動部件間的實際配合情況分別為：

表9 配合公差復算結(jié)果

通過計算，在零件尺寸不超差的情況下，與23#開關及同批次的復測情況相比，25#開關推動桿與密封圈間的過盈量相對較大；25#開關密封圈的放置空間相對較小。說明密封圈的放置型腔由于零部件的累積誤差導致放置型腔偏小，使得密封圈的擠壓變形量過大。

4.5 受力分析

開關按壓至全行程后，拔出保險鋼條時，根據(jù)力的平衡條件，開關的返回力F:

F=F彈-f插-f動-f閉-f密-f蓋-m總g

式中，F(xiàn)-開關壓縮至全行程(7.5mm)的力；

F彈-彈簧反力，81.4N；

f插-動接觸系統(tǒng)與常開系統(tǒng)間插拔力，10.8N；

f動-動接觸系統(tǒng)與外殼內(nèi)壁之間的摩擦力；

f閉-推動桿與常閉系統(tǒng)之間的摩擦力；

f密-推動桿與密封圈之間的摩擦力，50.81N；

f蓋-推動桿與上蓋之間的摩擦力；

m總g-可運動部件的總重力，可忽略不計。

全行程力檢測時，開關處于垂直放置，運動部件(推動桿、動接觸系統(tǒng))對不可運動部件(上蓋、常閉系統(tǒng)和外殼)不存在正壓力作用；同時，推動桿與上蓋、常閉系統(tǒng)及常開系統(tǒng)之間、動接觸系統(tǒng)與外殼型腔之間均為間隙配合。因此，上式中的：f動、f閉、f蓋為0，計算得F=19.8N。

圖3 開關復位過程的受力情況

根據(jù)開關復位運動的受力分析判斷，當復位瞬間，彈簧反力F彈為最大值時開關返回力為19.8N；復位過程中，彈簧反力F彈逐漸減小，摩擦力保持恒定，返回力F逐漸減小，當返回力減小至0時，開關將出現(xiàn)延遲。

結(jié)合前述的故障樹分析、摩擦力復算及受力分析，我們認為導致25#開關在低溫試驗過程出現(xiàn)信號延遲的原因是：構(gòu)成密封圈放置型腔的零部件的累積誤差，導致密封圈的放置型腔偏小，使得密封圈在裝配過程中的變形量過大，最終使推動桿與密封圈之間的摩擦力過大，在低溫試驗時，使推動桿與密封圈之間的摩擦力進一步增大，最終使開關在復位過程出現(xiàn)信號延遲的問題。

5 故障復現(xiàn)

采用密封圈放置型腔偏小的部件重新裝配開關，裝配過程控制推動桿與密封圈的摩擦力為27N，低溫-40℃時兩者的摩擦力為53N。開關在低溫-40℃條件下進行故障復現(xiàn)試驗，開關出現(xiàn)拔下保險銷后，轉(zhuǎn)換信號延遲23s才導通的現(xiàn)象。

6 措施有效

優(yōu)化開關的裝配工序，增加密封圈與推動桿間的摩擦力控制要求，通過驗證摩擦力控制范圍為4N～10N時開關既可以保證密封效果又可以保證瞬間復位。

7 結(jié)論

通過裝配工序優(yōu)化，分離開關的轉(zhuǎn)換時間達到了設計要求。工序改進后的分離開關進行低溫試驗時轉(zhuǎn)換時間延遲的問題得以解決。本次分離開關延遲時間失效問題的機理清楚，原因分析正確。

參考資料：

[1] 趙九江等.材料力學.哈爾濱工業(yè)大學出版社，1995.