孫凱革，季佳培，吳日成

(國營蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007)

0 引言

蘇系列飛機(jī)供、配電系統(tǒng)中大量使用交、直流接觸器，主要安裝于飛機(jī)各交、直流配電裝置中，統(tǒng)計(jì)達(dá)16種型號(hào)百余件之多。接觸器按功用可分為交流型和直流型接觸器，按結(jié)構(gòu)可分為敞開型和密封型接觸器，按工作制式可分為長時(shí)工作制和短時(shí)工作制接觸器等。接觸器的額定電流等級(jí)有50、100、200 A[1]。在機(jī)載電源系統(tǒng)中，接觸器作為發(fā)電機(jī)輸送電能和匯流條向大功率用電設(shè)備的連接器件，用來實(shí)現(xiàn)對交、直流電路的控制、電氣系統(tǒng)的保護(hù)，控制著整機(jī)供、配電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行[2]。隨著飛機(jī)服役期限的延長，飛機(jī)電氣器件老化日益嚴(yán)重，如果接觸器發(fā)生故障，就會(huì)影響到系統(tǒng)的正常工作，嚴(yán)重的將導(dǎo)致整機(jī)電網(wǎng)斷電，甚至?xí)︼w行安全構(gòu)成危害[3]。因此，開展接觸器類電氣器件的潛在失效分析和可靠性維修研究是一項(xiàng)至關(guān)重要的課題。

接觸器工作可靠性在飛機(jī)上非常重要，隨著飛機(jī)服役期限的延長，接觸器的可靠性狀態(tài)總體上是呈現(xiàn)減弱趨勢，接觸器觸頭的特性直接影響到接觸器的使用可靠性和實(shí)際的電壽命。接觸器失效分析與預(yù)防是一個(gè)系統(tǒng)的工程，需要結(jié)合飛機(jī)大修的實(shí)際狀態(tài)，多輪的循序漸進(jìn)的改進(jìn)(失效分析—工藝改進(jìn)—可靠性試驗(yàn)—效果評價(jià))，從設(shè)計(jì)、潛在失效分析、工藝、試驗(yàn)、驗(yàn)證等多環(huán)節(jié)開展工作，及時(shí)掌握飛機(jī)關(guān)鍵器件的實(shí)際狀態(tài)，確保飛機(jī)安全。

本研究主要針對蘇系列飛機(jī)接觸器進(jìn)行失效預(yù)測分析和可靠性維修研究。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 失效模式和失效現(xiàn)象

飛機(jī)上的各型接觸器根據(jù)其工作頻次和工作特點(diǎn)可劃分為3種工作狀態(tài)，即連續(xù)工作狀態(tài)、間斷工作狀態(tài)和應(yīng)急工作狀態(tài)。各接觸器在飛機(jī)上的工作頻次不同，表象潛在的失效模式不同，但對觸頭的基本要求均是：在閉合過程中能可靠地接通電路；閉合狀態(tài)時(shí)觸頭導(dǎo)電良好，能可靠地流過規(guī)定電流而不會(huì)過熱；斷開過程中能將電路可靠地?cái)嚅_。

圖1是接觸器觸頭接觸電阻概率分布曲線，從圖1中可以看出，觸頭的接觸電阻具有集中分布的特征，但熔焊失效的觸頭、接觸不良的觸頭和未失效的觸頭表現(xiàn)出不同的分布特征，所以研究接觸器觸頭電接觸參數(shù)的變化規(guī)律與失效之間的關(guān)系尤為重要[5]。

圖1 觸頭接觸電阻概率分布曲線Fig.1 Probability distribution curve of contact resistance

1.2 觸頭宏觀觀察

圖2～圖4是典型接觸器在飛機(jī)大修故檢時(shí)分解狀態(tài)的示例。從圖中可以看出：連續(xù)工作狀態(tài)的接觸器觸頭熔焊現(xiàn)象非常嚴(yán)重(圖2)；間斷工作狀態(tài)的接觸器觸頭已出現(xiàn)熔焊現(xiàn)象(圖3)；應(yīng)急工作狀態(tài)接觸器觸頭熔焊現(xiàn)象不明顯，但觸頭材料氧化現(xiàn)象非常嚴(yán)重(圖4)。

圖2 連續(xù)工作狀態(tài)接觸器Fig.2 Contactor under continuous operation

1.3 電參數(shù)測量

表1～表3是某架飛機(jī)典型接觸器修理前正常狀態(tài)下電參數(shù)測量值[6]。其中，表1是發(fā)電機(jī)輸出連接主匯流條的交流接觸器，工作狀態(tài)為連續(xù)；表2是無線電設(shè)備連接直流匯流條的接觸器，工作狀態(tài)為間斷；表3是電源系統(tǒng)故障，連接應(yīng)急電源的交流接觸器，工作狀態(tài)為應(yīng)急。

從修理前電參數(shù)測量值可以看出：表1中3次測量的A、B、C三相觸頭接觸電阻的平均值分別超過標(biāo)準(zhǔn)值(500 mΩ)157.7、390.7、289.3 mΩ，測量結(jié)果與圖2中觸頭熔焊狀況相符；表2中3次測量觸頭接觸電阻平均值低于標(biāo)準(zhǔn)值243.7 mΩ，測量結(jié)果與圖3中實(shí)際狀況相符；表3中3次測量的A、B、C三相觸頭接觸電阻的平均值分別低于標(biāo)準(zhǔn)值142.4、1.3、177.3 mΩ，雖未超出標(biāo)準(zhǔn)值，但因觸頭氧化嚴(yán)重，觸頭接觸電阻測量最大值超出標(biāo)準(zhǔn)值580 mΩ，高出標(biāo)準(zhǔn)值一倍之多，且3次測量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，符合觸頭氧化狀況特征，與圖4中實(shí)際狀況相符。

1.4 振動(dòng)試驗(yàn)

圖5、圖6是對發(fā)電機(jī)輸出接觸器進(jìn)行掃頻振動(dòng)試驗(yàn)(30 g，200～1 500 Hz)，線圈加激勵(lì)，利用觸頭抖動(dòng)測試儀監(jiān)測，A相電路導(dǎo)通，在掃頻至600～700 Hz中間發(fā)現(xiàn)A相電路監(jiān)測常閉信號(hào)燈異常點(diǎn)亮，表明該路在振動(dòng)條件下觸頭有異常抖動(dòng)。

圖3 間斷工作狀態(tài)接觸器Fig.3 Contactor under discontinuous operation

圖4 應(yīng)急工作狀態(tài)接觸器Fig.4 Contactor under emergency operation

SkillsrequirementCoil ratedvoltage /VThe coilconsumptioncurrent is notgreater than /AThe pull-involtage is notgreaterthan /VThe releasevoltage is notgreater than /VThe contact resistance is not greater than /mΩPhase APhase BPhase CStandard value280.5114.02.0500.0500.0500.0First test value280.3610.51.5653.0856.0758.0Second test value280.3710.51.5646.0842.0629.0Third test value280.3510.51.5674.0974.0981.0Average ofthree times280.3610.51.5657.7890.7789.3

用示波器監(jiān)測抖動(dòng)信號(hào)，正常情況下應(yīng)始終為直線低電頻，異常信號(hào)脈寬約為40 μs，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定監(jiān)測水平為閉合觸頭的斷開時(shí)間不得超過10 μs[7]。接觸器觸頭熔焊、接觸電阻過大，在環(huán)境振動(dòng)條件下觸頭間的表面膜接觸電阻會(huì)很不穩(wěn)定，使負(fù)載信號(hào)在傳遞過程中產(chǎn)生一些不規(guī)律的失真信號(hào)。

通過對在修的蘇系列飛機(jī)接觸器深入研究，總結(jié)出接觸器的故障模式有觸頭斷開或者不閉合、電磁傳動(dòng)器件故障、起動(dòng)和釋放電壓偏離正常值等。從外場故障信息反饋和典型故障接觸器的失效分析及可靠性修復(fù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)論可知，接觸器的失效集中表現(xiàn)在觸頭系統(tǒng)，其中，觸頭是接觸器的薄弱環(huán)節(jié)，觸頭間接觸電阻過大、觸頭熔焊、觸頭氧化等引起的接觸失效是最主要的失效模式，也是各種失效模式的最終體現(xiàn)。

表2 間斷工作狀態(tài)接觸器修前電參數(shù)Table 2 Electric parameters of contactor under discontinuous operation before repairing

表3 應(yīng)急工作狀態(tài)接觸器修前電參數(shù)Table 3 Electric parameters of contactor under emergency operation before repairing

圖5 采集到的觸頭抖動(dòng)信號(hào)(單位脈寬為1 ms)Fig.5 Dither signal collected from contact (Pulse width per unit: 1 ms)圖6 采集到的觸頭抖動(dòng)信號(hào)(單位脈寬調(diào)整為50 μs)Fig.6 Dither signal collected from contact (Pulse width per unit: 50 μs)

2 分析與討論

2.1 失效規(guī)律

接觸器在飛機(jī)電氣控制系統(tǒng)中很重要，要求在預(yù)定的時(shí)限內(nèi)有百分百的工作可靠，但隨著飛機(jī)服役期限的延長，電氣器件老化日益嚴(yán)重，接觸器的可靠性狀態(tài)總體上是呈現(xiàn)減弱趨勢，每次操作，都會(huì)引起機(jī)械、電氣、材料等多方面因素的微小變化。多次操作后，接觸失效因素累積，最終會(huì)反映為電參數(shù)異常。理論研究也表明，瀕臨失效的接觸器，觸頭的磨損隨操作次數(shù)的增加而加劇，電參數(shù)也隨操作次數(shù)的增加而顯著變化[8]。接觸器在閉合和斷開的過程中電參數(shù)在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)雜亂無章的變化，這主要是由觸頭系統(tǒng)的受力情況引起的，在閉合和斷開的過程中總的合力的擾動(dòng)和性能上的差別隨操作次數(shù)的改變也會(huì)不確定的變化，表現(xiàn)在觸頭閉合和斷開過程中電參數(shù)上的雜亂無章。特征參數(shù)具有一定的連續(xù)性，同時(shí)也存在很大的隨機(jī)性。隨著操作次數(shù)的增加和使用時(shí)間的增加，觸頭的導(dǎo)電性能會(huì)不斷惡化，特征參數(shù)整體出現(xiàn)不斷增大的趨勢，觸頭的溫升增加，使得觸頭性能進(jìn)一步惡化，到達(dá)一定的次數(shù)或時(shí)間以后，電接觸參數(shù)會(huì)急劇變化，頻繁出現(xiàn)幅值很大的值或快速增長的趨勢，此時(shí)觸頭接近失效或已經(jīng)失效[9]。

如圖7所示，偶然失效期內(nèi)，特征參數(shù)的模糊概率分布類似于正態(tài)分布。即特征參數(shù)集中分布又有可能以極小概率出現(xiàn)奇異值。進(jìn)入耗損失效期，接觸器電氣性能惡劣，將瀕臨失效，接觸器特征參數(shù)也不再服從正態(tài)分布[10]。

圖7 產(chǎn)品失效率的浴盆曲線Fig.7 Bath-tub curve of product failure rate

2.2 預(yù)防措施

飛機(jī)上觸頭轉(zhuǎn)換電路接觸電阻的存在是客觀的，但電阻過大和嚴(yán)重的不穩(wěn)定則是觸頭發(fā)生故障的重要因素，因此接觸電阻低值且穩(wěn)定，可提高電接觸的可靠性[11]。飛機(jī)上使用的發(fā)電機(jī)和匯流條連接的各型接觸器，因在飛機(jī)上所起的作用不同，控制的負(fù)載、工作頻次不同，空、海軍飛機(jī)飛行環(huán)境不同，即使安裝在同一架飛機(jī)上相同型號(hào)的接觸器，其損傷程度也不同，特別是長期工作大負(fù)載接觸器觸頭的磨損、熔焊都比較嚴(yán)重，因此，必須分析影響觸頭接觸電阻的各種因素?；诟鹘佑|器的實(shí)際狀態(tài)，結(jié)合飛機(jī)大修，對每個(gè)系統(tǒng)、每個(gè)器件進(jìn)行研究分析，在掌握這些器件的負(fù)載分配規(guī)律和失效規(guī)律前提下，采取針對性深化修理措施[12]。在不破壞接觸器結(jié)構(gòu)，保證接觸器機(jī)械參數(shù)和電參數(shù)調(diào)試符合要求的前提下，采取打磨、拋光觸頭方法，減小觸頭接觸電阻，抑制觸頭磨損擴(kuò)大趨勢，提高接觸器工作的可靠性，確保飛機(jī)安全。圖8是打磨、拋光觸頭后的接觸器示例。

圖8 打磨、拋光觸頭后的接觸器Fig.8 Contactor after grinding and polishing the contacts

2.3 電參數(shù)測量

表4是飛機(jī)發(fā)電機(jī)輸出接觸器修理后電參數(shù)測量值，以10 min間隔時(shí)間測量500次，分別記錄1、200、500次測試結(jié)果。測試結(jié)果表明數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性好。

2.4 低溫步進(jìn)試驗(yàn)

表5是對飛機(jī)發(fā)電機(jī)輸出接觸器修理后從-10～-50 ℃在線圈加28 V直流電激勵(lì)下進(jìn)行低溫試驗(yàn)，以-10 ℃為觸頭接觸電阻測試步進(jìn)速率，觸頭接觸電阻測試值均在45 mΩ以下，表明維修后數(shù)值穩(wěn)定，滿足使用要求。

2.5 掃頻振動(dòng)試驗(yàn)

對樣件進(jìn)行掃頻振動(dòng)試驗(yàn)(20 g，300～1 600 Hz)，在加激勵(lì)狀態(tài)，未見動(dòng)閉觸點(diǎn)的抖斷；在不加激勵(lì)狀態(tài)，未見靜合觸點(diǎn)的抖斷。

表4 發(fā)電機(jī)輸出接觸器修后電參數(shù)Table 4 Electric parameters of generator’s output contactor after repairing

表5 發(fā)電機(jī)輸出接觸器修后電參數(shù)Table 5 Electric parameters of generator’s output contactor after repairing

3 結(jié)論

1)大負(fù)載、連續(xù)工作狀態(tài)的接觸器觸頭的磨損、熔焊現(xiàn)象都比較嚴(yán)重，觸頭接近失效或已經(jīng)失效。

2)間斷工作狀態(tài)的接觸器觸頭已出現(xiàn)磨損、熔焊現(xiàn)象，觸頭失效趨勢明顯或接近失效。

3)應(yīng)急工作狀態(tài)的接觸器觸頭雖磨損、熔焊現(xiàn)象不明顯，但觸頭氧化嚴(yán)重，易導(dǎo)致電路或系統(tǒng)偶發(fā)故障，故障排查時(shí)不易發(fā)現(xiàn)。

4)結(jié)合飛機(jī)大修，在保證接觸器機(jī)械參數(shù)和電參數(shù)調(diào)試符合要求的前提下，采取打磨、拋光觸頭的方法，減小觸頭接觸電阻，抑制觸頭磨損擴(kuò)大趨勢，提高接觸器工作的可靠性，可最大限度的消除飛機(jī)供、配電系統(tǒng)的安全隱患。