何世林， 韓春陽， 王鑫， 徐青山， 于長吉

（首都航天機(jī)械有限公司，北京100076）

0 引 言

電磁閥是運(yùn)載火箭中的重要控制部件，其絕緣性能的好壞，不但直接影響電磁閥自身的啟閉性能，也會(huì)對(duì)運(yùn)載火箭其它電氣產(chǎn)品產(chǎn)生不良影響[3]。某型號(hào)30件電磁閥產(chǎn)品完成全部驗(yàn)收試驗(yàn)內(nèi)容后，在進(jìn)行絕緣阻值復(fù)測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩件產(chǎn)品電插座插針與殼體間的絕緣阻值偏低，分別為1.5 MΩ和3.0 MΩ，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的20.0 MΩ。

1 故障基本情況

電磁閥主要由線圈組件、電插座、閥芯、主殼體等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。本電磁閥工作原理為：電插座通電，線圈組件產(chǎn)生磁場(chǎng)，主殼體上端產(chǎn)生磁性，將閥芯向上吸起，使得通路打開，入口通入的氣體可從出口流出。電插座斷電，閥芯回位，通路阻斷。

1.1 1#故障件分解檢查情況

分解前進(jìn)行絕緣性能復(fù)測(cè)，絕緣阻值約為1 MΩ。拆卸掉電插座上的4個(gè)螺釘后，電插座可以局部拉出，如圖2所示。將剪刀從拉出的縫隙中伸入，將引出線剪斷，未觸及套管及焊點(diǎn)，取下電插座。

圖1 電磁閥結(jié)構(gòu)原理圖

圖2 1#電插座部分

經(jīng)外觀檢查，1#故障件Fs-4氟塑料墊片無明顯劃傷，未發(fā)現(xiàn)多余物。在電插座和電磁鐵分離狀態(tài)下，分別測(cè)量電插座和電磁鐵的絕緣電阻，均為∞。電插座與電磁鐵殼體連接部位的空腔未充滿膠液，如圖3所示。

1.2 2#故障件分解檢查情況

分解前進(jìn)行絕緣性能復(fù)測(cè)，絕緣阻值約為1 MΩ。拆卸掉電插座上的4個(gè)螺釘后，電插座無法拉出。進(jìn)行真空烘干1 h，烘干完成后進(jìn)行絕緣阻值復(fù)測(cè)，測(cè)量結(jié)果為∞。靜置12 h后，再次復(fù)測(cè)，測(cè)量結(jié)果為∞。

將閥體組件采用機(jī)加的方式分解，去除滾壓殼體，剪斷引出線，將電插座完整取下，電插座和電磁鐵分解后的狀態(tài)如圖4、圖5所示。

圖4 2#電插座部分

圖5 2#電磁鐵部分

經(jīng)外觀檢查，2#故障件Fs-4氟塑料墊片無明顯劃傷，未發(fā)現(xiàn)多余物。在電插座和電磁鐵分離狀態(tài)下，分別測(cè)量電插座和電磁鐵的絕緣電阻，均為∞。電插座與電磁鐵殼體連接部位的空腔未充滿膠液。但與1#相比，2#的灌膠充填程度較高。

2 故障件電插座失效分析

2.1 1#故障件

對(duì)1#故障件電插座進(jìn)行失效分析，顯微檢查發(fā)現(xiàn)焊杯根部附近的絕緣體表面有大量的白色顆粒狀附著物存在，附著物已經(jīng)將焊杯與殼體間跨接，殼體內(nèi)壁未見腐蝕形貌。在掃描電子顯微鏡下對(duì)附著物進(jìn)行觀察，附著物呈顆粒狀，能譜分析結(jié)果表明，其主要成分為Ca、K、Cl、S、O和Na元素，從附著物形貌及能譜分析結(jié)果來看，疑似為水蒸發(fā)后的殘留產(chǎn)物，如圖6、圖7所示。

通過觀察分析可以得出：插座第3、4點(diǎn)插針與殼體間絕緣下降的原因是由于水汽進(jìn)入插座尾罩內(nèi)部，水汽內(nèi)部溶解的雜質(zhì)離子在絕緣體表面形成漏電通道，并將3、4點(diǎn)與殼體間跨接所致。

圖6 1#電插座形貌

圖7 1#電插座上的附著物形貌

2.2 2#故障件

對(duì)故障件2#電插座進(jìn)行了失效分析，顯微檢查發(fā)現(xiàn)插座絕緣體表面有兩條條狀多余物存在，其中一條長約3.5 mm，直徑約88 μm，另一條多余物長度約為1.5 mm，如圖8所示。對(duì)多余物進(jìn)行能譜分析表明，兩多余物主要成分均為C和O元素，局部含有少量的Si元素，表明兩多余物均為有機(jī)物。

圖8 2#電插座多余物形貌

通過觀察分析可以得出：插座絕緣下降的原因是由于水汽進(jìn)入插座內(nèi)部，且內(nèi)部有多余物存在更容易吸附濕氣，焊點(diǎn)與殼體間形成漏電通道所致。

3 濕氣影響及來源驗(yàn)證試驗(yàn)

由于2#故障件烘干后阻值變?yōu)椤?，懷疑閥體內(nèi)部可能存在濕氣。為驗(yàn)證濕氣對(duì)于正常件和故障件的影響，以及濕氣的來源，進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。

3.1 開放狀態(tài)水蒸氣熏蒸試驗(yàn)

選取絕緣合格件3#和故障件2#，進(jìn)行開放狀態(tài)下水蒸氣熏蒸試驗(yàn)。將電插座螺釘拆卸，電插座拉開，用一杯熱水置于電插座下方，使散發(fā)出的水蒸氣進(jìn)入電插座內(nèi)腔，如圖9所示。

圖9 開放狀態(tài)水蒸氣熏蒸試驗(yàn)

分別持續(xù)熏蒸0.5、3.0、5.0、10.0 min，將電插座蓋上，10 min 后測(cè)量絕緣阻值，熏蒸后的表面結(jié)露情況如圖10所示，絕緣阻值變化情況如表1所示。

圖10 開放狀態(tài)熏蒸后結(jié)露狀態(tài)

3.2 封閉狀態(tài)水蒸氣熏蒸試驗(yàn)

使用3#合格件和2#故障件進(jìn)行封閉狀態(tài)下水蒸氣熏蒸試驗(yàn)。在開放狀態(tài)的基礎(chǔ)上，使用塑料薄膜將熱水和電磁閥全部包覆起來，以促使?jié)駳飧喔菀椎剡M(jìn)入閥體，如圖11所示。

表1 開放狀態(tài)熏蒸后絕緣阻值

圖11 封閉狀態(tài)水蒸氣熏蒸試驗(yàn)

熏 蒸 10 min，將電插座蓋上測(cè)量絕緣阻值，熏蒸后的表面結(jié)露情況如圖12所示，熏蒸完成后測(cè)量3#合格件的阻值為100 MΩ，2#故障件的阻值為5 MΩ。

3.3 2#故障件高壓下連續(xù)工作試驗(yàn)

圖12 封閉狀態(tài)下熏蒸后結(jié)露狀態(tài)

使用2#故障件進(jìn)行試驗(yàn)。將電插座螺釘輕微擰緊，給閥門通27 V直流電壓，閥門入口通20 MPa壓力的氣體，使閥門連續(xù)開啟，觀察表面結(jié)露情況并測(cè)試絕緣阻值，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

重復(fù)上述試驗(yàn)過程，然后自然冷卻（室溫20.6 ℃）。在電插座和出口管嘴位置分別設(shè)置溫度測(cè)點(diǎn)，測(cè)量壁面溫度，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，正常工作3 min后，電插座溫度略有上升，出口管嘴溫度明顯下降，靜置后，分別緩慢下降和上升到室溫，全過程中絕緣阻值均為∞，且電插座位置均無結(jié)露和明顯降溫。證明閥門在正常的連續(xù)工作過程中，不會(huì)發(fā)生降溫吸濕現(xiàn)象。

表2 故障件2#連續(xù)工作試驗(yàn)

表3 故障件2#連續(xù)工作試驗(yàn)（增加壁面溫度測(cè)點(diǎn)）

4 整閥電路部分氣密試驗(yàn)

當(dāng)閥門溫度發(fā)生變化時(shí)，若整閥電路部分的氣密性能不好，電插座腔可能會(huì)從外界環(huán)境中吸入濕氣。整閥經(jīng)歷的最大溫差循環(huán)為-40～+60 ℃，若閥門在+60 ℃時(shí)電插座腔的壓力為0.1 MPa（1 atm），降低到-40 ℃時(shí)會(huì)下降到0.07 MPa，和外界環(huán)境就會(huì)形成0.03 MPa的壓差，若氣密性能不好則存在倒吸的可能性。

為驗(yàn)證電路部分的氣密性能，進(jìn)行了整閥氣密試驗(yàn)，如圖13所示。使用1#故障件和4#合格件，使用鉆頭從電插座一側(cè)伸入鉆孔，形成通徑約φ4 mm的氣體通道，將氣路與電插座腔連通。將閥門出口堵死，入口分別通氣0.01、0.02、0.03、0.07 MPa，觀察電插座與殼體間墊片位置、插針一側(cè)及各處的滾邊位置和3個(gè)注膠孔，是否有氣體泄漏，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

圖13 整閥氣密試驗(yàn)示意圖（鉆通氣孔）

表4 1#、4#氣密試驗(yàn)結(jié)果

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，0.01～0.07 MPa下兩件產(chǎn)品墊片和插針處均不漏，滾邊和注膠孔位置均有泄漏。

使用1#、2#故障件電插座和兩件新電插座，在插針側(cè)分別通氣0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.07 MPa，在焊杯側(cè)檢漏，如圖14所示。經(jīng)測(cè)試，故障件電插座和新電插座在0.01～0.07 MPa下均未發(fā)生泄漏。

圖14 電插座反向氣密試驗(yàn)示意圖

5 試驗(yàn)結(jié)果分析

1）開放狀態(tài)和封閉狀態(tài)下的水蒸氣熏蒸試驗(yàn)表明，故障件的絕緣阻值明顯下降，最低達(dá)到5 MΩ，合格件的絕緣阻值始終保持在100 MΩ以上。而且整個(gè)過程中，由于合格件的電插座拉開的間隙比故障件大得多，所以濕氣的影響也大得多。這說明水汽的存在會(huì)造成絕緣阻值下降，但下降有限，而多余物的存在加劇了絕緣阻值下降。

2）吹除試驗(yàn)表明，短期吹除過程造成外界環(huán)境的濕氣進(jìn)入導(dǎo)致絕緣下降的可能性較低。

3）整閥及電插座氣密試驗(yàn)表明，電插座墊片及電插座的氣密性良好。

4）電磁鐵殼體滾邊處和注膠孔處氣密性不好，存在泄漏現(xiàn)象。

經(jīng)分析，濕氣從外界進(jìn)入閥體內(nèi)部的可能通路有4種：

a.裝配灌膠環(huán)節(jié)進(jìn)入。經(jīng)復(fù)查，閥體裝配廠房溫度為18 ℃左右，濕度在60%左右，在真空環(huán)境下電磁鐵組件灌膠前進(jìn)行(80±5) °C、1 h烘干，灌膠后進(jìn)行75 °C、2 h固化，該通路可排除。

b.從絕緣墊片處進(jìn)入。在電插座與殼體間，設(shè)置Fs-4墊片，Ra3.2，以防止防水或濕氣進(jìn)入閥體內(nèi)部，同時(shí)螺釘在擰入前涂抹厭氧膠防松，可避免長時(shí)間使用后螺釘松動(dòng)造成間隙，根據(jù)本文試驗(yàn)結(jié)果，該通路可排除。

c.從電插座插針處進(jìn)入。根據(jù)本文氣密試驗(yàn)結(jié)果，該通路可排除。

d.從滾邊或注膠孔處進(jìn)入。在線圈與殼體間，設(shè)計(jì)要求灌滿環(huán)氧膠HYJ，以防止外界濕氣進(jìn)入。但環(huán)氧膠HYJ具有一定的收縮性，工藝實(shí)現(xiàn)性不好，導(dǎo)致環(huán)氧膠難以充滿閥體內(nèi)要求的注膠空間，進(jìn)而產(chǎn)生進(jìn)氣通道。且根據(jù)本文氣密試驗(yàn)結(jié)果，濕氣可由滾邊或注膠孔處進(jìn)入閥體內(nèi)部。該通路不可排除。

6 試驗(yàn)結(jié)論

由于電磁閥防潮措施可靠性不足，環(huán)氧膠HYJ-4具有一定的收縮性，工藝實(shí)現(xiàn)性不好，導(dǎo)致環(huán)氧膠難以充滿閥體內(nèi)要求的注膠空間，產(chǎn)生了進(jìn)氣通道。外界環(huán)境濕氣可能由滾邊或注膠孔處進(jìn)入閥體內(nèi)部，到達(dá)電插座位置。同時(shí)，在電插座焊杯根部存在多余物或附著物，對(duì)

濕氣有吸附和聚集作用，可加劇形成漏電通道，造成絕緣阻值下降。

7 防潮改進(jìn)措施

將插座焊杯側(cè)的所有焊點(diǎn)均用硅膠保護(hù)起來，避免與濕氣接觸，如圖15所示。具體實(shí)施步驟為：1）焊接完成，裝上套管；2）將電插座拉出，朝下放置，在尾罩內(nèi)灌封硅膠，高度不超過尾罩；3）在套管內(nèi)注入硅膠，直至套管口；4）充分固化，然后將電插座裝入整閥。

圖15 插座灌膠長期改進(jìn)措施

8 結(jié) 語

通過對(duì)電磁閥絕緣電阻下降原因進(jìn)行分析，問題定位于防潮措施可靠性不足，即環(huán)氧膠HYJ具有一定的收縮性，工藝實(shí)現(xiàn)性不好，導(dǎo)致環(huán)氧膠難以充滿閥體內(nèi)要求的注膠空間，產(chǎn)生進(jìn)氣通道，濕氣由滾邊和注膠孔處進(jìn)入閥體內(nèi)部；同時(shí)在多余物或附著物存在的情況下，加劇形成漏電通道，造成絕緣阻值下降。針對(duì)問題產(chǎn)生的原因，將插座焊杯側(cè)的所有焊點(diǎn)均用硅膠保護(hù)起來，避免與濕氣接觸，可徹底解決漏電問題。