劉崗 金吉 曹浩 路英杰 李蕊 陳沖

石家莊海山實(shí)業(yè)發(fā)展總公司，河北石家莊 050200

0 前言

某型機(jī)輪速度傳感器是某型飛機(jī)電子防滑剎車系統(tǒng)的重要組成部分，用于將飛機(jī)機(jī)輪的轉(zhuǎn)速變換成為正弦交流電壓信號并輸送給防滑剎車系統(tǒng)，防滑剎車控制計(jì)算機(jī)根據(jù)機(jī)輪速度信號頻率大小、變化率等對系統(tǒng)剎車壓力進(jìn)行控制，在防止機(jī)輪拖胎抱死、爆胎的同時(shí)，仍可保持最大的車輪附著系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)最大剎車效率[1-2]。飛機(jī)著陸后，該型輪速傳感器在高頻轉(zhuǎn)速工況下頻發(fā)輸出電壓信號的幅值低于設(shè)計(jì)最小值的故障現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致防滑剎車計(jì)算機(jī)無法準(zhǔn)確控制剎車壓力并輸出剎車告警信號。該問題不僅對飛行員正常操作產(chǎn)生干擾，也對飛機(jī)的著陸安全及電子防滑剎車系統(tǒng)的正常工作有極大的影響。本文針對該類問題開展故障研究和設(shè)計(jì)改進(jìn)。

1 輪速傳感器工作原理分析

常用的輪速傳感器主要有光電式、電渦流式和磁電式等。本文涉及的輪速傳感器是基于電磁感應(yīng)原理工作的磁電式傳感器，該型傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、耐高溫等特點(diǎn)[3-4]。傳感器安裝于機(jī)輪軸處，傳感器的撥盤齒輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒盤的矩形齒與永磁合金的對準(zhǔn)偏離交替發(fā)生，引起閉合磁路中磁阻呈周期性的變化，磁路中的磁通亦隨之周期性變化，于是定子線圈上產(chǎn)生一個(gè)與磁阻變化頻率相同的脈沖，輸出近似正弦變化的感應(yīng)電壓，得到與機(jī)輪速度成正比，具有一定電壓值的頻率信號[5-6]。圖1為傳感器實(shí)物結(jié)構(gòu)圖，圖2為傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

產(chǎn)品工作時(shí)，齒環(huán)靜止不轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子以ω角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，齒環(huán)和轉(zhuǎn)子內(nèi)外齒展開如圖3所示，表示出在不同的ωt時(shí)內(nèi)外齒相對位置，以及此時(shí)內(nèi)齒經(jīng)過氣隙進(jìn)入外齒的磁通變化情況。ωt1時(shí)，齒環(huán)與轉(zhuǎn)子的齒面處于正對準(zhǔn)位置，氣隙δ中的磁阻Rδ為最小，這樣，永磁體在磁路中產(chǎn)生的磁通φm最大為φmax。當(dāng)內(nèi)齒處于ωt3時(shí)，內(nèi)外齒相對位置錯(cuò)開一個(gè)角度，磁阻Rδ增大，磁通量φm下降。當(dāng)內(nèi)齒處于ωt5位置時(shí)，內(nèi)外齒完全錯(cuò)開，氣隙磁阻為最大，磁通量φm最小為φmin。當(dāng)轉(zhuǎn)子由ωt1到ωt5轉(zhuǎn)過一個(gè)齒時(shí)，磁路中的磁通就變化了半個(gè)周期，磁通的變化量為φmax-φmin，磁通的變化在線圈中感應(yīng)出的電動(dòng)勢E的有效值為[7-8]：

其中，E為感生電勢；f為頻率；w為線圈匝數(shù)；φm為磁通量的變化量；φmax為最大磁通量；φmin為最小磁通量。

其中，Z為齒環(huán)和轉(zhuǎn)子的齒數(shù)；n為轉(zhuǎn)速。由式（1）、（2）可知，傳感器輸出信號的電壓值大小除了與轉(zhuǎn)速有關(guān)外，還與齒環(huán)齒數(shù)、定子線圈匝數(shù)、磁路磁通量變化率有關(guān)。

2 輪速傳感器故障分析與研究

2.1 故障分析與定位

該設(shè)計(jì)通過轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)磁路磁阻的變化，進(jìn)而達(dá)到磁路磁通量變化的目的。該型傳感器的齒環(huán)齒數(shù)和定子線圈匝數(shù)為定量，在轉(zhuǎn)速一定的條件下，磁通量變化率越大，則傳感器輸出電動(dòng)勢越大。磁通量的變化率只與轉(zhuǎn)子與永磁合金間隙大小、永磁合金的強(qiáng)感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)。當(dāng)傳感器輸出信號的電壓值下降，則推斷磁路中間隙發(fā)生變化或是永磁合金磁感應(yīng)強(qiáng)度下降，即永磁合金出現(xiàn)了退磁現(xiàn)象。

2.1.1 轉(zhuǎn)子與永磁合金間隙研究

定子組件是采用端蓋壓力鎖緊，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)端蓋擰緊力矩不同時(shí)，傳感器在高頻輸出存在約60 mV 的差距，即端蓋擰緊力矩不同，造成定組件帶動(dòng)永磁合金與轉(zhuǎn)子間隙出現(xiàn)差異。設(shè)計(jì)中，永磁合金、定子組件、轉(zhuǎn)子等均為固定結(jié)構(gòu)，裝配過程中無相對軸向、徑向位移變化，但初始裝配手法、工藝不同等因素會(huì)對傳感器的基礎(chǔ)輸出產(chǎn)生一定影響。

2.1.2 永磁合金性能研究

影響永磁材料磁性能穩(wěn)定性的因素有：內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化、磁后效、化學(xué)因素、溫度、外磁場、機(jī)械作用、與強(qiáng)磁性材料接觸等[9]。產(chǎn)品為一體密封結(jié)構(gòu)，能有效屏蔽外界鐵磁接觸、化學(xué)腐蝕以及污染；起落架、機(jī)輪部位無磁場環(huán)境，不會(huì)對永磁合金產(chǎn)生磁場影響；設(shè)計(jì)中，永磁合金為鋁鎳鈷材料，該材料化學(xué)穩(wěn)定性好，在弱酸弱堿環(huán)境中是穩(wěn)定的，居里溫度高，能經(jīng)受強(qiáng)烈的輻射，但是由于該型永磁材料矯頑力不高，若在使用過程中受到振動(dòng)沖擊作用，可能會(huì)導(dǎo)致永磁合金的磁感應(yīng)強(qiáng)度出現(xiàn)下降現(xiàn)象，經(jīng)查詢，飛機(jī)著陸過程會(huì)有約1～3 g 的加速?zèng)_擊，因此懷疑是飛機(jī)的起落沖擊致使永磁合金內(nèi)部磁疇發(fā)生紊亂，永磁合金發(fā)生退磁現(xiàn)象，最終導(dǎo)致產(chǎn)品在高頻轉(zhuǎn)速工作過程中發(fā)生輸出電壓信號的幅值低于設(shè)計(jì)最小值的故障現(xiàn)象。為驗(yàn)證猜想，采用高斯計(jì)對新品永磁合金和故障產(chǎn)品的永磁合金進(jìn)行磁感強(qiáng)度測量對比，如表1所示。

表1 永磁合金表面磁感應(yīng)強(qiáng)度測試表（單位：G）

通過測試，確認(rèn)兩個(gè)故障的永磁合金在三個(gè)測試點(diǎn)上磁感應(yīng)強(qiáng)度相比新品永磁合金，均有一定程度的下降，與之前的分析和猜想相吻合，下一步將致力于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)改進(jìn)，進(jìn)而提升產(chǎn)品的長期使用可靠性。

2.2 設(shè)計(jì)改進(jìn)

2.2.1 增加間隙控制要求

通過多次試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)端蓋擰緊力矩在15～20 N·m 時(shí)，既可保證傳感器有較高的電壓輸出，又能控制永磁合金與轉(zhuǎn)子的間隙在0.1～0.2 mm 范圍，即轉(zhuǎn)子能可靠、順暢遠(yuǎn)轉(zhuǎn)，不與永磁合金干涉。

2.2.2 永磁合金材料改進(jìn)

目前，工業(yè)上常用的永磁材料主要有鋁鎳鉆、衫鉆以及釹鐵硼，其主要磁特性參數(shù)和性能特點(diǎn)如表2和下文所述[10]。

表2 典型永磁材料性能的綜合對比表

原設(shè)計(jì)中采用鋁鎳鈷永磁合金。鋁鎳鈷具有耐化學(xué)腐蝕性和溫度穩(wěn)定性，但其矯頑力、磁能積不高，在受到?jīng)_擊、鐵磁接觸、外加磁場后，其內(nèi)部磁疇容易發(fā)生紊亂，導(dǎo)致磁性下降，同時(shí)磁場空間分布也會(huì)發(fā)生改變，不能很好地滿足機(jī)載產(chǎn)品耐振動(dòng)、沖擊以及長期可靠性的使用要求。

釹鐵硼是磁性能最強(qiáng)的材料，鐵器接觸和摩擦也不會(huì)使其有磁性損失，但其化學(xué)穩(wěn)定性較差，易受酸堿和水的腐蝕，在常溫下也會(huì)發(fā)生變質(zhì)老化，一般的表面涂層也無法確保其長期可靠性，經(jīng)查閱大量文獻(xiàn)，暫無權(quán)威釹鐵硼有效使用壽命的數(shù)據(jù)。

釤鈷永磁合金能承受10 g 的振動(dòng)、100 g 的沖擊磁，鐵磁接觸和摩擦也不會(huì)使其有明顯的磁性能損失，但該材料耐化學(xué)腐蝕性不強(qiáng)，使用時(shí)需要涂層保護(hù)，經(jīng)查詢相關(guān)資料，其使用壽命在10年以上，可滿足飛機(jī)的翻修周期要求。

通過論證分析，設(shè)計(jì)改進(jìn)后采用釤鈷材料永磁合金代替原鋁鎳鈷永磁合金。

3 設(shè)計(jì)改進(jìn)驗(yàn)證

整個(gè)驗(yàn)證過程分為以下三個(gè)步驟：對樣機(jī)進(jìn)行初始性能檢測；采用整機(jī)飛機(jī)著陸沖擊包絡(luò)對產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力考核；試驗(yàn)后的產(chǎn)品再次進(jìn)行性能測試并與初始性能進(jìn)行對比，最終驗(yàn)證設(shè)計(jì)改進(jìn)的可行性。

3.1 樣機(jī)初始性能測試

設(shè)計(jì)改進(jìn)后的樣機(jī)兩臺(tái)，其初始主要性能指標(biāo)如表3、圖4所示。樣機(jī)1 的頻率輸出和電壓信號輸出分別為3,497 Hz、1,250 mV；樣機(jī)2 的頻率輸出和電壓信號輸出分別為3,497 Hz、1,250 mV。均可滿足高頻輸出電壓不小于1,000 mV 的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

表3 樣機(jī)初始主要性能統(tǒng)計(jì)表

3.2 環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)

采用整機(jī)著陸沖擊包絡(luò)對產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力考核，模擬飛機(jī)著陸沖擊次數(shù)大于8,000 次（涵蓋飛機(jī)全壽命周期），間斷振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)長大于40 h。試驗(yàn)后，樣機(jī)主要性能如表4、圖5所示。樣機(jī)1 的頻率輸出和電壓信號輸出分別為3,493 Hz、1,200 mV；樣機(jī)2 的頻率輸出和電壓信號輸出分別為3,521 Hz、1,190 mV。

表4 樣機(jī)環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)后性能統(tǒng)計(jì)表

對比樣機(jī)初始性能和試驗(yàn)后的性能，樣機(jī)1 高頻輸出信號電壓值存在50 mV 的下降；樣機(jī)2 高頻輸出信號電壓值存在30 mV 的下降，但滿足大于1,000 mV的設(shè)計(jì)要求。再次追加1,000次飛機(jī)著陸沖擊模擬試驗(yàn)，經(jīng)測試，確認(rèn)高頻信號電壓值無明顯變化，追加試驗(yàn)證明，經(jīng)過沖擊試驗(yàn)訓(xùn)練后，釤鈷永磁合金達(dá)到磁穩(wěn)定狀態(tài)，且能滿足設(shè)計(jì)和實(shí)際使用要求。

4 結(jié)束語

本文對某型輪速傳感器在高頻轉(zhuǎn)速工作過程中出現(xiàn)的輸出信號電壓幅值低于設(shè)計(jì)最小值的故障現(xiàn)象，開展理論分析和試驗(yàn)測試，確認(rèn)了故障原因，即輪速傳感器鋁鎳鈷永磁合金在長期著陸沖擊的過程中發(fā)生退磁現(xiàn)象。針對故障原因，優(yōu)化輪速傳感器設(shè)計(jì)，增加了轉(zhuǎn)子與永磁合金間隙控制要求，改進(jìn)了永磁合金材料（釤鈷永磁合金），經(jīng)產(chǎn)品靜態(tài)性能測試及整機(jī)著陸沖擊包絡(luò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)改進(jìn)有效，能保證飛機(jī)長期使用的可靠性。