線繞電位器不規(guī)則阻值跳變的故障分析

陳雁，段超，王旭，張偉

（中國空間技術(shù)研究院，北京 100029）

0 引言

線繞電位器是某型號用氣體流量調(diào)節(jié)閥中的重要元器件，氣體流量閥共有8個風(fēng)量檔，通過轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)閥手柄至各擋位調(diào)節(jié)風(fēng)門的開口量來實現(xiàn)風(fēng)量控制，開口量的大小通過系統(tǒng)采集電位器的輸出信號進(jìn)行監(jiān)測。氣體流量調(diào)節(jié)閥在隨整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行試驗中，電位器中心抽頭電壓出現(xiàn)跳變，經(jīng)采用轉(zhuǎn)接盒連接氣體流量調(diào)節(jié)閥，監(jiān)測電位器的電阻值，發(fā)現(xiàn)電壓是由電阻值跳變引起的。本文針對導(dǎo)致故障的電位器阻值跳變的現(xiàn)象進(jìn)行了故障定位和原因分析，并提出了一些改進(jìn)建議。

1 故障定位

1.1 阻值測試

采用FLUKE189型萬用表測試電位器的總阻值為3.448 kΩ，合格；測試電位器的分阻值，由于氣體流量調(diào)節(jié)閥的手柄擋位所限，可測試的阻值范圍為250 Ω～3.1 kΩ。通過測試發(fā)現(xiàn)，每當(dāng)手柄打到第3個固定檔位時，電位器的輸出阻值便會發(fā)生跳變，跳變的阻值均大于該點的實際阻值0.88 kΩ，且跳變的阻值沒有規(guī)律，隨意跳變。

1.2 X射線檢查

該電位器為線繞電位器，由電阻絲線圈和轉(zhuǎn)軸連動機(jī)構(gòu)組成，通過轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)軸，帶動滑臂上的上下兩個電刷接觸在電阻絲表面做旋轉(zhuǎn)移動，實現(xiàn)阻值的動態(tài)輸出[1]。

通過X射線檢查，發(fā)現(xiàn)電位器接觸電刷的形狀為半圓柱形，分為上下兩個，接觸電刷曲面部分與線圈接觸。檢查發(fā)現(xiàn)下接觸電刷向內(nèi)彎曲的角度偏大，見圖1。

圖1 電位器下接觸點彎曲角度偏大形貌

1.3 分解檢查

電位器的轉(zhuǎn)軸連動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)是接觸電刷熔焊在簧片上，簧片與支撐片采用鉚釘連接，支撐片與支架采用螺釘連接，支架與集流刷采用鉚釘連接，集流刷靠接觸壓力與集流環(huán)連接，集流環(huán)與引出片焊接，完成電位器分阻值的輸出，轉(zhuǎn)軸連動機(jī)構(gòu)的示意圖見圖2。

檢查轉(zhuǎn)軸連動機(jī)構(gòu)所有的機(jī)械連接，均未發(fā)現(xiàn)松動現(xiàn)象；檢查熔焊處或釬接處，未發(fā)現(xiàn)虛接現(xiàn)象；檢查集流刷與集流環(huán)，其接觸表面具有金屬光澤，未見腐蝕痕跡，未見多余物；檢查集流刷形變狀態(tài)，狀態(tài)良好。

采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡對繞組工作面的檢查，發(fā)現(xiàn)在繞組的上工作面存在明顯的接觸痕跡，接觸痕跡在線圈表面的中間區(qū)域，在接觸區(qū)域存在碎屑狀多余物，特別是在0.88 kΩ阻值區(qū)域存在大量的堆積物，形貌見圖3。檢查下工作面，發(fā)現(xiàn)接觸痕跡偏離中心區(qū)域，向外側(cè)偏移，在0.88 kΩ阻值區(qū)域，其接觸痕跡已落在電阻絲漆包線上，形貌見圖4。

圖2 線繞電位器轉(zhuǎn)軸連動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

采用掃描電子顯微鏡和能譜儀對碎屑狀多余物進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)其含有Cu、Zn、Ni和C、O、Si元素。結(jié)合該電位器生產(chǎn)過程中在線圈表面涂覆潤滑脂（主要成分為C、O、Si元素）的工藝要求，判斷該多余物為金屬線材與接觸電刷摩擦產(chǎn)生的金屬屑與潤滑油的混合物，該混合物可隨接觸電刷的滑動而移動。

綜合上述檢查結(jié)果，電位器在0.88 kΩ阻值點發(fā)生跳變的故障定位于下接觸電刷未與繞組接觸、上接觸電刷壓在可動多余物上使上接觸電刷與線圈繞組接觸不良，導(dǎo)致電位器分阻值跳變。

2 原因分析及改進(jìn)

2.1 原因分析

線繞電位器所用的電阻絲表面應(yīng)具有適當(dāng)?shù)墓鉂嵍取⒂捕群鸵欢ǖ哪湍バ?，以保證其機(jī)械耐久性。接觸電刷采用比電阻絲材質(zhì)的硬度、耐磨性略低的材料制作。電位器的接觸可靠性、低噪聲、機(jī)械耐久性及使用壽命，直接與電阻絲-電刷的接觸狀態(tài)和機(jī)械磨損有關(guān)。只有當(dāng)電阻絲與電刷兩者組合得當(dāng)，材料匹配，才能獲得接觸電阻小、耐磨性好的特性。

但是，對任意一種線繞電位器而言，在長期接觸摩擦的過程中，硬度差的電刷必然會被磨損出金屬屑，積聚在電阻絲的線匝之間。另外，由于電位器轉(zhuǎn)動軸的存在，一般情況下均是非密封的，電位器在使用時會受到溫度、濕度和空氣清潔度等環(huán)境影響，金屬屑逐漸被氧化成導(dǎo)電性差的顆粒，電阻絲和電刷也被氧化，它們之間也可能形成微小雜質(zhì)顆粒；同時電位器在生產(chǎn)過程中在線圈表面涂覆了潤滑油，這些金屬屑、微小雜質(zhì)顆粒與潤滑油相混合，形成導(dǎo)電性較差的顆粒，當(dāng)顆粒妨礙電刷觸點運動時，電位器便會出現(xiàn)阻值跳變。

在本案例中，由于用戶在使用該電位器時是分阻值段使用的，因此電刷每次在分阻值點停頓，導(dǎo)致碎屑狀多余物在該阻值點進(jìn)行堆積。又由于本電位器為雙觸點電位器，因此出現(xiàn)上下接觸件同時壓在顆粒上造成接觸不良的幾率是較低的。

電位器所用的電阻絲一般為漆包線，線圈繞組的工作面一般采用拋光液噴射進(jìn)行去漆處理，通過調(diào)整噴槍的高度、角度和噴射壓力來達(dá)到所要求的去漆效果。如果噴槍的角度控制不當(dāng)，就會導(dǎo)致R角邊緣去漆不徹底，線匝上有少量的殘余漆層。對于本電位器而言，由于噴槍的角度控制不當(dāng)，導(dǎo)致線圈繞組R角邊緣存在去漆高度偏高的現(xiàn)象。

另外，在電位器的裝配過程中需要根據(jù)實際的情況來調(diào)整簧片與繞組的接觸壓力，滿足規(guī)范的要求。接觸壓力的調(diào)整是通過調(diào)整連接電刷的支撐片角度來完成的。對于本電位器而言，由于操作不當(dāng)，導(dǎo)致下接觸電刷向內(nèi)彎曲的角度偏大，接觸電刷與繞組工作面的接觸區(qū)域向外偏移，在0.88 kΩ阻值區(qū)域接觸點正好落在去漆高度偏高的漆包線漆皮上，出現(xiàn)下接觸電刷與繞組不接觸的故障現(xiàn)象。

因此分析認(rèn)為，電位器失效是由于支撐片角度調(diào)整工藝失控導(dǎo)致下接觸電刷接觸向內(nèi)彎曲角度偏大、使下接觸電刷落在漆包線的漆皮上，導(dǎo)致下接觸電刷與繞組接觸不良；同時上接觸電刷又壓在電刷與線圈繞組摩擦生產(chǎn)的碎屑上，使上接觸電刷與繞組接觸不良，上述兩個因素的共同作用就會引起電位器阻值發(fā)生跳變現(xiàn)象。

2.2 電位器改進(jìn)

針對上述失效原因，提出了以下改進(jìn)建議：

1）選擇合適的電刷材質(zhì)與電阻絲材質(zhì)，使兩者材料的硬度差別適中，減小因摩擦導(dǎo)致的金屬屑產(chǎn)生；

2）提高電刷與電阻絲接觸區(qū)域的光潔度，減小摩擦力；

3）調(diào)整電刷對電阻線圈的接觸壓力，使接觸壓力既保證電刷對電阻線圈接觸可靠，又不會產(chǎn)生過多的金屬屑；

4）在接觸電刷的裝配過程中，在保證接觸壓力合格的情況下，還要保證其安裝位置的正確性，確保電刷與線圈繞組的接觸區(qū)域不發(fā)生偏離；

5）嚴(yán)格控制線圈繞組工作面去漆高度，保證電刷與線圈繞組的可靠接觸。

3 結(jié)束語

經(jīng)過分析，找到了線繞電位器阻值跳變的失效機(jī)理與失效原因，并針對失效原因提出了電位器的生產(chǎn)改進(jìn)建議，以提高電位器的可靠性。

[1]TODD C D.電位器基礎(chǔ)及其應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，1984.