分離開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間延遲的失效原因分析

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽(yáng),550009)

1 引言

在裝備制造業(yè)中，對(duì)電路系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的性能要求日益提高，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的主要功能是實(shí)現(xiàn)電路系統(tǒng)中某一節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)通與切斷之間的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)工作的可靠性直接影響著整個(gè)裝備電路系統(tǒng)的功能。本文所述分離開(kāi)關(guān)屬于多觸點(diǎn)組的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，該型開(kāi)關(guān)在工作時(shí)要求能夠瞬間復(fù)位，多組觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換一致，接觸可靠。

2 故障現(xiàn)象

某型彈在進(jìn)行全彈溫循試驗(yàn)(高溫60℃、4h，低溫-40℃、4h，變化率3℃/min)過(guò)程的低溫(-40℃)時(shí)，出現(xiàn)拔下分離開(kāi)關(guān)的保險(xiǎn)銷(xiāo)后，分離開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換信號(hào)延遲10s后才導(dǎo)通的故障現(xiàn)象，后續(xù)再進(jìn)行測(cè)試時(shí)，延遲導(dǎo)通的故障現(xiàn)象不再?gòu)?fù)現(xiàn)。開(kāi)關(guān)編號(hào)：25#。

3 定位準(zhǔn)確

3.1 故障復(fù)現(xiàn)

按壓開(kāi)關(guān)推動(dòng)桿使其達(dá)到全工作行程后釋放，目視觀察推動(dòng)桿復(fù)位速度偏慢，說(shuō)明開(kāi)關(guān)確實(shí)存在轉(zhuǎn)換信號(hào)延遲的故障。

3.1.1 故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)

本次采用1只功能正常的開(kāi)關(guān)(23#)與故障件(25#)同時(shí)開(kāi)展故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)：

(1)開(kāi)關(guān)保持壓緊狀態(tài)，開(kāi)展溫循試驗(yàn)(高溫+60℃、低溫-40℃)，并分別在以下規(guī)定時(shí)機(jī)測(cè)試轉(zhuǎn)換時(shí)間：試驗(yàn)前測(cè)試、高溫60℃保溫4h后測(cè)試、低溫-40℃，保溫4h后測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

(2)開(kāi)關(guān)保持壓緊狀態(tài)，加嚴(yán)溫循試驗(yàn)條件(高溫+60℃、低溫-50℃)，并分別在以下規(guī)定時(shí)機(jī)測(cè)試轉(zhuǎn)換時(shí)間：試驗(yàn)前測(cè)試、高溫60℃保溫4h后測(cè)試、低溫-50℃，保溫4h后測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1的測(cè)試結(jié)果可以看出，25#開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換時(shí)間大于23#開(kāi)關(guān)，并且兩只開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間的變化趨勢(shì)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(yán)試驗(yàn)條件后兩次溫循的試驗(yàn)結(jié)果基本一致，數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)相同。

(3)改變溫度條件，測(cè)試開(kāi)關(guān)全行程(7.5mm)力，測(cè)試結(jié)果如下表3；

表1 故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)(轉(zhuǎn)換時(shí)間測(cè)試記錄)

表2 故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)(全行程力測(cè)試記錄)

從表3的測(cè)試結(jié)果看：25#開(kāi)關(guān)的全行程力大于23#開(kāi)關(guān)，并且兩只開(kāi)關(guān)全行程力的變化趨勢(shì)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(fù)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)23#(正常開(kāi)關(guān))和25#(故障件)兩只開(kāi)關(guān)的對(duì)比試驗(yàn)得出以下結(jié)論：

(1)開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換時(shí)間未出現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)10s的延遲，但延遲時(shí)間隨著溫度的降低逐漸增加；

(2)開(kāi)關(guān)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(yàn)

為了確定故障原因，兩只開(kāi)關(guān)均進(jìn)行拆殼及相關(guān)測(cè)試試驗(yàn)。

(1)改變溫度條件，測(cè)試同批次彈簧力，測(cè)試結(jié)果如下表3；

表3 故障定位試驗(yàn)(彈簧力測(cè)試記錄)

表3的測(cè)試結(jié)果說(shuō)明彈簧力沒(méi)有隨溫度的降低而發(fā)生明顯變化。

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

表4 故障定位試驗(yàn)(摩擦力測(cè)試記錄)

表4的測(cè)試結(jié)果說(shuō)明推動(dòng)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(cè)試動(dòng)、靜接觸系統(tǒng)的插拔力，測(cè)試結(jié)果如下表5；

表5的測(cè)試結(jié)果說(shuō)明動(dòng)插拔力沒(méi)有隨溫度的降低而發(fā)生明顯變化。

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

表5 故障定位試驗(yàn)(插拔力測(cè)試記錄)

表6 螺釘擰緊程度對(duì)摩擦力的影響測(cè)試記錄

從表6的測(cè)試結(jié)果看，緊固螺釘?shù)乃删o程度不同，密封圈和推動(dòng)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(dòng)桿間的摩擦力隨之減小。25#開(kāi)關(guān)與23#開(kāi)關(guān)相比，開(kāi)始階段摩擦力變化不是很明顯；當(dāng)螺釘松開(kāi)一定程度時(shí)，變化急劇增大，說(shuō)明25#開(kāi)關(guān)密封圈擠壓變形量大于23#開(kāi)關(guān)。

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

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)兩只開(kāi)關(guān)故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)和故障定位試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，動(dòng)、靜接觸系統(tǒng)的插拔力、彈簧力及動(dòng)接觸系統(tǒng)與外殼的摩擦力并沒(méi)有隨溫度的降低而發(fā)生明顯變化，而推動(dòng)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(kāi)關(guān)，由于其密封圈擠壓變形量大于功能正常的開(kāi)關(guān)，以至于摩擦力達(dá)到50.81N。根據(jù)分析得出結(jié)論：由于溫度降低，推動(dòng)桿與密封圈間的摩擦力逐漸增大，最終影響開(kāi)關(guān)推動(dòng)桿的正常復(fù)位，出現(xiàn)信號(hào)延遲的問(wèn)題。

4 機(jī)理清楚

4.1 開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，主要由常閉系統(tǒng)、常開(kāi)系統(tǒng)、動(dòng)接觸系統(tǒng)、導(dǎo)線(xiàn)、推動(dòng)桿、彈簧、密封圈、上蓋及外殼等組成。

圖1 開(kāi)關(guān)原理結(jié)構(gòu)圖

工作過(guò)程：當(dāng)推動(dòng)桿按下并插入保險(xiǎn)銷(xiāo)時(shí)，動(dòng)接觸系統(tǒng)與常閉系統(tǒng)之間可靠斷開(kāi)，與常開(kāi)系統(tǒng)之間可靠接觸；當(dāng)拔下保險(xiǎn)銷(xiāo)時(shí)，推動(dòng)桿及動(dòng)接觸系統(tǒng)在彈簧恢復(fù)力的作用下快速?gòu)?fù)位，動(dòng)接觸系統(tǒng)與常開(kāi)系統(tǒng)之間可靠斷開(kāi)，與常閉系統(tǒng)之間可靠接通，通過(guò)上述工作循環(huán)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)信號(hào)的切換功能，開(kāi)關(guān)信號(hào)最終由電纜輸出。

4.2 故障樹(shù)分析(FTA)

圖2 分離開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間延遲的故障樹(shù)

4.3 摩擦力復(fù)算

開(kāi)關(guān)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)部件(推動(dòng)桿、動(dòng)接觸系統(tǒng))與不可運(yùn)動(dòng)部件(上蓋、密封圈、常閉系統(tǒng)、常開(kāi)系統(tǒng)和外殼)之間存在多個(gè)環(huán)節(jié)的配合。具體為：①推動(dòng)桿與上蓋之間；②推動(dòng)桿與密封圈之間；③密封圈放置空間；④推動(dòng)桿與常閉系統(tǒng)之間；⑤動(dòng)接觸系統(tǒng)與外殼之間。每個(gè)環(huán)節(jié)均可能阻礙推動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)。具體配合公差計(jì)算結(jié)果如下表所示。

表7 配合公差計(jì)算結(jié)果

考慮到開(kāi)關(guān)在復(fù)位過(guò)程中，開(kāi)關(guān)處于垂直放置，運(yùn)動(dòng)部件(推動(dòng)桿、動(dòng)接觸系統(tǒng))對(duì)不可運(yùn)動(dòng)部件(上蓋、常閉系統(tǒng)和外殼)不存在正壓力作用，因此推動(dòng)桿與上蓋之間、推動(dòng)桿與常閉系統(tǒng)之間、動(dòng)接觸系統(tǒng)與外殼之間不存在摩擦力。其存在阻礙推動(dòng)桿復(fù)位的因素包括如下方面：

(1)推動(dòng)桿與密封圈之間摩擦力；

(2)推動(dòng)桿、動(dòng)接觸系統(tǒng)自身的重力；

推動(dòng)桿、動(dòng)接觸系統(tǒng)為運(yùn)動(dòng)部件，總質(zhì)量為27.61g，遠(yuǎn)小于彈簧的反力，約81N。故該方面的因素可以排除。

(3)動(dòng)接觸系統(tǒng)與常開(kāi)系統(tǒng)之間的插拔力。

試驗(yàn)的結(jié)果表明，動(dòng)接觸系統(tǒng)與常開(kāi)系統(tǒng)之間的插拔力不會(huì)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(guò)摩擦力的復(fù)算證明在零件尺寸不超差的情況下，除密封圈與推動(dòng)桿環(huán)節(jié)的摩擦力外，其他環(huán)節(jié)對(duì)開(kāi)關(guān)摩擦力不構(gòu)成影響。

4.4 零件尺寸復(fù)測(cè)

本節(jié)對(duì)23#和25#各個(gè)環(huán)節(jié)的配合尺寸進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量工具采用游標(biāo)卡尺，塞規(guī)。通過(guò)測(cè)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(fù)測(cè)結(jié)果

計(jì)算23#和25#開(kāi)關(guān)內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)部件與不可運(yùn)動(dòng)部件間的實(shí)際配合情況分別為：

表9 配合公差復(fù)算結(jié)果

通過(guò)計(jì)算，在零件尺寸不超差的情況下，與23#開(kāi)關(guān)及同批次的復(fù)測(cè)情況相比，25#開(kāi)關(guān)推動(dòng)桿與密封圈間的過(guò)盈量相對(duì)較大；25#開(kāi)關(guān)密封圈的放置空間相對(duì)較小。說(shuō)明密封圈的放置型腔由于零部件的累積誤差導(dǎo)致放置型腔偏小，使得密封圈的擠壓變形量過(guò)大。

4.5 受力分析

開(kāi)關(guān)按壓至全行程后，拔出保險(xiǎn)鋼條時(shí)，根據(jù)力的平衡條件，開(kāi)關(guān)的返回力F:

F=F彈-f插-f動(dòng)-f閉-f密-f蓋-m總g

式中，F(xiàn)-開(kāi)關(guān)壓縮至全行程(7.5mm)的力；

F彈-彈簧反力，81.4N；

f插-動(dòng)接觸系統(tǒng)與常開(kāi)系統(tǒng)間插拔力，10.8N；

f動(dòng)-動(dòng)接觸系統(tǒng)與外殼內(nèi)壁之間的摩擦力；

f閉-推動(dòng)桿與常閉系統(tǒng)之間的摩擦力；

f密-推動(dòng)桿與密封圈之間的摩擦力，50.81N；

f蓋-推動(dòng)桿與上蓋之間的摩擦力；

m總g-可運(yùn)動(dòng)部件的總重力，可忽略不計(jì)。

全行程力檢測(cè)時(shí)，開(kāi)關(guān)處于垂直放置，運(yùn)動(dòng)部件(推動(dòng)桿、動(dòng)接觸系統(tǒng))對(duì)不可運(yùn)動(dòng)部件(上蓋、常閉系統(tǒng)和外殼)不存在正壓力作用；同時(shí)，推動(dòng)桿與上蓋、常閉系統(tǒng)及常開(kāi)系統(tǒng)之間、動(dòng)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(dòng)、f閉、f蓋為0，計(jì)算得F=19.8N。

圖3 開(kāi)關(guān)復(fù)位過(guò)程的受力情況

根據(jù)開(kāi)關(guān)復(fù)位運(yùn)動(dòng)的受力分析判斷，當(dāng)復(fù)位瞬間，彈簧反力F彈為最大值時(shí)開(kāi)關(guān)返回力為19.8N；復(fù)位過(guò)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(dāng)返回力減小至0時(shí)，開(kāi)關(guān)將出現(xiàn)延遲。

結(jié)合前述的故障樹(shù)分析、摩擦力復(fù)算及受力分析，我們認(rèn)為導(dǎo)致25#開(kāi)關(guān)在低溫試驗(yàn)過(guò)程出現(xiàn)信號(hào)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(dǎo)致密封圈的放置型腔偏小，使得密封圈在裝配過(guò)程中的變形量過(guò)大，最終使推動(dòng)桿與密封圈之間的摩擦力過(guò)大，在低溫試驗(yàn)時(shí)，使推動(dòng)桿與密封圈之間的摩擦力進(jìn)一步增大，最終使開(kāi)關(guān)在復(fù)位過(guò)程出現(xiàn)信號(hào)延遲的問(wèn)題。

5 故障復(fù)現(xiàn)

采用密封圈放置型腔偏小的部件重新裝配開(kāi)關(guān)，裝配過(guò)程控制推動(dòng)桿與密封圈的摩擦力為27N，低溫-40℃時(shí)兩者的摩擦力為53N。開(kāi)關(guān)在低溫-40℃條件下進(jìn)行故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)，開(kāi)關(guān)出現(xiàn)拔下保險(xiǎn)銷(xiāo)后，轉(zhuǎn)換信號(hào)延遲23s才導(dǎo)通的現(xiàn)象。

6 措施有效

優(yōu)化開(kāi)關(guān)的裝配工序，增加密封圈與推動(dòng)桿間的摩擦力控制要求，通過(guò)驗(yàn)證摩擦力控制范圍為4N～10N時(shí)開(kāi)關(guān)既可以保證密封效果又可以保證瞬間復(fù)位。

7 結(jié)論

通過(guò)裝配工序優(yōu)化，分離開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換時(shí)間達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。工序改進(jìn)后的分離開(kāi)關(guān)進(jìn)行低溫試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間延遲的問(wèn)題得以解決。本次分離開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間失效問(wèn)題的機(jī)理清楚，原因分析正確。

參考資料：

[1] 趙九江等.材料力學(xué).哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1995.