飛機接觸器失效分析與預防

孫凱革，季佳培，吳日成

(國營蕪湖機械廠，安徽 蕪湖 241007)

0 引言

蘇系列飛機供、配電系統(tǒng)中大量使用交、直流接觸器，主要安裝于飛機各交、直流配電裝置中，統(tǒng)計達16種型號百余件之多。接觸器按功用可分為交流型和直流型接觸器，按結構可分為敞開型和密封型接觸器，按工作制式可分為長時工作制和短時工作制接觸器等。接觸器的額定電流等級有50、100、200 A[1]。在機載電源系統(tǒng)中，接觸器作為發(fā)電機輸送電能和匯流條向大功率用電設備的連接器件，用來實現(xiàn)對交、直流電路的控制、電氣系統(tǒng)的保護，控制著整機供、配電系統(tǒng)的可靠運行[2]。隨著飛機服役期限的延長，飛機電氣器件老化日益嚴重，如果接觸器發(fā)生故障，就會影響到系統(tǒng)的正常工作，嚴重的將導致整機電網(wǎng)斷電，甚至會對飛行安全構成危害[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至關重要的課題。

接觸器工作可靠性在飛機上非常重要，隨著飛機服役期限的延長，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際的電壽命。接觸器失效分析與預防是一個系統(tǒng)的工程，需要結合飛機大修的實際狀態(tài)，多輪的循序漸進的改進(失效分析—工藝改進—可靠性試驗—效果評價)，從設計、潛在失效分析、工藝、試驗、驗證等多環(huán)節(jié)開展工作，及時掌握飛機關鍵器件的實際狀態(tài)，確保飛機安全。

本研究主要針對蘇系列飛機接觸器進行失效預測分析和可靠性維修研究。

1 試驗過程與結果

1.1 失效模式和失效現(xiàn)象

飛機上的各型接觸器根據(jù)其工作頻次和工作特點可劃分為3種工作狀態(tài)，即連續(xù)工作狀態(tài)、間斷工作狀態(tài)和應急工作狀態(tài)。各接觸器在飛機上的工作頻次不同，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)時觸頭導電良好，能可靠地流過規(guī)定電流而不會過熱；斷開過程中能將電路可靠地斷開。

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大修故檢時分解狀態(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，連接應急電源的交流接觸器，工作狀態(tài)為應急。

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準值(500 mΩ)157.7、390.7、289.3 mΩ，測量結果與圖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準值243.7 mΩ，測量結果與圖3中實際狀況相符；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準值142.4、1.3、177.3 mΩ，雖未超出標準值，但因觸頭氧化嚴重，觸頭接觸電阻測量最大值超出標準值580 mΩ，高出標準值一倍之多，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中實際狀況相符。

1.4 振動試驗

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

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

圖4 應急工作狀態(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)測抖動信號，正常情況下應始終為直線低電頻，異常信號脈寬約為40 μs，標準規(guī)定監(jiān)測水平為閉合觸頭的斷開時間不得超過10 μs[7]。接觸器觸頭熔焊、接觸電阻過大，在環(huán)境振動條件下觸頭間的表面膜接觸電阻會很不穩(wěn)定，使負載信號在傳遞過程中產(chǎn)生一些不規(guī)律的失真信號。

通過對在修的蘇系列飛機接觸器深入研究，總結出接觸器的故障模式有觸頭斷開或者不閉合、電磁傳動器件故障、起動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試驗數(shù)據(jù)結論可知，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 采集到的觸頭抖動信號(單位脈寬為1 ms)Fig.5 Dither signal collected from contact (Pulse width per unit: 1 ms)圖6 采集到的觸頭抖動信號(單位脈寬調整為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

接觸器在飛機電氣控制系統(tǒng)中很重要，要求在預定的時限內有百分百的工作可靠，但隨著飛機服役期限的延長，電氣器件老化日益嚴重，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，都會引起機械、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和性能上的差別隨操作次數(shù)的改變也會不確定的變化，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，同時也存在很大的隨機性。隨著操作次數(shù)的增加和使用時間的增加，觸頭的導電性能會不斷惡化，特征參數(shù)整體出現(xiàn)不斷增大的趨勢，觸頭的溫升增加，使得觸頭性能進一步惡化，到達一定的次數(shù)或時間以后，電接觸參數(shù)會急劇變化，頻繁出現(xiàn)幅值很大的值或快速增長的趨勢，此時觸頭接近失效或已經(jīng)失效[9]。

如圖7所示，偶然失效期內，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 預防措施

飛機上觸頭轉換電路接觸電阻的存在是客觀的，但電阻過大和嚴重的不穩(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]。飛機上使用的發(fā)電機和匯流條連接的各型接觸器，因在飛機上所起的作用不同，控制的負載、工作頻次不同，空、海軍飛機飛行環(huán)境不同，即使安裝在同一架飛機上相同型號的接觸器，其損傷程度也不同，特別是長期工作大負載接觸器觸頭的磨損、熔焊都比較嚴重，因此，必須分析影響觸頭接觸電阻的各種因素?；诟鹘佑|器的實際狀態(tài)，結合飛機大修，對每個系統(tǒng)、每個器件進行研究分析，在掌握這些器件的負載分配規(guī)律和失效規(guī)律前提下，采取針對性深化修理措施[12]。在不破壞接觸器結構，保證接觸器機械參數(shù)和電參數(shù)調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，抑制觸頭磨損擴大趨勢，提高接觸器工作的可靠性，確保飛機安全。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是飛機發(fā)電機輸出接觸器修理后電參數(shù)測量值，以10 min間隔時間測量500次，分別記錄1、200、500次測試結果。測試結果表明數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性好。

2.4 低溫步進試驗

表5是對飛機發(fā)電機輸出接觸器修理后從-10～-50 ℃在線圈加28 V直流電激勵下進行低溫試驗，以-10 ℃為觸頭接觸電阻測試步進速率，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 掃頻振動試驗

對樣件進行掃頻振動試驗(20 g，300～1 600 Hz)，在加激勵狀態(tài)，未見動閉觸點的抖斷；在不加激勵狀態(tài)，未見靜合觸點的抖斷。

表4 發(fā)電機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)電機輸出接觸器修后電參數(shù)Table 5 Electric parameters of generator’s output contactor after repairing

3 結論

1)大負載、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，但觸頭氧化嚴重，易導致電路或系統(tǒng)偶發(fā)故障，故障排查時不易發(fā)現(xiàn)。

4)結合飛機大修，在保證接觸器機械參數(shù)和電參數(shù)調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，抑制觸頭磨損擴大趨勢，提高接觸器工作的可靠性，可最大限度的消除飛機供、配電系統(tǒng)的安全隱患。