某型線性加速度計(jì)失效原因分析

關(guān)震/國營長虹機(jī)械廠

近年來，某型裝備控制系統(tǒng)故障數(shù)量不斷增加，出現(xiàn)了批次性質(zhì)量問題。經(jīng)反復(fù)檢查、測試，發(fā)現(xiàn)控制系統(tǒng)內(nèi)某型線性加速度計(jì)（簡稱“線加”）是問題根源。為了深入查找該型線加的故障原因，確保裝備修理質(zhì)量，對該型線加進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)分析、材料分析、性能測試，并綜合考慮產(chǎn)品使用過程情況，對其失效過程及機(jī)理進(jìn)行深入分析。

1 原理分析

1.1 組成結(jié)構(gòu)

線加是一種密封性器件，其外部是瓦鋼結(jié)構(gòu)件，線脹系數(shù)與內(nèi)部材料相近，以減少線加內(nèi)部的溫度誤差；底部灌裝密封膠，用于保護(hù)線加電路板及元器件。

根據(jù)該型線加外部電路結(jié)構(gòu)，可知其屬于撓性擺式加速度計(jì)。線加內(nèi)部為兩層結(jié)構(gòu)，上層是一個(gè)金屬封裝器件，通過金屬引線固定在托板上，線圈在兩個(gè)磁鋼之間，通過撓性梁連接至兩側(cè)金屬臺(tái)，敏感質(zhì)量塊可小幅度擺動(dòng)。其中，金屬臺(tái)1 通過導(dǎo)線與信號輸出端相連。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

1.2 結(jié)構(gòu)原理

線加作為感知重力加速度的傳感器，內(nèi)部有加速度感應(yīng)部件，在受到預(yù)定方向的加速度時(shí)，感應(yīng)部件存在慣性運(yùn)動(dòng)，將運(yùn)動(dòng)位移量轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過線加處理電路放大輸出，傳遞至綜合處理電路；綜合電路通過信號驅(qū)動(dòng)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和設(shè)備中的舵機(jī)模擬器，最終形成反饋信號，經(jīng)反饋電路傳遞至綜合處理電路。

1.3 外圍電路

在測試狀態(tài)下，線加及外圍電路的原理框圖如圖2 所示。在不加載外部信號的情況下，線加在重力狀態(tài)下輸出（-0.3±0.06）V 電壓信號，經(jīng)過線加信號處理電路和綜合處理電路后，得到舵機(jī)通道綜合輸出信號，再輸出到舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和設(shè)備中的舵機(jī)模擬器形成舵機(jī)反饋信號，經(jīng)舵機(jī)通道反饋電路反饋回綜合處理電路，形成閉環(huán)控制。

圖1 線加內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 線加外圍電路原理框圖

圖3 線加樣品X射線檢測圖

圖4 斷裂處局部放大

控制組合端口加入±13.5V 直流電壓后，線加工作。當(dāng)控制組合處于平放時(shí)（即線加為水平放置），線加的輸出電壓應(yīng)為（0±0.01）V；當(dāng)控制組合垂直放置時(shí)（即線加為垂直放置），線加受重力影響，輸出端有（-0.3±0.06）V的輸出電壓。線加輸出信號經(jīng)過I 和Ⅱ通道的線加處理電路、綜合處理電路、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路處理，經(jīng)舵面反饋，形成“重力作用下舵機(jī)反饋信號”。

2 故障原因分析

2.1 檢查過程

為深入了解線加的故障原因，從兩個(gè)批次的故障線加中抽取5 件產(chǎn)品，采用外部檢查、X 射線檢查、內(nèi)部目檢等方式進(jìn)行失效分析，檢查情況如下。

5 個(gè)樣品的X 射線檢測圖像中均存在一根斷開的金屬線，其形貌如圖3 所示。

為了觀察線加內(nèi)部具體損傷情況，采用機(jī)械方法對其進(jìn)行了開封。線加內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4 所示，分為兩層結(jié)構(gòu)，上層為金屬封裝器件，通過金屬引線固定到托板上；下層為磁鋼、線圈、撓性梁等傳感功能模塊。線圈與撓性梁組成敏感質(zhì)量塊，線圈套在兩個(gè)磁鋼之間，通過撓性梁接至兩側(cè)金屬臺(tái)，線加運(yùn)動(dòng)過程中敏感質(zhì)量塊可小幅度擺動(dòng)。目視檢查發(fā)現(xiàn)撓性梁與金屬臺(tái)1 連接部位斷開，如圖5 所示，此位置與X 射線觀察到的金屬線斷開位置一致。

失效樣品內(nèi)部連接信號輸出端與線圈撓性梁斷開，斷開位置在撓性梁與金屬柱1 的焊接處。EDS 成份分析確認(rèn)，端口兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)腐蝕性元素。斷面1 上存在韌窩形貌，韌窩位于斷面邊緣位置，呈現(xiàn)塑性斷裂的特征。斷面1 與斷面2均可見疲勞條紋，條紋延伸方向與撓性梁擺動(dòng)方向一致，呈現(xiàn)疲勞斷裂特征，表現(xiàn)形式為塑性斷裂。綜上所述，失效樣品內(nèi)部連接信號輸出端與線圈撓性梁受機(jī)械應(yīng)力作用產(chǎn)生疲勞斷裂，導(dǎo)致樣品無信號輸出。

圖5 撓性梁斷面1和斷面2斷裂處外貌

2.2 故障原因分析

根據(jù)上述分析，線加撓性梁與金屬臺(tái)焊接處觀察到疲勞條紋及疲勞條紋附近出現(xiàn)斷裂韌窩，由此推斷：

1）撓性梁與金屬臺(tái)連接部位出現(xiàn)了較大的應(yīng)力，并存在初始損傷。

2）在機(jī)械應(yīng)力作用下，初始損傷不斷擴(kuò)展，形成了疲勞條紋，每一條疲勞條紋代表著一次載荷或者應(yīng)變的改變。

3）當(dāng)損傷擴(kuò)展到一定程度，撓性梁的剩余強(qiáng)度較低。當(dāng)出現(xiàn)較大載荷作用時(shí)，撓性梁損傷部位出現(xiàn)高應(yīng)力，進(jìn)而產(chǎn)生塑性變形，在振動(dòng)過程中最終產(chǎn)生斷裂。

因此，撓性梁斷裂經(jīng)過了一個(gè)多次疲勞載荷循環(huán)加載的過程，最后因剩余強(qiáng)度不足發(fā)生韌性斷裂。

2.3 撓性梁斷裂原因分析

從金屬材料疲勞斷裂發(fā)生原因的機(jī)理分析，推斷撓性梁斷裂有以下兩方面的原因：

1）線加的設(shè)計(jì)過程中，沒有充分考慮生產(chǎn)和運(yùn)輸過程產(chǎn)生的應(yīng)力對撓性梁的影響，焊接殘余應(yīng)力與外界振動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)力存在疊加的情況，易造成撓性梁焊接部位材料內(nèi)部出現(xiàn)初始缺陷。在周期性環(huán)境應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力的作用下材料損傷擴(kuò)展，使得撓性梁發(fā)生塑性斷裂的概率增大。

2）線加的焊接工藝存在缺陷，未充分考慮焊接過程可能造成線加撓性梁存在拉伸的應(yīng)力，同時(shí)撓性梁應(yīng)力釋放處理不當(dāng)，導(dǎo)致?lián)闲粤嚎拷附狱c(diǎn)附近集中了較大的應(yīng)力。在運(yùn)輸、裝卸過程中線加撓性梁不斷振動(dòng)，形成周期性疲勞載荷作用，初始損傷不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致?lián)闲粤菏Ｓ鄰?qiáng)度不足發(fā)生塑性斷裂。

3 結(jié)論

綜上所述，該型線加的故障是由于其撓性梁的生產(chǎn)過程中，因設(shè)計(jì)/工藝缺陷，在撓性梁焊接部位周圍形成了高應(yīng)力區(qū)；其貯存過程易受外界振動(dòng)，在交變應(yīng)力作用下?lián)闲粤洪L期處于高頻微振狀態(tài)，在焊接端產(chǎn)生金屬疲勞，且疲勞情況持續(xù)發(fā)展；當(dāng)線加隨部件進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，撓性梁的金屬疲勞程度從亞穩(wěn)定擴(kuò)展階段快速進(jìn)入失穩(wěn)狀態(tài)，導(dǎo)致?lián)闲粤簲嗔?，最終使線加失 效。

4 建議

根據(jù)上述分析結(jié)果，工廠對故障件進(jìn)行了換新處理，同時(shí)提出相關(guān)建議：

1）針對線加故障率較高且數(shù)量有增長的情況，在現(xiàn)有失效分析結(jié)論的基礎(chǔ)上改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝，制定預(yù)防性措施，降低外部振動(dòng)對線加金屬件的影響。

2）后期工廠將對含有慣性器件的部件進(jìn)行包裝防護(hù)，以減少轉(zhuǎn)運(yùn)過程中外界應(yīng)力對慣性器件的振動(dòng)影響。