直流航空接觸器熔焊故障分析及預(yù)防建議

周躍飛

（中國民用航空飛行學(xué)院航空安全辦公室，廣漢618307）

0 引 言

接觸器是一種適用于遠(yuǎn)距離頻繁接通和分?jǐn)嘟恢绷髦麟娐芳按笕萘靠刂齐娐返碾姎饪刂破骷?，其本質(zhì)是通過“小電流”控制電流較大電路的通斷，通過驅(qū)動線圈的通斷帶動銜鐵動作，從而控制動靜觸頭的閉合和斷開，在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用，是航空器配電系統(tǒng)的關(guān)鍵控制和保護(hù)部件。

目前，研究人員對接觸器的研究多是失效原因分析，例如，喬鑫磊指出接觸系統(tǒng)失效是電磁繼電器最主要的失效模式，而接觸系統(tǒng)失效中60%以上為觸頭粘接失效，并研究了觸頭分合過程中不同因素對熔焊力的影響規(guī)律。部分研究人員從接觸器觸頭材料、觸頭現(xiàn)狀來分析電侵蝕和熔焊原因，例如，韓春陽等、郭鳳儀等對常用觸頭材料進(jìn)行了介紹，總結(jié)了各類材料的性能表現(xiàn)，指出電弧侵蝕造成的觸頭表面形貌惡化是導(dǎo)致觸頭熔焊并失效的主要原因；周曉龍等、魏國青等研究了不同電觸頭材料的接觸電阻、抗熔焊性、材料轉(zhuǎn)移特性，提出電接觸過程材料為陽極轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移主要以熔橋方式進(jìn)行，證明對陽極與陰極觸頭進(jìn)行每次電接觸測試時都發(fā)生了質(zhì)量減?。恢烨喑傻炔捎糜|頭模擬裝置進(jìn)行觸頭的電壽命試驗(yàn)，分析接通過程中熔焊現(xiàn)象發(fā)生時的觸頭狀態(tài)，得出熔焊發(fā)生具有隨機(jī)性的結(jié)論；王珩等等應(yīng)用威布爾分布分析了不同粗糙度、不同曲率半徑對電觸頭材料靜熔焊力的影響，以及電觸頭材料在不同接觸狀態(tài)下塑性變形對靜熔焊力影響。

為了解決接觸器觸頭熔焊問題，同時又要保證優(yōu)異的開斷性能，張石松等從材料研究著手在熔鑄工藝的基礎(chǔ)上，通過添加第三元素金屬Te制備CuCrTe觸頭，其能夠有效提高材料的抗拉強(qiáng)度，并且已經(jīng)得到成功應(yīng)用；肖翼洋等從管理角度出發(fā)指出開關(guān)類器件壽控缺失、維護(hù)不足等問題，從技術(shù)上、制度上厘清器件維護(hù)面臨的主要問題及產(chǎn)生原因。還有研究人員從結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，例如，劉銘光、劉天宇等分別從接觸器結(jié)構(gòu)和智能控制出發(fā)設(shè)計了一種磁鎖定接觸器和直流接觸器智能控制單元，能夠在接觸器過載時或電侵蝕有惡化趨勢時實(shí)現(xiàn)反延時保護(hù)和快速保護(hù)的功能。

但相較于普通工業(yè)，民用接觸器、航空接觸器選用的標(biāo)準(zhǔn)首先是穩(wěn)定的可靠性。因?yàn)橄鄬τ诮佑|器自身的故障，人們更關(guān)注其次生故障。在飛機(jī)上負(fù)荷較大的電氣設(shè)備如機(jī)載電源入網(wǎng)、動力裝置起動、飛行姿態(tài)操作、起落架收放等核心系統(tǒng)通常采用接觸器控制，這些系統(tǒng)中任何一個部件失去控制都可能導(dǎo)致航空器發(fā)生災(zāi)難性后果。

本文從一起飛機(jī)起動機(jī)接觸器熔焊故障導(dǎo)致的整機(jī)斷電入手，分析接觸器觸頭熔焊機(jī)理，統(tǒng)計該型接觸器2016—2019年的故障數(shù)據(jù)。

1 接觸器熔焊故障簡介

2017年5月14 日，一架塞斯納172飛機(jī)從跑道起飛約5 min后在機(jī)場3邊離跑道中心點(diǎn)約4 n mile（1 n mile=1 852 m）處從ADS-B（Auto‐matic Dependent Surveillance-Broadcast）監(jiān)視器上消失，塔臺可目視其方位，但不能建立任何機(jī)載通信設(shè)備聯(lián)系，由于飛機(jī)高度僅為300 m，在嘗試后通過手機(jī)聯(lián)系到機(jī)組，得知飛機(jī)整機(jī)斷電后立即清空跑道，大約8 min后機(jī)組通過目視程序安全落地。

在這起飛機(jī)整機(jī)斷電故障中，飛機(jī)雖然安全降落，無人員傷亡和飛機(jī)損傷，但依照《民用航空器事故征候》5.16款“飛行中失去全部電源”被定性為一般飛行事故征候。類似斷電事故如果發(fā)生的地點(diǎn)在遠(yuǎn)離機(jī)場的航路上或者發(fā)生在能見度低而無法識別參照物的天氣或夜晚，失去通信導(dǎo)航設(shè)備的引導(dǎo)，飛機(jī)可能迷航，后果不堪設(shè)想。

塞斯納172飛機(jī)使用一額定電壓28 V、額定電流60 A的直流發(fā)電機(jī)作為飛機(jī)主電源，使用一個24 V、容量12.75 AH的鉛酸電瓶作為飛機(jī)的輔助/應(yīng)急電源。正常飛行中發(fā)電機(jī)作為飛機(jī)電源，電瓶作為發(fā)電機(jī)故障時飛機(jī)的應(yīng)急電源，兩套供電方式理論上不應(yīng)出現(xiàn)整機(jī)斷電的情況。

飛機(jī)滑回后機(jī)務(wù)人員上機(jī)檢查，發(fā)現(xiàn)起動機(jī)齒輪已打壞，起動電機(jī)殼體溫度很高，測量起動電機(jī)電樞已燒斷，拆下并分解起動接觸器，發(fā)現(xiàn)動靜觸頭粘合在一起，分開后可以看出起動接觸器正極主觸頭有明顯燒蝕現(xiàn)象，已形成約2 mm的凹坑。起動機(jī)接觸器正極靜觸頭熔焊粘連（如圖1所示），初步判斷為起動機(jī)接觸器熔焊粘連后起動機(jī)無法退出工作，持續(xù)大負(fù)荷輸出導(dǎo)致電網(wǎng)電壓下降至低于發(fā)電機(jī)/電瓶接入接觸器釋放電壓，使得發(fā)電機(jī)和電瓶退出電網(wǎng)，導(dǎo)致整機(jī)斷電。

圖1 故障X61-0007型接觸器分解及正極靜觸頭放大圖Fig.1 Breakdown of fault X61-0007 contactor and enlarged view of positive static contact

2 接觸器工作原理

塞斯納172飛機(jī)起動機(jī)接觸器的件號為X61-0007，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。該接觸器為動鐵式接觸器，動觸頭為一康銅圓盤。工作時，動觸頭1在控制線圈4產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動下克服彈簧5的張力向下運(yùn)動，與觸頭2、3吸合，起動機(jī)工作電路導(dǎo)通，起動機(jī)工作。如果控制線圈4斷電，電磁力消失，動觸頭1在彈簧5的恢復(fù)力作用下向上運(yùn)動，當(dāng)動、靜觸頭分離時，起動機(jī)工作電路斷開，起動機(jī)退出工作。

圖2 X61-0007型接觸器簡圖Fig.2 Schematic diagram of the X61-0007 contactor

3 接觸器觸頭熔焊分析

動靜觸頭看似兩個光滑平臺，但從微觀上看，兩者表面實(shí)則凹凸不平，因此，兩者接觸時，其表面不可能完整貼合，實(shí)際上接觸面積比目視的接觸面積小得多。電流僅僅通過觸頭間局部很小的接觸點(diǎn)。此時，當(dāng)電流由導(dǎo)線通過觸頭時，電流就因?yàn)橛|頭接觸面積的縮小而產(chǎn)生阻力，即收縮電阻。

假定在兩個觸頭相接觸時，僅存在一個真正的接觸點(diǎn)，那么，該觸頭所具有的電阻為

式中：

R

為接觸頭的收縮電阻；

ρ

為接觸材料的電阻系數(shù)；

γ

為觸頭元件的半徑；

α

為實(shí)際接觸頭面積的半徑。當(dāng)接觸點(diǎn)的數(shù)目

n

>1時，觸頭間真正的接觸面積之和

A

=

n

?π?

α

，此時：

即

R

的大小取決于接觸頭的數(shù)量

n

和總接觸面積

A

的大小。根據(jù)焦耳定律，接觸元件在接觸部位的溫度

T

在理論上為

式中：

T

為觸頭溫度；

u

為接觸部位的電壓降；

λ

為接觸材料的導(dǎo)熱系數(shù)。因?yàn)榻佑|部位的電壓降

u

等于收縮電阻

R

乘以通過接觸部位的電流

I

，于是：

式中：

I

為接觸部位的電流。從式（2）、式（4）可以看出：接觸頭的數(shù)目

n

越小，收縮電阻值越大，觸頭接觸部位的溫度

T

越高。

觸頭分離時觸頭的電侵蝕機(jī)理：觸頭分離時，由于接觸壓力減小，電流在觸頭間的物理接觸頭迅速減少，觸頭面積減小，觸頭間電阻迅速增大，使得接觸電壓激增。

上述激增電壓產(chǎn)生的焦耳熱能使觸頭表層微區(qū)域材料熔化，熔化的金屬在機(jī)械力和電弧力作用下產(chǎn)生流動和噴濺。當(dāng)液態(tài)區(qū)域溫度持續(xù)升高后，沸騰的液體還將蒸發(fā)氣化。流動、噴濺和氣化都將造成觸頭接觸區(qū)域材料的侵蝕損耗。

觸頭閉合時觸頭熔焊的機(jī)理：觸頭閉合過程中，觸頭間原本處于絕緣狀態(tài)的空氣，隨著觸頭間隙逐漸縮短，中間空氣在兩端觸頭足夠強(qiáng)的電場作用下將失去介電性能成為導(dǎo)體，也即電擊穿。觸頭中的游離電子，在電擊穿強(qiáng)電場作用下，電子被加速獲得動能，轟擊空氣和觸頭材料里的其他電子，電子間劇烈的碰撞所產(chǎn)生的高溫足以使觸頭表面材料熔化，即靜熔焊機(jī)理。

另外，由于零部件制造工藝因素，觸頭接觸面并非完全處于同一平面上，當(dāng)動靜觸頭在吸合作用力下以一定速度碰撞時，觸頭間的電動斥力和銜鐵與鐵心的碰撞都可能引起觸頭的機(jī)械振動和彈跳。觸頭振動彈跳后，觸頭分離產(chǎn)生電弧，電弧高溫使接觸面金屬熔化、濺射。在經(jīng)過反復(fù)彈跳后，觸頭最后吸合在一起，觸頭表面已經(jīng)熔化的金屬迅速冷卻，凝固在一起，就可能導(dǎo)致動、靜觸頭焊接在一起，也就是觸頭熔焊。

4 接觸器故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

某單位現(xiàn)有塞斯納172飛機(jī)174架，分布在5個運(yùn)行基地，通過該單位統(tǒng)一的飛機(jī)故障填報系統(tǒng)對該型接觸器（X61-0007）故障數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，其中2016—2019年的故障如表1所示。

表1 2016—2019年X61-0007故障量統(tǒng)計Table 1 Statistics of the number of failures in X61-0007 from 2016 to 2019

2016—2019 年，該單位所有塞斯納172飛機(jī)共發(fā)生48起X61-0007型接觸器故障，期間，所有塞斯納172飛機(jī)共計飛行683 007 h，該型接觸器平均萬小時故障率為0.7，其中接觸器熔焊粘連故障萬時率為0.01。2016—2019年X61-0007故障率統(tǒng)計如圖3所示。

圖3 2016—2019年X61-0007故障率統(tǒng)計Fig.3 Statistics of X61-0007 failure rate from 2016 to 2019

按該型接觸器故障發(fā)生時機(jī)統(tǒng)計：空中發(fā)生17起，占比為37.5%；地面發(fā)生13起，占比為27.1%；定檢檢查發(fā)現(xiàn)17起，占比為35.4%。

按該型接觸器故障原因統(tǒng)計：接觸器控制線圈不工作9起，占比為18.8%；接觸器觸頭接觸壓力不穩(wěn)定29起，占比為60.4%；接觸器觸頭間接觸電阻大9起，占比為18.8%；觸頭粘連1起，占比為2.1%。

該型接觸器故障發(fā)生最多的月份為3月、9月和10月，均為7起；最少為1月、2月，分別為1起和0起。1月、2月期間該單位放寒假，飛行量減少，該單位塞斯納172飛機(jī)月平均飛行8 902 h。3月、9月、10月為飛行訓(xùn)練的高峰期，該單位塞斯納172飛機(jī)月均飛行17 336 h。X61-0007故障量按月統(tǒng)計如圖4所示，可以看出：該型接觸器故障與天氣、外界環(huán)境無必然聯(lián)系，僅與飛行時間成正比例關(guān)系。因此，該件的維護(hù)屬于時控件壽命曲線態(tài)勢分布，可參照時控件的管理方法進(jìn)行管理。

圖4 X61-0007故障量按月統(tǒng)計Fig.4 Monthly breakdown of X61-0007

5 預(yù)防建議

雖然接觸器熔焊故障純屬機(jī)械故障，與人為因素和組織管理沒有任何關(guān)系，但作為飛機(jī)運(yùn)行維護(hù)單位在執(zhí)行廠家推薦的維護(hù)檢修標(biāo)準(zhǔn)時，可以適當(dāng)提高。因?yàn)槭掳l(fā)飛機(jī)為培養(yǎng)飛行學(xué)員的教學(xué)飛機(jī)，教學(xué)性質(zhì)就決定了該飛機(jī)和其他通航單位的飛機(jī)不同，它有更密集的飛行量、頻繁的起降、較為粗猛的操作等使用特點(diǎn)，發(fā)動機(jī)的起動、關(guān)停次數(shù)大幅度多于其他同類飛機(jī)。由于發(fā)動機(jī)頻繁的起動，對起動接觸器的電侵蝕程度必然超出飛機(jī)廠家對起動接觸器的初始適航的設(shè)計要求。

結(jié)合機(jī)型維護(hù)手冊、該單位飛行特點(diǎn)以及上述故障統(tǒng)計分析，在滿足航空器適航性要求的前提下，建議把X61-0007型接觸器由故障更換件改為時控件予以控制，其到壽時限設(shè)定為2 000 h。這樣，該型接觸器平均故障萬時率將由0.7下降到0.14。接觸器熔焊粘連的故障萬時率相應(yīng)下降為0.002。另外，在時限內(nèi)，飛機(jī)每100 h定檢時增加接觸器性能測試項目，以此來監(jiān)控該部件的工作性能，如果性能有變差趨勢遂將其更換。在2 000 h時限到了之后，無論其性能參數(shù)如何即刻更換該部件以確保飛行安全。

將該接觸器作為時控件和定檢監(jiān)控件只是飛機(jī)使用單位在滿足航空器適航的基礎(chǔ)上所做的預(yù)防手段。根本上解決還需飛機(jī)制造廠家接受使用單位的反饋信息，另選滿足飛機(jī)負(fù)荷需求的其他型號接觸器，以達(dá)到穩(wěn)定可靠工作的適航審定要求。

6 結(jié) 論

塞斯納172飛機(jī)起動機(jī)接觸器的電侵蝕現(xiàn)象隨著飛行時間的增加而成正比例的累加。兼顧航空器運(yùn)行單位特點(diǎn)和適航性要求，將X61-0007型航空直流接觸器作為時控件管理，可有效地預(yù)防接觸器觸頭熔焊故障的發(fā)生。