关于电动机构卡滞故障的设计改进论文

2017-03-19

关于电动机构卡滞故障的设计改进全文如下：

某电动机构是为设备流量活门配套的产品，用于飞机环境控制系统，根据流量控制盒输出的脉冲信号调节设备流量活门的角度。

在外场使用中该电动机构故障率高发，故障率达30%以上，主要故障模式为卡滞或不工作，严重影响飞机正常使用。

1 产品组成及工作原理

某电动机构主要由永磁直流电动机、减速器、开关组件、输出轴组件及继电器等部分组成。

当给1 号插针供正电，2 号插针接负极时，电动机开始工作，通过减速器减速，带动输出轴向打开方向运动;当先给3 针和4 针继电器线包加28.5VDC 电压时，继电器3 组触点由常闭转为常开状态，此时给1 号插针供正电，2 号插针接负极时，输出轴向关闭方向运动。在输出轴打开与关闭的两极限位置上，分别有一个WWK-2 极限开关，当输出轴运动至“开”极限位置时，凸轮带动摇臂按压微动开关K1 使之由常闭转为常开状态，电动机断电停止工作，并通过5 号插针输出“开”极限位置信号;反之，当输出轴运动到“关”极限位置时，凸轮带动摇臂按压微动开关K2 使之由常闭转为常开状态，电动机断电停止工作，并通过6 号插针输出“关”极限位置信号。

2 故障分析

2.1 故障模式分析

通过对历次故障品的统计分析，该类故障模式一般分为三种情况：一是产品通电不工作，约占此类故障模式的30%;二是产品通电时工作、时不工作，通过反复工作或施加外界敲击、振动等方式会故障复现，约占此类故障模式的40%;三是产品在常温和外加温度、振动应力的情况下通电始终工作正常，故障未复现，此类约占故障模式的30%。

对故障复现的产品进行电测量发现，此时电机1号与2 号插针间为断路。逐步分解产品，插头座及开关等处焊接牢靠;微动开关常开、常闭触点转换正常，测量触点间接触电阻正常;测量发现继电器的一组或多组触点出现无法正常导通的现象，继电器失效;进一步分解检查电机工作正常。为准确定位继电器失效原因，携故障继电器前往生产厂家进行了失效分析。该电动机构负载性质为：电动机静止时输入阻抗非常小，启动时存在浪涌电流，对继电器的触点形成瞬间电流冲击，而此刻正对应于触点弹跳及动态接触电阻区，容易出现烧蚀拉弧，而电动机的线圈是一个电感，断开时电感负载中的能量将感生瞬态电压，并通过继电器的触点放电消耗这些能量，因而引起电弧并使触点烧蚀。继电器在此种负载下，经过长期频繁通断，造成簧片金属转移损耗严重，最终导致继电器故障。继电器失效的原因是由于使用次数频繁，在机械损伤和电腐蚀的共同作用使得继电器内部动簧片不能正常接通。

由产品工作原理分析，电动机构卡滞(不工作)的故障树。通过故障分析,电动机故障基本不存在，主要还是继电器故障。

2.2 继电器失效机理分析

继电器在工作中，触点要经历四个过程：闭合状态、断开过程、断开状态和闭合过程。

(1)闭合状态

继电器衔铁未动作时，动簧片与常闭簧片接触，常闭触点处于闭合状态;衔铁动作后，动簧片与常开簧片接触，常开触点处于闭合状态。在闭合状态下，继电器的负载可以达到5A，触点一般不会引起不良后果。

(2)断开过程

指触点由闭合状态过渡到断开状态的过程。继电器动作时，动簧片与常闭簧片分离，常闭触点处于断开过程;继电器释放时，动簧片与常开簧片分离，常开触点处于断开过程。继电器触点的断开是逐步进行的，开始时触点接触面积逐渐减少，接触电阻随之增加，温度也随之升高，如果触点负载电流大于10mA,会使触点接触处的金属熔化成液态桥。触点继续分开的瞬间，液态桥被拉断或汽化蒸发，形成微小间隙，负载电压几乎全部加在这个间隙上。当负载电压足够高时，会形成很强的电场，间隙里的中性气体分子会在强电场的作用下发生电离，变成带电离子而使间隙击穿，如果被开断电路内的电流和触点上的电压大于临界燃弧电流IO和临界燃弧电压UO,就会形成电弧，持续时间约10us，随着触点间隙继续增加临界燃弧熄灭。

继电器衔铁未动作时，动簧片与常开簧片未接触，常开触点处于断开状态;衔铁动作后，动簧片与常闭簧片未接触，常闭触点处于断开状态。继电器触点在断开状态下，动簧片与静簧片之间有足够大的间隙，保证了触点具有足够的绝缘强度和抗电强度，因而触点在断开状态下不会被烧蚀。

(3)闭合过程

指触点由断开状态过渡到闭合状态的过程。继电器动作时，动簧片将与常开簧片接触，常开触点处于闭合过程;继电器释放时，动簧片将与常闭簧片接触，常闭触点处于闭合过程。在闭合过程中，动、静触点逐渐靠近，当触点间隙约为0.1mm 时，电场强度很大，会出现阴极电子发射，间隙被击穿而放电，与断开过程出现的情况类似，但因动、静触点很快就接触上，不会引起严重后果。动、静触点刚好接触时，由于触点压力很小，实际接触面积也很小，相应的触点电阻较大。若电路起始冲击电流较大，就有可能使触点发生熔化，熔化的金属停留在触点间，受到随后增大的触点压力的作用，往往就会产生触点熔焊现象或触点金属转移现象。另外，在闭合过程中，由于动触点具有一定的动能，在与静触点相碰时，会产生触点回跳，而且往往不止一次，当回跳间距达到一定值时，就会出现电弧放电现象，以致造成触点金属局部熔化。

因此，继电器在闭合过程和断开过程中，受负载和触点切换的共同影响，触点表面产生焦耳热并使触点间产生火花、电弧，此时触点上的部分金属在电弧的作用下发热、熔化、沸腾，在电场的作用下出现转移、飞溅，出现严重的电腐蚀，由于电腐蚀后触点表面出现金属转移，当继电器使用次数过多时，由于机械损耗和电损耗的共同作用，导致继电器通电后触点之间不能正常接通。

2.3 结论

通过以上分析，该继电器寿命及响应时间不能满足产品小角度频繁正反向调节的使用要求存在以下问题：

(1)电磁机械式继电器不适合频繁工作;

(2)电磁机械式继电器可靠性低;

(3)电磁机械式继电器响应时间长(动作时间≤15ms、释放时间≤8ms);

(4)电磁机械式继电器寿命短(5 万次)。

3 解决措施

为了解决继电器故障率高的问题，对国内多个继电器生产厂家的继电器使用寿命情况做了大量调查，本继电器已经是国内继电器产品中寿命指标较高的继电器。目前国内该类继电器使用寿命最高为5 万次，无法满足飞机上“脉冲控制”的使用需求。为了从根本上解决电磁继电器响应时间长、可靠性低、寿命短等问题，认为采用无触点的电子换向模块进行换向是一种可行的方案，其工作原理、设计技术、制造工艺等成熟，质量稳定可靠。

电子换向模块具有以下特点：

(1)电子换向，无机械触点，寿命长;

(2)电子电路控制，可靠性高;

(3)响应时间快，适合脉冲控制调节;

(4)适合电机频繁控制换向工作。

当4 号针断开时，1 号插针供正电，2 号插针接负极，电子换向模块工作(其内部2 脚输出正电，8 脚接地)，电动机正转，通过减速器减速，带动输出轴向打开方向运动;当4 号针接负时，再给1 号插针供正电，2 号插针接负极，电子换向模块工作(其内部9 脚输出正电，3 脚接地)，电动机反转，输出轴向关闭方向运动。极限位置限位及信号指示工作原理未改变。

电子换向模块是一种限位式有刷直流电机驱动电路模块，采用功率MOSFET 晶体管的无触点控制转换器。主要完成直流电动机控制信号的隔离放大、信号处理、限流保护及电机驱动等功能，驱动器控制信号部分与功率驱动部分光电隔离。光耦隔离电路控制信号处理，限流电路实现有刷电机驱动的限流保护，限制有刷电机驱动器及电机工作时的最大电流，驱动电路完成功率管导通与关断的控制，通过功率输出，驱动直流电机。

电子换向模块由于没有触点就没有切换火花腐蚀触点现象，从理论上讲寿命是无限的。该驱动模块输入输出采用光电隔离，具有较高的抗干扰能力，可靠性较高。另外，采用该模块后，电动机构响应特性得到提升，响应时间由原来毫秒级缩小为微秒级，能更好的与流量控制盒的脉冲控制匹配，可以彻底解决电动机构卡滞故障。

4 试验验证

对改进后的产品进行了低温贮存、低温工作、高温贮存、高温工作、温度冲击、温度-高度、振动、冲击、加速度、炮振、电源特性、电磁兼容和寿命试验考核，试验结果全部合格。

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