機(jī)載平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)直流力矩電動(dòng)機(jī)故障機(jī)理分析

張東榮，王東輝，馮志民

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

1 問題描述

在航空領(lǐng)域，平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)從二十世紀(jì)80年代末期開始應(yīng)用，經(jīng)過二十多年的不斷改進(jìn)和發(fā)展，其技術(shù)逐步走向成熟，已裝備于我國大部分二代和三代戰(zhàn)機(jī)。平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜而精密的機(jī)電系統(tǒng)，使用中故障率偏高，影響了載機(jī)設(shè)備的完好率，受到各級(jí)用戶的關(guān)注。

在平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中，穩(wěn)定回路故障是主要的故障模式，約占系統(tǒng)總故障的20%，穩(wěn)定回路故障直接導(dǎo)致慣導(dǎo)系統(tǒng)性能下降或失效，影響載機(jī)的飛行任務(wù)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響載機(jī)的飛行安全，因而減少或解決穩(wěn)定回路故障一直是平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)研制人員的主要任務(wù)。

作為穩(wěn)定回路的驅(qū)動(dòng)元件，直流力矩電動(dòng)機(jī)的質(zhì)量直接影響穩(wěn)定回路工作的可靠性。由于機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)尺寸要求苛刻，且載機(jī)機(jī)動(dòng)較大，因而要求作為穩(wěn)定回路驅(qū)動(dòng)元件的力矩電動(dòng)機(jī)尺寸小、堵轉(zhuǎn)力矩大，這給力矩電動(dòng)機(jī)的研制帶來難度，加之國內(nèi)技術(shù)水平所限，使得力矩電動(dòng)機(jī)的可靠性成為影響穩(wěn)定回路和慣導(dǎo)系統(tǒng)可靠性的主要因素之一。

2 直流力矩電動(dòng)機(jī)故障模式及其對(duì)系統(tǒng)的影響

對(duì)于機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)，其慣性平臺(tái)采用四環(huán)三軸的結(jié)構(gòu)，每個(gè)環(huán)架均由一個(gè)直流力矩電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，每個(gè)平臺(tái)有四個(gè)電機(jī)，依次為:外橫滾電機(jī)、俯仰電機(jī)、內(nèi)橫滾電機(jī)和方位電機(jī)(其中俯仰和內(nèi)橫滾電機(jī)為同一型號(hào))。

2006年底，某型機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，力矩電動(dòng)機(jī)共發(fā)生故障60起，主要的故障模式為:接觸電阻變大、絕緣強(qiáng)度下降、轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活或外觀等，其中接觸電阻變大為49起，占總故障數(shù)的82%。

在平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)中，慣性平臺(tái)的主要作用是為安裝在其上的加速度計(jì)提供基準(zhǔn)，使得加速度計(jì)始終按照一定的關(guān)系保持在當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系中。慣性平臺(tái)的這個(gè)作用主要是通過穩(wěn)定回路的控制來實(shí)現(xiàn)的，穩(wěn)定回路的組成如圖1所示。

圖1 穩(wěn)定回路組成框圖

兩種典型電機(jī)接觸電阻變大引起的穩(wěn)定回路控制方波如圖2所示，其中圖2a為電機(jī)阻值增加引起方波不等寬的情況，圖中上面方波為正常波形，下面方波為不等寬波形;圖2b為電機(jī)阻值增加引起方波飽和的情況。

當(dāng)載機(jī)進(jìn)行機(jī)動(dòng)時(shí)，陀螺敏感該運(yùn)動(dòng)，并將信號(hào)通過前置放大器、功率放大器、相敏解調(diào)器、濾波以及校正環(huán)節(jié)等伺服電子線路處理，提供給力矩電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)慣性平臺(tái)環(huán)架運(yùn)動(dòng)，保持加速度計(jì)相對(duì)慣性空間的穩(wěn)定。當(dāng)直流電機(jī)接觸電阻變大時(shí)，由于供電電源始終保持不變，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流和輸出力矩變小，變小的幅值超過一定范圍時(shí)，遇到載機(jī)的機(jī)動(dòng)，穩(wěn)定回路將因力矩不夠而無法準(zhǔn)確跟蹤，造成穩(wěn)定精度的降低，系統(tǒng)性能下降，嚴(yán)重時(shí)引起穩(wěn)定回路失穩(wěn)，慣性平臺(tái)翻倒，系統(tǒng)導(dǎo)航功能喪失。

在三種電機(jī)中，外環(huán)電機(jī)和方位電機(jī)尺寸相對(duì)較大(直徑為80 mm)，堵轉(zhuǎn)電流較小(分別為0.5 A和0.3 A)，俯仰和內(nèi)環(huán)電機(jī)尺寸較小(直徑只有45 mm)，堵轉(zhuǎn)電流較大(電流為1.3 A)。在故障電機(jī)中，俯仰電機(jī)(含內(nèi)橫滾電機(jī))故障47起，占總故障數(shù)的78%。俯仰電機(jī)接觸電阻變大是主要的故障模式，也是本文分析的重點(diǎn)。

3 直流力矩電動(dòng)機(jī)故障機(jī)理分析

3.1 直流力矩電動(dòng)機(jī)的使用環(huán)境

對(duì)于機(jī)載平臺(tái)式慣導(dǎo)系統(tǒng)，慣性平臺(tái)用力矩電動(dòng)機(jī)從使用的角度有以下特殊性:

(1)力矩電動(dòng)機(jī)的控制電流為高頻脈沖方波，而非一般情況下的直流

為了改善電機(jī)的起動(dòng)快速性和低速性能，減小力矩電動(dòng)機(jī)本身的非線性度，機(jī)載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)穩(wěn)定回路均采用脈沖調(diào)寬施矩的方式。

相對(duì)于直流控制電流，脈沖調(diào)寬施矩的方式使得力矩電動(dòng)機(jī)一直處于換向工作狀態(tài)，引起電機(jī)電刷與換向器之間的火花增加，電樞產(chǎn)生的溫升提高，降低了電機(jī)工作的可靠性。

(2)常常運(yùn)行在各環(huán)架的零位附近，且非工作時(shí)間較長，即電機(jī)長期處于零位附近

對(duì)于機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)，其工作方式有兩種，一種是靜態(tài)工作狀態(tài)，另外一種是機(jī)動(dòng)飛行狀態(tài)，據(jù)統(tǒng)計(jì)兩者的時(shí)間比大約為2∶1。在靜態(tài)工作狀態(tài)中，慣性平臺(tái)各環(huán)架基本在零位附近做微小轉(zhuǎn)動(dòng)(轉(zhuǎn)動(dòng)幅值約為角分級(jí))。

相比較，機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)大多數(shù)時(shí)間處于非工作狀態(tài)，此時(shí)電機(jī)處于零位狀態(tài)，電刷和換向器之間無電流通過，但始終處于零位位置。

這種特殊的工作環(huán)境，造成電機(jī)零位附近電刷和換向器的接觸磨損和電蝕現(xiàn)象嚴(yán)重。當(dāng)慣導(dǎo)系統(tǒng)長期存放時(shí)，還會(huì)引起電刷和換向器之間材料的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。

(3)電機(jī)使用環(huán)境溫度較高

為了保證慣性元件的性能，慣性平臺(tái)均采用溫度控制的方式，在平臺(tái)內(nèi)部形成一個(gè)穩(wěn)定的溫度梯度。

根據(jù)設(shè)計(jì)和測(cè)量結(jié)果，某型慣導(dǎo)系統(tǒng)慣性平臺(tái)內(nèi)部各電機(jī)外殼處的溫度為:方位電機(jī)70℃，俯仰和內(nèi)環(huán)電機(jī)約65℃，外環(huán)電機(jī)約53℃。

較高的環(huán)境溫度，對(duì)電機(jī)的可靠性帶來不利的影響。

3.2 故障機(jī)理分析

對(duì)故障電機(jī)分解并進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)大部分換向器表面都存在不同程度的磨損或污染，如圖3所示，其中圖3a中的電機(jī)換向器表面有較明顯的磨痕，換向器表面的鍍金銻層受到損傷;圖3b和圖3c的電機(jī)換向器表面存在明顯的電蝕現(xiàn)象，圖3c中右側(cè)轉(zhuǎn)子為合格產(chǎn)品，圖3d為一個(gè)換向器表面局部放大圖，表面既有磨損，又有磨損顆粒粘附，同時(shí)還有電蝕現(xiàn)象的發(fā)生。

某型慣導(dǎo)系統(tǒng)電機(jī)電刷塊的基材材料為銀石墨，電刷塊與換向器接觸表面鍍銀處理，換向器基材為銅，表面為鍍金銻。

對(duì)于機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)，其80%的時(shí)間處于靜態(tài)非工作狀態(tài)，12%的時(shí)間處于靜態(tài)工作狀態(tài)，只有8%處于動(dòng)態(tài)工作狀態(tài)。

在靜態(tài)非工作狀態(tài)，電機(jī)的電刷與換向器始終處于零位位置，無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)無電流通過電機(jī)，但由于電刷壓力以及電刷塊鍍銀過程中一些殘留物的存在，兩個(gè)接觸表面會(huì)產(chǎn)生化學(xué)作用，在與電刷塊接觸的換向器表面產(chǎn)生黑色沉積(如圖4所示)，該黑色沉積導(dǎo)電性差，引起換向器局部接觸電阻變大。

圖4 電機(jī)換向器表面黑色沉積示意圖

當(dāng)慣導(dǎo)系統(tǒng)處于靜態(tài)工作狀態(tài)時(shí)，電機(jī)電刷與換向器在微小角度范圍內(nèi)沿零位做反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)電刷與換向器表面會(huì)產(chǎn)生微動(dòng)磨損，平臺(tái)溫控環(huán)境以及電機(jī)自身發(fā)熱均使得電機(jī)自身溫度較高，加劇了微動(dòng)磨損的程度。根據(jù)微動(dòng)磨損理論，微動(dòng)磨損不僅會(huì)造成接觸表面的機(jī)械損傷，還會(huì)引起微動(dòng)腐蝕，使接觸表面被污染。

雖然在靜態(tài)工作狀態(tài)下電機(jī)處于小載荷狀態(tài)，但在穩(wěn)定回路脈沖方波的控制方式下，電刷與換向器接觸面之間始終處于換向狀態(tài)。在換向過程中，換向元件的電流i由+i變?yōu)?i，而產(chǎn)生電抗電動(dòng)勢(shì)，電抗電動(dòng)勢(shì)的平均值為:

式中:W為元件匝數(shù);L為電樞鐵心的有效長度;A為電樞線負(fù)載;Va為電樞表面的線速度。

當(dāng)電抗電動(dòng)勢(shì)不等于電樞旋轉(zhuǎn)引起的電動(dòng)勢(shì)時(shí)，就容易在電刷與換向器之間產(chǎn)生火花。電刷與換向器之間產(chǎn)生的火花造成換向器表面的電弧侵蝕，電弧侵蝕引起換向器表面導(dǎo)電材料的損耗，降低了接觸的可靠性。

當(dāng)慣導(dǎo)系統(tǒng)處于機(jī)動(dòng)飛行狀態(tài)時(shí)，內(nèi)環(huán)電機(jī)在±15℃范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，俯仰電機(jī)在±90℃范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)，方位和外環(huán)電機(jī)則無限制地連續(xù)旋轉(zhuǎn)。飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)帶有隨機(jī)性，因而各環(huán)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)也是隨機(jī)的，既有高速大載荷，又有低速低載荷。

電刷與換向器的滑動(dòng)接觸是許多微觀點(diǎn)的集合，由于電刷壓力的減小，或換向器與電刷接觸表面部分存在缺陷，如換向器局部圓度差(如圖5所示)，電刷刷塊接觸圓弧面的形狀誤差等，觸點(diǎn)的面積只占電刷表面積的一部分，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，接觸點(diǎn)的位置和數(shù)量不斷發(fā)生變化，在高速大載荷時(shí)，由于通過的電流較大，接觸點(diǎn)被燒成紅熱或白熱狀態(tài)，具備了電子熱發(fā)射的條件。當(dāng)發(fā)射出來的電子速度很高時(shí)，還會(huì)發(fā)生碰撞電離，于是在接觸點(diǎn)之間的空隙內(nèi)形成電弧放電而發(fā)生火花。

電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)，使得電刷和換向器接觸面之間的機(jī)械磨損加劇，這種機(jī)械磨損包括粘著磨損和磨粒磨損，機(jī)械磨損與電刷和換向器接觸面的質(zhì)量(主要是表面光潔度、換向器鍍層質(zhì)量)、環(huán)境的清潔度、電刷壓力以及工作溫度等因素相關(guān)。機(jī)械磨損會(huì)破壞換向器表面的鍍層，降低了接觸的可靠性。

綜上所述，引起某型機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)電機(jī)接觸電阻變大的因素主要有:

(1)特殊的使用環(huán)境;

(2)電刷與電機(jī)換向器接觸表面質(zhì)量(換向器光潔度、圓度以及鍍層質(zhì)量、電刷殘留物和表面貼合度);

(3)電刷壓力變小。

4 改進(jìn)措施

4.1 電機(jī)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)方面

(1)將石墨電刷鍍銀工藝該為磁控濺射工藝，減少電刷塊內(nèi)的殘留物;

(2)為了提高換向器表面鍍金銻層的硬度和粘附力以及表面光潔度，將鍍金銻工藝優(yōu)化為一次電鍍過程改為“三鍍?nèi)龗仭?

(3)合理確定電刷壓力，對(duì)于俯仰和內(nèi)環(huán)電機(jī)，電刷壓力在原來的基礎(chǔ)上提高10～15 g。4.2電機(jī)使用方面

(1)提高穩(wěn)定回路脈沖調(diào)寬的頻率，減少電機(jī)自身的發(fā)熱;

(2)慣性平臺(tái)密封充氮?dú)猓瑴p少電機(jī)火花的發(fā)生以及表面的氧化污染;

(3)根據(jù)某型慣導(dǎo)系統(tǒng)的實(shí)際使用情況，制定合理的外場(chǎng)普查計(jì)劃，定期對(duì)電機(jī)進(jìn)行檢查和換向器表面清理;

(4)結(jié)合系統(tǒng)普查工作，對(duì)俯仰和內(nèi)環(huán)電機(jī)的工作零位位置進(jìn)行調(diào)整，減少個(gè)別特定位置的過度磨損和污染。

5 實(shí)施效果

5.1 環(huán)境仿真試驗(yàn)

為了模擬機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)的真實(shí)使用環(huán)境，專門建立了一套環(huán)境仿真設(shè)備，該設(shè)備能夠完成各環(huán)架零位附近的小角度轉(zhuǎn)動(dòng)、搖擺運(yùn)動(dòng)以及旋轉(zhuǎn)等。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，上述改進(jìn)措施落實(shí)后的電機(jī)，接觸電阻變大的時(shí)間由原來的300小時(shí)提高到1 100小時(shí)，效果明顯。

5.2 系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)

對(duì)2007年和2008年兩年系統(tǒng)使用情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，落實(shí)改進(jìn)措施后的電機(jī)故障只有13起，相對(duì)以前有了較大幅度的減少。

6 結(jié) 語

針對(duì)某型機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)力矩電動(dòng)機(jī)的使用環(huán)境，通過對(duì)造成電樞電阻變大的故障機(jī)理進(jìn)行分析，確定了影響電機(jī)電樞電阻變大的主要原因，并從電機(jī)設(shè)計(jì)和加工以及使用環(huán)境兩個(gè)方面提出了改進(jìn)措施。環(huán)境仿真試驗(yàn)和系統(tǒng)故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果均表明，改進(jìn)措施有效。

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