芻議受感器鎧裝加熱器加溫可靠性問題

郎賀明，秦可偉

(太原航空儀表有限公司，山西　太原　030006)

0　引言

空氣壓力受感器(簡稱受感器)是飛機上的主要儀表之一，根據(jù)外場故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)，不加溫故障占受感器全部故障總數(shù)的40%左右，是最主要的故障模式。在結(jié)冰條件下，受感器不加溫故障將使其總、靜壓測壓孔冰堵，進而使受感器無法正常感受壓力信號，導致飛機失事，所以受感器的加溫可靠性是其重要指標之一。

1　受感器不加溫故障的原因

受感器加熱器分為鎧裝加熱器和陶瓷骨架加熱器兩類，其中鎧裝加熱器以發(fā)熱功率大、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點居于主要地位。

鎧裝加熱器由內(nèi)絲、外殼和氧化鎂層組成。內(nèi)絲為加熱器的發(fā)熱元件，位于加熱器中心部位，材料為鎳鉻合金；外殼用于保護加熱器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，位于加熱器最外層，一般為金屬材料；氧化鎂層用于保證外殼和內(nèi)絲之間的絕緣，位于外殼與內(nèi)絲之間。

對不加溫的受感器進行解剖分析，發(fā)現(xiàn)絕大部分故障的原因為內(nèi)絲斷路，斷口通常呈現(xiàn)熔融態(tài)、機械應(yīng)力斷裂態(tài)和兩種狀態(tài)的混合態(tài)。同時，斷路部位內(nèi)絲會出現(xiàn)直徑減小的現(xiàn)象，即縮頸。

2　鎧裝加熱器工作時的環(huán)境應(yīng)力

考察受感器鎧裝加熱器工作時的環(huán)境應(yīng)力，主要為高溫、隨機振動、沖擊和過載。高溫由鎧裝加熱器工作時的電熱能量轉(zhuǎn)化產(chǎn)生；隨機振動由飛機飛行時氣流對受感器的沖擊產(chǎn)生，其大小與動壓有關(guān)；沖擊是由飛機起降等瞬間脈沖力產(chǎn)生；過載由飛機飛行時的機動動作產(chǎn)生。

根據(jù)外場使用和廠內(nèi)試驗發(fā)現(xiàn)，沖擊和過載對鎧裝加熱器的加溫可靠性影響不大，而高溫和隨機振動對加熱器的加溫可靠性影響較大。

3　影響鎧裝加熱器加溫可靠性的因素

3.1　溫度對鎧裝加熱器內(nèi)絲損傷機理的分析

受感器鎧裝加熱器內(nèi)絲處于高溫和隨機振動載荷作用下。根據(jù)文獻[1]，蠕變—疲勞交互作用所造成的損傷是影響加熱器加溫可靠性的重要因素。根據(jù)文獻[2]，金屬疲勞強度、持久強度和溫度之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1　疲勞強度、持久強度與溫度的關(guān)系

由圖1可知：在一定溫度范圍內(nèi)，內(nèi)絲以疲勞破壞為主；當溫度超出一定值且低于固相線時，內(nèi)絲以動態(tài)蠕變破壞為主，該溫度一般為0.3Tm(Tm為固相線溫度)。但無論是哪種破壞，其表現(xiàn)形式均為內(nèi)絲縮頸。根據(jù)文獻[3]，產(chǎn)生疲勞的內(nèi)在原因為微觀裂紋。根據(jù)文獻[4]，產(chǎn)生蠕變的內(nèi)在原因為位錯的滑移和攀移、晶界滑動以及空位擴散。

根據(jù)受感器的工作特點，鎧裝加熱器內(nèi)絲的溫度除與功率有關(guān)外，還與內(nèi)絲與外殼間的溫度差有關(guān)?？s頸使內(nèi)絲局部電阻變大、功率提升，導致局部過熱。

3.2　影響鎧裝加熱器內(nèi)絲和外殼間溫度差的因素

對鎧裝加熱器其中一段的內(nèi)部傳熱情況進行分析，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　鎧裝加熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)鎧裝加熱器在熱平衡狀態(tài)下，內(nèi)絲各處溫度一致，外殼表面各處溫度一致，其余各點溫度不隨時間變化。

根據(jù)傅立葉定理：

(1)

其中：Q為傳導的熱量；T為溫度；A為散熱面積；κ為材料傳熱系數(shù)；r為半徑方向坐標；t為時間。

熱平衡狀態(tài)下，鎧裝加熱器散熱功率等于內(nèi)絲電功率。根據(jù)式(1)，則有：

(2)

其中：d0為內(nèi)絲原直徑；U為總電壓；ρ為內(nèi)絲電阻率；L為加熱器總長；ξ為縮頸處直徑d與原直徑d0比值，即縮頸直徑比；h為縮頸處長度Li與加熱器總長L的比值，即縮頸長度比h=li/L。

式(2)即是鎧裝加熱器氧化鎂層和外殼的傳熱微分方程。根據(jù)r的取值，對方程進行積分可得氧化鎂層和外殼的傳熱公式。氧化鎂層的取值如下：

外殼的取值如下：

其中：D′為氧化鎂層外側(cè)直徑；D為加熱器總直徑；Ti為內(nèi)絲溫度；T′為氧化鎂與外殼接觸面溫度；TB為加熱器外殼溫度。

聯(lián)立氧化鎂層和外殼的傳熱公式可得：

(3)

其中：κ外殼為外殼傳熱系數(shù)；κ氧化鎂為氧化鎂傳熱系數(shù)。

式(3)即為鎧裝加熱器內(nèi)絲外殼溫度差與加熱器尺寸和電特性的關(guān)系式，右側(cè)負號代表了溫度梯度的方向。

繼續(xù)考察縮頸直徑比和長度比對溫度差的影響，在典型條件下，縮頸長度比對溫度差的影響僅相差5.43 ℃，可忽略不計；而縮頸直徑比對溫度差則有明顯的影響，如圖3所示。

由此可見，鎧裝加熱器內(nèi)絲與外殼間的溫度差與縮頸直徑比有關(guān)，而與其長度比關(guān)系不大。

3.3　高溫、疲勞—蠕變與縮頸的促進關(guān)系

鎧裝加熱器內(nèi)絲工作時，因高溫和隨機振動載荷以及內(nèi)部缺陷影響產(chǎn)生疲勞—蠕變損傷，發(fā)生縮頸現(xiàn)象。而縮頸導致局部功率提升，而使該處溫度進一步提高，促進了疲勞—蠕變損傷。故高溫、疲勞—蠕變與縮頸三者是互相促進的關(guān)系，只要縮頸產(chǎn)生，就會因上述三者的互相促進不斷擴展，直至產(chǎn)生過熱熔斷、疲勞斷裂或兩者混合的破壞。從而解釋了本文描述的斷口形態(tài)種類。

圖3　典型條件下縮頸直徑比和長度比與溫差的關(guān)系

3.4　加熱器焊接缺陷導致的問題

受感器的鎧裝加熱器與其外殼的內(nèi)壁焊接后應(yīng)無間隙，稱之為貼壁焊接，產(chǎn)生的間隙缺陷稱為懸空。懸空是鎧裝加熱器貼壁焊接的主要缺陷。

懸空缺陷帶來的問題是：①由于空氣導熱系數(shù)遠低于金屬，故加熱器懸空缺陷部位散熱不良，加劇了內(nèi)絲溫度的升高；②懸空缺陷部位可等效為兩端固支的梁結(jié)構(gòu)，在隨機振動激勵下，會產(chǎn)生較大的應(yīng)力響應(yīng)，加劇了疲勞破壞。所以加熱器懸空缺陷部位故障概率高于其余正常焊接的部位。

4　結(jié)論

根據(jù)對受感器鎧裝加熱器加溫可靠性問題的分析，可得如下結(jié)論：

(1) 受感器在疲勞—蠕變交互作用影響下產(chǎn)生內(nèi)絲斷路故障，從而影響了加溫可靠性。

(2) 產(chǎn)生疲勞—蠕變交互作用的外界因素為高溫和隨機振動，內(nèi)在因素為內(nèi)絲內(nèi)部微觀的缺陷。

(3) 高溫、疲勞—蠕變與縮頸三者互相促進，導致缺陷不斷擴展，直至產(chǎn)生過熱熔斷、疲勞斷裂或兩者混合的破壞。

(4) 焊接懸空缺陷促進了高溫疲勞和動態(tài)蠕變的發(fā)展，降低了受感器的加溫可靠性。

參考文獻：

[1]陳立佳,王中光,田繼豐,等.鎳基高溫合金的蠕變-疲勞交互作用行為及壽命預測[J].航空材料學報,1998,18(3):1-7,15.

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[3]郝富杰.概述金屬疲勞產(chǎn)生的原因及影響因素[J].山西建筑,2011,37(11):51-52.

[4]王敏敏,趙永慶,周廉.影響鈦合金蠕變行為的因素分析[J].稀有金屬材料與工程,2002,31(2):135-139