FTA和ESCRI法在某光電滑環(huán) 絕緣失效故障中的應(yīng)用

李小蘭，段聲勤，施春磊

（上海船舶電子設(shè)備研究所，上海 201108）

光電滑環(huán)是通過巧妙緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計將光纖滑環(huán)和電滑環(huán)集成在一起，可在0°～360°連續(xù)旋轉(zhuǎn),以實現(xiàn)光信號和電信號的傳輸。探測信號微弱易受電磁干擾，由光纖傳輸；強(qiáng)電信號功率較大，由電滑環(huán)傳輸，避免了微弱信號受外界電磁干擾的可能性，因而在整體上大大減少了滑環(huán)信號被電磁干擾的可能性，實現(xiàn)了體積小、成本低、同時傳輸多路信號的功能。某型絞車卷筒中心安裝了光電滑環(huán)，艦船上端信息與水下終端設(shè)備信息動態(tài)傳輸是通過光電滑環(huán)在絞車?yán)|繩收放過程中光信號、電源功率及電信號的動態(tài)傳輸技術(shù)實現(xiàn)的。

1 概述

某型光電滑環(huán)可實現(xiàn)6路電功率和1路單模光纖同步旋轉(zhuǎn)傳輸，利用刷絲與功率環(huán)之間彈力電搭接原理傳輸設(shè)備所需的電功率。利用光纖非接觸準(zhǔn)直對接技術(shù)實現(xiàn)單模光纖信號旋轉(zhuǎn)傳輸。

光電滑環(huán)技術(shù)指標(biāo)中要求6路電功率環(huán)環(huán)間、環(huán)與外殼間在500V電壓下絕緣電阻≥200MΩ。編號為7003的光電滑環(huán)在檢驗過程中發(fā)現(xiàn)3#和4#電功率通道在旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)間斷性絕緣電阻小于200MΩ情況，偶爾還出現(xiàn)導(dǎo)通現(xiàn)象。因此，判定該光電滑環(huán)絕緣電阻檢測不通過。

2 故障剖析

2.1 現(xiàn)場檢查

光電滑環(huán)由外殼、支撐架、刷絲、功率環(huán)和功率刷板等組成，如圖1所示。

圖1 光電滑環(huán)外觀

針對故障現(xiàn)象和技術(shù)指標(biāo)要求，項目組對光電滑環(huán)進(jìn)行全面檢測，主要內(nèi)容如下。

（1）使用微電阻測試儀在旋轉(zhuǎn)過程中測試6路電功率通道（編號分別為1#～6#）電阻值，阻值均在85～100mΩ，屬于正常值，說明各功率環(huán)自身正常無損壞。

（2）使用光功率計測得產(chǎn)品最大光纖損耗1.2dB，屬于正常值。

（3）使用絕緣耐壓儀1000V擋測試1#與2#, 5#與6#通道絕緣情況，正常絕緣。

（4）在產(chǎn)品旋轉(zhuǎn)過程中，使用萬用表通斷擋測試3#與4#通道，存在間斷導(dǎo)通的現(xiàn)象。

（5）將產(chǎn)品外殼拆除后，使用萬用表通斷擋重新測試3#與4#通道，旋轉(zhuǎn)產(chǎn)品以及在電纜出線孔處晃動電纜，無導(dǎo)通現(xiàn)象。

2.2 FTA故障樹分析

通過現(xiàn)場排查，定位于光電滑環(huán)內(nèi)部3#、4#通道之間絕緣失效故障。項目組采用CARMES軟件中的FTA故障樹分析模塊，對該故障問題進(jìn)行分析。故障樹如圖2所示。

圖2 功率環(huán)絕緣失效故障樹

在故障樹所有底事件相互獨(dú)立的條件下，概率重要度公式如下：

因底事件發(fā)生概率無具體試驗數(shù)據(jù)可參考，在通過FTA故障樹分析模塊計算中，通過專家評分法和兩兩對比法給出事件發(fā)生概率估計值，然后通過軟件計算得出X1外部電纜芯線刺破絕緣層、X2外部電纜受擠壓損傷、X5功率環(huán)之間電纜損傷、X8刷絲跳絲、X9刷板上刷絲之間電纜損傷概率重要度為所有事件中最高。優(yōu)先排查該5個底事件，過程如下。

（1）X1外部電纜芯線刺破絕緣層。目視檢測3#和4#通道的外部電纜線，護(hù)套完好，無破損。為便于故障檢測定位，在設(shè)計裕度允許的條件下將檢測電壓設(shè)置為技術(shù)要求中規(guī)定值的2倍（1000V，下同）。使用絕緣耐壓儀1000V擋檢測3#和4#通道電纜線上部撥叉出線處至導(dǎo)線末端，阻值大于10GΩ。可排除該底事件。

（2）X2外部電纜受擠壓損傷。觀察電纜外觀無明顯擠壓的痕跡，使用絕緣耐壓儀1000V擋測試3#和4#通道與殼體之間的絕緣電阻，阻值大于10GΩ。可排除該底事件。

（3）X5功率環(huán)之間電纜損傷。使用絕緣耐壓儀1000V擋檢測3#和4#通道功率環(huán)之間的絕緣電阻，阻值大于10GΩ。可排除該底事件。

（4）X8刷絲跳絲。目視旋轉(zhuǎn)檢查，3#和4#通道之間無刷絲跳絲，可排除該底事件。

（5）X9刷板上刷絲之間電纜損傷。使用絕緣耐壓儀1000V擋檢測3#和4#通道功率環(huán)之間的絕緣電阻，漏電流擊穿報警，將3#功率通道電纜線焊接取出后，明顯可見電纜線與4#功率通道刷絲焊點接觸處有電流擊穿痕跡，如圖3所示。因此，該底事件無法排除。

圖3 電纜導(dǎo)線擊穿痕跡

剩余底事件分別為X6刷絲焊點脫落搭接、X3功率環(huán)焊點脫落搭接、X4功率環(huán)之間異物導(dǎo)通、X7刷板上異物導(dǎo)通。為防止遺漏故障底事件，也逐一對剩余底事件進(jìn)行排除，結(jié)果如下。

（1）X6刷絲焊點脫落搭接。目視檢查3#和4#通道刷絲焊點無脫落，使用鑷子夾取3#以及4#通道功率刷板出線位置的電纜線，無松動。使用微電阻測試儀檢測3#、4#通道電纜末端至功率刷絲之間電阻值為46mΩ，在技術(shù)要求規(guī)定范圍內(nèi)?？膳懦摰资录?/p>

（2）X3功率環(huán)焊點脫落搭接。使用鑷子夾取3#以及4#通道功率環(huán)出線位置的電纜線，無松動，使用微電阻測試儀檢測3#和4#通道電纜末端至功率環(huán)之間電阻值為45mΩ，在技術(shù)要求規(guī)定范圍內(nèi)?？膳懦摰资录?。

（3）X4功率環(huán)之間異物導(dǎo)通。依據(jù)底事件X5功率環(huán)之間電纜損傷檢測結(jié)果，可排除底事件X4功率環(huán)之間異物導(dǎo)通。

（4）X7刷板上異物導(dǎo)通。依據(jù)底事件X8刷絲跳絲檢測結(jié)果，亦可排除底事件X7刷板上異物導(dǎo)通。

綜上，光電滑環(huán)內(nèi)部3#和4#通道之間絕緣失效故障定位為底事件X9刷板上刷絲之間電纜損傷，機(jī)理分析如下。

產(chǎn)品共傳輸6路電功率，每2路使用1根電纜傳輸，每1路功率通道對應(yīng)1道功率環(huán)與1組刷絲匹配傳輸。3#通道與4#通道導(dǎo)線由1根電纜的2芯分別完成傳輸。在刷板走線上，3#通道導(dǎo)線經(jīng)過4#通道刷絲處，再由出線孔引出，如圖4所示。

圖4 3#和4#通道電纜走線

3#通道導(dǎo)線走線疊加在4#通道焊錫處，由于焊接受熱，焊錫溫度高，損傷線纜絕緣層，與焊錫突起處更加貼近。在絕緣1000V試驗條件下，兩路功率信號之間空氣擊穿，產(chǎn)生電火花。因加工和裝配本身尺寸公差影響，在旋轉(zhuǎn)過程中3#導(dǎo)線擊穿部位與4#刷絲時近時遠(yuǎn)，導(dǎo)致在旋轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)間斷性導(dǎo)通情況。

3 試驗驗證

將故障光電滑環(huán)外殼重新安裝固定到位，完全恢復(fù)后，使用萬用表通斷擋、絕緣耐壓儀1000V擋，檢查產(chǎn)品3#與4#絕緣電阻。在產(chǎn)品轉(zhuǎn)動過程中，使用萬用表通斷擋測試，隨著產(chǎn)品的抖動，3#和4#電功率通道之間可檢測出間斷出現(xiàn)導(dǎo)通的故障。拆除外殼，撥動3#通道導(dǎo)線焊點處，使其與4#通道刷絲接觸處產(chǎn)生一定間隙，此時使用萬用表通斷擋測試，旋轉(zhuǎn)過程中無導(dǎo)通。試驗結(jié)果可以驗證：故障光電滑環(huán)因3#功率通道導(dǎo)線出線經(jīng)過4#信號刷絲焊點上方，焊點突起部分與3#導(dǎo)線緊貼，焊接過程中焊錫溫度高，損傷絕緣層，導(dǎo)致絕緣電阻下降，與故障發(fā)生結(jié)果一致。

4 運(yùn)用ESCRI法制定解決方案

ESCRI是取消（Eliminate）、簡化（Simplify）、合并（Combine）、重排（Rearrange）、新增（Increase）5個英文單詞首字的縮寫，是改造和優(yōu)化流程的基本工具。對于設(shè)計中經(jīng)評估沒有必要做的可以取消，流程中盡量簡化過程，對于可合并和重排的予以重新調(diào)整。根據(jù)故障分析結(jié)果，項目組采用ESCRI法對光電滑環(huán)的全流程進(jìn)行分析，以尋求最優(yōu)解決方案。ESCRI法分析對照見表1。

表1 ESCRI法分析

采用ESCRI方法優(yōu)化后，設(shè)計制造4層PCB線路板代替了原先的信號刷板，如圖5所示。新設(shè)計的PCB板在焊接線纜時，可將焊盤由原先的刷絲處引至刷板上無刷絲處，不會有導(dǎo)線疊加，徹底排除了絕緣層受損的隱患。經(jīng)高低溫工作、高低溫貯存、濕度、振動沖擊等試驗考核，絕緣電阻等指標(biāo)滿足技術(shù)要求。

圖5 新PCB刷板

在產(chǎn)品工藝圖紙中嚴(yán)格工藝要求，明確導(dǎo)線布線不得越過刷絲焊點，不得越過螺釘?shù)韧怀鑫恢?。同時新增PCB制板工藝文件，完善圖紙，固化技術(shù)狀態(tài)，加強(qiáng)對裝配檢驗人員的培訓(xùn)。

5 結(jié)論

采用FTA故障樹分析，快速準(zhǔn)確地找到了某型光電滑環(huán)絕緣失效故障的問題癥結(jié)，通過試驗驗證了底事件定位的準(zhǔn)確性，運(yùn)用ESCRI法制定了解決方案，通過驗證證實了措施的有效性。通過本次故障分析，在優(yōu)化PCB線路板的同時優(yōu)化了光電滑環(huán)工藝流程和內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，明確在線路板焊接過程中嚴(yán)禁線纜在焊接點上部或螺釘?shù)韧蛊鸩课伙w線。

文中探索采用FTA故障樹進(jìn)行分析，為后續(xù)研發(fā)及工程中的問題分析積累了經(jīng)驗。因本文故障樹結(jié)構(gòu)分層少且邏輯關(guān)系比較簡單，致使結(jié)果中各底事件的概率重要度相差不大。但該分析模式對找出問題解決的優(yōu)先級、抓住主要矛盾是一種較好的方法，尤其針對復(fù)雜系統(tǒng)和多故障交疊系統(tǒng)的分析效果明顯。針對分析出的問題癥結(jié)采用ESCRI法從取消、簡化、合并、重排、新增5個維度尋找解決措施，制定解決方案，優(yōu)化產(chǎn)品生產(chǎn)流程，不斷提升產(chǎn)品品質(zhì)。