點(diǎn)火裝置觸點(diǎn)開(kāi)路失效分析

尚振杰，耿鵬武，李長(zhǎng)勝，鐘 俊，穆成勇

(1.航空工業(yè)四川泛華航空儀表電器有限公司，成都 610500；2.中國(guó)人民解放軍93147 部隊(duì)，成都 610000)

1 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要部件之一，其功能狀態(tài)直接影響系統(tǒng)安全性、戰(zhàn)備完好性和任務(wù)成功性[1]。常用的點(diǎn)火系統(tǒng)分為高壓電感式、低壓電感式、高壓電容式和低壓電容式四種類型[2]。點(diǎn)火系統(tǒng)的選擇主要考慮發(fā)動(dòng)機(jī)類別、起動(dòng)包線、點(diǎn)火系統(tǒng)與燃燒室的設(shè)計(jì)相容性、發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境適應(yīng)性等因素[3]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火裝置是發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的重要部件，其與點(diǎn)火電纜、點(diǎn)火電嘴一起組成點(diǎn)火系統(tǒng)，用于發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)或加力點(diǎn)火[4]。點(diǎn)火裝置的性能直接影響著點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火可靠性，進(jìn)而影響著航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作安全性。

隨著飛機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)要求的不斷提高，發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)點(diǎn)火裝置的工作壽命需求也顯著增加。本文根據(jù)某點(diǎn)火裝置發(fā)生的無(wú)工作電流點(diǎn)火電嘴不發(fā)火故障，著重針對(duì)點(diǎn)火裝置觸點(diǎn)開(kāi)路的失效機(jī)理進(jìn)行分析研究，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證、能譜分析等方法找出引起觸點(diǎn)開(kāi)路失效的根本原因，并提出了可行的技術(shù)改進(jìn)措施。

2 點(diǎn)火裝置功能及工作原理

點(diǎn)火裝置的功能是將地面或飛機(jī)上提供的低壓直流電轉(zhuǎn)換為高壓脈沖電，高壓脈沖電通過(guò)點(diǎn)火電纜傳輸?shù)近c(diǎn)火電嘴，在點(diǎn)火電嘴發(fā)火端產(chǎn)生高能電火花，以點(diǎn)燃發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)的油氣混合物[5]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系統(tǒng)的點(diǎn)火裝置，根據(jù)電路工作原理分為電子式和機(jī)械振子式兩種，且其應(yīng)用都很廣泛[6]。目前，俄制大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)點(diǎn)火裝置，前級(jí)主要采用機(jī)械振子式逆變升壓方式、后級(jí)采用氣體放電管作為放電開(kāi)關(guān)的電路形式；歐美制大型航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)點(diǎn)火裝置，前級(jí)主要采用半導(dǎo)體功率管逆變升壓、后級(jí)采用氣體放電管或功率半導(dǎo)體作為放電開(kāi)關(guān)的電路形式[7-8]。本文研究的點(diǎn)火裝置采用的是機(jī)械振子式，其工作原理框圖如圖1 所示。

圖1 點(diǎn)火裝置工作原理框圖Fig.1 Block diagram of the working principle of the ignition device

點(diǎn)火裝置采用功能模塊化設(shè)計(jì)，主要由濾波電路、逆變升壓電路、整流電路、充電電路、放電電路及保護(hù)電路組成。其中，逆變升壓電路的工作簡(jiǎn)圖如圖2 所示，其觸點(diǎn)(J)是逆變器T1 的一對(duì)常閉觸點(diǎn)，由一個(gè)靜觸點(diǎn)和一個(gè)動(dòng)觸點(diǎn)組合而成(圖3)，是完成逆變升壓轉(zhuǎn)換中的關(guān)鍵元件。當(dāng)初級(jí)回路電流i小于逆變器的斷開(kāi)電流時(shí)，初級(jí)線圈(L2)產(chǎn)生的磁力小于常閉觸點(diǎn)J的彈力，處于閉合導(dǎo)通狀態(tài)，回路電流i呈指數(shù)上升；當(dāng)回路電流i達(dá)到斷開(kāi)電流時(shí)，此時(shí)初級(jí)線圈產(chǎn)生的磁力大于常閉觸點(diǎn)J的彈力，動(dòng)觸點(diǎn)在吸片的帶動(dòng)下運(yùn)動(dòng)，動(dòng)-靜觸點(diǎn)分離，初級(jí)回路電流開(kāi)始變小，初級(jí)線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；當(dāng)T1 中的磁能基本轉(zhuǎn)換成電能后，觸點(diǎn)J快速接觸閉合，恢復(fù)常閉狀態(tài)，其接觸電阻迅速減小(小于0.1 Ω)，恢復(fù)到初始狀態(tài)，然后以相同的工作方式反復(fù)進(jìn)行。

圖2 逆變升壓簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of inverter boost

圖3 靜觸點(diǎn)(左)和動(dòng)觸點(diǎn)(右)Fig.3 Static contact (left) and dynamic contact (right)

上述工作過(guò)程中，初級(jí)線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)會(huì)疊加在分離的動(dòng)-靜觸點(diǎn)上，動(dòng)-靜觸點(diǎn)之間會(huì)產(chǎn)生電暈；動(dòng)觸點(diǎn)在吸片的運(yùn)動(dòng)慣性帶動(dòng)下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)離靜觸點(diǎn)，觸點(diǎn)間距加大，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)上升，動(dòng)-靜觸點(diǎn)之間由電暈轉(zhuǎn)換為電弧，產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象，電弧局部溫度高于1 200 ℃。

3 觸點(diǎn)失效模式

3.1 失效確認(rèn)

觸點(diǎn)通斷時(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧，使其接觸表面溫度升高且接觸電阻變大，嚴(yán)重時(shí)造成觸點(diǎn)燒蝕，這是導(dǎo)致其工作性能下降及失效的主要因素[9-10]。

故障發(fā)生后，通過(guò)對(duì)故障產(chǎn)品的檢查測(cè)試，濾波電路、整流電路、充電電路、放電電路和保護(hù)電路零組件性能合格，功能正常，唯有逆變升壓電路中測(cè)得初級(jí)回路電阻無(wú)窮大。逐項(xiàng)排查后發(fā)現(xiàn)，常閉觸點(diǎn)J的動(dòng)-靜觸點(diǎn)不導(dǎo)通，處于開(kāi)路狀態(tài)，與常閉導(dǎo)通的設(shè)計(jì)要求不符。由此可以判斷，逆變器的常閉觸點(diǎn)已經(jīng)發(fā)生開(kāi)路失效。圖4、圖5 分別為正常工作后的和開(kāi)路失效的觸點(diǎn)形貌(左為靜觸點(diǎn)，右為動(dòng)觸點(diǎn))。

圖4 正常工作后的觸點(diǎn)形貌圖Fig.4 Morphology of contact after normal operation

圖5 開(kāi)路失效的觸點(diǎn)形貌圖Fig.5 Morphology of failed open contact

3.2 失效分析

(1) 從圖5 可以明顯看到該對(duì)觸點(diǎn)接觸面均有一塊黑褐色區(qū)域，通過(guò)電阻檢查，發(fā)現(xiàn)該黑褐色區(qū)域與觸點(diǎn)部件絕緣，而觸點(diǎn)本身為貴金屬材料，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，因此可以初步判斷觸點(diǎn)間存在絕緣物質(zhì)。

(2) 對(duì)靜觸點(diǎn)表面進(jìn)行電鏡掃描觀察，結(jié)果如圖6～圖8 所示?？梢?jiàn)，在電鏡掃描下，故障產(chǎn)品觸點(diǎn)表面有明顯的黑色附著物，且主要呈現(xiàn)以下形態(tài)：①黑色粉末狀(圖6)；②白色條狀和珠狀顆粒狀(圖7、圖8 中黑色和白色物質(zhì))。不導(dǎo)電的絕緣物質(zhì)在電鏡掃描下因電荷富集一般會(huì)出現(xiàn)發(fā)白的特征，由此推測(cè)白色形態(tài)的附著物可能為不導(dǎo)電絕緣物質(zhì)。

圖6 19.8 倍電鏡掃描成像Fig.6 Microscope imaging of 19.8× scanning electron

圖7 500 倍電鏡掃描成像Fig.7 Microscope imaging of 500× scanning electron

圖8 1 000 倍電鏡掃描成像Fig.8 Microscope imaging of 1 000× scanning electron

(3) 對(duì)靜觸點(diǎn)表面的污染區(qū)和非污染區(qū)進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖9、圖10。能譜分析結(jié)果表明：除正常合金本身成分外，觸點(diǎn)表面污染區(qū)附著物元素主要為C、O、Si，其中Si 的含量高達(dá)17.50%，而觸點(diǎn)表面非污染區(qū)Si 的含量?jī)H有1.41%。

圖9 污染區(qū)能譜分析Fig.9 Energy spectrum analysis of polluted area

圖10 非污染區(qū)能譜分析Fig10 Energy spectrum analysis of non-polluted areas

(4) 對(duì)靜觸點(diǎn)表面污染區(qū)中的附著物進(jìn)行顯微紅外譜測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖11。可以看出，污染區(qū)中的附著物主要在1 100 cm-1和650 cm-1附近出現(xiàn)Si-O-Si的特征吸收峰。

圖11 污染區(qū)附著物的顯微紅外光譜Fig.11 Micro-infrared spectra of attachments in polluted areas

綜合以上分析可以得出：觸點(diǎn)表面附著含二氧化硅(SiO2)的碳化產(chǎn)物，由于二氧化硅不導(dǎo)電，導(dǎo)致觸點(diǎn)開(kāi)路失效而引起產(chǎn)品故障。

4 失效機(jī)理分析

4.1 觸點(diǎn)的工作環(huán)境及特性

在動(dòng)-靜觸點(diǎn)的分離工作過(guò)程中，如果開(kāi)路電壓超過(guò)大約15 V 的最低起弧電壓時(shí)，兩觸點(diǎn)之間必然會(huì)產(chǎn)生電弧——這種電弧在觸點(diǎn)表面所產(chǎn)生的局部溫度一般高達(dá)1 200 ℃以上。同時(shí)，點(diǎn)火裝置內(nèi)部是一個(gè)密封的多材料混合的復(fù)雜空間，共使用了15 種非金屬材料，尤其以有機(jī)材料成分為主，這些材料在點(diǎn)火裝置使用過(guò)程中會(huì)不斷地?fù)]發(fā)出有機(jī)氣體，而觸點(diǎn)就完全暴露在該環(huán)境條件下。

觸點(diǎn)采用的是鉑族合金材料，該合金是一種典型的電接觸材料，用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火觸點(diǎn)、高靈敏度繼電器和微電機(jī)的電觸點(diǎn)，具有高硬度、高熔點(diǎn)、高耐腐蝕能力和低接觸電阻的優(yōu)點(diǎn)[11]。但由于鉑族類合金易受有機(jī)氣氛污染而使接觸電阻變大[12]，在點(diǎn)火裝置相對(duì)密封的小空間中，客觀上為觸點(diǎn)上吸附、沉積有機(jī)物提供了便利條件。

4.2 有機(jī)物污染機(jī)理

在繼電控制電路中，觸點(diǎn)之間的接觸電阻是觸點(diǎn)接觸失效反應(yīng)敏感的主要電參數(shù)之一[13]。多年來(lái)，有機(jī)物污染是引起繼電器觸點(diǎn)間接觸電阻變大或不穩(wěn)定的重要根源。有機(jī)絕緣材料、結(jié)構(gòu)件塑料材料、粘結(jié)劑、潤(rùn)滑劑等有機(jī)材料揮發(fā)、逸出的有機(jī)氣體，可通過(guò)各種途徑在觸點(diǎn)間形成有機(jī)沉積物而導(dǎo)致觸點(diǎn)之間產(chǎn)生絕緣有機(jī)膜(在一定溫度下會(huì)分解)，當(dāng)這些絕緣有機(jī)膜積累足夠厚時(shí)，最終導(dǎo)致接觸失效[14]。

4.3 觸點(diǎn)開(kāi)路失效機(jī)理

通過(guò)失效觸點(diǎn)表面污染物成分分析，綜合點(diǎn)火裝置及觸點(diǎn)的工作原理、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境情況，在點(diǎn)火裝置未工作時(shí)，如果產(chǎn)品內(nèi)部有濃度足夠高的有機(jī)硅聚合物氣體，那么這些有機(jī)硅聚合物氣體就可被吸附、沉積、催化，鉑族合金觸點(diǎn)上會(huì)因吸附而產(chǎn)生較大量的有機(jī)硅聚合物分子鏈物質(zhì)；在產(chǎn)品工作過(guò)程中，觸點(diǎn)之間產(chǎn)生的電弧在觸點(diǎn)表面產(chǎn)生高溫，將觸點(diǎn)上所沉積、吸附的有機(jī)硅聚合物分解或碳化，從而在兩觸點(diǎn)之間產(chǎn)生二氧化硅、碳化物等沉積物，最終在觸點(diǎn)上形成絕緣物質(zhì)，造成觸點(diǎn)開(kāi)路失效。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

在點(diǎn)火裝置功能、性能和應(yīng)用環(huán)境綜合分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)觸點(diǎn)開(kāi)路失效分析結(jié)論，開(kāi)展了故障加速驗(yàn)證試驗(yàn)。

通過(guò)模擬加速非金屬材料有機(jī)硅聚合物在點(diǎn)火裝置觸點(diǎn)表面的吸附和沉積，對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行快速?gòu)?fù)現(xiàn)。在常溫狀態(tài)下，產(chǎn)品正常通電工作過(guò)程中，對(duì)產(chǎn)品觸點(diǎn)間歇性地施加霧狀有機(jī)硅物質(zhì)，當(dāng)工作到第30 個(gè)循環(huán)時(shí)產(chǎn)品出現(xiàn)故障。

產(chǎn)品故障后，對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)品工作觸點(diǎn)的通、斷情況進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示觸點(diǎn)之間出現(xiàn)高阻狀態(tài)。對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)品進(jìn)行分解，目視檢查工作觸點(diǎn)表面狀況，靜觸點(diǎn)(圖12 左)和動(dòng)觸點(diǎn)(圖12 右)表面均出現(xiàn)了黑色附著殘留物質(zhì)。

圖12 模擬加速污染故障后的觸點(diǎn)表面外觀Fig.12 The appearance of the contact surface after accelerating the pollution fault

將試驗(yàn)后觸點(diǎn)送檢分析，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。可見(jiàn)，觸點(diǎn)表面黑色附著殘留物主要為碳和硅化物，與故障產(chǎn)品觸點(diǎn)表面附著物成分一致，失效機(jī)理得以驗(yàn)證。

表1 觸點(diǎn)附著物主要成分比例Table 1 Proportion of main components of the attachment of contact

6 觸點(diǎn)開(kāi)路失效改進(jìn)措施

從點(diǎn)火裝置密封結(jié)構(gòu)和特殊的內(nèi)外部工作環(huán)境考慮，根據(jù)觸點(diǎn)開(kāi)路失效機(jī)理分析，采取以下技術(shù)措施進(jìn)行改進(jìn)：

(1) 從工藝技術(shù)流程上改變產(chǎn)品真空烘焙工序，將烘焙時(shí)間增加50%。該工藝技術(shù)措施可以盡可能的排出揮發(fā)性有機(jī)氣體，有效降低產(chǎn)品內(nèi)部有機(jī)硅氣體的濃度，從而減少有機(jī)硅在觸點(diǎn)上的污染碳化與沉積。

(2) 增加點(diǎn)火裝置產(chǎn)品內(nèi)部充氮技術(shù)要求，以減小觸點(diǎn)之間的拉弧能量，提高觸點(diǎn)連續(xù)工作的可靠性。

經(jīng)跟蹤統(tǒng)計(jì)，采取以上技術(shù)措施改進(jìn)后的產(chǎn)品，在使用中再未發(fā)生該故障，據(jù)此表明改進(jìn)措施可行、有效。

7 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火裝置工程應(yīng)用中發(fā)生的觸點(diǎn)開(kāi)路失效故障，從產(chǎn)品工作原理、失效模式確認(rèn)、成分檢測(cè)、試驗(yàn)驗(yàn)證等方面，對(duì)點(diǎn)火裝置的觸點(diǎn)開(kāi)路失效機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)論述，并提出了具體的技術(shù)改進(jìn)措施，提高了產(chǎn)品的工作可靠性。

為切實(shí)有效地提升耐高溫元器件的研制水平和突破傳統(tǒng)點(diǎn)火技術(shù)瓶頸，還需要繼續(xù)深入研究。