飞机接触器失效分析与预防

孙凯革，季佳培，吴日成

(国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241007)

0 引言

苏系列飞机供、配电系统中大量使用交、直流接触器，主要安装于飞机各交、直流配电装置中，统计达16种型号百余件之多。接触器按功用可分为交流型和直流型接触器，按结构可分为敞开型和密封型接触器，按工作制式可分为长时工作制和短时工作制接触器等。接触器的额定电流等级有50、100、200 A[1]。在机载电源系统中，接触器作为发电机输送电能和汇流条向大功率用电设备的连接器件，用来实现对交、直流电路的控制、电气系统的保护，控制着整机供、配电系统的可靠运行[2]。随着飞机服役期限的延长，飞机电气器件老化日益严重，如果接触器发生故障，就会影响到系统的正常工作，严重的将导致整机电网断电，甚至会对飞行安全构成危害[3]。因此，开展接触器类电气器件的潜在失效分析和可靠性维修研究是一项至关重要的课题。

接触器工作可靠性在飞机上非常重要，随着飞机服役期限的延长，接触器的可靠性状态总体上是呈现减弱趋势，接触器触头的特性直接影响到接触器的使用可靠性和实际的电寿命。接触器失效分析与预防是一个系统的工程，需要结合飞机大修的实际状态，多轮的循序渐进的改进(失效分析—工艺改进—可靠性试验—效果评价)，从设计、潜在失效分析、工艺、试验、验证等多环节开展工作，及时掌握飞机关键器件的实际状态，确保飞机安全。

本研究主要针对苏系列飞机接触器进行失效预测分析和可靠性维修研究。

1 试验过程与结果

1.1 失效模式和失效现象

飞机上的各型接触器根据其工作频次和工作特点可划分为3种工作状态，即连续工作状态、间断工作状态和应急工作状态。各接触器在飞机上的工作频次不同，表象潜在的失效模式不同，但对触头的基本要求均是：在闭合过程中能可靠地接通电路；闭合状态时触头导电良好，能可靠地流过规定电流而不会过热；断开过程中能将电路可靠地断开。

图1是接触器触头接触电阻概率分布曲线，从图1中可以看出，触头的接触电阻具有集中分布的特征，但熔焊失效的触头、接触不良的触头和未失效的触头表现出不同的分布特征，所以研究接触器触头电接触参数的变化规律与失效之间的关系尤为重要[5]。

图1 触头接触电阻概率分布曲线Fig.1 Probability distribution curve of contact resistance

1.2 触头宏观观察

图2～图4是典型接触器在飞机大修故检时分解状态的示例。从图中可以看出：连续工作状态的接触器触头熔焊现象非常严重(图2)；间断工作状态的接触器触头已出现熔焊现象(图3)；应急工作状态接触器触头熔焊现象不明显，但触头材料氧化现象非常严重(图4)。

图2 连续工作状态接触器Fig.2 Contactor under continuous operation

1.3 电参数测量

表1～表3是某架飞机典型接触器修理前正常状态下电参数测量值[6]。其中，表1是发电机输出连接主汇流条的交流接触器，工作状态为连续；表2是无线电设备连接直流汇流条的接触器，工作状态为间断；表3是电源系统故障，连接应急电源的交流接触器，工作状态为应急。

从修理前电参数测量值可以看出：表1中3次测量的A、B、C三相触头接触电阻的平均值分别超过标准值(500 mΩ)157.7、390.7、289.3 mΩ，测量结果与图2中触头熔焊状况相符；表2中3次测量触头接触电阻平均值低于标准值243.7 mΩ，测量结果与图3中实际状况相符；表3中3次测量的A、B、C三相触头接触电阻的平均值分别低于标准值142.4、1.3、177.3 mΩ，虽未超出标准值，但因触头氧化严重，触头接触电阻测量最大值超出标准值580 mΩ，高出标准值一倍之多，且3次测量数据不稳定，符合触头氧化状况特征，与图4中实际状况相符。

1.4 振动试验

图5、图6是对发电机输出接触器进行扫频振动试验(30 g，200～1 500 Hz)，线圈加激励，利用触头抖动测试仪监测，A相电路导通，在扫频至600～700 Hz中间发现A相电路监测常闭信号灯异常点亮，表明该路在振动条件下触头有异常抖动。

图3 间断工作状态接触器Fig.3 Contactor under discontinuous operation

图4 应急工作状态接触器Fig.4 Contactor under emergency operation

SkillsrequirementCoil ratedvoltage /VThe coilconsumptioncurrent is notgreater than /AThe pull-involtage is notgreaterthan /VThe releasevoltage is notgreater than /VThe contact resistance is not greater than /mΩPhase APhase BPhase CStandard value280.5114.02.0500.0500.0500.0First test value280.3610.51.5653.0856.0758.0Second test value280.3710.51.5646.0842.0629.0Third test value280.3510.51.5674.0974.0981.0Average ofthree times280.3610.51.5657.7890.7789.3

用示波器监测抖动信号，正常情况下应始终为直线低电频，异常信号脉宽约为40 μs，标准规定监测水平为闭合触头的断开时间不得超过10 μs[7]。接触器触头熔焊、接触电阻过大，在环境振动条件下触头间的表面膜接触电阻会很不稳定，使负载信号在传递过程中产生一些不规律的失真信号。

通过对在修的苏系列飞机接触器深入研究，总结出接触器的故障模式有触头断开或者不闭合、电磁传动器件故障、起动和释放电压偏离正常值等。从外场故障信息反馈和典型故障接触器的失效分析及可靠性修复试验数据结论可知，接触器的失效集中表现在触头系统，其中，触头是接触器的薄弱环节，触头间接触电阻过大、触头熔焊、触头氧化等引起的接触失效是最主要的失效模式，也是各种失效模式的最终体现。

表2 间断工作状态接触器修前电参数Table 2 Electric parameters of contactor under discontinuous operation before repairing

表3 应急工作状态接触器修前电参数Table 3 Electric parameters of contactor under emergency operation before repairing

图5 采集到的触头抖动信号(单位脉宽为1 ms)Fig.5 Dither signal collected from contact (Pulse width per unit: 1 ms)图6 采集到的触头抖动信号(单位脉宽调整为50 μs)Fig.6 Dither signal collected from contact (Pulse width per unit: 50 μs)

2 分析与讨论

2.1 失效规律

接触器在飞机电气控制系统中很重要，要求在预定的时限内有百分百的工作可靠，但随着飞机服役期限的延长，电气器件老化日益严重，接触器的可靠性状态总体上是呈现减弱趋势，每次操作，都会引起机械、电气、材料等多方面因素的微小变化。多次操作后，接触失效因素累积，最终会反映为电参数异常。理论研究也表明，濒临失效的接触器，触头的磨损随操作次数的增加而加剧，电参数也随操作次数的增加而显著变化[8]。接触器在闭合和断开的过程中电参数在一定范围内呈现杂乱无章的变化，这主要是由触头系统的受力情况引起的，在闭合和断开的过程中总的合力的扰动和性能上的差别随操作次数的改变也会不确定的变化，表现在触头闭合和断开过程中电参数上的杂乱无章。特征参数具有一定的连续性，同时也存在很大的随机性。随着操作次数的增加和使用时间的增加，触头的导电性能会不断恶化，特征参数整体出现不断增大的趋势，触头的温升增加，使得触头性能进一步恶化，到达一定的次数或时间以后，电接触参数会急剧变化，频繁出现幅值很大的值或快速增长的趋势，此时触头接近失效或已经失效[9]。

如图7所示，偶然失效期内，特征参数的模糊概率分布类似于正态分布。即特征参数集中分布又有可能以极小概率出现奇异值。进入耗损失效期，接触器电气性能恶劣，将濒临失效，接触器特征参数也不再服从正态分布[10]。

图7 产品失效率的浴盆曲线Fig.7 Bath-tub curve of product failure rate

2.2 预防措施

飞机上触头转换电路接触电阻的存在是客观的，但电阻过大和严重的不稳定则是触头发生故障的重要因素，因此接触电阻低值且稳定，可提高电接触的可靠性[11]。飞机上使用的发电机和汇流条连接的各型接触器，因在飞机上所起的作用不同，控制的负载、工作频次不同，空、海军飞机飞行环境不同，即使安装在同一架飞机上相同型号的接触器，其损伤程度也不同，特别是长期工作大负载接触器触头的磨损、熔焊都比较严重，因此，必须分析影响触头接触电阻的各种因素。基于各接触器的实际状态，结合飞机大修，对每个系统、每个器件进行研究分析，在掌握这些器件的负载分配规律和失效规律前提下，采取针对性深化修理措施[12]。在不破坏接触器结构，保证接触器机械参数和电参数调试符合要求的前提下，采取打磨、抛光触头方法，减小触头接触电阻，抑制触头磨损扩大趋势，提高接触器工作的可靠性，确保飞机安全。图8是打磨、抛光触头后的接触器示例。

图8 打磨、抛光触头后的接触器Fig.8 Contactor after grinding and polishing the contacts

2.3 电参数测量

表4是飞机发电机输出接触器修理后电参数测量值，以10 min间隔时间测量500次，分别记录1、200、500次测试结果。测试结果表明数据的稳定性好。

2.4 低温步进试验

表5是对飞机发电机输出接触器修理后从-10～-50 ℃在线圈加28 V直流电激励下进行低温试验，以-10 ℃为触头接触电阻测试步进速率，触头接触电阻测试值均在45 mΩ以下，表明维修后数值稳定，满足使用要求。

2.5 扫频振动试验

对样件进行扫频振动试验(20 g，300～1 600 Hz)，在加激励状态，未见动闭触点的抖断；在不加激励状态，未见静合触点的抖断。

表4 发电机输出接触器修后电参数Table 4 Electric parameters of generator’s output contactor after repairing

表5 发电机输出接触器修后电参数Table 5 Electric parameters of generator’s output contactor after repairing

3 结论

1)大负载、连续工作状态的接触器触头的磨损、熔焊现象都比较严重，触头接近失效或已经失效。

2)间断工作状态的接触器触头已出现磨损、熔焊现象，触头失效趋势明显或接近失效。

3)应急工作状态的接触器触头虽磨损、熔焊现象不明显，但触头氧化严重，易导致电路或系统偶发故障，故障排查时不易发现。

4)结合飞机大修，在保证接触器机械参数和电参数调试符合要求的前提下，采取打磨、抛光触头的方法，减小触头接触电阻，抑制触头磨损扩大趋势，提高接触器工作的可靠性，可最大限度的消除飞机供、配电系统的安全隐患。