航空接触器“吸合二步”现象的观测与分析

张元峰，于春风，刘治国，张溪

（1.海军航空大学青岛校区，青岛 266041； 2.95866部队，保定 071051）

引言

航空接触器是飞机电气控制中重要的电器元件，其动作特性将直接决定飞机相关电气系统的可靠性[1,2]。一直以来，由于航空接触器故障而影响飞机飞行安全的事件很多[3,4]。目前通过定期检查接触器的动作特性参数可直接评估其健康状态。对于动作参数不满足标准要求的接触器及早筛查、更换，可以有效地提高飞机电气系统的运维成效。其中，“吸合二步”现象就是一种典型的航空接触器异常动作事件。“吸合二步”的发生是接触器动作特性异常的表现，也将直接导致电气负载回路的切换故障。

针对电磁继电器“吸合二步”现象的研究已有报道，其中文献[5]通过监测时间参数发现了铁路信号继电器存在二次吸合现象，并根据电磁机构动作原理分析了二次吸合现象的发生机理；文献[6]应用仿真分析方法复现了工业控制用继电器的二次吸合过程，并开发了专用于研究继电器吸合二步现象的测试系统。但是，针对航空接触器吸合二步现象还未有报道。

航空接触器具有多组转换主触头和辅助触头，机械结构仍需手工完成装配调试，这也是造成触头组动作一致性不高的主要原因。本文针对航空接触器“吸合二步”认识不足的现状，通过对某航空接触器“吸合二步”现象的描述与解释，提出了航空接触器“吸合二步”的判断方法以及产生原因。本文所得的结论对于航空接触器可靠性以及电气系统运维成效的提升具有参考价值。

1 接触器机—电—磁特性的理论分析

1.1 电磁特性

接触器线圈接通电源时，电路方程可写为：

式中：

U—线圈激磁电压；

i—线圈电流；

R—线圈电阻；

ψ—线圈磁链。

线性磁路情况下，ψ=Li，则式（1）可改写为：

式中：

L—线圈电感。

因此线圈电流i可表示为：

式中：

Iw—稳定电流；

当线圈电流i上升到吸合电流时，工作气隙中产生的电磁吸力大于机械反力，衔铁开始运动。气隙减小后，磁通增大，并进一步引起线圈内产生反电势，阻止线圈电流增长。

此时式（1）可改写为：

因此，电流的增长必然低于由式（3）所得的指数曲线，随着衔铁运动速度的增加，两者的差别就愈大，电流甚至不再上升反而下降。如图1中的AB段，B点表示衔铁已闭合，其位置与衔铁运动速度关系密切，速度越大，B点就会越低。当气隙不再变化时，线圈电流又近似地按新的指数规律增长。

图1 接触器线圈电流和触点电压变化示意图

同时，以接触器衔铁为受力分析对象，衔铁一直受到电磁吸力和机械反力作用，根据运动位置可划分为以下阶段：

1）常闭触点超程阶段（对应X1～X2），动触桥受到常闭触点接触力作用。

2）自由行程阶段（对应X2～X3）。

3）常开触点超程阶段（对应X3～X4），动触桥受到常开触点接触力作用。

图2为接触器电磁吸力与机械反力曲线配合关系示意图。

图2 静态电磁吸力矩与反力矩曲线配合关系

2 实验测试

实验测试电路如图3所示，该接触器电磁系统为桥式极化磁系统，接触系统具有一对转换触点。

图3 航空接触器结构示意图

触点测试回路的负载条件为开路电压6 V，测试回路中串入电阻R1，阻值为60 Ω，从而产生100 mA回路电流。将公共端子连接至测试回路的正极，两个静触点均连接至测试回路的负极。接触器线圈两端施加额定线圈电压DC28 V，线圈回路中串联0.5 Ω阻值的低温漂采样电阻R2。使用放大电路采集R2两端的电压降，经过换算可以得到回路的线圈电流，测量分辨率1 mA。与此同时，使用放大电路同步采集接触器公共端子和静触点之间的电压数据，测量分辨率10 mV。上述数据信号通过商用数据采集卡PCI1706采集并传输给上位机，采样频率250 kHz，采样精度16位。上位机采用LabVIEW软件编写实验数据处理和显示程序。

3 实验结果与分析

3.1 典型波形

图4为正常接触器线圈上电过程中线圈电流波形和触点电压波形，图4（b）为局部放大图。根据前文分析可知，接触器衔铁触动后常闭触点对在第53.675 ms分断（A时刻）。经过1.775 ms的运动，常开触点对首次闭合（B时刻），该次常开触点闭合过程中存在两次闭合回跳现象，回跳时间为0.38 ms。

图4 接触器正常吸合过程典型波形

图5为具有“吸合二步”现象的线圈电流波形和触点电压波形。D时刻表示衔铁运动使常闭触点对瞬间分断，E时刻表示为线圈电流波形达到首次极小值点，结合触点电压可以判断常开触点开始闭合，但线圈电流的再次上升表明衔铁为停止运动状态，EF之间的5.495 ms为常开触点闭合不稳定过程，期间出现了触点弹跳现象。线圈电流在G点达到第二次极大值，此时电磁吸力已足够克服机械结构的反力，衔铁在GH之间开始第二次运动，并在常开触点间产生超程。H点表明衔铁到达最终稳定位置。

图5 接触器“二次吸合”典型波形

3.2 “二次吸合”的产生原因

如前文所述，理想情况下，接触器衔铁开始运动后，应首先出现常开触点初始接触阶段，并发生在图1中B点前，此时电磁力足够大情况下，尽管电流有下降趋势，仍然可以克服机械反力使常开触点进入超程阶段，并在衔铁运动到与静铁心接触位置时，常开触点的超程也能够满足要求。

如常开触点发生初始接触，此时电磁力不足够大的话，接触器的运动结构将无法克服此时的机械反力，则衔铁将会出现“停滞”状态。只有等待线圈电流继续增大，一旦产生的电磁吸力可以克服机械反力，则衔铁将会继续运动，并完成触点超程达到稳定闭合状态。

产生该现象的原因很多，如簧片刚度过大，或线圈激励电压不足，或线圈电感过大等等。这些问题的实质在于接触器电磁吸力和机械反力的配合关系存在缺陷，直接造成衔铁在常开触点初始接触位置处具有的动能不足，无法使触点快速进入超程阶段。

3.3 “二次吸合”现象对接触器的影响

航空接触器的触点负载电流都很大，从几十安培到几百安培不等。触点初始闭合瞬间，接触面积和导电面积均很小不足以能够安全导通负载电流。因此，希望从初始闭合到超程结束稳定闭合的过程越短越好。反之，将造成触点闭合瞬间发生熔焊现象，这可直接导致接触器线圈掉电状态下，常开触点无法分断返回至初始位置。这种故障对于接触器和整个电气系统来说都是致命的。

为避免这种现象发生，建议在航空接触器装机使用前测试其动作特性，并将该类产品剔除。对于机上需定检的接触器以及控制盒产品，也建议补充测试其动作特性。

4 结论

本文通过测试比对某航空接触器的线圈电流和触点电压波形，确认了“二次吸合”现象，并应用相关理论解释了电磁机构运动过程。确定了吸反力配合不当是造成接触器“二次吸合”的主要原因。增加动作特性的测试环节必将提高接触器的使用可靠性。