点火装置触点开路失效分析

尚振杰，耿鹏武，李长胜，钟 俊，穆成勇

(1.航空工业四川泛华航空仪表电器有限公司，成都 610500；2.中国人民解放军93147 部队，成都 610000)

1 引言

航空发动机点火系统是航空发动机的重要部件之一，其功能状态直接影响系统安全性、战备完好性和任务成功性[1]。常用的点火系统分为高压电感式、低压电感式、高压电容式和低压电容式四种类型[2]。点火系统的选择主要考虑发动机类别、起动包线、点火系统与燃烧室的设计相容性、发动机环境适应性等因素[3]。

航空发动机点火装置是发动机点火系统的重要部件，其与点火电缆、点火电嘴一起组成点火系统，用于发动机起动或加力点火[4]。点火装置的性能直接影响着点火系统的点火可靠性，进而影响着航空发动机的工作安全性。

随着飞机对发动机技战术指标要求的不断提高，发动机对点火装置的工作寿命需求也显著增加。本文根据某点火装置发生的无工作电流点火电嘴不发火故障，着重针对点火装置触点开路的失效机理进行分析研究，通过试验验证、能谱分析等方法找出引起触点开路失效的根本原因，并提出了可行的技术改进措施。

2 点火装置功能及工作原理

点火装置的功能是将地面或飞机上提供的低压直流电转换为高压脉冲电，高压脉冲电通过点火电缆传输到点火电嘴，在点火电嘴发火端产生高能电火花，以点燃发动机燃烧室内的油气混合物[5]。

航空发动机点火系统的点火装置，根据电路工作原理分为电子式和机械振子式两种，且其应用都很广泛[6]。目前，俄制大型航空发动机的起动点火装置，前级主要采用机械振子式逆变升压方式、后级采用气体放电管作为放电开关的电路形式；欧美制大型航空发动机起动点火装置，前级主要采用半导体功率管逆变升压、后级采用气体放电管或功率半导体作为放电开关的电路形式[7-8]。本文研究的点火装置采用的是机械振子式，其工作原理框图如图1 所示。

图1 点火装置工作原理框图Fig.1 Block diagram of the working principle of the ignition device

点火装置采用功能模块化设计，主要由滤波电路、逆变升压电路、整流电路、充电电路、放电电路及保护电路组成。其中，逆变升压电路的工作简图如图2 所示，其触点(J)是逆变器T1 的一对常闭触点，由一个静触点和一个动触点组合而成(图3)，是完成逆变升压转换中的关键元件。当初级回路电流i小于逆变器的断开电流时，初级线圈(L2)产生的磁力小于常闭触点J的弹力，处于闭合导通状态，回路电流i呈指数上升；当回路电流i达到断开电流时，此时初级线圈产生的磁力大于常闭触点J的弹力，动触点在吸片的带动下运动，动-静触点分离，初级回路电流开始变小，初级线圈上产生感应电动势；当T1 中的磁能基本转换成电能后，触点J快速接触闭合，恢复常闭状态，其接触电阻迅速减小(小于0.1 Ω)，恢复到初始状态，然后以相同的工作方式反复进行。

图2 逆变升压简图Fig.2 Schematic diagram of inverter boost

图3 静触点(左)和动触点(右)Fig.3 Static contact (left) and dynamic contact (right)

上述工作过程中，初级线圈上产生的感应电动势会叠加在分离的动-静触点上，动-静触点之间会产生电晕；动触点在吸片的运动惯性带动下继续运动，远离静触点，触点间距加大，感应电动势上升，动-静触点之间由电晕转换为电弧，产生拉弧现象，电弧局部温度高于1 200 ℃。

3 触点失效模式

3.1 失效确认

触点通断时会产生电弧，使其接触表面温度升高且接触电阻变大，严重时造成触点烧蚀，这是导致其工作性能下降及失效的主要因素[9-10]。

故障发生后，通过对故障产品的检查测试，滤波电路、整流电路、充电电路、放电电路和保护电路零组件性能合格，功能正常，唯有逆变升压电路中测得初级回路电阻无穷大。逐项排查后发现，常闭触点J的动-静触点不导通，处于开路状态，与常闭导通的设计要求不符。由此可以判断，逆变器的常闭触点已经发生开路失效。图4、图5 分别为正常工作后的和开路失效的触点形貌(左为静触点，右为动触点)。

图4 正常工作后的触点形貌图Fig.4 Morphology of contact after normal operation

图5 开路失效的触点形貌图Fig.5 Morphology of failed open contact

3.2 失效分析

(1) 从图5 可以明显看到该对触点接触面均有一块黑褐色区域，通过电阻检查，发现该黑褐色区域与触点部件绝缘，而触点本身为贵金属材料，具有优良的导电性能，因此可以初步判断触点间存在绝缘物质。

(2) 对静触点表面进行电镜扫描观察，结果如图6～图8 所示。可见，在电镜扫描下，故障产品触点表面有明显的黑色附着物，且主要呈现以下形态：①黑色粉末状(图6)；②白色条状和珠状颗粒状(图7、图8 中黑色和白色物质)。不导电的绝缘物质在电镜扫描下因电荷富集一般会出现发白的特征，由此推测白色形态的附着物可能为不导电绝缘物质。

图6 19.8 倍电镜扫描成像Fig.6 Microscope imaging of 19.8× scanning electron

图7 500 倍电镜扫描成像Fig.7 Microscope imaging of 500× scanning electron

图8 1 000 倍电镜扫描成像Fig.8 Microscope imaging of 1 000× scanning electron

(3) 对静触点表面的污染区和非污染区进行能谱分析，结果见图9、图10。能谱分析结果表明：除正常合金本身成分外，触点表面污染区附着物元素主要为C、O、Si，其中Si 的含量高达17.50%，而触点表面非污染区Si 的含量仅有1.41%。

图9 污染区能谱分析Fig.9 Energy spectrum analysis of polluted area

图10 非污染区能谱分析Fig10 Energy spectrum analysis of non-polluted areas

(4) 对静触点表面污染区中的附着物进行显微红外谱测试，结果见图11。可以看出，污染区中的附着物主要在1 100 cm-1和650 cm-1附近出现Si-O-Si的特征吸收峰。

图11 污染区附着物的显微红外光谱Fig.11 Micro-infrared spectra of attachments in polluted areas

综合以上分析可以得出：触点表面附着含二氧化硅(SiO2)的碳化产物，由于二氧化硅不导电，导致触点开路失效而引起产品故障。

4 失效机理分析

4.1 触点的工作环境及特性

在动-静触点的分离工作过程中，如果开路电压超过大约15 V 的最低起弧电压时，两触点之间必然会产生电弧——这种电弧在触点表面所产生的局部温度一般高达1 200 ℃以上。同时，点火装置内部是一个密封的多材料混合的复杂空间，共使用了15 种非金属材料，尤其以有机材料成分为主，这些材料在点火装置使用过程中会不断地挥发出有机气体，而触点就完全暴露在该环境条件下。

触点采用的是铂族合金材料，该合金是一种典型的电接触材料，用于航空发动机点火触点、高灵敏度继电器和微电机的电触点，具有高硬度、高熔点、高耐腐蚀能力和低接触电阻的优点[11]。但由于铂族类合金易受有机气氛污染而使接触电阻变大[12]，在点火装置相对密封的小空间中，客观上为触点上吸附、沉积有机物提供了便利条件。

4.2 有机物污染机理

在继电控制电路中，触点之间的接触电阻是触点接触失效反应敏感的主要电参数之一[13]。多年来，有机物污染是引起继电器触点间接触电阻变大或不稳定的重要根源。有机绝缘材料、结构件塑料材料、粘结剂、润滑剂等有机材料挥发、逸出的有机气体，可通过各种途径在触点间形成有机沉积物而导致触点之间产生绝缘有机膜(在一定温度下会分解)，当这些绝缘有机膜积累足够厚时，最终导致接触失效[14]。

4.3 触点开路失效机理

通过失效触点表面污染物成分分析，综合点火装置及触点的工作原理、产品结构、工作环境情况，在点火装置未工作时，如果产品内部有浓度足够高的有机硅聚合物气体，那么这些有机硅聚合物气体就可被吸附、沉积、催化，铂族合金触点上会因吸附而产生较大量的有机硅聚合物分子链物质；在产品工作过程中，触点之间产生的电弧在触点表面产生高温，将触点上所沉积、吸附的有机硅聚合物分解或碳化，从而在两触点之间产生二氧化硅、碳化物等沉积物，最终在触点上形成绝缘物质，造成触点开路失效。

5 试验验证

在点火装置功能、性能和应用环境综合分析的基础上，根据触点开路失效分析结论，开展了故障加速验证试验。

通过模拟加速非金属材料有机硅聚合物在点火装置触点表面的吸附和沉积，对故障现象进行快速复现。在常温状态下，产品正常通电工作过程中，对产品触点间歇性地施加雾状有机硅物质，当工作到第30 个循环时产品出现故障。

产品故障后，对试验产品工作触点的通、断情况进行检测，结果显示触点之间出现高阻状态。对试验产品进行分解，目视检查工作触点表面状况，静触点(图12 左)和动触点(图12 右)表面均出现了黑色附着残留物质。

图12 模拟加速污染故障后的触点表面外观Fig.12 The appearance of the contact surface after accelerating the pollution fault

将试验后触点送检分析，检测结果见表1。可见，触点表面黑色附着残留物主要为碳和硅化物，与故障产品触点表面附着物成分一致，失效机理得以验证。

表1 触点附着物主要成分比例Table 1 Proportion of main components of the attachment of contact

6 触点开路失效改进措施

从点火装置密封结构和特殊的内外部工作环境考虑，根据触点开路失效机理分析，采取以下技术措施进行改进：

(1) 从工艺技术流程上改变产品真空烘焙工序，将烘焙时间增加50%。该工艺技术措施可以尽可能的排出挥发性有机气体，有效降低产品内部有机硅气体的浓度，从而减少有机硅在触点上的污染碳化与沉积。

(2) 增加点火装置产品内部充氮技术要求，以减小触点之间的拉弧能量，提高触点连续工作的可靠性。

经跟踪统计，采取以上技术措施改进后的产品，在使用中再未发生该故障，据此表明改进措施可行、有效。

7 结束语

针对航空发动机点火装置工程应用中发生的触点开路失效故障，从产品工作原理、失效模式确认、成分检测、试验验证等方面，对点火装置的触点开路失效机理进行了详细论述，并提出了具体的技术改进措施，提高了产品的工作可靠性。

为切实有效地提升耐高温元器件的研制水平和突破传统点火技术瓶颈，还需要继续深入研究。