機載平臺式慣導系統直流力矩電動機故障機理分析

張東榮，王東輝，馮志民

(西北工業大學，陜西西安710072)

1 問題描述

在航空領域，平臺式慣導系統從二十世紀80年代末期開始應用，經過二十多年的不斷改進和發展，其技術逐步走向成熟，已裝備于我國大部分二代和三代戰機。平臺式慣導系統是一個復雜而精密的機電系統，使用中故障率偏高，影響了載機設備的完好率，受到各級用戶的關注。

在平臺式慣導系統中，穩定回路故障是主要的故障模式，約占系統總故障的20%，穩定回路故障直接導致慣導系統性能下降或失效，影響載機的飛行任務，嚴重時會影響載機的飛行安全，因而減少或解決穩定回路故障一直是平臺式慣導系統研制人員的主要任務。

作為穩定回路的驅動元件，直流力矩電動機的質量直接影響穩定回路工作的可靠性。由于機載慣導系統對尺寸要求苛刻，且載機機動較大，因而要求作為穩定回路驅動元件的力矩電動機尺寸小、堵轉力矩大，這給力矩電動機的研制帶來難度，加之國內技術水平所限，使得力矩電動機的可靠性成為影響穩定回路和慣導系統可靠性的主要因素之一。

2 直流力矩電動機故障模式及其對系統的影響

對于機載慣導系統，其慣性平臺采用四環三軸的結構，每個環架均由一個直流力矩電動機進行驅動，每個平臺有四個電機，依次為:外橫滾電機、俯仰電機、內橫滾電機和方位電機(其中俯仰和內橫滾電機為同一型號)。

2006年底，某型機載慣導系統故障統計數據顯示，力矩電動機共發生故障60起，主要的故障模式為:接觸電阻變大、絕緣強度下降、轉動不靈活或外觀等，其中接觸電阻變大為49起，占總故障數的82%。

在平臺式慣導系統中，慣性平臺的主要作用是為安裝在其上的加速度計提供基準，使得加速度計始終按照一定的關系保持在當地水平坐標系中。慣性平臺的這個作用主要是通過穩定回路的控制來實現的，穩定回路的組成如圖1所示。

圖1 穩定回路組成框圖

兩種典型電機接觸電阻變大引起的穩定回路控制方波如圖2所示，其中圖2a為電機阻值增加引起方波不等寬的情況，圖中上面方波為正常波形，下面方波為不等寬波形;圖2b為電機阻值增加引起方波飽和的情況。

當載機進行機動時，陀螺敏感該運動，并將信號通過前置放大器、功率放大器、相敏解調器、濾波以及校正環節等伺服電子線路處理，提供給力矩電動機，驅動慣性平臺環架運動，保持加速度計相對慣性空間的穩定。當直流電機接觸電阻變大時，由于供電電源始終保持不變，電機的驅動電流和輸出力矩變小，變小的幅值超過一定范圍時，遇到載機的機動，穩定回路將因力矩不夠而無法準確跟蹤，造成穩定精度的降低，系統性能下降，嚴重時引起穩定回路失穩，慣性平臺翻倒，系統導航功能喪失。

在三種電機中，外環電機和方位電機尺寸相對較大(直徑為80 mm)，堵轉電流較小(分別為0.5 A和0.3 A)，俯仰和內環電機尺寸較小(直徑只有45 mm)，堵轉電流較大(電流為1.3 A)。在故障電機中，俯仰電機(含內橫滾電機)故障47起，占總故障數的78%。俯仰電機接觸電阻變大是主要的故障模式，也是本文分析的重點。

3 直流力矩電動機故障機理分析

3.1 直流力矩電動機的使用環境

對于機載平臺式慣導系統，慣性平臺用力矩電動機從使用的角度有以下特殊性:

(1)力矩電動機的控制電流為高頻脈沖方波，而非一般情況下的直流

為了改善電機的起動快速性和低速性能，減小力矩電動機本身的非線性度，機載慣性導航系統穩定回路均采用脈沖調寬施矩的方式。

相對于直流控制電流，脈沖調寬施矩的方式使得力矩電動機一直處于換向工作狀態，引起電機電刷與換向器之間的火花增加，電樞產生的溫升提高，降低了電機工作的可靠性。

(2)常常運行在各環架的零位附近，且非工作時間較長，即電機長期處于零位附近

對于機載慣導系統，其工作方式有兩種，一種是靜態工作狀態，另外一種是機動飛行狀態，據統計兩者的時間比大約為2∶1。在靜態工作狀態中，慣性平臺各環架基本在零位附近做微小轉動(轉動幅值約為角分級)。

相比較，機載慣導系統大多數時間處于非工作狀態，此時電機處于零位狀態，電刷和換向器之間無電流通過，但始終處于零位位置。

這種特殊的工作環境，造成電機零位附近電刷和換向器的接觸磨損和電蝕現象嚴重。當慣導系統長期存放時，還會引起電刷和換向器之間材料的化學反應，產生腐蝕現象。

(3)電機使用環境溫度較高

為了保證慣性元件的性能，慣性平臺均采用溫度控制的方式，在平臺內部形成一個穩定的溫度梯度。

根據設計和測量結果，某型慣導系統慣性平臺內部各電機外殼處的溫度為:方位電機70℃，俯仰和內環電機約65℃，外環電機約53℃。

較高的環境溫度，對電機的可靠性帶來不利的影響。

3.2 故障機理分析

對故障電機分解并進行分析，發現大部分換向器表面都存在不同程度的磨損或污染，如圖3所示，其中圖3a中的電機換向器表面有較明顯的磨痕，換向器表面的鍍金銻層受到損傷;圖3b和圖3c的電機換向器表面存在明顯的電蝕現象，圖3c中右側轉子為合格產品，圖3d為一個換向器表面局部放大圖，表面既有磨損，又有磨損顆粒粘附，同時還有電蝕現象的發生。

某型慣導系統電機電刷塊的基材材料為銀石墨，電刷塊與換向器接觸表面鍍銀處理，換向器基材為銅，表面為鍍金銻。

對于機載慣導系統，其80%的時間處于靜態非工作狀態，12%的時間處于靜態工作狀態，只有8%處于動態工作狀態。

在靜態非工作狀態，電機的電刷與換向器始終處于零位位置，無相對運動，此時無電流通過電機，但由于電刷壓力以及電刷塊鍍銀過程中一些殘留物的存在，兩個接觸表面會產生化學作用，在與電刷塊接觸的換向器表面產生黑色沉積(如圖4所示)，該黑色沉積導電性差，引起換向器局部接觸電阻變大。

圖4 電機換向器表面黑色沉積示意圖

當慣導系統處于靜態工作狀態時，電機電刷與換向器在微小角度范圍內沿零位做反復轉動，電機電刷與換向器表面會產生微動磨損，平臺溫控環境以及電機自身發熱均使得電機自身溫度較高，加劇了微動磨損的程度。根據微動磨損理論，微動磨損不僅會造成接觸表面的機械損傷，還會引起微動腐蝕，使接觸表面被污染。

雖然在靜態工作狀態下電機處于小載荷狀態，但在穩定回路脈沖方波的控制方式下，電刷與換向器接觸面之間始終處于換向狀態。在換向過程中，換向元件的電流i由+i變為-i，而產生電抗電動勢，電抗電動勢的平均值為:

式中:W為元件匝數;L為電樞鐵心的有效長度;A為電樞線負載;Va為電樞表面的線速度。

當電抗電動勢不等于電樞旋轉引起的電動勢時，就容易在電刷與換向器之間產生火花。電刷與換向器之間產生的火花造成換向器表面的電弧侵蝕，電弧侵蝕引起換向器表面導電材料的損耗，降低了接觸的可靠性。

當慣導系統處于機動飛行狀態時，內環電機在±15℃范圍內運動，俯仰電機在±90℃范圍內運動，方位和外環電機則無限制地連續旋轉。飛機的運動帶有隨機性，因而各環電機的轉動也是隨機的，既有高速大載荷，又有低速低載荷。

電刷與換向器的滑動接觸是許多微觀點的集合，由于電刷壓力的減小，或換向器與電刷接觸表面部分存在缺陷，如換向器局部圓度差(如圖5所示)，電刷刷塊接觸圓弧面的形狀誤差等，觸點的面積只占電刷表面積的一部分，當電機旋轉時，接觸點的位置和數量不斷發生變化，在高速大載荷時，由于通過的電流較大，接觸點被燒成紅熱或白熱狀態，具備了電子熱發射的條件。當發射出來的電子速度很高時，還會發生碰撞電離，于是在接觸點之間的空隙內形成電弧放電而發生火花。

電機的高速旋轉，使得電刷和換向器接觸面之間的機械磨損加劇，這種機械磨損包括粘著磨損和磨粒磨損，機械磨損與電刷和換向器接觸面的質量(主要是表面光潔度、換向器鍍層質量)、環境的清潔度、電刷壓力以及工作溫度等因素相關。機械磨損會破壞換向器表面的鍍層，降低了接觸的可靠性。

綜上所述，引起某型機載慣導系統電機接觸電阻變大的因素主要有:

(1)特殊的使用環境;

(2)電刷與電機換向器接觸表面質量(換向器光潔度、圓度以及鍍層質量、電刷殘留物和表面貼合度);

(3)電刷壓力變小。

4 改進措施

4.1 電機設計及生產方面

(1)將石墨電刷鍍銀工藝該為磁控濺射工藝，減少電刷塊內的殘留物;

(2)為了提高換向器表面鍍金銻層的硬度和粘附力以及表面光潔度，將鍍金銻工藝優化為一次電鍍過程改為“三鍍三拋”;

(3)合理確定電刷壓力，對于俯仰和內環電機，電刷壓力在原來的基礎上提高10～15 g。4.2電機使用方面

(1)提高穩定回路脈沖調寬的頻率，減少電機自身的發熱;

(2)慣性平臺密封充氮氣，減少電機火花的發生以及表面的氧化污染;

(3)根據某型慣導系統的實際使用情況，制定合理的外場普查計劃，定期對電機進行檢查和換向器表面清理;

(4)結合系統普查工作，對俯仰和內環電機的工作零位位置進行調整，減少個別特定位置的過度磨損和污染。

5 實施效果

5.1 環境仿真試驗

為了模擬機載慣導系統的真實使用環境，專門建立了一套環境仿真設備，該設備能夠完成各環架零位附近的小角度轉動、搖擺運動以及旋轉等。仿真試驗結果表明，上述改進措施落實后的電機，接觸電阻變大的時間由原來的300小時提高到1 100小時，效果明顯。

5.2 系統故障統計

對2007年和2008年兩年系統使用情況進行統計，落實改進措施后的電機故障只有13起，相對以前有了較大幅度的減少。

6 結 語

針對某型機載慣導系統力矩電動機的使用環境，通過對造成電樞電阻變大的故障機理進行分析，確定了影響電機電樞電阻變大的主要原因，并從電機設計和加工以及使用環境兩個方面提出了改進措施。環境仿真試驗和系統故障統計結果均表明，改進措施有效。

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