直流航空接觸器熔焊故障分析及預防建議

周躍飛

（中國民用航空飛行學院航空安全辦公室，廣漢618307）

0 引 言

接觸器是一種適用于遠距離頻繁接通和分斷交直流主電路及大容量控制電路的電氣控制器件，其本質是通過“小電流”控制電流較大電路的通斷，通過驅動線圈的通斷帶動銜鐵動作，從而控制動靜觸頭的閉合和斷開，在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用，是航空器配電系統的關鍵控制和保護部件。

目前，研究人員對接觸器的研究多是失效原因分析，例如，喬鑫磊指出接觸系統失效是電磁繼電器最主要的失效模式，而接觸系統失效中60%以上為觸頭粘接失效，并研究了觸頭分合過程中不同因素對熔焊力的影響規律。部分研究人員從接觸器觸頭材料、觸頭現狀來分析電侵蝕和熔焊原因，例如，韓春陽等、郭鳳儀等對常用觸頭材料進行了介紹，總結了各類材料的性能表現，指出電弧侵蝕造成的觸頭表面形貌惡化是導致觸頭熔焊并失效的主要原因；周曉龍等、魏國青等研究了不同電觸頭材料的接觸電阻、抗熔焊性、材料轉移特性，提出電接觸過程材料為陽極轉移，轉移主要以熔橋方式進行，證明對陽極與陰極觸頭進行每次電接觸測試時都發生了質量減小；朱青成等采用觸頭模擬裝置進行觸頭的電壽命試驗，分析接通過程中熔焊現象發生時的觸頭狀態，得出熔焊發生具有隨機性的結論；王珩等等應用威布爾分布分析了不同粗糙度、不同曲率半徑對電觸頭材料靜熔焊力的影響，以及電觸頭材料在不同接觸狀態下塑性變形對靜熔焊力影響。

為了解決接觸器觸頭熔焊問題，同時又要保證優異的開斷性能，張石松等從材料研究著手在熔鑄工藝的基礎上，通過添加第三元素金屬Te制備CuCrTe觸頭，其能夠有效提高材料的抗拉強度，并且已經得到成功應用；肖翼洋等從管理角度出發指出開關類器件壽控缺失、維護不足等問題，從技術上、制度上厘清器件維護面臨的主要問題及產生原因。還有研究人員從結構設計出發，例如，劉銘光、劉天宇等分別從接觸器結構和智能控制出發設計了一種磁鎖定接觸器和直流接觸器智能控制單元，能夠在接觸器過載時或電侵蝕有惡化趨勢時實現反延時保護和快速保護的功能。

但相較于普通工業，民用接觸器、航空接觸器選用的標準首先是穩定的可靠性。因為相對于接觸器自身的故障，人們更關注其次生故障。在飛機上負荷較大的電氣設備如機載電源入網、動力裝置起動、飛行姿態操作、起落架收放等核心系統通常采用接觸器控制，這些系統中任何一個部件失去控制都可能導致航空器發生災難性后果。

本文從一起飛機起動機接觸器熔焊故障導致的整機斷電入手，分析接觸器觸頭熔焊機理，統計該型接觸器2016—2019年的故障數據。

1 接觸器熔焊故障簡介

2017年5月14 日，一架塞斯納172飛機從跑道起飛約5 min后在機場3邊離跑道中心點約4 n mile（1 n mile=1 852 m）處從ADS-B（Auto‐matic Dependent Surveillance-Broadcast）監視器上消失，塔臺可目視其方位，但不能建立任何機載通信設備聯系，由于飛機高度僅為300 m，在嘗試后通過手機聯系到機組，得知飛機整機斷電后立即清空跑道，大約8 min后機組通過目視程序安全落地。

在這起飛機整機斷電故障中，飛機雖然安全降落，無人員傷亡和飛機損傷，但依照《民用航空器事故征候》5.16款“飛行中失去全部電源”被定性為一般飛行事故征候。類似斷電事故如果發生的地點在遠離機場的航路上或者發生在能見度低而無法識別參照物的天氣或夜晚，失去通信導航設備的引導，飛機可能迷航，后果不堪設想。

塞斯納172飛機使用一額定電壓28 V、額定電流60 A的直流發電機作為飛機主電源，使用一個24 V、容量12.75 AH的鉛酸電瓶作為飛機的輔助/應急電源。正常飛行中發電機作為飛機電源，電瓶作為發電機故障時飛機的應急電源，兩套供電方式理論上不應出現整機斷電的情況。

飛機滑回后機務人員上機檢查，發現起動機齒輪已打壞，起動電機殼體溫度很高，測量起動電機電樞已燒斷，拆下并分解起動接觸器，發現動靜觸頭粘合在一起，分開后可以看出起動接觸器正極主觸頭有明顯燒蝕現象，已形成約2 mm的凹坑。起動機接觸器正極靜觸頭熔焊粘連（如圖1所示），初步判斷為起動機接觸器熔焊粘連后起動機無法退出工作，持續大負荷輸出導致電網電壓下降至低于發電機/電瓶接入接觸器釋放電壓，使得發電機和電瓶退出電網，導致整機斷電。

圖1 故障X61-0007型接觸器分解及正極靜觸頭放大圖Fig.1 Breakdown of fault X61-0007 contactor and enlarged view of positive static contact

2 接觸器工作原理

塞斯納172飛機起動機接觸器的件號為X61-0007，其結構如圖2所示。該接觸器為動鐵式接觸器，動觸頭為一康銅圓盤。工作時，動觸頭1在控制線圈4產生的電磁力驅動下克服彈簧5的張力向下運動，與觸頭2、3吸合，起動機工作電路導通，起動機工作。如果控制線圈4斷電，電磁力消失，動觸頭1在彈簧5的恢復力作用下向上運動，當動、靜觸頭分離時，起動機工作電路斷開，起動機退出工作。

圖2 X61-0007型接觸器簡圖Fig.2 Schematic diagram of the X61-0007 contactor

3 接觸器觸頭熔焊分析

動靜觸頭看似兩個光滑平臺，但從微觀上看，兩者表面實則凹凸不平，因此，兩者接觸時，其表面不可能完整貼合，實際上接觸面積比目視的接觸面積小得多。電流僅僅通過觸頭間局部很小的接觸點。此時，當電流由導線通過觸頭時，電流就因為觸頭接觸面積的縮小而產生阻力，即收縮電阻。

假定在兩個觸頭相接觸時，僅存在一個真正的接觸點，那么，該觸頭所具有的電阻為

式中：

R

為接觸頭的收縮電阻；

ρ

為接觸材料的電阻系數；

γ

為觸頭元件的半徑；

α

為實際接觸頭面積的半徑。當接觸點的數目

n

>1時，觸頭間真正的接觸面積之和

A

=

n

?π?

α

，此時：

即

R

的大小取決于接觸頭的數量

n

和總接觸面積

A

的大小。根據焦耳定律，接觸元件在接觸部位的溫度

T

在理論上為

式中：

T

為觸頭溫度；

u

為接觸部位的電壓降；

λ

為接觸材料的導熱系數。因為接觸部位的電壓降

u

等于收縮電阻

R

乘以通過接觸部位的電流

I

，于是：

式中：

I

為接觸部位的電流。從式（2）、式（4）可以看出：接觸頭的數目

n

越小，收縮電阻值越大，觸頭接觸部位的溫度

T

越高。

觸頭分離時觸頭的電侵蝕機理：觸頭分離時，由于接觸壓力減小，電流在觸頭間的物理接觸頭迅速減少，觸頭面積減小，觸頭間電阻迅速增大，使得接觸電壓激增。

上述激增電壓產生的焦耳熱能使觸頭表層微區域材料熔化，熔化的金屬在機械力和電弧力作用下產生流動和噴濺。當液態區域溫度持續升高后，沸騰的液體還將蒸發氣化。流動、噴濺和氣化都將造成觸頭接觸區域材料的侵蝕損耗。

觸頭閉合時觸頭熔焊的機理：觸頭閉合過程中，觸頭間原本處于絕緣狀態的空氣，隨著觸頭間隙逐漸縮短，中間空氣在兩端觸頭足夠強的電場作用下將失去介電性能成為導體，也即電擊穿。觸頭中的游離電子，在電擊穿強電場作用下，電子被加速獲得動能，轟擊空氣和觸頭材料里的其他電子，電子間劇烈的碰撞所產生的高溫足以使觸頭表面材料熔化，即靜熔焊機理。

另外，由于零部件制造工藝因素，觸頭接觸面并非完全處于同一平面上，當動靜觸頭在吸合作用力下以一定速度碰撞時，觸頭間的電動斥力和銜鐵與鐵心的碰撞都可能引起觸頭的機械振動和彈跳。觸頭振動彈跳后，觸頭分離產生電弧，電弧高溫使接觸面金屬熔化、濺射。在經過反復彈跳后，觸頭最后吸合在一起，觸頭表面已經熔化的金屬迅速冷卻，凝固在一起，就可能導致動、靜觸頭焊接在一起，也就是觸頭熔焊。

4 接觸器故障數據統計分析

某單位現有塞斯納172飛機174架，分布在5個運行基地，通過該單位統一的飛機故障填報系統對該型接觸器（X61-0007）故障數據進行收集，其中2016—2019年的故障如表1所示。

表1 2016—2019年X61-0007故障量統計Table 1 Statistics of the number of failures in X61-0007 from 2016 to 2019

2016—2019 年，該單位所有塞斯納172飛機共發生48起X61-0007型接觸器故障，期間，所有塞斯納172飛機共計飛行683 007 h，該型接觸器平均萬小時故障率為0.7，其中接觸器熔焊粘連故障萬時率為0.01。2016—2019年X61-0007故障率統計如圖3所示。

圖3 2016—2019年X61-0007故障率統計Fig.3 Statistics of X61-0007 failure rate from 2016 to 2019

按該型接觸器故障發生時機統計：空中發生17起，占比為37.5%；地面發生13起，占比為27.1%；定檢檢查發現17起，占比為35.4%。

按該型接觸器故障原因統計：接觸器控制線圈不工作9起，占比為18.8%；接觸器觸頭接觸壓力不穩定29起，占比為60.4%；接觸器觸頭間接觸電阻大9起，占比為18.8%；觸頭粘連1起，占比為2.1%。

該型接觸器故障發生最多的月份為3月、9月和10月，均為7起；最少為1月、2月，分別為1起和0起。1月、2月期間該單位放寒假，飛行量減少，該單位塞斯納172飛機月平均飛行8 902 h。3月、9月、10月為飛行訓練的高峰期，該單位塞斯納172飛機月均飛行17 336 h。X61-0007故障量按月統計如圖4所示，可以看出：該型接觸器故障與天氣、外界環境無必然聯系，僅與飛行時間成正比例關系。因此，該件的維護屬于時控件壽命曲線態勢分布，可參照時控件的管理方法進行管理。

圖4 X61-0007故障量按月統計Fig.4 Monthly breakdown of X61-0007

5 預防建議

雖然接觸器熔焊故障純屬機械故障，與人為因素和組織管理沒有任何關系，但作為飛機運行維護單位在執行廠家推薦的維護檢修標準時，可以適當提高。因為事發飛機為培養飛行學員的教學飛機，教學性質就決定了該飛機和其他通航單位的飛機不同，它有更密集的飛行量、頻繁的起降、較為粗猛的操作等使用特點，發動機的起動、關停次數大幅度多于其他同類飛機。由于發動機頻繁的起動，對起動接觸器的電侵蝕程度必然超出飛機廠家對起動接觸器的初始適航的設計要求。

結合機型維護手冊、該單位飛行特點以及上述故障統計分析，在滿足航空器適航性要求的前提下，建議把X61-0007型接觸器由故障更換件改為時控件予以控制，其到壽時限設定為2 000 h。這樣，該型接觸器平均故障萬時率將由0.7下降到0.14。接觸器熔焊粘連的故障萬時率相應下降為0.002。另外，在時限內，飛機每100 h定檢時增加接觸器性能測試項目，以此來監控該部件的工作性能，如果性能有變差趨勢遂將其更換。在2 000 h時限到了之后，無論其性能參數如何即刻更換該部件以確保飛行安全。

將該接觸器作為時控件和定檢監控件只是飛機使用單位在滿足航空器適航的基礎上所做的預防手段。根本上解決還需飛機制造廠家接受使用單位的反饋信息，另選滿足飛機負荷需求的其他型號接觸器，以達到穩定可靠工作的適航審定要求。

6 結 論

塞斯納172飛機起動機接觸器的電侵蝕現象隨著飛行時間的增加而成正比例的累加。兼顧航空器運行單位特點和適航性要求，將X61-0007型航空直流接觸器作為時控件管理，可有效地預防接觸器觸頭熔焊故障的發生。