接觸器主觸點不斷開故障分析及改進

竇世磊

（中國直升機設(shè)計研究所，江西景德鎮(zhèn)，333000）

0 前言

接觸器作為一種可控型開關(guān)組件，可以快速的切斷和接通電路負(fù)載，具有控制容量大、動作速度快等優(yōu)點，適用于頻繁轉(zhuǎn)換和遠程控制的場合，是電氣系統(tǒng)自動化控制的重要元器件之一[1-3]。接觸器在直升機電氣系統(tǒng)中同樣應(yīng)用廣泛，是直升機供配電系統(tǒng)中不可或缺的電氣元件[4-6]。接觸器質(zhì)量的好壞、故障率的高低，對整個直升機的飛行安全十分重要。

某次直升機地面試車檢測，對直流發(fā)電機系統(tǒng)進行接地保護自檢測時，直流發(fā)電機停止發(fā)電，直流電網(wǎng)向直流發(fā)電機反向供電。將發(fā)電機開關(guān)置于“復(fù)位”位無效，置于“斷開”位反流仍存在，反流持續(xù)約40秒后自動消失。檢查直流配電盒，發(fā)現(xiàn)其中的直流發(fā)電機接觸器主觸點未斷開，進而導(dǎo)致直升機供配電系統(tǒng)出現(xiàn)異常。

1 接觸器工作原理

此種接觸器為密封型接觸器，其電磁系統(tǒng)是平衡力式螺線管結(jié)構(gòu)，主要由蓋子組件、動觸點組件、靜觸點組件、輔助觸點組件、電磁鐵組件、隔弧片和外罩等組成，產(chǎn)品主要結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品主要結(jié)構(gòu)示意圖

接觸器工作原理示意圖如圖2所示。在線圈未通電時，鐵心主磁間隙處于打開位置，此時鐵心與下磁極貼合，返回彈簧所產(chǎn)生的反力大于磁鋼ΦC1和ΦC2的合成力。線圈通電后，隨著線圈電壓的增加，電磁通也不斷增加，這時向上吸力不斷增加。當(dāng)線圈兩端的電壓達到動作電壓值時，合成磁力大于返回彈簧反力時，使鐵心向上開始運動，隨著磁間隙的減小，電磁吸力越來越大，直至鐵心與上磁極完全貼合，運動期間鐵心組件帶動動觸點組件運動，最終實現(xiàn)主觸點動靜觸點完全吸合，同時常開、常閉輔助出點實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。

圖2 接觸器工作原理圖

當(dāng)產(chǎn)品線圈不通電時,常開觸點應(yīng)斷開，線圈通電時常閉觸點應(yīng)斷開,常開觸點應(yīng)接通，線路原理圖如圖3所示。

圖3 接觸器線路原理圖

2 故障原因分析

2.1 故障檢查

故障接觸器外觀檢查無異常情況。不通電情況下檢查故障件各觸點導(dǎo)通情況，結(jié)果均正常。測量故障件線圈電阻為56.2Ω（技術(shù)要求：60±6Ω），結(jié)論線圈電阻合格。

對線圈通28VDC檢查觸點通斷情況，各觸點轉(zhuǎn)換正常，復(fù)查電氣參數(shù)并與出廠驗收參數(shù)進行對比，具體參數(shù)測試情況見表1。除釋放電壓偏小以外，其余參數(shù)均屬正常。

表1 故障件返廠、出廠參數(shù)對比

接觸器時間檢測參數(shù)見圖4、圖5所示，圖6在線圈斷電到再一次吸合之間沒有出現(xiàn)線圈電壓尖峰。

圖4 吸合時間和釋放時間

圖5 主觸點彈跳時間和線圈抑制電壓

圖6 線圈斷開和吸合之間的主觸點電壓波形

為了進一步分析接觸器故障原因，對故障件進行了開罩檢查。外罩打開后，產(chǎn)品內(nèi)部沒有發(fā)現(xiàn)零組件脫落和多余物存在，測試產(chǎn)品觸動力為35N(規(guī)定觸動力≥25N),主觸點接觸壓力為23N(規(guī)定主觸點接觸壓力≥20N)，滿足產(chǎn)品的要求。經(jīng)顯微鏡下檢查，從對觸點燒蝕放大圖片來看，主觸點出現(xiàn)燒蝕痕跡，且熔化深度較大，可能經(jīng)受過大電流燒蝕，顯微鏡下燒蝕觸點的圖像如圖7所示。

圖7 燒蝕觸點在顯微鏡下的情況

進一步解剖電磁鐵組件，檢查零件狀態(tài)，見圖8~圖10。在襯筒內(nèi)部發(fā)現(xiàn)有明顯摩擦痕跡（圖中圈內(nèi)部分），在鐵心側(cè)面發(fā)現(xiàn)有摩擦痕跡和外脹起鼓現(xiàn)象（圖中圈內(nèi)部分），彈簧外觀檢查無異常。

圖8 接觸器內(nèi)部襯筒情況

圖10 接觸器內(nèi)部彈簧情況

用三用表測試二極管：整流二極管2CZ167正向0.413V，反向∞，穩(wěn)壓二極管2CW1032正向0.454V，反向∞，二極管正常，外觀檢查無異常。

圖9 接觸器內(nèi)部鐵心情況

為進一步確定產(chǎn)品主觸點斷不開故障原因，將接觸器故障件送專業(yè)機構(gòu)進行失效對比分析。經(jīng)過分析，故障件在線圈不加電狀態(tài)，觸點處于正常狀態(tài)，沒有出現(xiàn)A1-A2不斷開現(xiàn)象，開罩發(fā)現(xiàn)A1動靜觸點均已燒毀，可見金屬熔融。對電磁鐵組件拆解發(fā)現(xiàn)，襯筒內(nèi)腔壁上存在有明顯劃痕，說明心桿組件與襯筒之間產(chǎn)生摩擦，可能導(dǎo)致產(chǎn)品在線圈斷電后，常開觸點釋放不徹底，引起觸點之間發(fā)生飛弧打火。故障件由于內(nèi)部A1動靜觸點之間飛弧打火，導(dǎo)致觸點燒毀熔融而粘連，使得常開主觸點在線圈斷電后不斷開而失效。

2.2 故障樹分析

根據(jù)產(chǎn)品的故障現(xiàn)象以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)建立故障樹，見圖11。

圖11 主觸點不斷開故障樹

根據(jù)故障樹、故障現(xiàn)象及工作原理等，對故障事件進行排查。

（1）底事件X1：觸點材料異常

故障接觸器觸點材料為AgCu8.4，熔點900℃，產(chǎn)品在制造過程中若出現(xiàn)材料使用錯誤（采用低熔點材料），導(dǎo)致產(chǎn)品主觸點耐高溫能力降低，可能出現(xiàn)熔化粘接現(xiàn)象。對該故障接觸器以及同批次返廠接觸器觸點材料化驗分析，觸點材料為AgCu8.4。所以該底事件X1可以排除。

（2）底事件X2：線圈輸入欠壓

正常情況下，產(chǎn)品在額定電壓（28V）下工作，產(chǎn)品運動部件工作正常。在欠壓（小于額定工作電壓但高于動作電壓）條件下使用，產(chǎn)品可實現(xiàn)正常工作，但線圈磁場明顯減弱，產(chǎn)品電磁吸力降低，主觸點吸合時間增大，閉合大電流時熱量增加，可能造成主觸點熔化粘接。如果欠壓工作，鐵心不能吸合到底，導(dǎo)致接觸壓力和返回力偏小，可能導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重（接觸電阻增大）和返回不利索（返回力減小），甚至不能有效斷開。

通過提供的使用工況以及現(xiàn)場排查，該底事件X2可以排除。

（3）底事件X3：觸點彈跳時間長

觸點接通瞬間會產(chǎn)生彈跳，彈跳是觸點短暫分離又接通現(xiàn)象。觸點分離會產(chǎn)生電弧，大電流下的電弧危害更大，更易引發(fā)觸點熔化粘接。經(jīng)過對故障件進行復(fù)測，觸點彈跳均在合格范圍內(nèi)，所以該底事件X3可以排除。

（4）底事件X4：觸點壓力過小

觸點壓力過小，觸點接觸壓降可能增大，接觸電阻增大，長時間通電觸點溫升過高可能造成觸點熔化粘接現(xiàn)象。

開罩前對接觸器的觸點壓降進行檢測，參數(shù)合格。開罩后對觸點壓力的檢查，參數(shù)合格。所以該底事件X4可以排除。

（5）底事件X5：內(nèi)部多余物

如果接觸器內(nèi)部有多余物，多于物卡在運動部件之間，會導(dǎo)致接觸器線圈斷電主觸點不斷開現(xiàn)象。

通過故障接觸器開罩后的檢查情況，內(nèi)部無多余物，所以，該底事件X5可以排除。

（6）底事件X6：鐵心磕碰傷

鐵心在運輸、裝配過程中出現(xiàn)磕碰傷，可能導(dǎo)致鐵心與襯筒摩擦嚴(yán)重，使產(chǎn)品在工作過程中造成鐵心與襯筒摩擦產(chǎn)生阻力，嚴(yán)重影響產(chǎn)品正常工作。

對故障件接觸器鐵心、襯筒關(guān)聯(lián)尺寸進行測量，襯筒尺寸合格，鐵心測試三個位置尺寸，其中一個位置不合格,原因是鐵心的端面存在磕碰傷缺口，缺口出現(xiàn)外脹起鼓所致，因此底事件X6不能排除。

2.3 故障原因定位

通過以上故障樹分析，故障接觸器主觸點不斷開，有一個底事件不能排除： X6鐵心磕碰傷。

故障接觸器產(chǎn)品主觸點不斷開的原因為：鐵心磕碰傷，引起鐵心與襯筒之間產(chǎn)生摩擦，使心桿組件運動不暢，摩擦力使得產(chǎn)品在線圈斷電后，主觸點斷開力變小，釋放緩慢，造成在做過壓/接地保護自檢時，該故障通道的發(fā)電機大電流反流，拉弧嚴(yán)重，最后導(dǎo)致主觸點溫度急劇升高熔化粘接，進而不能脫開。

2.4 故障復(fù)現(xiàn)

生產(chǎn)現(xiàn)場正在裝配的產(chǎn)品中抽2臺，其中1臺心桿組件模擬裝配過程受磕碰傷后裝配（件1），另1臺零件未受磕碰傷正常裝配（件2），接觸器不封罩，記錄接觸器參數(shù)。然后在線圈通28V DC電壓下進行機械時效試驗，完成5000次試驗后，檢查接觸器參數(shù)。通過對接觸器參數(shù)進行對比，發(fā)現(xiàn)模擬心桿磕碰傷進行裝配的接觸器釋放電壓明顯下降，另一臺正常裝配接觸器參數(shù)幾乎沒有變化，并且發(fā)現(xiàn)模擬心桿磕碰傷進行裝配的接觸器鐵心與襯筒摩擦嚴(yán)重，正常裝配接觸器鐵心和襯筒之間幾乎無摩擦痕跡。

由上述摸底試驗可以看出，鐵心與襯筒之間嚴(yán)重摩擦?xí)?dǎo)致產(chǎn)品在線圈斷電后，使觸點斷開力變小，釋放電壓變小，釋放緩慢，當(dāng)接觸器觸點通過大電流時，接觸器觸點存在粘連風(fēng)險。

3 改進措施

（1）嚴(yán)格貫徹《接觸器鐵心、磁極、磁極座、心桿零件加工制造過程管理規(guī)定》。以前沒有對鐵心、磁極、磁極座、心桿等零件加工過程中、貯存、轉(zhuǎn)運、裝配的擺放作具體要求，后續(xù)生產(chǎn)應(yīng)按《接觸器鐵心、磁極、磁極座、心桿零件加工制造過程管理規(guī)定》進行管理，要求加工過程嚴(yán)禁堆放、疊壓、滾動放置；貯存、轉(zhuǎn)運明確要用轉(zhuǎn)工箱或轉(zhuǎn)工盒，并用珍珠棉墊隔離；裝配過程要求防止傾倒、滾動造成損傷，嚴(yán)禁將跌落零件不經(jīng)確認(rèn)用于產(chǎn)品裝配。

（2）完善裝配工藝資料，對心桿組件，增加裝配前先檢查鐵心零件表面狀態(tài)，無磕碰傷、無變形情況才能用于裝配；對電磁鐵組件，增加先檢查鐵心零件表面狀態(tài)，無磕碰傷、無變形情況才能用于裝配。

（3）加強相關(guān)人員培訓(xùn)，宣貫故障原因，嚴(yán)格裝配工藝要求，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

4 總結(jié)

綜合上述分析，故障接觸器線圈斷電主觸點不斷開的原因是：鐵心磕碰傷，引起鐵心與襯筒之間產(chǎn)生摩擦，使心桿組件運動不暢，摩擦力使得產(chǎn)品在線圈斷電后，主觸點斷開力變小，釋放緩慢，造成在做過壓/接地保護自檢時，該故障通道的發(fā)電機大電流反流，拉弧嚴(yán)重，最后導(dǎo)致主觸點溫度急劇升高熔化粘接，不能脫開。

接觸器作為直升機供配電系統(tǒng)的重要組成電氣元件，質(zhì)量問題對直升機供配電系統(tǒng)的安全運行存在很大影響。接觸器加工運輸過程中的一點小的疏忽，即使造成很微小的損傷，在頻繁的使用過程中，同樣會造成接觸器的損壞，甚至對整個供配電系統(tǒng)造成災(zāi)難性后果。接觸器的生產(chǎn)和運輸過程中，質(zhì)量問題需作為重點關(guān)注對象，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)定進行，針對出現(xiàn)的質(zhì)量問題完善相關(guān)工藝過程，增加重點檢查項，并對相關(guān)人員加強質(zhì)量培訓(xùn)，保障接觸器產(chǎn)品質(zhì)量。