航空接觸器“吸合二步”現(xiàn)象的觀測與分析

張元峰，于春風(fēng)，劉治國，張溪

（1.海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，青島 266041； 2.95866部隊，保定 071051）

引言

航空接觸器是飛機(jī)電氣控制中重要的電器元件，其動作特性將直接決定飛機(jī)相關(guān)電氣系統(tǒng)的可靠性[1,2]。一直以來，由于航空接觸器故障而影響飛機(jī)飛行安全的事件很多[3,4]。目前通過定期檢查接觸器的動作特性參數(shù)可直接評估其健康狀態(tài)。對于動作參數(shù)不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的接觸器及早篩查、更換，可以有效地提高飛機(jī)電氣系統(tǒng)的運維成效。其中，“吸合二步”現(xiàn)象就是一種典型的航空接觸器異常動作事件。“吸合二步”的發(fā)生是接觸器動作特性異常的表現(xiàn)，也將直接導(dǎo)致電氣負(fù)載回路的切換故障。

針對電磁繼電器“吸合二步”現(xiàn)象的研究已有報道，其中文獻(xiàn)[5]通過監(jiān)測時間參數(shù)發(fā)現(xiàn)了鐵路信號繼電器存在二次吸合現(xiàn)象，并根據(jù)電磁機(jī)構(gòu)動作原理分析了二次吸合現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理；文獻(xiàn)[6]應(yīng)用仿真分析方法復(fù)現(xiàn)了工業(yè)控制用繼電器的二次吸合過程，并開發(fā)了專用于研究繼電器吸合二步現(xiàn)象的測試系統(tǒng)。但是，針對航空接觸器吸合二步現(xiàn)象還未有報道。

航空接觸器具有多組轉(zhuǎn)換主觸頭和輔助觸頭，機(jī)械結(jié)構(gòu)仍需手工完成裝配調(diào)試，這也是造成觸頭組動作一致性不高的主要原因。本文針對航空接觸器“吸合二步”認(rèn)識不足的現(xiàn)狀，通過對某航空接觸器“吸合二步”現(xiàn)象的描述與解釋，提出了航空接觸器“吸合二步”的判斷方法以及產(chǎn)生原因。本文所得的結(jié)論對于航空接觸器可靠性以及電氣系統(tǒng)運維成效的提升具有參考價值。

1 接觸器機(jī)—電—磁特性的理論分析

1.1 電磁特性

接觸器線圈接通電源時，電路方程可寫為：

式中：

U—線圈激磁電壓；

i—線圈電流；

R—線圈電阻；

ψ—線圈磁鏈。

線性磁路情況下，ψ=Li，則式（1）可改寫為：

式中：

L—線圈電感。

因此線圈電流i可表示為：

式中：

Iw—穩(wěn)定電流；

當(dāng)線圈電流i上升到吸合電流時，工作氣隙中產(chǎn)生的電磁吸力大于機(jī)械反力，銜鐵開始運動。氣隙減小后，磁通增大，并進(jìn)一步引起線圈內(nèi)產(chǎn)生反電勢，阻止線圈電流增長。

此時式（1）可改寫為：

因此，電流的增長必然低于由式（3）所得的指數(shù)曲線，隨著銜鐵運動速度的增加，兩者的差別就愈大，電流甚至不再上升反而下降。如圖1中的AB段，B點表示銜鐵已閉合，其位置與銜鐵運動速度關(guān)系密切，速度越大，B點就會越低。當(dāng)氣隙不再變化時，線圈電流又近似地按新的指數(shù)規(guī)律增長。

圖1 接觸器線圈電流和觸點電壓變化示意圖

同時，以接觸器銜鐵為受力分析對象，銜鐵一直受到電磁吸力和機(jī)械反力作用，根據(jù)運動位置可劃分為以下階段：

1）常閉觸點超程階段（對應(yīng)X1～X2），動觸橋受到常閉觸點接觸力作用。

2）自由行程階段（對應(yīng)X2～X3）。

3）常開觸點超程階段（對應(yīng)X3～X4），動觸橋受到常開觸點接觸力作用。

圖2為接觸器電磁吸力與機(jī)械反力曲線配合關(guān)系示意圖。

圖2 靜態(tài)電磁吸力矩與反力矩曲線配合關(guān)系

2 實驗測試

實驗測試電路如圖3所示，該接觸器電磁系統(tǒng)為橋式極化磁系統(tǒng)，接觸系統(tǒng)具有一對轉(zhuǎn)換觸點。

圖3 航空接觸器結(jié)構(gòu)示意圖

觸點測試回路的負(fù)載條件為開路電壓6 V，測試回路中串入電阻R1，阻值為60 Ω，從而產(chǎn)生100 mA回路電流。將公共端子連接至測試回路的正極，兩個靜觸點均連接至測試回路的負(fù)極。接觸器線圈兩端施加額定線圈電壓DC28 V，線圈回路中串聯(lián)0.5 Ω阻值的低溫漂采樣電阻R2。使用放大電路采集R2兩端的電壓降，經(jīng)過換算可以得到回路的線圈電流，測量分辨率1 mA。與此同時，使用放大電路同步采集接觸器公共端子和靜觸點之間的電壓數(shù)據(jù)，測量分辨率10 mV。上述數(shù)據(jù)信號通過商用數(shù)據(jù)采集卡PCI1706采集并傳輸給上位機(jī)，采樣頻率250 kHz，采樣精度16位。上位機(jī)采用LabVIEW軟件編寫實驗數(shù)據(jù)處理和顯示程序。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 典型波形

圖4為正常接觸器線圈上電過程中線圈電流波形和觸點電壓波形，圖4（b）為局部放大圖。根據(jù)前文分析可知，接觸器銜鐵觸動后常閉觸點對在第53.675 ms分?jǐn)啵ˋ時刻）。經(jīng)過1.775 ms的運動，常開觸點對首次閉合（B時刻），該次常開觸點閉合過程中存在兩次閉合回跳現(xiàn)象，回跳時間為0.38 ms。

圖4 接觸器正常吸合過程典型波形

圖5為具有“吸合二步”現(xiàn)象的線圈電流波形和觸點電壓波形。D時刻表示銜鐵運動使常閉觸點對瞬間分?jǐn)啵珽時刻表示為線圈電流波形達(dá)到首次極小值點，結(jié)合觸點電壓可以判斷常開觸點開始閉合，但線圈電流的再次上升表明銜鐵為停止運動狀態(tài)，EF之間的5.495 ms為常開觸點閉合不穩(wěn)定過程，期間出現(xiàn)了觸點彈跳現(xiàn)象。線圈電流在G點達(dá)到第二次極大值，此時電磁吸力已足夠克服機(jī)械結(jié)構(gòu)的反力，銜鐵在GH之間開始第二次運動，并在常開觸點間產(chǎn)生超程。H點表明銜鐵到達(dá)最終穩(wěn)定位置。

圖5 接觸器“二次吸合”典型波形

3.2 “二次吸合”的產(chǎn)生原因

如前文所述，理想情況下，接觸器銜鐵開始運動后，應(yīng)首先出現(xiàn)常開觸點初始接觸階段，并發(fā)生在圖1中B點前，此時電磁力足夠大情況下，盡管電流有下降趨勢，仍然可以克服機(jī)械反力使常開觸點進(jìn)入超程階段，并在銜鐵運動到與靜鐵心接觸位置時，常開觸點的超程也能夠滿足要求。

如常開觸點發(fā)生初始接觸，此時電磁力不足夠大的話，接觸器的運動結(jié)構(gòu)將無法克服此時的機(jī)械反力，則銜鐵將會出現(xiàn)“停滯”狀態(tài)。只有等待線圈電流繼續(xù)增大，一旦產(chǎn)生的電磁吸力可以克服機(jī)械反力，則銜鐵將會繼續(xù)運動，并完成觸點超程達(dá)到穩(wěn)定閉合狀態(tài)。

產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因很多，如簧片剛度過大，或線圈激勵電壓不足，或線圈電感過大等等。這些問題的實質(zhì)在于接觸器電磁吸力和機(jī)械反力的配合關(guān)系存在缺陷，直接造成銜鐵在常開觸點初始接觸位置處具有的動能不足，無法使觸點快速進(jìn)入超程階段。

3.3 “二次吸合”現(xiàn)象對接觸器的影響

航空接觸器的觸點負(fù)載電流都很大，從幾十安培到幾百安培不等。觸點初始閉合瞬間，接觸面積和導(dǎo)電面積均很小不足以能夠安全導(dǎo)通負(fù)載電流。因此，希望從初始閉合到超程結(jié)束穩(wěn)定閉合的過程越短越好。反之，將造成觸點閉合瞬間發(fā)生熔焊現(xiàn)象，這可直接導(dǎo)致接觸器線圈掉電狀態(tài)下，常開觸點無法分?jǐn)喾祷刂脸跏嘉恢谩＿@種故障對于接觸器和整個電氣系統(tǒng)來說都是致命的。

為避免這種現(xiàn)象發(fā)生，建議在航空接觸器裝機(jī)使用前測試其動作特性，并將該類產(chǎn)品剔除。對于機(jī)上需定檢的接觸器以及控制盒產(chǎn)品，也建議補(bǔ)充測試其動作特性。

4 結(jié)論

本文通過測試比對某航空接觸器的線圈電流和觸點電壓波形，確認(rèn)了“二次吸合”現(xiàn)象，并應(yīng)用相關(guān)理論解釋了電磁機(jī)構(gòu)運動過程。確定了吸反力配合不當(dāng)是造成接觸器“二次吸合”的主要原因。增加動作特性的測試環(huán)節(jié)必將提高接觸器的使用可靠性。