關(guān)于電動(dòng)機(jī)構(gòu)卡滯故障的設(shè)計(jì)改進(jìn)論文
關(guān)于電動(dòng)機(jī)構(gòu)卡滯故障的設(shè)計(jì)改進(jìn)論文
電動(dòng)機(jī)是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的一種設(shè)備。它是利用通電線圈(也就是定子繞組)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場并作用于轉(zhuǎn)子(如鼠籠式閉合鋁框)形成磁電動(dòng)力旋轉(zhuǎn)扭矩。電動(dòng)機(jī)主要由定子與轉(zhuǎn)子組成，通電導(dǎo)線在磁場中受力運(yùn)動(dòng)的方向跟電流方向和磁感線(磁場方向)方向有關(guān)。電動(dòng)機(jī)工作原理是磁場對(duì)電流受力的作用，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。以下是學(xué)習(xí)啦小編今天為大家精心準(zhǔn)備的：關(guān)于電動(dòng)機(jī)構(gòu)卡滯故障的設(shè)計(jì)改進(jìn)相關(guān)方論文。內(nèi)容僅供參考，歡迎閱讀!
關(guān)于電動(dòng)機(jī)構(gòu)卡滯故障的設(shè)計(jì)改進(jìn)全文如下：
某電動(dòng)機(jī)構(gòu)是為設(shè)備流量活門配套的產(chǎn)品，用于飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)，根據(jù)流量控制盒輸出的脈沖信號(hào)調(diào)節(jié)設(shè)備流量活門的角度。
在外場使用中該電動(dòng)機(jī)構(gòu)故障率高發(fā)，故障率達(dá)30%以上，主要故障模式為卡滯或不工作，嚴(yán)重影響飛機(jī)正常使用。
1 產(chǎn)品組成及工作原理
某電動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由永磁直流電動(dòng)機(jī)、減速器、開關(guān)組件、輸出軸組件及繼電器等部分組成。
當(dāng)給1 號(hào)插針供正電，2 號(hào)插針接負(fù)極時(shí)，電動(dòng)機(jī)開始工作，通過減速器減速，帶動(dòng)輸出軸向打開方向運(yùn)動(dòng);當(dāng)先給3 針和4 針繼電器線包加28.5VDC 電壓時(shí)，繼電器3 組觸點(diǎn)由常閉轉(zhuǎn)為常開狀態(tài)，此時(shí)給1 號(hào)插針供正電，2 號(hào)插針接負(fù)極時(shí)，輸出軸向關(guān)閉方向運(yùn)動(dòng)。在輸出軸打開與關(guān)閉的兩極限位置上，分別有一個(gè)WWK-2 極限開關(guān)，當(dāng)輸出軸運(yùn)動(dòng)至“開”極限位置時(shí)，凸輪帶動(dòng)搖臂按壓微動(dòng)開關(guān)K1 使之由常閉轉(zhuǎn)為常開狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)斷電停止工作，并通過5 號(hào)插針輸出“開”極限位置信號(hào);反之，當(dāng)輸出軸運(yùn)動(dòng)到“關(guān)”極限位置時(shí)，凸輪帶動(dòng)搖臂按壓微動(dòng)開關(guān)K2 使之由常閉轉(zhuǎn)為常開狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)斷電停止工作，并通過6 號(hào)插針輸出“關(guān)”極限位置信號(hào)。
2 故障分析
2.1 故障模式分析
通過對(duì)歷次故障品的統(tǒng)計(jì)分析，該類故障模式一般分為三種情況：一是產(chǎn)品通電不工作，約占此類故障模式的30%;二是產(chǎn)品通電時(shí)工作、時(shí)不工作，通過反復(fù)工作或施加外界敲擊、振動(dòng)等方式會(huì)故障復(fù)現(xiàn)，約占此類故障模式的40%;三是產(chǎn)品在常溫和外加溫度、振動(dòng)應(yīng)力的情況下通電始終工作正常，故障未復(fù)現(xiàn)，此類約占故障模式的30%。
對(duì)故障復(fù)現(xiàn)的產(chǎn)品進(jìn)行電測量發(fā)現(xiàn)，此時(shí)電機(jī)1號(hào)與2 號(hào)插針間為斷路。逐步分解產(chǎn)品，插頭座及開關(guān)等處焊接牢靠;微動(dòng)開關(guān)常開、常閉觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換正常，測量觸點(diǎn)間接觸電阻正常;測量發(fā)現(xiàn)繼電器的一組或多組觸點(diǎn)出現(xiàn)無法正常導(dǎo)通的現(xiàn)象，繼電器失效;進(jìn)一步分解檢查電機(jī)工作正常。為準(zhǔn)確定位繼電器失效原因，攜故障繼電器前往生產(chǎn)廠家進(jìn)行了失效分析。該電動(dòng)機(jī)構(gòu)負(fù)載性質(zhì)為：電動(dòng)機(jī)靜止時(shí)輸入阻抗非常小，啟動(dòng)時(shí)存在浪涌電流，對(duì)繼電器的觸點(diǎn)形成瞬間電流沖擊，而此刻正對(duì)應(yīng)于觸點(diǎn)彈跳及動(dòng)態(tài)接觸電阻區(qū)，容易出現(xiàn)燒蝕拉弧，而電動(dòng)機(jī)的線圈是一個(gè)電感，斷開時(shí)電感負(fù)載中的能量將感生瞬態(tài)電壓，并通過繼電器的觸點(diǎn)放電消耗這些能量，因而引起電弧并使觸點(diǎn)燒蝕。繼電器在此種負(fù)載下，經(jīng)過長期頻繁通斷，造成簧片金屬轉(zhuǎn)移損耗嚴(yán)重，最終導(dǎo)致繼電器故障。繼電器失效的原因是由于使用次數(shù)頻繁，在機(jī)械損傷和電腐蝕的共同作用使得繼電器內(nèi)部動(dòng)簧片不能正常接通。
由產(chǎn)品工作原理分析，電動(dòng)機(jī)構(gòu)卡滯(不工作)的故障樹。通過故障分析,電動(dòng)機(jī)故障基本不存在，主要還是繼電器故障。
2.2 繼電器失效機(jī)理分析
繼電器在工作中，觸點(diǎn)要經(jīng)歷四個(gè)過程：閉合狀態(tài)、斷開過程、斷開狀態(tài)和閉合過程。
(1)閉合狀態(tài)
繼電器銜鐵未動(dòng)作時(shí)，動(dòng)簧片與常閉簧片接觸，常閉觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài);銜鐵動(dòng)作后，動(dòng)簧片與常開簧片接觸，常開觸點(diǎn)處于閉合狀態(tài)。在閉合狀態(tài)下，繼電器的負(fù)載可以達(dá)到5A，觸點(diǎn)一般不會(huì)引起不良后果。
(2)斷開過程
指觸點(diǎn)由閉合狀態(tài)過渡到斷開狀態(tài)的過程。繼電器動(dòng)作時(shí)，動(dòng)簧片與常閉簧片分離，常閉觸點(diǎn)處于斷開過程;繼電器釋放時(shí)，動(dòng)簧片與常開簧片分離，常開觸點(diǎn)處于斷開過程。繼電器觸點(diǎn)的斷開是逐步進(jìn)行的，開始時(shí)觸點(diǎn)接觸面積逐漸減少，接觸電阻隨之增加，溫度也隨之升高，如果觸點(diǎn)負(fù)載電流大于10mA,會(huì)使觸點(diǎn)接觸處的金屬熔化成液態(tài)橋。觸點(diǎn)繼續(xù)分開的瞬間，液態(tài)橋被拉斷或汽化蒸發(fā)，形成微小間隙，負(fù)載電壓幾乎全部加在這個(gè)間隙上。當(dāng)負(fù)載電壓足夠高時(shí)，會(huì)形成很強(qiáng)的電場，間隙里的中性氣體分子會(huì)在強(qiáng)電場的作用下發(fā)生電離，變成帶電離子而使間隙擊穿，如果被開斷電路內(nèi)的電流和觸點(diǎn)上的電壓大于臨界燃弧電流IO和臨界燃弧電壓UO,就會(huì)形成電弧，持續(xù)時(shí)間約10us，隨著觸點(diǎn)間隙繼續(xù)增加臨界燃弧熄滅。
繼電器銜鐵未動(dòng)作時(shí)，動(dòng)簧片與常開簧片未接觸，常開觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài);銜鐵動(dòng)作后，動(dòng)簧片與常閉簧片未接觸，常閉觸點(diǎn)處于斷開狀態(tài)。繼電器觸點(diǎn)在斷開狀態(tài)下，動(dòng)簧片與靜簧片之間有足夠大的間隙，保證了觸點(diǎn)具有足夠的絕緣強(qiáng)度和抗電強(qiáng)度，因而觸點(diǎn)在斷開狀態(tài)下不會(huì)被燒蝕。
(3)閉合過程
指觸點(diǎn)由斷開狀態(tài)過渡到閉合狀態(tài)的過程。繼電器動(dòng)作時(shí)，動(dòng)簧片將與常開簧片接觸，常開觸點(diǎn)處于閉合過程;繼電器釋放時(shí)，動(dòng)簧片將與常閉簧片接觸，常閉觸點(diǎn)處于閉合過程。在閉合過程中，動(dòng)、靜觸點(diǎn)逐漸靠近，當(dāng)觸點(diǎn)間隙約為0.1mm 時(shí)，電場強(qiáng)度很大，會(huì)出現(xiàn)陰極電子發(fā)射，間隙被擊穿而放電，與斷開過程出現(xiàn)的情況類似，但因動(dòng)、靜觸點(diǎn)很快就接觸上，不會(huì)引起嚴(yán)重后果。動(dòng)、靜觸點(diǎn)剛好接觸時(shí)，由于觸點(diǎn)壓力很小，實(shí)際接觸面積也很小，相應(yīng)的觸點(diǎn)電阻較大。若電路起始沖擊電流較大，就有可能使觸點(diǎn)發(fā)生熔化，熔化的金屬停留在觸點(diǎn)間，受到隨后增大的觸點(diǎn)壓力的作用，往往就會(huì)產(chǎn)生觸點(diǎn)熔焊現(xiàn)象或觸點(diǎn)金屬轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。另外，在閉合過程中，由于動(dòng)觸點(diǎn)具有一定的動(dòng)能，在與靜觸點(diǎn)相碰時(shí)，會(huì)產(chǎn)生觸點(diǎn)回跳，而且往往不止一次，當(dāng)回跳間距達(dá)到一定值時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)電弧放電現(xiàn)象，以致造成觸點(diǎn)金屬局部熔化。
因此，繼電器在閉合過程和斷開過程中，受負(fù)載和觸點(diǎn)切換的共同影響，觸點(diǎn)表面產(chǎn)生焦耳熱并使觸點(diǎn)間產(chǎn)生火花、電弧，此時(shí)觸點(diǎn)上的部分金屬在電弧的作用下發(fā)熱、熔化、沸騰，在電場的作用下出現(xiàn)轉(zhuǎn)移、飛濺，出現(xiàn)嚴(yán)重的電腐蝕，由于電腐蝕后觸點(diǎn)表面出現(xiàn)金屬轉(zhuǎn)移，當(dāng)繼電器使用次數(shù)過多時(shí)，由于機(jī)械損耗和電損耗的共同作用，導(dǎo)致繼電器通電后觸點(diǎn)之間不能正常接通。
2.3 結(jié)論
通過以上分析，該繼電器壽命及響應(yīng)時(shí)間不能滿足產(chǎn)品小角度頻繁正反向調(diào)節(jié)的使用要求存在以下問題：
(1)電磁機(jī)械式繼電器不適合頻繁工作;
(2)電磁機(jī)械式繼電器可靠性低;
(3)電磁機(jī)械式繼電器響應(yīng)時(shí)間長(動(dòng)作時(shí)間≤15ms、釋放時(shí)間≤8ms);
(4)電磁機(jī)械式繼電器壽命短(5 萬次)。
3 解決措施
為了解決繼電器故障率高的問題，對(duì)國內(nèi)多個(gè)繼電器生產(chǎn)廠家的繼電器使用壽命情況做了大量調(diào)查，本繼電器已經(jīng)是國內(nèi)繼電器產(chǎn)品中壽命指標(biāo)較高的繼電器。目前國內(nèi)該類繼電器使用壽命最高為5 萬次，無法滿足飛機(jī)上“脈沖控制”的使用需求。為了從根本上解決電磁繼電器響應(yīng)時(shí)間長、可靠性低、壽命短等問題，認(rèn)為采用無觸點(diǎn)的電子換向模塊進(jìn)行換向是一種可行的方案，其工作原理、設(shè)計(jì)技術(shù)、制造工藝等成熟，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
電子換向模塊具有以下特點(diǎn)：
(1)電子換向，無機(jī)械觸點(diǎn)，壽命長;
(2)電子電路控制，可靠性高;
(3)響應(yīng)時(shí)間快，適合脈沖控制調(diào)節(jié);
(4)適合電機(jī)頻繁控制換向工作。
當(dāng)4 號(hào)針斷開時(shí)，1 號(hào)插針供正電，2 號(hào)插針接負(fù)極，電子換向模塊工作(其內(nèi)部2 腳輸出正電，8 腳接地)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，通過減速器減速，帶動(dòng)輸出軸向打開方向運(yùn)動(dòng);當(dāng)4 號(hào)針接負(fù)時(shí)，再給1 號(hào)插針供正電，2 號(hào)插針接負(fù)極，電子換向模塊工作(其內(nèi)部9 腳輸出正電，3 腳接地)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，輸出軸向關(guān)閉方向運(yùn)動(dòng)。極限位置限位及信號(hào)指示工作原理未改變。
電子換向模塊是一種限位式有刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊，采用功率MOSFET 晶體管的無觸點(diǎn)控制轉(zhuǎn)換器。主要完成直流電動(dòng)機(jī)控制信號(hào)的隔離放大、信號(hào)處理、限流保護(hù)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)等功能，驅(qū)動(dòng)器控制信號(hào)部分與功率驅(qū)動(dòng)部分光電隔離。光耦隔離電路控制信號(hào)處理，限流電路實(shí)現(xiàn)有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)的限流保護(hù)，限制有刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器及電機(jī)工作時(shí)的最大電流，驅(qū)動(dòng)電路完成功率管導(dǎo)通與關(guān)斷的控制，通過功率輸出，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。
電子換向模塊由于沒有觸點(diǎn)就沒有切換火花腐蝕觸點(diǎn)現(xiàn)象，從理論上講壽命是無限的。該驅(qū)動(dòng)模塊輸入輸出采用光電隔離，具有較高的抗干擾能力，可靠性較高。另外，采用該模塊后，電動(dòng)機(jī)構(gòu)響應(yīng)特性得到提升，響應(yīng)時(shí)間由原來毫秒級(jí)縮小為微秒級(jí)，能更好的與流量控制盒的脈沖控制匹配，可以徹底解決電動(dòng)機(jī)構(gòu)卡滯故障。
4 試驗(yàn)驗(yàn)證
對(duì)改進(jìn)后的產(chǎn)品進(jìn)行了低溫貯存、低溫工作、高溫貯存、高溫工作、溫度沖擊、溫度-高度、振動(dòng)、沖擊、加速度、炮振、電源特性、電磁兼容和壽命試驗(yàn)考核，試驗(yàn)結(jié)果全部合格。
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