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,對繼電器的觸點(diǎn)形成瞬間電流沖擊,而此刻正對應(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)間由原來毫秒級縮小為微秒級,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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