浮子组件密封空间微环境污染特征对马达性能的影响分析

陈白帆林 飒赵 蕾(.北京航天控制仪器研究所北京00039.海军驻北京二三九厂军事代表室北京00036)

浮子组件密封空间微环境污染特征对马达性能的影响分析

陈白帆1，林 飒2，赵 蕾1
(1.北京航天控制仪器研究所，北京100039；2.海军驻北京二三九厂军事代表室，北京100036)

本文重点关注和探讨了高精度惯性仪表制造技术特征引发的浮子组件微环境体系中污染形成的机理和进入的途径，提出了控制、清除的方法。首次提出了多余物控制技术本质上是污染物跟踪控制技术，在高精度、高可靠性航天密封产品设计和制造中重视内部空间微环境和微动态环境污染体系对产品性能和可靠性的持久性影响作用，要有效识别零部组件在产品制造各阶段清洁的目的和方法，才能真正消除各种工艺污染对产品性能与可靠性的影响，这也是动压马达多余物控制的有效措施。

内部微环境污染；污染来源特征；污染影响机理；零件清洁技术

0 引言

高精度惯性仪表产品都属密封式产品，其产品设计技术特征要求产品在长期工作状态下，动压马达所在的浮子组件内部微环境应该是一个相对稳定的气氛空间。一直以来，航天高精度惯性仪表常常在看似严格控制的制造环境和制造工艺控制技术要求下生产，但是依然发生了大量由于密封产品内部微环境污染气氛逐渐积累导致的失效事件。如动压马达密封在浮子组件中，在充满氦气的气氛环境中工作，浮子组件还要被密封在仪表壳内的浮油中，要求在无气泡的环境中工作。惯性技术原理决定了随着惯性仪表精度的不断提高，微环境污染变化对仪表精度的影响程度会越来越大，从现有失效分析的检测数据中，可确认惯性仪表浮子组中动压马达零件表面存在大量有机、无机污染物，存在类似高可靠性军用电磁继电器微环境污染造成的失效模式。研究认为动压马达在使用过程中发生的失效事件，有相当大数量是浮子组件内的零部组件工作环境污染(隐性危害因素)造成的，这种密封空间的微环境和在内外条件变化下的微动态环境的污染特征和形成机理是一个被长期忽略的造成产品失效的根源性科学问题。

此类工艺污染问题更多的是一种隐性的影响产品可靠性因素，如果得不到彻底解决，不但解决不了产品制造合格率问题和产品稳定性问题，更解决不了工程用产品可靠性问题。这就意味着需要认真研究惯性仪表产品密封后内部微环境和微动态环境污染特征，深入探讨微环境污染形成机理和对不同原理产品的作用机理，以此建立更加完善、规范、科学的高精度惯性仪表零部组件的工艺污染控制、清除技术体系。

1 动压马达零件微观工艺污染特征(缺陷)分析

本文研究分析工作主要结合近年来仪表失效案例特征，对执行现行制造工艺文件完成的动压马达合格零件进行微观工艺特征的综合检测和特性分析，寻找有可能影响动压马达性能的制造因素，特别是隐性的、非常识性的因素，梳理分析出几项动压马达制造工艺生产的合格零件存在的微观工艺特征问题，提出产品制造中工艺设计要充分考虑的两方面工艺污染问题。动压马达安装图如图1所示。

1.1 污染缺陷和残留物带来的偏差和危害

工艺设计一定要关注各种制造工艺固有污染缺陷和工艺介质的残留物给设计理想参数带来的偏差和对特定原理产品的危害，要识别制造工艺过程给零件带来(留下)的微观污染特征。

在动压马达转子阻力矩的计算中，使用气体的密度和黏度值。目前浮子组件在装配最后阶段是要充入氦气，以保护动压马达工作环境，提供一个理想的单一气氛环境，设计理论计算为理想状态100%的氦气。但是，从目前惯性仪表生产制造过程清洁处理的重视程度和清洁技术的认知状态，以及执行的工序、方法和工艺参数上分析，装配在浮子中的零件存在大量污染物，浮子组充入氦气密封后，内部会逐渐析出大量的污染气氛和水气等，造成浮子内部空间微环境气氛密度和黏度值的变化。

本分析借鉴了高可靠性电磁继电器多余物和污染控制技术研究成果——内部气氛测试数据来说明惯性仪表浮子组件内部可能的微环境污染问题。因为，目前的高可靠性电磁继电器生产制造过程中对零件的清洗和防护要求比惯性仪表生产制造过程严格、规范和具体得多。

从表1、表2可以看出产品中使用的有机材料和金属零件(零件按原有工艺已清洗过)都含有大量污染(物)气氛。

表1 线圈及骨架材料释气成分 (相对于N2)Table 1 Gas composition of coil and skeleton material release(relative to N2)

表2 金属零件析气情况Table 2 Gas precipitation of metal parts

表3、表4可以看出继电器在按原有工艺清洗、烘烤工艺后，密封后的产品随着产品工作时间的增加，污染气体、污染物依然会增加，验证了原有工艺存在缺陷。从验证试验结果还可以看到产品内部除了生成大量的二氧化碳和水，还会使产品密封初期充入的100%的氮气含量降到了89%，有的试验结果能降到80%左右。

表3 失效继电器样品内部气氛的质谱分析结果Table 3 Mass spectrometric analysis of gas components in failure relay samples

表4 原工艺条件下和加严条件后产品内部气氛变化对比表Table 4 Comparison of the internal gas composition of the products under the original technological conditions and the tightened conditions

以继电器为参照，可以推断出惯性仪表浮子组件内部空间充入的100%的氦气，有可能随着惯性仪表工作时间的增加，氦气百分比将逐渐减少，其他气体含量将逐渐增加。设计理论计算采用的氦气黏度值将会发生变化，使浮子组件内部空间形成混合气体的密度值和黏度值。

图2、图3和表5分别为马达失效点表面的扫描电镜图、能谱图和元素含量，从半球表面含有大量的可溶性盐类K、Na成分和酸基Cl、S成分分析，足以说明和证明浮子内部污染还是较为严重。这种产品内部密封空间微环境污染特征，还将引发化学、电化学腐蚀、机械化学反应等危害，造成产品性能不稳定、精度易超差、参数漂移，至产生污染物、腐蚀物形成多余物而导致产品失效。

表5 元素含量Table 5 Element content

图4为继电器线圈在正常清洗烘烤处理后加严烘烤失重情况，图5为马达定子线圈工艺不要求烘烤处理的产品烘烤后失重数据，验证了马达定子线圈零组件存在大量污染成份。

这种情况实际上反映出长期以来惯性仪表零件制造过程中，未认真研究和规范产品生产制造各阶段零件的清洁问题和零件污染防护问题。因而，深层次的污染源给目前产品内部带来此项微观污染特征。一直以来失效分析均未涉及此类机理，所以说至今没有进行浮子组件内部真实气氛和水汽的工艺试验、工艺检测，没有浮子组件内部真实的检测数据，就无法有效查找问题根源，对症下药改进和完善浮子组件装配工艺流程。

工艺改进建议：尽快制定零件、部组件和整件的清洁工艺细则，重新补充完善仪表装配和充气密封前的排污清洁工艺细则，尽快采用高真空烘烤设备和设立清洁专用工位。

1.2 工艺方案的全面性问题

采用定子线圈组灌胶，解决污染物不会直接进入浮子组件内部，忽略或未认识到存在的污染物在定子线圈加电后因温度升高生成各种气体。升高的温度会使气体膨胀，气体膨胀将产生很大的内应力，对定子组件结构稳定造成危害，还可能造成定子组件灌胶开裂，使污染物进入浮子组件微环境中。

原本工艺方案的目的是不让定子线圈的有机污染物挥发到浮子组件内部空间，给马达造成污染。但是，未经彻底清洁处理的定子线圈绕组，在线圈加电后，在温度的作用下，依然会挥发出污染物和有害气氛。而这种定子线圈组件不进行排污、析气和清洗，直接进行灌胶密封的工艺缺陷，可能带来的影响更大，对仪表性能的影响更加具有隐蔽性、突变性和不可预测性。

在继电器制造行业执行严格的清洗工艺文件后，线圈依然还存在大量污染情况，验证试验的数据如表6所示(该试验是继电器生产过程诸多微观工艺特征对合格率及可靠性影响分析验证试验之一)。

表6 继电器线圈析气情况Table 6 Gas distribution of relay coil

从试验验证的结果分析，线圈组在温度作用下，未清洁干净的各种污染物和加工过程的介质残留物会生成各种气体，并随工作时间的增加而逐渐增多。虽然动压马达线圈组的升温不是很高，估算值在70℃～90℃之间，但是动压马达线圈组绕制完成后，不进行真空析气和清洗烘烤等清洁工序处理，带着大量污染残留物直接进行灌胶密封是不合适的。因为，被胶灌封在线圈中的这些污染物会在定子绕组加电工作升温后，挥发出各种气体，气体会随温度的升高而膨胀，形成很大的内应力。随着形成气体总量的累积增多，只要定子绕组一加电升温，形成的内应力也逐渐增大，必将造成定子组件结构的随机性变化，造成整个马达定子质量的微变。如造成胶开裂后，还有可能造成浮子内部空间微环境的污染加重，危害产品精度、性能和可靠性。所以，这类微观工艺特征——污染特征所形成的对产品品质影响的机理是不可忽视的。

以上是对动压马达零件生产制造工艺过程给零件形成(留下)的微观工艺特征可能对陀螺仪表零次项、一次项等参数造成影响的初步诊断分析，仅从零件微观工艺特征现象——微观污染特征分析了可能对高精度陀螺仪表产品的生产合格率、性能、精度和可靠性的影响，这种特征对不同精度量级仪表的具体影响规律和影响程度还需开展更深入的试验验证。

工艺改进建议：定子线圈组灌胶前，对定子线圈组增加排污工序，在高真空环境下，线圈加电烘烤，排污后经清洗烘干后灌胶。后续可以研究取消灌胶工序，定子线圈是可以清洁干净的(定子清洁后留存的污染含量的危害性远小于灌胶后胶体受气体膨胀带来结构的微变化的影响)。

分析认为要制造出更高精度的惯性仪表，零件(零部组件)微观工艺特征的这种影响设计原理的作用将会越显著。为此，建议有组织地对按现行工艺生产制造的仪表的全部零部组件进行一次全面的设计原理和微观特征分析和识别。开展以零件与产品设计原理匹配性和性能特性要求符合性为目标的产品制造工艺再设计工作，使产品工艺设计与产品设计原理相匹配，使产品制造技术特征匹配和符合产品设计技术特征。

2 惯性仪表零件工艺污染来源、及控制、清除技术

以上梳理的动压马达零部件生产制造存在的工艺污染问题，系统地归纳成生产制造共性工艺基础技术问题是：在产品生产制造过程中，长期以来一直忽视零组件的清洁技术研究，忽视产品内部微环境污染问题，未将零件的清洁处理工作作为一个关键制造因素加以控制。实际上，零件清洁不彻底是造成航天高精度、高等级产品后期失效的根源性原因之一，也是导致形成多余物失效的因素。

对产品生产制造过程中零组件和整体的清洁工艺认识仅停留在表面清洗层面，零件机械加工完成后的基础性清洁处理工序完全缺失，零件加工过程和加工完成后的清洁方法和目的要区别于零件组装阶段的清洗、烘烤和整件阶段的清洁。从惯性仪表生产制造现状分析，现行生产制造工艺过程对零组件、整体的污染控制、清洁处理存在5方面问题：

1)零组件、整体清洁处理阶段划分不清，各阶段清洁的目的或目标不明确，工艺方法、工艺参数不规范、不具体，清洁工艺流程不完整，清洁介质单一，没有配备专门的清洁设备，设置专门的区域等。

2)零件加工阶段的清洗工序，仅由操作人员自行控制，对铍材零件没有明确的清洁工艺规范。零件完成后，没有基础性的高真空烘烤去污工序，包括铍零件在机加工流转环节的清洁处理和存放要求，铍零件大气腐蚀、人为污染防护等均无明确的工艺规范。

3)动压马达装配阶段的零件清洁最佳处理流程应该是：领取零件—零件清洁—试装配—零件清洁—最后正式装配—整件高真空烘烤净化—充气封装。对要配套装配的零件，在研磨完成后也要按规定进行清洁，整个装配过程中应严禁裸手触碰零件。

4)进入浮子组件装配阶段的零部组件基本上都无法进行整体清洗处理，对焊线工序完成后，只能进行局部酒精擦试。这一阶段的零件绝不允许用手直接接触，操作人员除戴指套外，还应戴口罩防止呼气等人体蒸汽污染零件。而目前这一阶段，操作人员还直接用手触摸，而且是长时间的触碰。这会造成零件的污染，并带入浮子组件微环境中，严重的还会腐蚀零件表面。目前生产过程中直接用手触碰零件现象非常普遍，可以说在机加、研磨、计量、装配等环节都存在，操作人员没有认识到这种微小的工艺细节造成的微观工艺污染特征对零件形成的伤害，甚至最终影响到产品的生产合格率，以及精度、性能和可靠性。

5)浮子组件密封前的烘烤工序验证不充分，工艺方法和工艺参数的有效性有待验证。目前采用的边抽气，边用70℃的加温进行烘烤的方法，是难以排除零件在装配阶段十几天的工期所吸附的湿气和污染成分。整个装配阶段工艺没有明确的污染控制和清洁要求，而且加温参数可能低于产品加电工作时自身的温度。

建议在高精度、高可靠性的密封性产品的生产制造中，对零件污染的清洁处理按产品制造阶段划分为4个层面：①零件加工过程中和加工完成后的清洁(工艺)；②在装配车间开始装配前的零件清洗(工艺)；③整件装配前的组件清洗(工艺)；④装配完成的产品在密封前的净化(工艺)。在这4阶段，对应的清洁质量概念是不一样的，使用的手段、参数也不尽相同。除了生产制造过程4个层面零件清洁处理工序外，针对零件后续加工的不同还有许多特殊的零件清洁要求。如在加工过程中的零件计量环节，在测量几何参数之前就要用酒精擦试零件，并在规定的方法和时间干燥后测量；再如需进行表面镀膜(电镀、化学镀、离子镀等)的零件，都应进行高真空烘烤彻底排尽材料基底污染物，并经表面除污清洗后，涂层的附着性能才不受影响；对半球涂边界润滑剂的工艺流程同样要有严格的工艺操作规范，涂前的清洁处理手段、方法、参数、时间控制等细节至关重要，零件基体和表面清洁的好坏程度，将决定涂层与基底的吸附状态(物理和化学吸附)的优劣。

苏联对动压马达零件的清洗要求很明确，包括在加工过程中和加工之后零件清洗的工艺过程和零件清洗质量的检验，装配前零件和组件清洗的工艺过程和清洗质量的检验。使用了各种溶剂、超声波方法，不同温度流动的水、蒸馏水、烘烤箱等方法。对零件均规定了长时间脱气工艺处理要求，一些零件甚至要求进行3次的脱气处理，同时还规定了从开始脱气到结束脱气之间的时间一直到充气为止，不应超过7个昼夜，对马达密封前有明确的脱气要求。美国罗克韦尔公司下属陀螺仪制造厂在20世纪80年代，已在加压的纯氮气环境里完成陀螺零件(转子和腔体)的清洗和前道装配。美国海军响尾蛇导弹机电陀螺装配规范，环境因素控制就有5条。

3 结论

发生在密封类产品空间微环境中的与零部组件有关的失效事件，均与零件生产制造过程中，

对工艺污染的认知、识别不到位有关，与零件污染物的基础控制、清除清洁不彻底、产品内部微环境污染逐渐增多有关。实际上，这些生产制造过程因工艺方法、工艺参数等过程给零件带来的各种微观污染特征是长期忽略的问题。只有尽快地建立起高精度惯性仪表制造的污染物控制、清除工艺体系，才能有效地保证高精度惯性仪表密封空间内的微环境气氛的稳定，确保产品精度和可靠性。

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Study of the Influence on the Motor Performance of the Sealed Space Micro Environmental Pollution Characteristics of Float Assembly

CHEN Bai⁃fan1，LIN Sa2，ZHAO Lei1
(1.Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039; 2.The Military Representative Office of the Navy's 239 Factory，Beijing 100036)

This paper focuses on and discusses the ways and mechanism of pollution into a high⁃precision inertial in⁃strument system in the micro environment of the floater components.In this paper，the control method and removal method of pollutants are put forward.This paper first proposed that we should attach importance to the effect of the pollution system of micro environment and micro dynamic environment on product performance in the design and manufacture of high preci⁃sion and high reliability space sealing products，and we should also effectively identify the purpose and method of cleaning parts and components at all stages of product manufacturing to truly eliminate the impact of various process pollution on product performance and reliability.

internal micro environment pollution;characteristics of pollution sources;influence mechanism of pol⁃lution;parts cleaning technology

U<666.1 文献标志码：A class="emphasis_bold">666.1 文献标志码：A 文章编号：1674⁃5558(2017)03⁃01354666.1 文献标志码：A

1674⁃5558(2017)03⁃01354

A 文章编号：1674⁃5558(2017)03⁃01354

10.3969／j.issn.1674⁃5558.2017.02.017

陈白帆，男，研究员，研究方向为高精度惯性仪表、高可靠电磁继电器制造可靠性、工艺可靠性设计、零件表面微观工艺特征性、零件制造与产品设计原理匹配性。

2016⁃12⁃16