分离开关转换时间延迟的失效原因分析

2018-03-20

机电元件 2018年1期

(贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳,550009)

1 引言

在装备制造业中，对电路系统中的转换开关的性能要求日益提高，转换开关的主要功能是实现电路系统中某一节点的导通与切断之间的转换，转换开关工作的可靠性直接影响着整个装备电路系统的功能。本文所述分离开关属于多触点组的转换开关，该型开关在工作时要求能够瞬间复位，多组触点转换一致，接触可靠。

2 故障现象

某型弹在进行全弹温循试验(高温60℃、4h，低温-40℃、4h，变化率3℃/min)过程的低温(-40℃)时，出现拔下分离开关的保险销后，分离开关的转换信号延迟10s后才导通的故障现象，后续再进行测试时，延迟导通的故障现象不再复现。开关编号：25#。

3 定位准确

3.1 故障复现

按压开关推动杆使其达到全工作行程后释放，目视观察推动杆复位速度偏慢，说明开关确实存在转换信号延迟的故障。

3.1.1 故障复现试验

本次采用1只功能正常的开关(23#)与故障件(25#)同时开展故障复现试验：

(1)开关保持压紧状态，开展温循试验(高温+60℃、低温-40℃)，并分别在以下规定时机测试转换时间：试验前测试、高温60℃保温4h后测试、低温-40℃，保温4h后测试，测试结果见表1。

(2)开关保持压紧状态，加严温循试验条件(高温+60℃、低温-50℃)，并分别在以下规定时机测试转换时间：试验前测试、高温60℃保温4h后测试、低温-50℃，保温4h后测试，测试结果见表1。

从表1的测试结果可以看出，25#开关的转换时间大于23#开关，并且两只开关转换时间的变化趋势均表现为低温状态大于高温状态，高温状态大于常温状态。加严试验条件后两次温循的试验结果基本一致，数据变化趋势相同。

(3)改变温度条件，测试开关全行程(7.5mm)力，测试结果如下表3；

表1 故障复现试验(转换时间测试记录)

表2 故障复现试验(全行程力测试记录)

从表3的测试结果看：25#开关的全行程力大于23#开关，并且两只开关全行程力的变化趋势均表现为随着温度的降低，全行程力逐渐变大。

3.1.2 故障复现试验结论

通过23#(正常开关)和25#(故障件)两只开关的对比试验得出以下结论：

(1)开关的转换时间未出现长达10s的延迟，但延迟时间随着温度的降低逐渐增加；

(2)开关的全行程力受温度环境的影响，温度越低，全行程力越大。

3.2 故障定位

3.2.1 故障定位试验

为了确定故障原因，两只开关均进行拆壳及相关测试试验。

(1)改变温度条件，测试同批次弹簧力，测试结果如下表3；

表3 故障定位试验(弹簧力测试记录)

表3的测试结果说明弹簧力没有随温度的降低而发生明显变化。

(2)改变温度条件，测试推动杆与密封圈之间的摩擦力，测试结果如下表4；

表4 故障定位试验(摩擦力测试记录)

表4的测试结果说明推动杆与密封圈之间的摩擦力随温度的降低而增大，温度越低摩擦力越大。

(3)改变温度条件，测试动、静接触系统的插拔力，测试结果如下表5；

表5的测试结果说明动插拔力没有随温度的降低而发生明显变化。

(4)常温下测试紧固螺钉的拧紧程度与推动杆和密封圈间摩擦力的关系，测试结果如下表6；

表5 故障定位试验(插拔力测试记录)

表6 螺钉拧紧程度对摩擦力的影响测试记录

从表6的测试结果看，紧固螺钉的松紧程度不同，密封圈和推动杆之间的摩擦力不同。随着螺钉的拧松，密封圈挤压变形量逐渐变小，与推动杆间的摩擦力随之减小。25#开关与23#开关相比，开始阶段摩擦力变化不是很明显；当螺钉松开一定程度时，变化急剧增大，说明25#开关密封圈挤压变形量大于23#开关。

(5)分别将23#和25#开关各自的动接触系统分别装入各自的外壳方形导向腔内，分别在-40℃和-50℃保温4h，保温后动接触系统在自身重力的作用下，能够在导向腔内自由滑动，无卡涉现象。说明动接触系统与外壳型腔内壁之间的摩擦力没有随温度的降低而出现增大的现象。

3.2.2 试验结论

通过两只开关故障复现试验和故障定位试验测试数据的对比分析，动、静接触系统的插拔力、弹簧力及动接触系统与外壳的摩擦力并没有随温度的降低而发生明显变化，而推动杆与密封圈间的摩擦力随温度的降低而增大，温度越低摩擦力越大。特别是25#开关，由于其密封圈挤压变形量大于功能正常的开关，以至于摩擦力达到50.81N。根据分析得出结论：由于温度降低，推动杆与密封圈间的摩擦力逐渐增大，最终影响开关推动杆的正常复位，出现信号延迟的问题。

4 机理清楚

4.1 开关结构

结构简图如图1所示，主要由常闭系统、常开系统、动接触系统、导线、推动杆、弹簧、密封圈、上盖及外壳等组成。

图1 开关原理结构图

工作过程：当推动杆按下并插入保险销时，动接触系统与常闭系统之间可靠断开，与常开系统之间可靠接触；当拔下保险销时，推动杆及动接触系统在弹簧恢复力的作用下快速复位，动接触系统与常开系统之间可靠断开，与常闭系统之间可靠接通，通过上述工作循环实现开关信号的切换功能，开关信号最终由电缆输出。

4.2 故障树分析(FTA)

图2 分离开关转换时间延迟的故障树

4.3 摩擦力复算

开关内部的运动部件(推动杆、动接触系统)与不可运动部件(上盖、密封圈、常闭系统、常开系统和外壳)之间存在多个环节的配合。具体为：①推动杆与上盖之间；②推动杆与密封圈之间；③密封圈放置空间；④推动杆与常闭系统之间；⑤动接触系统与外壳之间。每个环节均可能阻碍推动杆的运动。具体配合公差计算结果如下表所示。

表7 配合公差计算结果

考虑到开关在复位过程中，开关处于垂直放置，运动部件(推动杆、动接触系统)对不可运动部件(上盖、常闭系统和外壳)不存在正压力作用，因此推动杆与上盖之间、推动杆与常闭系统之间、动接触系统与外壳之间不存在摩擦力。其存在阻碍推动杆复位的因素包括如下方面：

(1)推动杆与密封圈之间摩擦力；

(2)推动杆、动接触系统自身的重力；

推动杆、动接触系统为运动部件，总质量为27.61g，远小于弹簧的反力，约81N。故该方面的因素可以排除。

(3)动接触系统与常开系统之间的插拔力。

试验的结果表明，动接触系统与常开系统之间的插拔力不会随着温度的降低而发生变化，因此该因素也可以排除。

通过摩擦力的复算证明在零件尺寸不超差的情况下，除密封圈与推动杆环节的摩擦力外，其他环节对开关摩擦力不构成影响。

4.4 零件尺寸复测

本节对23#和25#各个环节的配合尺寸进行测量，测量工具采用游标卡尺，塞规。通过测量结果判断是否存在尺寸超差而产生摩擦力的环节。

表8 零件尺寸复测结果

计算23#和25#开关内部的运动部件与不可运动部件间的实际配合情况分别为：

表9 配合公差复算结果

通过计算，在零件尺寸不超差的情况下，与23#开关及同批次的复测情况相比，25#开关推动杆与密封圈间的过盈量相对较大；25#开关密封圈的放置空间相对较小。说明密封圈的放置型腔由于零部件的累积误差导致放置型腔偏小，使得密封圈的挤压变形量过大。

4.5 受力分析

开关按压至全行程后，拔出保险钢条时，根据力的平衡条件，开关的返回力F:

F=F弹-f插-f动-f闭-f密-f盖-m总g

式中，F-开关压缩至全行程(7.5mm)的力；

F弹-弹簧反力，81.4N；

f插-动接触系统与常开系统间插拔力，10.8N；

f动-动接触系统与外壳内壁之间的摩擦力；

f闭-推动杆与常闭系统之间的摩擦力；

f密-推动杆与密封圈之间的摩擦力，50.81N；

f盖-推动杆与上盖之间的摩擦力；

m总g-可运动部件的总重力，可忽略不计。

全行程力检测时，开关处于垂直放置，运动部件(推动杆、动接触系统)对不可运动部件(上盖、常闭系统和外壳)不存在正压力作用；同时，推动杆与上盖、常闭系统及常开系统之间、动接触系统与外壳型腔之间均为间隙配合。因此，上式中的：f动、f闭、f盖为0，计算得F=19.8N。

图3 开关复位过程的受力情况

根据开关复位运动的受力分析判断，当复位瞬间，弹簧反力F弹为最大值时开关返回力为19.8N；复位过程中，弹簧反力F弹逐渐减小，摩擦力保持恒定，返回力F逐渐减小，当返回力减小至0时，开关将出现延迟。

结合前述的故障树分析、摩擦力复算及受力分析，我们认为导致25#开关在低温试验过程出现信号延迟的原因是：构成密封圈放置型腔的零部件的累积误差，导致密封圈的放置型腔偏小，使得密封圈在装配过程中的变形量过大，最终使推动杆与密封圈之间的摩擦力过大，在低温试验时，使推动杆与密封圈之间的摩擦力进一步增大，最终使开关在复位过程出现信号延迟的问题。