运载火箭发动机电磁阀绝缘电阻超差问题分析

2020-07-14贾静雅茹红宇杜峻松刘伟丽王文斌齐浩张少星

机械工程师 2020年6期

贾静雅，茹红宇，杜峻松，刘伟丽，王文斌，齐浩，张少星

（首都航天机械公司,北京100076）

0 引言

运载火箭发动机所用的电磁阀安装在发动机机架上，要求电磁阀与机架间要绝缘，且电磁阀壳体与电磁铁有一定的回路阻值要求。但在某次发动机试车后复测时，发现某电磁阀壳体与电磁铁间绝缘下降，不满足设计要求的现象。为解决该问题，分别从多余物、潮湿、接线片与壳体接触，以及线圈与壳体接触等四方面进行分析和验证试验，最终将故障定位至电磁铁接线板表面多余物及潮湿两项因素。通过此次分析，为今后电磁阀在生产和使用过程中解决类似现象提供参考，且在后续生产过程中，应严格控制接线板表面的质量，防止产生多余物导致电磁阀绝缘阻值超差。

1 问题定位

在某次运载火箭发动机试车后复试时，发现某电磁阀绝缘不合格，用万用表对该电磁阀进行回路阻值测试，测量阻值为19.8 Ω，小于设计要求值。观察电磁阀外观无异常，经测试发现电磁阀与机架间绝缘电阻为0 Ω，其中电磁阀的电磁铁是导磁和导电的唯一零部件，故将故障定位至电磁铁。电磁铁由电磁铁壳体、线圈、接线板和接线片组成，将发动机电缆导线焊接至接线片上，形成导电回路，完成电磁阀的控制功能[1]。电磁铁外观结构如图1所示。

电磁铁与壳体不绝缘可能存在四种情况：多余物导通、电磁铁受潮、电磁铁接线片与壳体接触和电磁铁线圈与壳体接触，如图2所示。

2 故障模式分析

针对上述分析，分别从以下四方面进行了验证试验：

图1 电磁铁外观结构图

1）多余物导致绝缘下降。电磁阀从机架分解后，取下电磁铁盖子后，发现有约1 mm2大小金属光泽物掉落，同时发现螺纹孔内有红褐色呈半透明状多余物，如图3所示。经理化分析：金属光泽物主要元素成分为Sn、Pb，半透明状多余物主要元素成分为C、O，并含有少量的Zn、Cl。焊锡的主要成分为Sn、Pb，而该电磁铁所用助焊剂主要成分包含氯化锌、松香。

观察接线板表面存在与多余物相同的红褐色呈半透明状物质，从焊点处连接至金属外壳。对电缆解焊前后及电磁阀侧面多余物照片分别进行多媒体记录，如图4～图6所示。

为验证接线片表面多余物与电磁阀绝缘下降间的关联，对故障电磁阀表面用酒精进行清理，过程中用500 V 兆欧表测量，清理前测量结果为20 MΩ，清理后测量结果为100 MΩ，静置至表面酒精挥发后，测量结果大于500 MΩ。

以上试验表明，电磁阀绝缘下降与多余物有关，故该障模式不可排除。

2）潮湿导致绝缘下降。在烘干箱中对电磁阀进行烘干试验，试验环境为0.1 kPa，50 ℃，试验时间为2 h。试验前用500 V兆欧表测量电磁阀与壳体间阻值约为5 MΩ，试验结束后，阻值约为50 MΩ。将烘干后的电磁阀在空气中静置1 h后再次测量，阻值降至20 MΩ。该现象表明电磁阀在烘干处理后阻值较之前明显上升，于空气中受潮后阻值再次下降，即绝缘下降与潮湿有关。

图3 多余物形貌

图4 解焊前接线板正面

图5 解焊后接线板正面

图6 解焊后接线板侧面

3）接线片与壳体接触。若接线片与壳体接触，则会直接导致绝缘下降。在多余物和潮湿两个故障模式排查后，测量电磁阀与壳体已绝缘，说明接线片与壳体间无接触，所以该原因可排除。

4）线圈与壳体接触。若线圈与壳体接触，则会直接导致绝缘下降。在多余物和潮湿两项故障排查后，测量电磁阀与壳体已绝缘，说明线圈与壳体间无接触，该故障模式可排除。

经故障模式排查分析及试验，电磁阀绝缘下降是由多余物及潮湿两项因素共同导致。该故障件电磁铁接线片与导线经过多次焊合、解焊，因此在接线板表面存在较多助焊剂。由于助焊剂含有较高成分的易吸潮物，吸附了空气中较多水分，因此助焊剂吸潮后导致其所接触的接线片与壳体间阻值变小，绝缘下降。

3 故障复现

为验证上述结论，对3件阻值大于500 MΩ的产品进行了故障复现试验，即将3件电磁铁壳体与接线板间加入助焊剂，阻值由大于500 MΩ降至接近0 MΩ，此时用电吹风吹干，发现阻值有上升现象，将3件产品同时放入湿热箱加湿，加湿参数为35 ℃，90%湿度，120 min。3件产品阻值变化情况如表1所示。

产品从湿热箱取出后，又放入烘干箱进行烘干，烘干条件为50 ℃，0.1 kPa，30 min。烘干后进行阻值测量，结果如表2所示。

此后又用酒精将涂抹在电磁铁壳体与接线片间的助焊剂擦除，利用烘干机烘干，烘干后阻值如表3所示。

通过上述试验可以得出，在电磁铁壳体与接线片间存在助焊剂时，可使电磁铁阻值降低，如果在此情况下再加大湿度，将会使产品彻底导通，不满足绝缘要求。如果降低湿度，此时阻值虽然降低，但仍有可能符合设计要求，因此，电磁铁壳体与接线片间存在助焊剂是关键点，在后续生产试验过程中，应严格控制助焊剂的使用量，并及时清理。