分離開關轉換時間延遲的失效原因分析

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽,550009)

1 引言

在裝備制造業中，對電路系統中的轉換開關的性能要求日益提高，轉換開關的主要功能是實現電路系統中某一節點的導通與切斷之間的轉換，轉換開關工作的可靠性直接影響著整個裝備電路系統的功能。本文所述分離開關屬于多觸點組的轉換開關，該型開關在工作時要求能夠瞬間復位，多組觸點轉換一致，接觸可靠。

2 故障現象

某型彈在進行全彈溫循試驗(高溫60℃、4h，低溫-40℃、4h，變化率3℃/min)過程的低溫(-40℃)時，出現拔下分離開關的保險銷后，分離開關的轉換信號延遲10s后才導通的故障現象，后續再進行測試時，延遲導通的故障現象不再復現。開關編號：25#。

3 定位準確

3.1 故障復現

按壓開關推動桿使其達到全工作行程后釋放，目視觀察推動桿復位速度偏慢，說明開關確實存在轉換信號延遲的故障。

3.1.1 故障復現試驗

本次采用1只功能正常的開關(23#)與故障件(25#)同時開展故障復現試驗：

(1)開關保持壓緊狀態，開展溫循試驗(高溫+60℃、低溫-40℃)，并分別在以下規定時機測試轉換時間：試驗前測試、高溫60℃保溫4h后測試、低溫-40℃，保溫4h后測試，測試結果見表1。

(2)開關保持壓緊狀態，加嚴溫循試驗條件(高溫+60℃、低溫-50℃)，并分別在以下規定時機測試轉換時間：試驗前測試、高溫60℃保溫4h后測試、低溫-50℃，保溫4h后測試，測試結果見表1。

從表1的測試結果可以看出，25#開關的轉換時間大于23#開關，并且兩只開關轉換時間的變化趨勢均表現為低溫狀態大于高溫狀態，高溫狀態大于常溫狀態。加嚴試驗條件后兩次溫循的試驗結果基本一致，數據變化趨勢相同。

(3)改變溫度條件，測試開關全行程(7.5mm)力，測試結果如下表3；

表1 故障復現試驗(轉換時間測試記錄)

表2 故障復現試驗(全行程力測試記錄)

從表3的測試結果看：25#開關的全行程力大于23#開關，并且兩只開關全行程力的變化趨勢均表現為隨著溫度的降低，全行程力逐漸變大。

3.1.2 故障復現試驗結論

通過23#(正常開關)和25#(故障件)兩只開關的對比試驗得出以下結論：

(1)開關的轉換時間未出現長達10s的延遲，但延遲時間隨著溫度的降低逐漸增加；

(2)開關的全行程力受溫度環境的影響，溫度越低，全行程力越大。

3.2 故障定位

3.2.1 故障定位試驗

為了確定故障原因，兩只開關均進行拆殼及相關測試試驗。

(1)改變溫度條件，測試同批次彈簧力，測試結果如下表3；

表3 故障定位試驗(彈簧力測試記錄)

表3的測試結果說明彈簧力沒有隨溫度的降低而發生明顯變化。

(2)改變溫度條件，測試推動桿與密封圈之間的摩擦力，測試結果如下表4；

表4 故障定位試驗(摩擦力測試記錄)

表4的測試結果說明推動桿與密封圈之間的摩擦力隨溫度的降低而增大，溫度越低摩擦力越大。

(3)改變溫度條件，測試動、靜接觸系統的插拔力，測試結果如下表5；

表5的測試結果說明動插拔力沒有隨溫度的降低而發生明顯變化。

(4)常溫下測試緊固螺釘的擰緊程度與推動桿和密封圈間摩擦力的關系，測試結果如下表6；

表5 故障定位試驗(插拔力測試記錄)

表6 螺釘擰緊程度對摩擦力的影響測試記錄

從表6的測試結果看，緊固螺釘的松緊程度不同，密封圈和推動桿之間的摩擦力不同。隨著螺釘的擰松，密封圈擠壓變形量逐漸變小，與推動桿間的摩擦力隨之減小。25#開關與23#開關相比，開始階段摩擦力變化不是很明顯；當螺釘松開一定程度時，變化急劇增大，說明25#開關密封圈擠壓變形量大于23#開關。

(5)分別將23#和25#開關各自的動接觸系統分別裝入各自的外殼方形導向腔內，分別在-40℃和-50℃保溫4h，保溫后動接觸系統在自身重力的作用下，能夠在導向腔內自由滑動，無卡涉現象。說明動接觸系統與外殼型腔內壁之間的摩擦力沒有隨溫度的降低而出現增大的現象。

3.2.2 試驗結論

通過兩只開關故障復現試驗和故障定位試驗測試數據的對比分析，動、靜接觸系統的插拔力、彈簧力及動接觸系統與外殼的摩擦力并沒有隨溫度的降低而發生明顯變化，而推動桿與密封圈間的摩擦力隨溫度的降低而增大，溫度越低摩擦力越大。特別是25#開關，由于其密封圈擠壓變形量大于功能正常的開關，以至于摩擦力達到50.81N。根據分析得出結論：由于溫度降低，推動桿與密封圈間的摩擦力逐漸增大，最終影響開關推動桿的正常復位，出現信號延遲的問題。

4 機理清楚

4.1 開關結構

結構簡圖如圖1所示，主要由常閉系統、常開系統、動接觸系統、導線、推動桿、彈簧、密封圈、上蓋及外殼等組成。

圖1 開關原理結構圖

工作過程：當推動桿按下并插入保險銷時，動接觸系統與常閉系統之間可靠斷開，與常開系統之間可靠接觸；當拔下保險銷時，推動桿及動接觸系統在彈簧恢復力的作用下快速復位，動接觸系統與常開系統之間可靠斷開，與常閉系統之間可靠接通，通過上述工作循環實現開關信號的切換功能，開關信號最終由電纜輸出。

4.2 故障樹分析(FTA)

圖2 分離開關轉換時間延遲的故障樹

4.3 摩擦力復算

開關內部的運動部件(推動桿、動接觸系統)與不可運動部件(上蓋、密封圈、常閉系統、常開系統和外殼)之間存在多個環節的配合。具體為：①推動桿與上蓋之間；②推動桿與密封圈之間；③密封圈放置空間；④推動桿與常閉系統之間；⑤動接觸系統與外殼之間。每個環節均可能阻礙推動桿的運動。具體配合公差計算結果如下表所示。

表7 配合公差計算結果

考慮到開關在復位過程中，開關處于垂直放置，運動部件(推動桿、動接觸系統)對不可運動部件(上蓋、常閉系統和外殼)不存在正壓力作用，因此推動桿與上蓋之間、推動桿與常閉系統之間、動接觸系統與外殼之間不存在摩擦力。其存在阻礙推動桿復位的因素包括如下方面：

(1)推動桿與密封圈之間摩擦力；

(2)推動桿、動接觸系統自身的重力；

推動桿、動接觸系統為運動部件，總質量為27.61g，遠小于彈簧的反力，約81N。故該方面的因素可以排除。

(3)動接觸系統與常開系統之間的插拔力。

試驗的結果表明，動接觸系統與常開系統之間的插拔力不會隨著溫度的降低而發生變化，因此該因素也可以排除。

通過摩擦力的復算證明在零件尺寸不超差的情況下，除密封圈與推動桿環節的摩擦力外，其他環節對開關摩擦力不構成影響。

4.4 零件尺寸復測

本節對23#和25#各個環節的配合尺寸進行測量，測量工具采用游標卡尺，塞規。通過測量結果判斷是否存在尺寸超差而產生摩擦力的環節。

表8 零件尺寸復測結果

計算23#和25#開關內部的運動部件與不可運動部件間的實際配合情況分別為：

表9 配合公差復算結果

通過計算，在零件尺寸不超差的情況下，與23#開關及同批次的復測情況相比，25#開關推動桿與密封圈間的過盈量相對較大；25#開關密封圈的放置空間相對較小。說明密封圈的放置型腔由于零部件的累積誤差導致放置型腔偏小，使得密封圈的擠壓變形量過大。

4.5 受力分析

開關按壓至全行程后，拔出保險鋼條時，根據力的平衡條件，開關的返回力F:

F=F彈-f插-f動-f閉-f密-f蓋-m總g

式中，F-開關壓縮至全行程(7.5mm)的力；

F彈-彈簧反力，81.4N；

f插-動接觸系統與常開系統間插拔力，10.8N；

f動-動接觸系統與外殼內壁之間的摩擦力；

f閉-推動桿與常閉系統之間的摩擦力；

f密-推動桿與密封圈之間的摩擦力，50.81N；

f蓋-推動桿與上蓋之間的摩擦力；

m總g-可運動部件的總重力，可忽略不計。

全行程力檢測時，開關處于垂直放置，運動部件(推動桿、動接觸系統)對不可運動部件(上蓋、常閉系統和外殼)不存在正壓力作用；同時，推動桿與上蓋、常閉系統及常開系統之間、動接觸系統與外殼型腔之間均為間隙配合。因此，上式中的：f動、f閉、f蓋為0，計算得F=19.8N。

圖3 開關復位過程的受力情況

根據開關復位運動的受力分析判斷，當復位瞬間，彈簧反力F彈為最大值時開關返回力為19.8N；復位過程中，彈簧反力F彈逐漸減小，摩擦力保持恒定，返回力F逐漸減小，當返回力減小至0時，開關將出現延遲。

結合前述的故障樹分析、摩擦力復算及受力分析，我們認為導致25#開關在低溫試驗過程出現信號延遲的原因是：構成密封圈放置型腔的零部件的累積誤差，導致密封圈的放置型腔偏小，使得密封圈在裝配過程中的變形量過大，最終使推動桿與密封圈之間的摩擦力過大，在低溫試驗時，使推動桿與密封圈之間的摩擦力進一步增大，最終使開關在復位過程出現信號延遲的問題。

5 故障復現

采用密封圈放置型腔偏小的部件重新裝配開關，裝配過程控制推動桿與密封圈的摩擦力為27N，低溫-40℃時兩者的摩擦力為53N。開關在低溫-40℃條件下進行故障復現試驗，開關出現拔下保險銷后，轉換信號延遲23s才導通的現象。

6 措施有效

優化開關的裝配工序，增加密封圈與推動桿間的摩擦力控制要求，通過驗證摩擦力控制范圍為4N～10N時開關既可以保證密封效果又可以保證瞬間復位。

7 結論

通過裝配工序優化，分離開關的轉換時間達到了設計要求。工序改進后的分離開關進行低溫試驗時轉換時間延遲的問題得以解決。本次分離開關延遲時間失效問題的機理清楚，原因分析正確。

參考資料：

[1] 趙九江等.材料力學.哈爾濱工業大學出版社，1995.