電磁閥絕緣電阻下降問題分析

何世林， 韓春陽， 王鑫， 徐青山， 于長吉

（首都航天機械有限公司，北京100076）

0 引 言

電磁閥是運載火箭中的重要控制部件，其絕緣性能的好壞，不但直接影響電磁閥自身的啟閉性能，也會對運載火箭其它電氣產品產生不良影響[3]。某型號30件電磁閥產品完成全部驗收試驗內容后，在進行絕緣阻值復測時，發現兩件產品電插座插針與殼體間的絕緣阻值偏低，分別為1.5 MΩ和3.0 MΩ，遠小于設計要求的20.0 MΩ。

1 故障基本情況

電磁閥主要由線圈組件、電插座、閥芯、主殼體等組成，結構如圖1所示。本電磁閥工作原理為：電插座通電，線圈組件產生磁場，主殼體上端產生磁性，將閥芯向上吸起，使得通路打開，入口通入的氣體可從出口流出。電插座斷電，閥芯回位，通路阻斷。

1.1 1#故障件分解檢查情況

分解前進行絕緣性能復測，絕緣阻值約為1 MΩ。拆卸掉電插座上的4個螺釘后，電插座可以局部拉出，如圖2所示。將剪刀從拉出的縫隙中伸入，將引出線剪斷，未觸及套管及焊點，取下電插座。

圖1 電磁閥結構原理圖

圖2 1#電插座部分

經外觀檢查，1#故障件Fs-4氟塑料墊片無明顯劃傷，未發現多余物。在電插座和電磁鐵分離狀態下，分別測量電插座和電磁鐵的絕緣電阻，均為∞。電插座與電磁鐵殼體連接部位的空腔未充滿膠液，如圖3所示。

1.2 2#故障件分解檢查情況

分解前進行絕緣性能復測，絕緣阻值約為1 MΩ。拆卸掉電插座上的4個螺釘后，電插座無法拉出。進行真空烘干1 h，烘干完成后進行絕緣阻值復測，測量結果為∞。靜置12 h后，再次復測，測量結果為∞。

將閥體組件采用機加的方式分解，去除滾壓殼體，剪斷引出線，將電插座完整取下，電插座和電磁鐵分解后的狀態如圖4、圖5所示。

圖4 2#電插座部分

圖5 2#電磁鐵部分

經外觀檢查，2#故障件Fs-4氟塑料墊片無明顯劃傷，未發現多余物。在電插座和電磁鐵分離狀態下，分別測量電插座和電磁鐵的絕緣電阻，均為∞。電插座與電磁鐵殼體連接部位的空腔未充滿膠液。但與1#相比，2#的灌膠充填程度較高。

2 故障件電插座失效分析

2.1 1#故障件

對1#故障件電插座進行失效分析，顯微檢查發現焊杯根部附近的絕緣體表面有大量的白色顆粒狀附著物存在，附著物已經將焊杯與殼體間跨接，殼體內壁未見腐蝕形貌。在掃描電子顯微鏡下對附著物進行觀察，附著物呈顆粒狀，能譜分析結果表明，其主要成分為Ca、K、Cl、S、O和Na元素，從附著物形貌及能譜分析結果來看，疑似為水蒸發后的殘留產物，如圖6、圖7所示。

通過觀察分析可以得出：插座第3、4點插針與殼體間絕緣下降的原因是由于水汽進入插座尾罩內部，水汽內部溶解的雜質離子在絕緣體表面形成漏電通道，并將3、4點與殼體間跨接所致。

圖6 1#電插座形貌

圖7 1#電插座上的附著物形貌

2.2 2#故障件

對故障件2#電插座進行了失效分析，顯微檢查發現插座絕緣體表面有兩條條狀多余物存在，其中一條長約3.5 mm，直徑約88 μm，另一條多余物長度約為1.5 mm，如圖8所示。對多余物進行能譜分析表明，兩多余物主要成分均為C和O元素，局部含有少量的Si元素，表明兩多余物均為有機物。

圖8 2#電插座多余物形貌

通過觀察分析可以得出：插座絕緣下降的原因是由于水汽進入插座內部，且內部有多余物存在更容易吸附濕氣，焊點與殼體間形成漏電通道所致。

3 濕氣影響及來源驗證試驗

由于2#故障件烘干后阻值變為∞，懷疑閥體內部可能存在濕氣。為驗證濕氣對于正常件和故障件的影響，以及濕氣的來源，進行了驗證試驗。

3.1 開放狀態水蒸氣熏蒸試驗

選取絕緣合格件3#和故障件2#，進行開放狀態下水蒸氣熏蒸試驗。將電插座螺釘拆卸，電插座拉開，用一杯熱水置于電插座下方，使散發出的水蒸氣進入電插座內腔，如圖9所示。

圖9 開放狀態水蒸氣熏蒸試驗

分別持續熏蒸0.5、3.0、5.0、10.0 min，將電插座蓋上，10 min 后測量絕緣阻值，熏蒸后的表面結露情況如圖10所示，絕緣阻值變化情況如表1所示。

圖10 開放狀態熏蒸后結露狀態

3.2 封閉狀態水蒸氣熏蒸試驗

使用3#合格件和2#故障件進行封閉狀態下水蒸氣熏蒸試驗。在開放狀態的基礎上，使用塑料薄膜將熱水和電磁閥全部包覆起來，以促使濕氣更多更容易地進入閥體，如圖11所示。

表1 開放狀態熏蒸后絕緣阻值

圖11 封閉狀態水蒸氣熏蒸試驗

熏 蒸 10 min，將電插座蓋上測量絕緣阻值，熏蒸后的表面結露情況如圖12所示，熏蒸完成后測量3#合格件的阻值為100 MΩ，2#故障件的阻值為5 MΩ。

3.3 2#故障件高壓下連續工作試驗

圖12 封閉狀態下熏蒸后結露狀態

使用2#故障件進行試驗。將電插座螺釘輕微擰緊，給閥門通27 V直流電壓，閥門入口通20 MPa壓力的氣體，使閥門連續開啟，觀察表面結露情況并測試絕緣阻值，試驗結果如表2所示。

重復上述試驗過程，然后自然冷卻（室溫20.6 ℃）。在電插座和出口管嘴位置分別設置溫度測點，測量壁面溫度，試驗結果如表3所示。

根據上述試驗結果，正常工作3 min后，電插座溫度略有上升，出口管嘴溫度明顯下降，靜置后，分別緩慢下降和上升到室溫，全過程中絕緣阻值均為∞，且電插座位置均無結露和明顯降溫。證明閥門在正常的連續工作過程中，不會發生降溫吸濕現象。

表2 故障件2#連續工作試驗

表3 故障件2#連續工作試驗（增加壁面溫度測點）

4 整閥電路部分氣密試驗

當閥門溫度發生變化時，若整閥電路部分的氣密性能不好，電插座腔可能會從外界環境中吸入濕氣。整閥經歷的最大溫差循環為-40～+60 ℃，若閥門在+60 ℃時電插座腔的壓力為0.1 MPa（1 atm），降低到-40 ℃時會下降到0.07 MPa，和外界環境就會形成0.03 MPa的壓差，若氣密性能不好則存在倒吸的可能性。

為驗證電路部分的氣密性能，進行了整閥氣密試驗，如圖13所示。使用1#故障件和4#合格件，使用鉆頭從電插座一側伸入鉆孔，形成通徑約φ4 mm的氣體通道，將氣路與電插座腔連通。將閥門出口堵死，入口分別通氣0.01、0.02、0.03、0.07 MPa，觀察電插座與殼體間墊片位置、插針一側及各處的滾邊位置和3個注膠孔，是否有氣體泄漏，試驗結果如表4所示。

圖13 整閥氣密試驗示意圖（鉆通氣孔）

表4 1#、4#氣密試驗結果

上述試驗結果表明，0.01～0.07 MPa下兩件產品墊片和插針處均不漏，滾邊和注膠孔位置均有泄漏。

使用1#、2#故障件電插座和兩件新電插座，在插針側分別通氣0.01、0.02、0.03、0.04、0.05、0.07 MPa，在焊杯側檢漏，如圖14所示。經測試，故障件電插座和新電插座在0.01～0.07 MPa下均未發生泄漏。

圖14 電插座反向氣密試驗示意圖

5 試驗結果分析

1）開放狀態和封閉狀態下的水蒸氣熏蒸試驗表明，故障件的絕緣阻值明顯下降，最低達到5 MΩ，合格件的絕緣阻值始終保持在100 MΩ以上。而且整個過程中，由于合格件的電插座拉開的間隙比故障件大得多，所以濕氣的影響也大得多。這說明水汽的存在會造成絕緣阻值下降，但下降有限，而多余物的存在加劇了絕緣阻值下降。

2）吹除試驗表明，短期吹除過程造成外界環境的濕氣進入導致絕緣下降的可能性較低。

3）整閥及電插座氣密試驗表明，電插座墊片及電插座的氣密性良好。

4）電磁鐵殼體滾邊處和注膠孔處氣密性不好，存在泄漏現象。

經分析，濕氣從外界進入閥體內部的可能通路有4種：

a.裝配灌膠環節進入。經復查，閥體裝配廠房溫度為18 ℃左右，濕度在60%左右，在真空環境下電磁鐵組件灌膠前進行(80±5) °C、1 h烘干，灌膠后進行75 °C、2 h固化，該通路可排除。

b.從絕緣墊片處進入。在電插座與殼體間，設置Fs-4墊片，Ra3.2，以防止防水或濕氣進入閥體內部，同時螺釘在擰入前涂抹厭氧膠防松，可避免長時間使用后螺釘松動造成間隙，根據本文試驗結果，該通路可排除。

c.從電插座插針處進入。根據本文氣密試驗結果，該通路可排除。

d.從滾邊或注膠孔處進入。在線圈與殼體間，設計要求灌滿環氧膠HYJ，以防止外界濕氣進入。但環氧膠HYJ具有一定的收縮性，工藝實現性不好，導致環氧膠難以充滿閥體內要求的注膠空間，進而產生進氣通道。且根據本文氣密試驗結果，濕氣可由滾邊或注膠孔處進入閥體內部。該通路不可排除。

6 試驗結論

由于電磁閥防潮措施可靠性不足，環氧膠HYJ-4具有一定的收縮性，工藝實現性不好，導致環氧膠難以充滿閥體內要求的注膠空間，產生了進氣通道。外界環境濕氣可能由滾邊或注膠孔處進入閥體內部，到達電插座位置。同時，在電插座焊杯根部存在多余物或附著物，對

濕氣有吸附和聚集作用，可加劇形成漏電通道，造成絕緣阻值下降。

7 防潮改進措施

將插座焊杯側的所有焊點均用硅膠保護起來，避免與濕氣接觸，如圖15所示。具體實施步驟為：1）焊接完成，裝上套管；2）將電插座拉出，朝下放置，在尾罩內灌封硅膠，高度不超過尾罩；3）在套管內注入硅膠，直至套管口；4）充分固化，然后將電插座裝入整閥。

圖15 插座灌膠長期改進措施

8 結 語

通過對電磁閥絕緣電阻下降原因進行分析，問題定位于防潮措施可靠性不足，即環氧膠HYJ具有一定的收縮性，工藝實現性不好，導致環氧膠難以充滿閥體內要求的注膠空間，產生進氣通道，濕氣由滾邊和注膠孔處進入閥體內部；同時在多余物或附著物存在的情況下，加劇形成漏電通道，造成絕緣阻值下降。針對問題產生的原因，將插座焊杯側的所有焊點均用硅膠保護起來，避免與濕氣接觸，可徹底解決漏電問題。