點火裝置觸點開路失效分析

尚振杰，耿鵬武，李長勝，鐘 俊，穆成勇

(1.航空工業四川泛華航空儀表電器有限公司，成都 610500；2.中國人民解放軍93147 部隊，成都 610000)

1 引言

航空發動機點火系統是航空發動機的重要部件之一，其功能狀態直接影響系統安全性、戰備完好性和任務成功性[1]。常用的點火系統分為高壓電感式、低壓電感式、高壓電容式和低壓電容式四種類型[2]。點火系統的選擇主要考慮發動機類別、起動包線、點火系統與燃燒室的設計相容性、發動機環境適應性等因素[3]。

航空發動機點火裝置是發動機點火系統的重要部件，其與點火電纜、點火電嘴一起組成點火系統，用于發動機起動或加力點火[4]。點火裝置的性能直接影響著點火系統的點火可靠性，進而影響著航空發動機的工作安全性。

隨著飛機對發動機技戰術指標要求的不斷提高，發動機對點火裝置的工作壽命需求也顯著增加。本文根據某點火裝置發生的無工作電流點火電嘴不發火故障，著重針對點火裝置觸點開路的失效機理進行分析研究，通過試驗驗證、能譜分析等方法找出引起觸點開路失效的根本原因，并提出了可行的技術改進措施。

2 點火裝置功能及工作原理

點火裝置的功能是將地面或飛機上提供的低壓直流電轉換為高壓脈沖電，高壓脈沖電通過點火電纜傳輸到點火電嘴，在點火電嘴發火端產生高能電火花，以點燃發動機燃燒室內的油氣混合物[5]。

航空發動機點火系統的點火裝置，根據電路工作原理分為電子式和機械振子式兩種，且其應用都很廣泛[6]。目前，俄制大型航空發動機的起動點火裝置，前級主要采用機械振子式逆變升壓方式、后級采用氣體放電管作為放電開關的電路形式；歐美制大型航空發動機起動點火裝置，前級主要采用半導體功率管逆變升壓、后級采用氣體放電管或功率半導體作為放電開關的電路形式[7-8]。本文研究的點火裝置采用的是機械振子式，其工作原理框圖如圖1 所示。

圖1 點火裝置工作原理框圖Fig.1 Block diagram of the working principle of the ignition device

點火裝置采用功能模塊化設計，主要由濾波電路、逆變升壓電路、整流電路、充電電路、放電電路及保護電路組成。其中，逆變升壓電路的工作簡圖如圖2 所示，其觸點(J)是逆變器T1 的一對常閉觸點，由一個靜觸點和一個動觸點組合而成(圖3)，是完成逆變升壓轉換中的關鍵元件。當初級回路電流i小于逆變器的斷開電流時，初級線圈(L2)產生的磁力小于常閉觸點J的彈力，處于閉合導通狀態，回路電流i呈指數上升；當回路電流i達到斷開電流時，此時初級線圈產生的磁力大于常閉觸點J的彈力，動觸點在吸片的帶動下運動，動-靜觸點分離，初級回路電流開始變小，初級線圈上產生感應電動勢；當T1 中的磁能基本轉換成電能后，觸點J快速接觸閉合，恢復常閉狀態，其接觸電阻迅速減小(小于0.1 Ω)，恢復到初始狀態，然后以相同的工作方式反復進行。

圖2 逆變升壓簡圖Fig.2 Schematic diagram of inverter boost

圖3 靜觸點(左)和動觸點(右)Fig.3 Static contact (left) and dynamic contact (right)

上述工作過程中，初級線圈上產生的感應電動勢會疊加在分離的動-靜觸點上，動-靜觸點之間會產生電暈；動觸點在吸片的運動慣性帶動下繼續運動，遠離靜觸點，觸點間距加大，感應電動勢上升，動-靜觸點之間由電暈轉換為電弧，產生拉弧現象，電弧局部溫度高于1 200 ℃。

3 觸點失效模式

3.1 失效確認

觸點通斷時會產生電弧，使其接觸表面溫度升高且接觸電阻變大，嚴重時造成觸點燒蝕，這是導致其工作性能下降及失效的主要因素[9-10]。

故障發生后，通過對故障產品的檢查測試，濾波電路、整流電路、充電電路、放電電路和保護電路零組件性能合格，功能正常，唯有逆變升壓電路中測得初級回路電阻無窮大。逐項排查后發現，常閉觸點J的動-靜觸點不導通，處于開路狀態，與常閉導通的設計要求不符。由此可以判斷，逆變器的常閉觸點已經發生開路失效。圖4、圖5 分別為正常工作后的和開路失效的觸點形貌(左為靜觸點，右為動觸點)。

圖4 正常工作后的觸點形貌圖Fig.4 Morphology of contact after normal operation

圖5 開路失效的觸點形貌圖Fig.5 Morphology of failed open contact

3.2 失效分析

(1) 從圖5 可以明顯看到該對觸點接觸面均有一塊黑褐色區域，通過電阻檢查，發現該黑褐色區域與觸點部件絕緣，而觸點本身為貴金屬材料，具有優良的導電性能，因此可以初步判斷觸點間存在絕緣物質。

(2) 對靜觸點表面進行電鏡掃描觀察，結果如圖6～圖8 所示。可見，在電鏡掃描下，故障產品觸點表面有明顯的黑色附著物，且主要呈現以下形態：①黑色粉末狀(圖6)；②白色條狀和珠狀顆粒狀(圖7、圖8 中黑色和白色物質)。不導電的絕緣物質在電鏡掃描下因電荷富集一般會出現發白的特征，由此推測白色形態的附著物可能為不導電絕緣物質。

圖6 19.8 倍電鏡掃描成像Fig.6 Microscope imaging of 19.8× scanning electron

圖7 500 倍電鏡掃描成像Fig.7 Microscope imaging of 500× scanning electron

圖8 1 000 倍電鏡掃描成像Fig.8 Microscope imaging of 1 000× scanning electron

(3) 對靜觸點表面的污染區和非污染區進行能譜分析，結果見圖9、圖10。能譜分析結果表明：除正常合金本身成分外，觸點表面污染區附著物元素主要為C、O、Si，其中Si 的含量高達17.50%，而觸點表面非污染區Si 的含量僅有1.41%。

圖9 污染區能譜分析Fig.9 Energy spectrum analysis of polluted area

圖10 非污染區能譜分析Fig10 Energy spectrum analysis of non-polluted areas

(4) 對靜觸點表面污染區中的附著物進行顯微紅外譜測試，結果見圖11。可以看出，污染區中的附著物主要在1 100 cm-1和650 cm-1附近出現Si-O-Si的特征吸收峰。

圖11 污染區附著物的顯微紅外光譜Fig.11 Micro-infrared spectra of attachments in polluted areas

綜合以上分析可以得出：觸點表面附著含二氧化硅(SiO2)的碳化產物，由于二氧化硅不導電，導致觸點開路失效而引起產品故障。

4 失效機理分析

4.1 觸點的工作環境及特性

在動-靜觸點的分離工作過程中，如果開路電壓超過大約15 V 的最低起弧電壓時，兩觸點之間必然會產生電弧——這種電弧在觸點表面所產生的局部溫度一般高達1 200 ℃以上。同時，點火裝置內部是一個密封的多材料混合的復雜空間，共使用了15 種非金屬材料，尤其以有機材料成分為主，這些材料在點火裝置使用過程中會不斷地揮發出有機氣體，而觸點就完全暴露在該環境條件下。

觸點采用的是鉑族合金材料，該合金是一種典型的電接觸材料，用于航空發動機點火觸點、高靈敏度繼電器和微電機的電觸點，具有高硬度、高熔點、高耐腐蝕能力和低接觸電阻的優點[11]。但由于鉑族類合金易受有機氣氛污染而使接觸電阻變大[12]，在點火裝置相對密封的小空間中，客觀上為觸點上吸附、沉積有機物提供了便利條件。

4.2 有機物污染機理

在繼電控制電路中，觸點之間的接觸電阻是觸點接觸失效反應敏感的主要電參數之一[13]。多年來，有機物污染是引起繼電器觸點間接觸電阻變大或不穩定的重要根源。有機絕緣材料、結構件塑料材料、粘結劑、潤滑劑等有機材料揮發、逸出的有機氣體，可通過各種途徑在觸點間形成有機沉積物而導致觸點之間產生絕緣有機膜(在一定溫度下會分解)，當這些絕緣有機膜積累足夠厚時，最終導致接觸失效[14]。

4.3 觸點開路失效機理

通過失效觸點表面污染物成分分析，綜合點火裝置及觸點的工作原理、產品結構、工作環境情況，在點火裝置未工作時，如果產品內部有濃度足夠高的有機硅聚合物氣體，那么這些有機硅聚合物氣體就可被吸附、沉積、催化，鉑族合金觸點上會因吸附而產生較大量的有機硅聚合物分子鏈物質；在產品工作過程中，觸點之間產生的電弧在觸點表面產生高溫，將觸點上所沉積、吸附的有機硅聚合物分解或碳化，從而在兩觸點之間產生二氧化硅、碳化物等沉積物，最終在觸點上形成絕緣物質，造成觸點開路失效。

5 試驗驗證

在點火裝置功能、性能和應用環境綜合分析的基礎上，根據觸點開路失效分析結論，開展了故障加速驗證試驗。

通過模擬加速非金屬材料有機硅聚合物在點火裝置觸點表面的吸附和沉積，對故障現象進行快速復現。在常溫狀態下，產品正常通電工作過程中，對產品觸點間歇性地施加霧狀有機硅物質，當工作到第30 個循環時產品出現故障。

產品故障后，對試驗產品工作觸點的通、斷情況進行檢測，結果顯示觸點之間出現高阻狀態。對試驗產品進行分解，目視檢查工作觸點表面狀況，靜觸點(圖12 左)和動觸點(圖12 右)表面均出現了黑色附著殘留物質。

圖12 模擬加速污染故障后的觸點表面外觀Fig.12 The appearance of the contact surface after accelerating the pollution fault

將試驗后觸點送檢分析，檢測結果見表1。可見，觸點表面黑色附著殘留物主要為碳和硅化物，與故障產品觸點表面附著物成分一致，失效機理得以驗證。

表1 觸點附著物主要成分比例Table 1 Proportion of main components of the attachment of contact

6 觸點開路失效改進措施

從點火裝置密封結構和特殊的內外部工作環境考慮，根據觸點開路失效機理分析，采取以下技術措施進行改進：

(1) 從工藝技術流程上改變產品真空烘焙工序，將烘焙時間增加50%。該工藝技術措施可以盡可能的排出揮發性有機氣體，有效降低產品內部有機硅氣體的濃度，從而減少有機硅在觸點上的污染碳化與沉積。

(2) 增加點火裝置產品內部充氮技術要求，以減小觸點之間的拉弧能量，提高觸點連續工作的可靠性。

經跟蹤統計，采取以上技術措施改進后的產品，在使用中再未發生該故障，據此表明改進措施可行、有效。

7 結束語

針對航空發動機點火裝置工程應用中發生的觸點開路失效故障，從產品工作原理、失效模式確認、成分檢測、試驗驗證等方面，對點火裝置的觸點開路失效機理進行了詳細論述，并提出了具體的技術改進措施，提高了產品的工作可靠性。

為切實有效地提升耐高溫元器件的研制水平和突破傳統點火技術瓶頸，還需要繼續深入研究。