1、书书书测控技术年 第卷 第期装 备 无 损 检 测 与 健 康 监 测 技 术 专 刊（二）收 稿 日 期：基 金 项 目：年 安 徽 省 重 点 研 究 与 开 发 计 划 第 三 批 立 项 项 目（）引 用 格 式：郑 永 龙，李 金 猛，周 勇 军，等飞 机 电 源 系 统 中 典 型 功 率 器 件 健 康 状 态 预 测 技 术 研 究测 控 技 术，（）：，（）：飞机电源系统中典型功率器件健康状态预测技术研究郑 永 龙，李 金 猛，周 勇 军，唐 起 源，孙 凯 革（国 营 芜 湖 机 械 厂 安 徽 省 航 空 设 备 测 控 与 逆 向 工 程 实 验 室，安 徽 芜 湖）摘
2、 要：为 掌 握 某 型 战 机 电 源 系 统 中 典 型 功 率 器 件 对 机 载 产 品 运 行 可 靠 性 的 影 响 程 度，针 对 目 前 机 载 维 修中 功 率 器 件 失 效 导 致 的 故 障 占 比 越 来 越 高 的 现 状，基 于 对 接 触 器 实 际 工 作 环 境 的 分 析，选 取 能 表 征 接 触器 性 能 退 化 过 程 的 特 征 参 数，搭 建 了 特 征 参 数 采 集 软 硬 件 平 台，并 为种 型 号 的 接 触 器 分 别 制 定 了 自 动测 试 方 案，实 现 对 特 征 参 数 数 据 的 实 时 采 集。在 此 基 础 上，开 展
3、 接 触 器 三 维 建 模 和 有 限 元 仿 真，最 后 构建 了 接 触 器 的 退 化 模 型，即 接 触 器 超 程 时 间 和 接 触 器 寿 命 的 数 学 模 型，为 后 续 新 机 中 含 类 似 器 件 的 机 载产 品 测 试 和 修 理 提 供 了 技 术 支 撑。关 键 词：电 源 系 统；接 触 器；特 征 参 数；退 化 模 型；故 障 诊 断中 图 分 类 号：；文 献 标 志 码：文 章 编 号：（）：牞 牞 牞 牞 牗 牞 牞 牞 牘牶 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牶 牷 牷 牷 牷 机 载 电 子 产 品 相 比 于 一 般 机 械 产 品，其
4、 内 部 信 号更 繁 杂，集 成 度 更 高，工 作 环 境 更 恶 劣，对 可 靠 性 要 求更 高，对 其 进 行 视 情 维 修 或 更 换 显 得 尤 为 重 要。在 机载 产 品 中，飞 机 电 源 产 品 占 有 非 常 重 要 的 地 位，一 旦 发生 故 障，则 会 影 响 飞 机 正 常 执 行 任 务，甚 至 会 造 成 重 大灾 难，其 可 靠 性 直 接 影 响 到 航 电 系 统 的 可 靠 性 和 寿 命。而 功 率 器 件 是 飞 机 电 源 的 核 心 组 成 部 分，根 据 历 年 飞行 事 故 统 计，因 功 率 器 件 失 效 导 致 的 故 障 在 元
5、 器 件 类型 故 障 中 占 比 高 达，它 的 退 化 和 失 效 极 有 可 能 使航 空 电 子 系 统 无 法 完 成 相 应 功 能，甚 至 导 致 整 个 飞 机的 崩 溃 失 效，所 以 分 析 功 率 器 件 的 可 靠 性 对 电 源 系 统的 可 靠 性 研 究 具 有 重 要 意 义。如 果 能 够 对 电 力 电子 电 路 故 障 进 行 提 前 预 测，及 时 进 行 维 修 和 替 换，将 大幅 提 高 飞 机 电 源 的 可 靠 性、可 用 性 和 维 修 性。因 此，开展 功 率 器 件 故 障 预 测 技 术 研 究 有 着 重 大 的 经 济 价 值 和军
6、 事 价 值。目 前 国 内 针 对 接 触 器 方 面 的 可 靠 性 研 究 主 要 集 中在 电 力 行 业，包 括 封 装 结 构 的 可 靠 性、基 于 故 障 物理 的 器 件 寿 命 预 测 研 究、接 触 器 触 点 材 料 模 拟 与退 化 机 理 研 究 等 方 面。然 而，针 对 航 空 新 型 战 机机 载 产 品 中 典 型 功 率 器 件 健 康 状 态 预 测 方 面 的 技 术 研究 一 直 被 长 期 忽 视。为 满 足 后 续 新 机 中 含 典 型 功 率 器 件 的 机 载 产 品 深修 的 需 要，基 于 故 障 率 较 高 的种 型 号 接 触 器，
7、从 特 征参 数 确 定 及 提 取、寿 命 预 测 试 验 和 可 靠 性 建 模 与 仿 真等 方 面 进 行 了 阐 述，给 出 特 征 参 数 采 集 平 台 的 软 硬 件设 计，并 在 此 基 础 上 完 成 了 该 类 型 器 件 的 寿 命 退化 趋 势 模 型 的 建 立，最 后 对 其 进 行 了 验 证。总 体 方 案功 率 器 件 可 靠 性 是 影 响 飞 机 航 电 产 品 质 量 和 性 能的 关 键 性 因 素。本 文 选 取 了 飞 机 中 应 用 广 泛 的、具 有代 表 性 的 功 率 器 件 接 触 器 作 为 研 究 对 像。首 先，搭 建了 基 于
8、性 能 退 化 的 接 触 器 可 靠 性 测 试 系 统，即 特 征 参数 采 集 平 台，主 要 完 成 退 化 参 数 的 采 集、计 算、储 存 和分 析；其 次，对 退 化 数 据 进 行 预 处 理，建 立 退 化 模 型；最后，开 展 预 测 寿 命 和 可 靠 性 评 估 方 面 的 验 证 工 作。总体 方 案 框 图 如 图所 示。图总 体 方 案 框 图特 征 参 数 确 定 与 提 取故 障 特 征 参 数 关 系 到 评 估 的 准 确 性，选 取 有 效 的特 征 参 数 至 关 重 要，交 流 接 触 器 过 程 损 耗 主 要 集 中 在吸 合 和 分 断 过
9、程 中 电 弧 电 流 对 触 头 的 侵 蚀 所 带 来 的 性能 下 降，触 点 接 触 不 良 是 接 触 器 另 一 重 要 失 效 模 式，可根 据 电 接 触 理 论 接 触 电 阻 的 组 成 展 开 分 析。因 此，本文 根 据 该 类 型 器 件 的 实 际 工 作 环 境 和 测 试 的 性 能 指标，最 终 选 取 了 燃 弧 时 间、燃 弧 能 量、释 放 时 间、弹 跳 时间 等 作 为 特 征 参 数。特 征 参 数 采 集 硬 件 平 台交 流 接 触 器 特 征 参 数 采 集 平 台 的 硬 件 部 分 主 要 由信 号 测 量 与 转 换 电 路、信 号 调
10、 理 电 路、继 电 器 控 制 电路、通 信 电 路 等 组 成，如 图所 示。图特 征 参 数 采 集 硬 件 平 台 框 图 特 征 参 数 采 集 软 件 平 台基 于 搭 建 的 接 触 器 特 征 参 数 采 集 平 台，编 程 实 现了 对 信 号 的 采 集、分 析 和 处 理 等 功 能 设 计，系 统 程 序 流程 图 以 及 计 算 各 开 断 性 能 退 化 参 数 的 程 序 流 程 具 体 步骤 如 图所 示。从 交 流 接 触 器 分 断 过 程 中，可 以 提 取 出 燃 弧 时 间、飞 机 电 源 系 统 中 典 型 功 率 器 件 健 康 状 态 预 测 技
11、 术 研 究燃 弧 能 量、释 放 时 间 和 弹 跳 时 间 等 特 征 参 数，各 参 数 算法 流 程 图 如 图 图所 示。图主 程 序 框 图图燃 弧 时 间 与 燃 弧 能 量 参 数 算 法 流 程 图图释 放 时 间 参 数 算 法 流 程 图图弹 跳 时 间 参 数 算 法 流 程 图可 靠 性 测 试 试 验首 先，通 过 对 电 气 系 统 进 行 分 析 结 合 失 效 统 计，选择 应 力 较 大、故 障 率 较 高 的 器 件 作 为 分 析 对 象；然 后，分 析 该 型 器 件 的 典 型 失 效 模 式 和 失 效 机 理，选 取 能 表征 该 器 件 性 能
12、 退 化 的 特 征 参 数 对，结 合 测 量 的 环 境 和电 应 力，确 定 可 靠 性 试 验 条 件 和 需 监 控 的 关 键 参 数；选择 样 品 进 行 可 靠 性 试 验，根 据 可 靠 性 试 验 的 样 品 寿 命、试 验 过 程 中 的 各 项 参 数 采 用 人 工 智 能 算 法 建 立 寿 命 预测 模 型；针 对 已 服 役 的 产 品，搭 建 特 征 参 数 检 测 试 验台，失 效 产 品 直 接 进 行 失 效 模 式 分 析，未 失 效 产 品 的 检测 参 数 输 入 模 型 估 算 剩 余 寿 命，同 时 建 立 产 品 参 数 检测 数 据 库，通
13、 过 实 测 数 据 对 模 型 进 行 反 馈 和 修 正。可靠 性 测 试 流 程 图 如 图所 示。图可 靠 性 测 试 流 程 图测 控 技 术年 第卷 第期 接 触 器 寿 命 预 测 试 验 主 要 存 在 种 类 多 和 耗 时 长 这个 问 题，使 得 开 展 寿 命 预 测 和 可 靠 性 分 析 的 周 期 会很 长，本 文 针 对 下 面种 型 号 的 接 触 器，分 别 制 定 了 不同 的 自 动 测 试 方 案，满 足 特 征 参 数 采 集 需 求，以 缩 短 实验 周 期。型 号 为，温 度 控 制 在，在 标准 大 气 压 下，寿 命 次 数 不 低 于次，发
14、 现 故 障 即 停止，每 记 录 一 次 接 触 器 的 电 压、电 流 等 相 关 数 据。型 号 为，温 度 控 制 在，在 标准 大 气 压 下，寿 命 次 数 不 低 于次，发 现 故 障 即 停止，每 记 录 一 次 接 触 器 的 电 压、电 流 等 相 关 数 据。试 验 平 台 可 以 同 时 对个 接 触 器 进 行 测 试，数 据可 以 实 时 显 示，所 有 数 据 按 固 定 格 式 存 盘，为 后 续 数 据分 析、系 统 建 模 等 提 供 数 据 基 础。可 靠 性 建 模 与 仿 真 接 触 器 的 三 维 建 模磁 回 路 的 部 件 包 括：衔 铁、铁 芯
15、、线 圈、上 轭 铁 和 外壳。根 据 部 件 的 相 关 尺 寸，接 触 器 磁 路 的 三 维 建 模 如图所 示。图接 触 器 磁 路 的 三 维 建 模考 虑 到三 维 仿 真 计 算 量 非 常 大，所 以 建立 二 维 磁 路 模 型，如 图所 示。图接 触 器 二 维 磁 路 模 型基 于 图所 示 的 模 型，在 中 进 行 有 限元 仿 真 的 基 本 流 程 如 图所 示。接 触 器 退 化 模 型 搭 建根 据 前 面 接 触 器 寿 命 预 测 试 验 采 集 系 统 所 采 集 的数 据，设 定 接 触 器 开 关 动 作 为，每 动 作次，记 录一 次 燃 弧 能
16、量 的 均 值，图为 前万 次 的 平 均 燃 弧能 量 与 开 关 动 作 次 数 变 化 图。图为 对 燃 弧 能 量 均值 进 行 累 加 运 算 得 到 的 与 开 断 动 作 次 数 的 变 化 关 系。图 仿 真 流 程 图图接 触 器 燃 弧 能 量 均 值 与 开 断 动 作 次 数 变 化 图图接 触 器 累 积 燃 弧 能 量 与 动 作 次 数 变 化 规 律依 据 采 集 燃 弧 能 量 的 数 据，运 用 拟 合 的 方 法 计 算残 差 平 方 和，依 据 最 小 原 则 可 计 算 出 两 者 的 模 型 关 系为（）（）式 中：为 动 作 次 数。根 据 前 面 接 触 器 寿 命 预 测 试 验 采 集 系 统 所 采 集 的数 据，设 定 接 触 器 开 关 动 作 为，每 动 作次，记 录一 次 接 触 器 超 程 时 间，接 触 器 动 作 前万 次 滤 波 后接 触 器 的 超 程 时 间 如 图所 示。飞 机 电 源 系 统 中 典 型 功 率 器 件 健 康 状 态 预 测 技 术 研 究图接 触 器 前万 次 超 程 时 间 数 据从 图
