刍议受感器铠装加热器加温可靠性问题

2018-04-02郎贺明秦可伟

机械工程与自动化 2018年1期

郎贺明，秦可伟

(太原航空仪表有限公司，山西　太原　030006)

0　引言

空气压力受感器(简称受感器)是飞机上的主要仪表之一，根据外场故障统计数据，不加温故障占受感器全部故障总数的40%左右，是最主要的故障模式。在结冰条件下，受感器不加温故障将使其总、静压测压孔冰堵，进而使受感器无法正常感受压力信号，导致飞机失事，所以受感器的加温可靠性是其重要指标之一。

1　受感器不加温故障的原因

受感器加热器分为铠装加热器和陶瓷骨架加热器两类，其中铠装加热器以发热功率大、响应速度快、结构简单等优点居于主要地位。

铠装加热器由内丝、外壳和氧化镁层组成。内丝为加热器的发热元件，位于加热器中心部位，材料为镍铬合金；外壳用于保护加热器的内部结构，位于加热器最外层，一般为金属材料；氧化镁层用于保证外壳和内丝之间的绝缘，位于外壳与内丝之间。

对不加温的受感器进行解剖分析，发现绝大部分故障的原因为内丝断路，断口通常呈现熔融态、机械应力断裂态和两种状态的混合态。同时，断路部位内丝会出现直径减小的现象，即缩颈。

2　铠装加热器工作时的环境应力

考察受感器铠装加热器工作时的环境应力，主要为高温、随机振动、冲击和过载。高温由铠装加热器工作时的电热能量转化产生；随机振动由飞机飞行时气流对受感器的冲击产生，其大小与动压有关；冲击是由飞机起降等瞬间脉冲力产生；过载由飞机飞行时的机动动作产生。

根据外场使用和厂内试验发现，冲击和过载对铠装加热器的加温可靠性影响不大，而高温和随机振动对加热器的加温可靠性影响较大。

3　影响铠装加热器加温可靠性的因素

3.1　温度对铠装加热器内丝损伤机理的分析

受感器铠装加热器内丝处于高温和随机振动载荷作用下。根据文献[1]，蠕变—疲劳交互作用所造成的损伤是影响加热器加温可靠性的重要因素。根据文献[2]，金属疲劳强度、持久强度和温度之间的关系如图1所示。

图1　疲劳强度、持久强度与温度的关系

由图1可知：在一定温度范围内，内丝以疲劳破坏为主；当温度超出一定值且低于固相线时，内丝以动态蠕变破坏为主，该温度一般为0.3Tm(Tm为固相线温度)。但无论是哪种破坏，其表现形式均为内丝缩颈。根据文献[3]，产生疲劳的内在原因为微观裂纹。根据文献[4]，产生蠕变的内在原因为位错的滑移和攀移、晶界滑动以及空位扩散。

根据受感器的工作特点，铠装加热器内丝的温度除与功率有关外，还与内丝与外壳间的温度差有关。缩颈使内丝局部电阻变大、功率提升，导致局部过热。

3.2　影响铠装加热器内丝和外壳间温度差的因素

对铠装加热器其中一段的内部传热情况进行分析，其结构如图2所示。

图2　铠装加热器内部结构示意图

设铠装加热器在热平衡状态下，内丝各处温度一致，外壳表面各处温度一致，其余各点温度不随时间变化。

根据傅立叶定理：

(1)

其中：Q为传导的热量；T为温度；A为散热面积；κ为材料传热系数；r为半径方向坐标；t为时间。

热平衡状态下，铠装加热器散热功率等于内丝电功率。根据式(1)，则有：

(2)

其中：d0为内丝原直径；U为总电压；ρ为内丝电阻率；L为加热器总长；ξ为缩颈处直径d与原直径d0比值，即缩颈直径比；h为缩颈处长度Li与加热器总长L的比值，即缩颈长度比h=li/L。

式(2)即是铠装加热器氧化镁层和外壳的传热微分方程。根据r的取值，对方程进行积分可得氧化镁层和外壳的传热公式。氧化镁层的取值如下：

外壳的取值如下：

其中：D′为氧化镁层外侧直径；D为加热器总直径；Ti为内丝温度；T′为氧化镁与外壳接触面温度；TB为加热器外壳温度。

联立氧化镁层和外壳的传热公式可得：

(3)

其中：κ外壳为外壳传热系数；κ氧化镁为氧化镁传热系数。

式(3)即为铠装加热器内丝外壳温度差与加热器尺寸和电特性的关系式，右侧负号代表了温度梯度的方向。

继续考察缩颈直径比和长度比对温度差的影响，在典型条件下，缩颈长度比对温度差的影响仅相差5.43 ℃，可忽略不计；而缩颈直径比对温度差则有明显的影响，如图3所示。

由此可见，铠装加热器内丝与外壳间的温度差与缩颈直径比有关，而与其长度比关系不大。

3.3　高温、疲劳—蠕变与缩颈的促进关系

铠装加热器内丝工作时，因高温和随机振动载荷以及内部缺陷影响产生疲劳—蠕变损伤，发生缩颈现象。而缩颈导致局部功率提升，而使该处温度进一步提高，促进了疲劳—蠕变损伤。故高温、疲劳—蠕变与缩颈三者是互相促进的关系，只要缩颈产生，就会因上述三者的互相促进不断扩展，直至产生过热熔断、疲劳断裂或两者混合的破坏。从而解释了本文描述的断口形态种类。