0引言

機(jī)電產(chǎn)品X的功能是在單方向上進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng),往往在其結(jié)構(gòu)上掛載負(fù)載實(shí)現(xiàn)特定的功能,機(jī)電產(chǎn)品X的核心是電機(jī)控制,由于本文探討的重心與電機(jī)控制異常有關(guān),而非執(zhí)行件的具體執(zhí)行方式,因而后文所述電機(jī)可直接代指機(jī)械結(jié)構(gòu)的執(zhí)行件。所研制的機(jī)電產(chǎn)品X在調(diào)試試驗(yàn)階段,發(fā)現(xiàn)電機(jī)出現(xiàn)異常工作狀態(tài),具體表現(xiàn)為在沒(méi)有外部控制信號(hào)下,電機(jī)會(huì)出現(xiàn)自行轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象,且現(xiàn)象出現(xiàn)的頻次呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)律性,有時(shí)候短時(shí)間出現(xiàn)多次,有時(shí)候很長(zhǎng)時(shí)間僅出現(xiàn)一次。由于該故障會(huì)造成潛在的較大經(jīng)濟(jì)損失以及安全事故,因而需對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位及原因分析,并進(jìn)行機(jī)理分析。在對(duì)故障進(jìn)行排查時(shí),在方法論上,工程應(yīng)用中絕大多數(shù)的學(xué)者幾乎均采用故障樹(shù)分析法^[1—4]。郭靖等人在液壓錨絞機(jī)的調(diào)試階段運(yùn)用故障樹(shù)分析法對(duì)液壓錨絞機(jī)的液壓系統(tǒng)進(jìn)行故障分析^[5],在升降裝置類故障分析中^[6—9],張書(shū)軒對(duì)升降機(jī)通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案、試驗(yàn)裝置,對(duì)升降機(jī)相關(guān)性能進(jìn)行了研究,給本文研究提供一定的思路^[10]。

結(jié)合上述研究,本文運(yùn)用故障樹(shù)分析法,對(duì)故障進(jìn)行分析排查^[11—13]。從問(wèn)題的出現(xiàn),分析定位產(chǎn)生的故障原因,依據(jù)故障樹(shù)模型,結(jié)合系統(tǒng)控制框圖,抽絲剝繭,層層分析,分析到質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生的準(zhǔn)確定位,在保證技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求之下^[14—15],提升了機(jī)電產(chǎn)品X機(jī)電系統(tǒng)的可靠性,同時(shí)又為后續(xù)研究者提供了關(guān)于電機(jī)控制異常的潛在解決方案。

1故障定位及原因分析

為了故障定位及原因分析,搭建了試驗(yàn)平臺(tái),如圖1所示,該平臺(tái)包含了直流電源、控制板、位置傳感器、手柄和電機(jī),被裝配于一個(gè)特制腔體內(nèi)部。其控制板程序主要控制流程如圖2所示。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)人員的描述情況及電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制邏輯、流程,建立故障樹(shù),如圖3所示。

各節(jié)點(diǎn)定義如下:

1)X1:被其他信號(hào)干擾,誤判為正轉(zhuǎn);

2)X2:控制板手柄接口接收到正轉(zhuǎn)指令;3)X3:控制芯片收到正轉(zhuǎn)指令。

初步分析,故障原因可能是機(jī)電系統(tǒng)被干擾,機(jī)電系統(tǒng)接收到或其控制芯片接收到異常的正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào),導(dǎo)致電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

X1:問(wèn)題發(fā)生時(shí),控制板的電源接口連接了電源電纜,并接通了外部電源;控制接口未連接手柄,并蓋有防塵蓋。該機(jī)電系統(tǒng)為純有源電氣設(shè)備,沒(méi)有無(wú)線接收器件,因此其他信號(hào)的干擾只能通過(guò)電源接口進(jìn)入。該機(jī)電系統(tǒng)的控制板電源部分具備完整的DC/DC轉(zhuǎn)換和濾波防護(hù)功能,外部DC28V需經(jīng)過(guò)濾波器,采用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器實(shí)現(xiàn)DC28 V轉(zhuǎn)DC12 V、 DC12 V轉(zhuǎn)DC5 V,電壓調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)DC5 V轉(zhuǎn)3.3 V后才會(huì)接入控制芯片。該型機(jī)電系統(tǒng)已運(yùn)用于多個(gè)產(chǎn)品,且通過(guò)了電磁兼容測(cè)試,對(duì)輻射干擾和傳導(dǎo)干擾不敏感,故可排除X1被其他信號(hào)干擾的可能性。

X2:問(wèn)題發(fā)生時(shí),未連接控制手柄,無(wú)控制指令發(fā)出;其控制接口的各插孔間無(wú)金屬異物、無(wú)積水,且有防塵蓋保護(hù),故可排除X2接收到來(lái)自手柄的正轉(zhuǎn)指令的可能性。

X3:控制板兼容TTL電平控制和RS485串 口控制,既可通過(guò)改變控制接口引腳1或B的電平狀態(tài)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),也可通過(guò)RS485串口發(fā)送控制指令控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。RS485串口為數(shù)字接口,自行啟動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的概率幾乎為零,由此可判斷,控制板的TTL電平控制電路部分出現(xiàn)信號(hào)異常,導(dǎo)致控制芯片判斷為“正轉(zhuǎn)”信號(hào),從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

綜上所述,該故障定位于X3控制芯片收到正轉(zhuǎn)指令。

正轉(zhuǎn)控制部分的原理圖如圖4所示。

定位的具體過(guò)程如下:

TTL電平控制時(shí)的工作流程如下:當(dāng)外部手柄“正轉(zhuǎn)鍵”被按下時(shí),手柄控制接口對(duì)應(yīng)的引腳與 GND接通,接口板上的光耦V₁₃導(dǎo)通,連接控制芯片的 UP網(wǎng)絡(luò)由高電平變?yōu)榈碗娖?此時(shí)控制芯片檢測(cè)到正轉(zhuǎn)信號(hào),控制電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(正轉(zhuǎn))。

1)試驗(yàn)平臺(tái)僅僅接通電源,控制口未接入任何手柄,可判斷無(wú)外部指令輸入,不能控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。

2)現(xiàn)場(chǎng)檢查手柄控制接口各引腳間無(wú)金屬異物、無(wú)積水,可判斷控制接口的引腳(正轉(zhuǎn))或引腳(反轉(zhuǎn))不會(huì)與引腳(GND)接通,不能控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

3)控制接口的引腳間是塑料絕緣材料,若其內(nèi)部有裂縫存在積水的情況可能會(huì)造成引腳(正轉(zhuǎn))或引腳(反轉(zhuǎn))與引腳(GND)導(dǎo)通,可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)自動(dòng)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。為此,項(xiàng)目組采用同一狀態(tài)的產(chǎn)品進(jìn)行了模擬測(cè)試。首先,使用萬(wàn)用表的歐姆擋測(cè)得自來(lái)水的阻值為34.1 kΩ;其次,將手柄控制接口注滿自來(lái)水,接通電源,未發(fā)現(xiàn)電機(jī)出現(xiàn)異常工作狀態(tài)。

4)拆開(kāi)腔體,常溫情況下通電12 h,未發(fā)現(xiàn)類似問(wèn)題。

5)根據(jù)問(wèn)題出現(xiàn)時(shí)試驗(yàn)環(huán)境條件,項(xiàng)目組將腔體放入高低溫試驗(yàn)箱進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)。在50℃的環(huán)境條件下存儲(chǔ)8 h后,測(cè)試人員發(fā)現(xiàn)電機(jī)在未連接手柄的情況下出現(xiàn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(正轉(zhuǎn)),故障復(fù)現(xiàn)。斷電,間隔幾秒后再重新接通電源,問(wèn)題依然存在,但轉(zhuǎn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間從幾秒至幾十分鐘不等。

6)拆開(kāi)腔體,取下控制板,發(fā)現(xiàn)腔體內(nèi)表面有水漬。

7)進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn),正轉(zhuǎn)控制部分電路的光耦輸入端器件R₂₃為焊接,此時(shí),即使控制接口的引腳(正轉(zhuǎn))或引腳(反轉(zhuǎn))與引腳(GND)導(dǎo)通,光耦V₁₃也不會(huì)導(dǎo)通,由此可判斷即使外部接口的電平變化不會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),可將問(wèn)題定位至光耦V₁₃ 的輸出端。

8)接通電源,用數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)得光耦V₁₃輸出端第4腳(正轉(zhuǎn))對(duì)地的電壓為1.26 V;處于單片機(jī)低電平檢測(cè)電壓的臨界區(qū)(1.2 V)附近,可能會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。正常情況下電壓的理論值應(yīng)為3.25 V左右。

9)將腔體的各組成部分在常溫狀態(tài)下恢復(fù)8 h,測(cè)得光耦V₁₃輸出端第4腳(正轉(zhuǎn))對(duì)地的電壓仍然僅有1.57 V,達(dá)不到正常電平電壓。

10)綜合8)、9)的測(cè)試結(jié)果,可確定電機(jī)異常轉(zhuǎn)動(dòng)是光耦V₁₃輸出端異常導(dǎo)致。

11)測(cè)試人員將腔體的各組成部分放入高溫試驗(yàn)箱,烘干后用300℃的熱風(fēng)槍取下光耦V₁₃,通電測(cè)量得到光耦V₁₃輸出端的電壓為3.27 V(測(cè)量部位為光耦輸出端的焊盤),然后再將其重新焊接到控制板上,通電測(cè)量得到光耦V₁₃輸出端的電壓為3.27 V;與正常狀態(tài)一致,問(wèn)題消失。此外,為舉一反三檢查,同步放入了其余產(chǎn)品的腔體,通電測(cè)試,未出現(xiàn)類似現(xiàn)象。由此,可判斷該異?，F(xiàn)象是光耦V₁₃輸出端引腳積水造成短路引起。

12)為進(jìn)一步確定問(wèn)題原因,測(cè)試人員將光耦V₁₃的輸出端滴上自來(lái)水,模擬積水的現(xiàn)象,通電測(cè)量光耦V₁₃ 的輸出電壓為1.45 V,與8)測(cè)試結(jié)果基本一致,可導(dǎo)致電機(jī)異常轉(zhuǎn)動(dòng)。

13)測(cè)試人員將光耦重新涂覆三防漆,再重新做滴水試驗(yàn),通電測(cè)試,其光耦輸出端電壓為3.25 V;也未出現(xiàn)電機(jī)異常轉(zhuǎn)動(dòng)的情況。

14)腔體的內(nèi)部積水在高溫環(huán)境下,蒸餾后在電路板表面沉積,導(dǎo)致控制板上控制正轉(zhuǎn)的光耦輸出端電平被拉低,電壓異常,控制板檢測(cè)到“TTL電平控制電路低電平”即“正轉(zhuǎn)”的誤動(dòng)作信號(hào),引起電機(jī)異常轉(zhuǎn)動(dòng),引發(fā)故障。

15)進(jìn)一步檢查腔體各密封部位,未發(fā)現(xiàn)由防水圈漏裝、損壞的情況;再次進(jìn)行腔體的密封性測(cè)試,發(fā)現(xiàn)功能控制模塊上的工藝孔有少量氣泡冒出,由此,可確定該工藝孔與腔體內(nèi)部貫通。

16)檢查設(shè)計(jì)文件工藝孔為盲孔,檢測(cè)同批次工件,功能控制模塊的工藝孔被打穿,其余產(chǎn)品均滿足設(shè)計(jì)要求。

17)工藝孔與腔體內(nèi)部貫通,在長(zhǎng)期的溫度變化過(guò)程中,水汽被吸入?yún)s不能及時(shí)排出,導(dǎo)致腔體內(nèi)部長(zhǎng)期處于高溫潮濕環(huán)境中。

18)電路板表面三防漆為人工涂覆,其光耦V13輸出端漆層較薄,防護(hù)能力較弱,經(jīng)反復(fù)溫濕變化,漆層失去防護(hù)能力,內(nèi)部積水蒸餾后在光耦V13輸出端凝結(jié)為水,導(dǎo)致光耦輸出端電壓被拉低,控制板檢測(cè)到“正轉(zhuǎn)”的信號(hào),引起電機(jī)異常轉(zhuǎn)動(dòng)故障。

2機(jī)理分析

查閱設(shè)計(jì)文件,當(dāng)手柄正轉(zhuǎn)被按下時(shí),控制板引腳(UP—KEY)與電源地存在電流回路,電流逐漸增大后,光耦V13的輸入端導(dǎo)通,輸出端(UP)輸出低電平信號(hào),使控制板具有正轉(zhuǎn)控制電平信號(hào)輸出,芯片接收到正轉(zhuǎn)的控制電平信號(hào),控制電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)(正轉(zhuǎn))。正轉(zhuǎn)控制電路原理圖如圖4所示。

查閱芯片數(shù)據(jù)手冊(cè),芯片IO電氣參數(shù)如表1所示,表中V_IL表示邏輯低電平,V_IH表示邏輯高電平, V_DD表示芯片電源端電壓,IO FT表示芯片兼容5 V電壓。在標(biāo)準(zhǔn)電源電壓V_DD=3.3V供電的情況下,其低電平電壓最大值為1.164V,高電平電壓最小值為1.833 V。在光耦V₁₃輸出端引腳積水情況下,光耦輸出端電平電壓處于低電平電壓最大值1.164 V與高電平電壓最小值1.833 V之間,處于一個(gè)未知狀態(tài),某時(shí)刻,當(dāng)芯片檢測(cè)到低電平信號(hào)時(shí),控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)電機(jī)異常自行轉(zhuǎn)動(dòng)故障現(xiàn)象,采用了下行法建立了故障樹(shù),根據(jù)故障樹(shù)逐層查找分析,定位了故障原因,由于加工原因,腔體的工藝盲孔被打穿,水汽被吸入,造成腔體內(nèi)部高溫潮濕,在該環(huán)境下,光耦輸出端電壓被拉低,芯片檢測(cè)到低電平信號(hào)時(shí),引起電機(jī)異常工作,重復(fù)試驗(yàn)符合故障判定預(yù)期。經(jīng)過(guò)此次研究,后續(xù)有三方面亟待改進(jìn):第一,加強(qiáng)制造過(guò)程的管理,避免質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生,如工藝盲孔被打穿類似事件;第二,對(duì)腔體密封進(jìn)行優(yōu)化,避免水汽進(jìn)入腔體內(nèi)部引起設(shè)備工作異常,提升產(chǎn)品的可靠性;第三,加強(qiáng)控制板的表面三防漆處理,提升其防護(hù)能力,從而提升了機(jī)械系統(tǒng)整體的可靠性。

[參考文獻(xiàn)]

[1]王昕燦,郭志陽(yáng),王賀,等.基于多層次故障樹(shù)分析法的電機(jī)在線故障診斷[J].現(xiàn)代制造工程,2023(11):137—143.

[2]余俊松,杜雪,張馳.基于故障樹(shù)法的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片故障分析 與 改進(jìn)[J].科技創(chuàng)新 與應(yīng)用 ,2023 ,13(14):160—165.

[3]王岳恒,馬殷元.基于模糊故障樹(shù)的垂直升降式立體車庫(kù)升降系統(tǒng)可靠性分析[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2022,44(11): 72—74.

[4]李東亞,張濤,牛青波,等.故障樹(shù)分析法在高速電主軸系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用 [J].機(jī)電工程技術(shù),2019,48 (3):8—11.

[5]郭靖,李森林.船用液壓錨絞機(jī)液壓系統(tǒng)故障樹(shù)分析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2023(13):62—64.

[6] 張勇,何振杰,張敬芳.基于T—S故障樹(shù)的數(shù)控加工中心液壓托架升降系統(tǒng)可靠性分析 [J].液壓與氣動(dòng),2020(12):118—124.

[7]張冬梅,馬文華,劉昕彤,等.基于故障樹(shù)分析的礦井提升機(jī)故障診斷[J].煤炭技術(shù),2018,37(4):265—267.

[8]宋盼.提升機(jī)設(shè)備故障診斷中故障樹(shù)技術(shù)的應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù),2018,47(12):213—215.

[9]劉瑞.某型飛機(jī)升降舵系統(tǒng)故障樹(shù)分析[J].中國(guó)科技縱橫,2014(1):102—103.

[10]張書(shū)軒.某型導(dǎo)彈發(fā)射車用升降機(jī)設(shè)計(jì)及可靠性分析[D].廊坊:北華航天工業(yè)學(xué)院,2019.

[11]楊凱,瞿福林,邱秀姣,等.基于故障樹(shù)分析法的高速鐵路鋼軌斷裂機(jī)理分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2017,61(4): 33—37.

[12]卓陳祥.應(yīng)用故障樹(shù)分析無(wú)刷同步電機(jī)的可靠性[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2011,23(5):142—146.

[13] 閆志強(qiáng),謝紅衛(wèi).繼電控制電路的交互式故障診斷研究[J].機(jī)電工程技術(shù),2006(1):77—80.

[14] 電子元器件故障樹(shù)分析方法與程序:T/CIE116—2021[S].

[15] 軍用地面電子設(shè)施防雷通用要求:GJB 6784—2009[S].

2024年第14期第7篇