羅德宏，吳瑞德，姜鵬濤

(1.海軍駐西安彈藥專業(yè)軍事代表室，陜西 西安，710061；2.陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所，陜西 西安，710061）

絕緣電阻是電火工品的主要性能指標(biāo)之一，在設(shè)計(jì)不合理及工藝保證措施不到位的情況下，就會出現(xiàn)絕緣電阻下降甚至導(dǎo)通的故障。絕緣電阻故障一般由金屬多余物、受潮、結(jié)構(gòu)破壞等引起，故障直接原因比較容易定位，但機(jī)理分析往往不透徹，深層次的故障原因容易被忽略，造成技術(shù)歸零不徹底，故障重復(fù)出現(xiàn)。本文對某鈍感電起爆器在安裝后出現(xiàn)絕緣電阻下降的故障機(jī)理進(jìn)行了深入分析，并提出了解決措施。

1 故障現(xiàn)象及原因定位

某電起爆器經(jīng)出廠驗(yàn)收合格后交付總體單位進(jìn)行裝配，裝配前采用兆歐表(DC100V)檢測，絕緣電阻值均大于100MΩ，裝配后195發(fā)產(chǎn)品中7發(fā)的絕緣電阻下降至0.5～50MΩ范圍內(nèi)。

根據(jù)故障分析排查需要建立了故障樹，針對各底事件進(jìn)行了復(fù)查和復(fù)核復(fù)算，并對故障產(chǎn)品進(jìn)行了解剖分析。產(chǎn)品發(fā)生故障的過程比較明確，除經(jīng)受安裝力矩的加載外并不存在其他外部因素，復(fù)查和解剖分析結(jié)果也排除了受潮、內(nèi)部存在金屬異物等可能的底事件，確切故障部位為電極塞的玻璃絕緣體。

研制過程中該產(chǎn)品在進(jìn)行總體裝配時一直采用20N·m的安裝力矩，曾經(jīng)出現(xiàn)過一次安裝后絕緣電阻下降的故障，當(dāng)時認(rèn)為該故障是由于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度裕度不足，安裝力矩超過了殼體的塑性破壞力矩（設(shè)計(jì)校核值為29N·m）的50%所致。為防止產(chǎn)品在安裝加載條件下因殼體發(fā)生塑性變形而導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，在隨后的改進(jìn)設(shè)計(jì)中更換了產(chǎn)品的殼體材料，產(chǎn)品的塑性破壞力矩理論值提高至122N·m，遠(yuǎn)大于總體裝配時的實(shí)際使用力矩，總體單位也同時將產(chǎn)品的使用力矩提高至30N·m。

在隨后進(jìn)行的改進(jìn)設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)過程中，產(chǎn)品再次出現(xiàn)了與材料更改前相同的故障現(xiàn)象，說明該故障并不是由于材料塑性變形造成的。進(jìn)一步分析認(rèn)為：殼體材料更改后，雖然殼體強(qiáng)度有了大幅的提高，但材料的彈性模量并沒有變化，在相同加載條件下的彈性變形不會變化。改進(jìn)設(shè)計(jì)后因提高了使用安裝力矩，產(chǎn)品所受應(yīng)力變大，則殼體發(fā)生彈性變形的幅度會增加，發(fā)生故障的可能性也就越大。殼體內(nèi)部主要部件是玻璃封接的電極塞，同類結(jié)構(gòu)的玻璃絕緣體在工程應(yīng)用過程中也存在類似的故障現(xiàn)象，即玻璃絕緣體在受到外力作用的情況下，其絕緣性能會有較大幅度的下降。

通過分析將該故障原因定位為：電極塞的玻璃絕緣體在設(shè)計(jì)上存在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱部位，在強(qiáng)度偏下差時因產(chǎn)品殼體彈性變形而受到應(yīng)力作用，電極塞玻璃體絕緣電阻下降最終導(dǎo)致產(chǎn)品絕緣電阻下降。

2 機(jī)理分析

2.1 故障發(fā)生的機(jī)理過程

該故障的發(fā)生可歸納為3個主要過程：（1）產(chǎn)品殼體在安裝力矩作用下發(fā)生彈性變形；（2）殼體彈性變形導(dǎo)致電極塞玻璃受到外力作用；（3）玻璃碎裂使電極塞絕緣電阻下降。

2.2 產(chǎn)品在力矩作用下發(fā)生彈性變形

采用螺紋連接的電起爆器在加載使用條件下，殼體會產(chǎn)生彈性變形，尤其在產(chǎn)品的殼體為薄壁結(jié)構(gòu)時變形相對較大，對內(nèi)部結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生不利影響。該產(chǎn)品殼體材料采用沉淀硬化型不銹鋼05Cr17Ni4Cu4 Nb，具有較高的屈服強(qiáng)度，但彈性模量和普通不銹鋼基本一致，因此在相同的加載條件下彈性變形幅度也基本一致。產(chǎn)品在與總體安裝結(jié)構(gòu)連接時施加了30N·m的擰緊力矩，由于內(nèi)孔φ9.5mm處有外部安裝螺紋的限制，見圖1，殼體會產(chǎn)生向內(nèi)的彈性變形，根據(jù)內(nèi)能平衡原理，φ7.5mm內(nèi)孔部位因不受外部約束則產(chǎn)生向外的彈性變形。

圖1 電起爆器殼體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic of shell structure of the EED

由于對產(chǎn)品施加的擰緊力矩遠(yuǎn)小于彈性極限，因此該彈性變形在解除負(fù)載后能夠恢復(fù)。為驗(yàn)證在加載條件下該彈性變形的存在，在不同的加載條件下用3坐標(biāo)測量儀分別對φ7.5mm內(nèi)孔和φ9.5mm內(nèi)孔的變形量進(jìn)行了測量，測量結(jié)果分別見表1～2。

表1 φ7.5mm內(nèi)孔在不同力矩條件下的變形量Tab.1 Elastic deformation of theφ7.5mm inner bore under different installing torque

表2 φ9.5mm內(nèi)孔在不同力矩條件下的變形量Tab.2 Elastic deformation of theφ9.5mm inner bore under different installing torque

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，φ7.5mm孔向外變形量在0.9～6.6μm范圍內(nèi)，φ9.5mm孔向內(nèi)變形量在0.4～7.7μm范圍內(nèi)，與分析預(yù)期相符。

2.3 殼體彈性變形導(dǎo)致電極塞玻璃體受到外力作用

由于電極塞殼體為薄壁結(jié)構(gòu)，與殼體為間隙配合，見圖2，并用環(huán)氧固化膠粘接。從圖2可以看出φ 7.5mm和φ9.5mm孔臺階尖角處既是殼體向不同方向發(fā)生彈性變形的交匯點(diǎn)，也是內(nèi)部玻璃體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的薄弱點(diǎn)和應(yīng)力集中點(diǎn)，因殼體彈性變形并通過電極塞殼體的協(xié)調(diào)變形傳遞了應(yīng)力，會使得電極塞的玻璃體受到外力的作用。

圖2 電極塞與殼體裝配結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Assembly structure of the electrode plug and the shell

玻璃是一種典型脆性材料，沒有屈服延伸階段，當(dāng)負(fù)荷超過玻璃的極限強(qiáng)度時，特別是在受到突然施加的負(fù)荷（沖擊）時，玻璃內(nèi)部的質(zhì)點(diǎn)來不及做出適應(yīng)性的流動，就會產(chǎn)生分裂。常溫條件下，玻璃也具有彈性材料的特性，只要在彈性極限以內(nèi)，應(yīng)變的產(chǎn)生及其消失是瞬間完成的。

玻璃的彈性模量和強(qiáng)度主要由它的化學(xué)組分所決定，同時受到溫度及熱處理的影響，工程上玻璃的彈性模量可用公式（1）近似計(jì)算，抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度一般采用加法原則按公式（2）、公式（3）近似計(jì)算[1]：

式（1）～（3）中：Pn為玻璃中氧化物組分的重量百分比，%；En為玻璃中各組成氧化物的彈性模量系數(shù)，GPa；Fn為玻璃中各組成氧化物的抗拉強(qiáng)度系數(shù)，MPa；Cn為玻璃中各組成氧化物的抗壓強(qiáng)度系數(shù)，MPa。

DM308電子型玻璃中各氧化物的含量及主要強(qiáng)度系數(shù)見表3。計(jì)算得DM308型電子玻璃的彈性模量近似值為68.9GPa，抗拉強(qiáng)度約為7.74MPa，抗壓強(qiáng)度約為107.61MPa。玻璃的強(qiáng)度除主要由化學(xué)鍵(組分)決定外，還受到玻璃的微不均勻性、微裂紋、結(jié)構(gòu)缺陷、力學(xué)弱點(diǎn)和溫度、活性介質(zhì)等外界條件影響，而在工程實(shí)際應(yīng)用上這些因素往往是很難完全避免的，使得實(shí)際使用時的玻璃強(qiáng)度往往比理論強(qiáng)度低。

表3 DM308電子型玻璃中各組分含量及主要強(qiáng)度系數(shù)[2]Tab.3 Components of the DM308 electrical glass and their strength coefficients

以表2中內(nèi)徑變形量最大的7.7μm對應(yīng)的φ9.514 5mm內(nèi)孔為例，該變形向內(nèi)會對玻璃體產(chǎn)生壓應(yīng)力，根據(jù)變形協(xié)調(diào)性原則，在彈性范圍內(nèi)殼體、電極塞殼體和玻璃體沿同一方向的應(yīng)變相同，則存在以下關(guān)系：

按公式（4）計(jì)算該電極塞玻璃體所受到的壓應(yīng)力約為55.76MPa。由于電極塞玻璃體在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上存在0.38mm厚度的強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)，同時玻璃燒結(jié)過程中還存在公差散布，實(shí)際厚度范圍約為0.187～0.612 mm，其極限下差相對于名義值厚度降低了50.8%；同時薄弱處還存在容易導(dǎo)致應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)拐點(diǎn)，電極塞封接過程也不可避免地存在內(nèi)部缺陷（如氣泡等），在各因素共同影響下玻璃實(shí)際抗壓強(qiáng)度會遠(yuǎn)小于理想的抗壓強(qiáng)度，在對產(chǎn)品施加安裝力矩時，存在超出玻璃安全許用應(yīng)力并導(dǎo)致玻璃產(chǎn)生裂紋或碎裂的可能。

2.4 玻璃碎裂使電極塞絕緣電阻下降

DM308電子型封接玻璃主要由SiO2、B2O3、Al2O3、Na2O、K2O等氧化物組成。SiO2、B2O3、Al2O3共同形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)骨架，Na2O、K2O是玻璃網(wǎng)絡(luò)外體氧化物，鈉離子（Na+）與鉀離子（K+）居于玻璃結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的空穴中。硅酸鹽玻璃的導(dǎo)電機(jī)理為：以離子為載電體，在外加電場的驅(qū)動下，使原先無定向的離子熱運(yùn)動納入電場方向的幾率增加，載電體離子長程遷移貫穿了玻璃體向電極移動，這就是玻璃導(dǎo)電（離子導(dǎo)電）的實(shí)質(zhì)。在凝固的玻璃中，硅氧或硼氧網(wǎng)絡(luò)骨架在外電場作用下不能移動，幾乎所有的氧化物玻璃中的離子電導(dǎo)來源于能動度最高的1價陽離子（如Na+、K+等），特別是Na+的遷移運(yùn)動。

玻璃絕緣體的電導(dǎo)率由表面電導(dǎo)率和體積電導(dǎo)率決定。表面電導(dǎo)率主要決定于玻璃的成分、空氣的濕度和溫度。在玻璃絕緣體的組分和使用溫度范圍確定的情況下，濕度是影響表面電導(dǎo)率的主要因素，空氣濕度增加必然導(dǎo)致玻璃電導(dǎo)率的增大，當(dāng)相對濕度30%～80%時，表面電導(dǎo)率增高的幅度較大。這是由于在潮濕空氣中，玻璃的表面能通過SiOH團(tuán)吸附水分，被吸附的水分同玻璃表面的雜質(zhì)或1價陽離子起反應(yīng)，生成溶液，這種溶液又進(jìn)一步與玻璃中的Na+離子進(jìn)行離子交換生成NaOH或Na2CO3溶液，最后在玻璃表面生成一層溶液膜，溶液膜中的Na+離子（或其他離子）具有較高的移動能力，導(dǎo)致了導(dǎo)電性的提高。因此玻璃的表面電導(dǎo)率要遠(yuǎn)高于體積電導(dǎo)率。

玻璃的體積電導(dǎo)率受玻璃成分、溫度和內(nèi)外應(yīng)力的影響。在玻璃組分和使用溫度確定的情況下，影響玻璃體積電導(dǎo)率的因素主要是應(yīng)力和濕度，兩者往往是共同作用。玻璃在有內(nèi)應(yīng)力存在時，電導(dǎo)率也會增加，如未退火的玻璃的電導(dǎo)率約為退火玻璃的3倍，主要是因?yàn)槲赐嘶鸩Ａе袘?yīng)力的存在，使得結(jié)構(gòu)較為疏松。當(dāng)玻璃受到外應(yīng)力時，一方面會向內(nèi)傳遞使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，起到和內(nèi)應(yīng)力相同的效果；另一方面，如果造成玻璃結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂紋或破碎，微小的裂紋和裂縫有很強(qiáng)的吸附能力，可以吸附空氣或臨近結(jié)構(gòu)中的濕氣或其它揮發(fā)性氣氛，則相當(dāng)于形成了無數(shù)的表面，多個表面的共同作用最終導(dǎo)致玻璃的體積電導(dǎo)率大幅提高，甚至提高幾個數(shù)量級。

由玻璃絕緣體的電導(dǎo)率機(jī)理可知，產(chǎn)品的電極塞玻璃在受壓產(chǎn)生裂紋或發(fā)生碎裂情況下，一方面造成了電極塞插針和殼體之間的薄弱部位的結(jié)構(gòu)疏松，提高了薄弱部位的電導(dǎo)率，另一方面裂紋會吸附產(chǎn)品內(nèi)部空腔內(nèi)的濕氣，導(dǎo)致薄弱部位實(shí)際形成了多個表面，而表面電導(dǎo)率遠(yuǎn)大于體積電導(dǎo)率，多個表面電阻的并聯(lián)效應(yīng)使得薄弱部位的絕緣電阻大幅下降，最終導(dǎo)致整個產(chǎn)品的絕緣電阻下降。

由以上分析可知，按規(guī)定的安裝工藝操作，不會導(dǎo)致產(chǎn)品殼體發(fā)生塑性變形，但會引起殼體的彈性變形，當(dāng)電極塞玻璃體的結(jié)構(gòu)薄弱部位的強(qiáng)度偏下差時，會因殼體的彈性變形而使電極塞受到應(yīng)力作用導(dǎo)致玻璃碎裂，出現(xiàn)絕緣電阻下降的故障。

3 故障復(fù)現(xiàn)

由于故障是因?yàn)殡姌O塞受到殼體彈性變形的應(yīng)力作用而產(chǎn)生的，因此最直接的復(fù)現(xiàn)方式就是沿徑向?qū)﹄姌O塞直接施加外力作用。試驗(yàn)采用量程為300N的拉壓力試驗(yàn)機(jī)，分別對電極塞φ7.5mm外徑和φ 9.5mm外徑連續(xù)施加壓力。當(dāng)φ7.5mm外徑部位加載時，4發(fā)電極塞中有3發(fā)出現(xiàn)不同程度的絕緣電阻下降，其中1發(fā)僅在40N壓力時電極塞絕緣電阻就從500MΩ降到了5MΩ；當(dāng)在φ9.5mm外徑部位加載時，10發(fā)電極塞中有6發(fā)出現(xiàn)不同程度的絕緣電阻下降，最低下降至50 MΩ。對電極塞徑向直接進(jìn)行加載時出現(xiàn)的現(xiàn)象與產(chǎn)品的故障現(xiàn)象相同，故障得以復(fù)現(xiàn)。

4 改進(jìn)措施

根據(jù)材料力學(xué)中有關(guān)由彈性變形引起的破壞理論，認(rèn)為材料的強(qiáng)度特性（如屈服應(yīng)力）并不是最重要的影響因素。也就是說，若一定尺寸的構(gòu)件由于發(fā)生過大的彈性變形而不能完成其承載功能，則用高強(qiáng)度材料制造構(gòu)件并不能提高其承載能力，而應(yīng)該選用彈性模量較高的材料制造構(gòu)件。一般來說，在材料選擇受限時，很難大幅提高材料的彈性模量，而改變構(gòu)件的尺寸和形狀、增加截面尺寸是提高其抗變形及承載能力的最有效方法。

根據(jù)以上理論，在不改變產(chǎn)品殼體形狀及材料的前提下，對電極塞殼體結(jié)構(gòu)采取了以下改進(jìn)措施：（1）電極塞殼體材料由鐵鎳鈷合金改為可封接的奧氏體不銹鋼，材料的彈性模量可提高約47%，從而降低電極塞殼體的變形量；（2）電極塞殼體由薄壁結(jié)構(gòu)改進(jìn)為實(shí)心圓柱內(nèi)置兩個小孔的結(jié)構(gòu)，提高電極塞殼體的截面積。

電極塞玻璃體的結(jié)構(gòu)、尺寸及燒接工藝也進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)：（1）玻璃體設(shè)計(jì)為直管狀，避免因結(jié)構(gòu)上存在拐點(diǎn)而導(dǎo)致應(yīng)力集中；（2）增加玻璃體薄弱部位的厚度，避免在應(yīng)力作用下產(chǎn)生貫穿性的微裂紋；（3）采用成型的玻璃坯料，盡可能避免傳統(tǒng)的玻璃粉燒結(jié)、排臘等工藝造成的微氣泡等缺陷。

采取以上措施對產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)后，進(jìn)行了300余發(fā)產(chǎn)品的驗(yàn)證試驗(yàn)，包括電極塞的徑向加載試驗(yàn)、采用30N·m和60N·m力矩的反復(fù)拆裝試驗(yàn)（每發(fā)產(chǎn)品拆裝3次），試驗(yàn)過程中再未出現(xiàn)絕緣電阻下降現(xiàn)象，說明故障機(jī)理準(zhǔn)確，采取的改進(jìn)及預(yù)防措施有效。

5 結(jié)論

（1）因產(chǎn)品殼體的彈性變形而導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞是火工品設(shè)計(jì)時容易被忽略的問題，火工品在安裝過程中殼體不可避免地存在彈性變形，變形量取決于殼體的結(jié)構(gòu)、材料以及安裝力矩，在設(shè)計(jì)時應(yīng)充分考慮殼體彈性變形對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。

（2）玻璃封接電極塞是電火工品的常用元件，也是影響產(chǎn)品絕緣性能的關(guān)鍵元件，因電極塞受應(yīng)力作用而導(dǎo)致產(chǎn)品絕緣性能下降的故障模式在一般產(chǎn)品的故障樹建立、FMEA分析等過程常常被忽略，常導(dǎo)致故障定位不準(zhǔn)確、機(jī)理分析不到位，無法針對故障采取有效的預(yù)防及糾正措施。

[1]A.P.博雷西，O.M.賽德博坦，F(xiàn).B.西利，J.O.史密斯，著.高等材料力學(xué)[M].汪一麟 汪一駿，譯.北京：科學(xué)出版社，1978.

[2]崔茂林，主編.玻璃工藝學(xué)[M].石家莊：輕工業(yè)出版社，1982.