陳白帆林 颯趙 蕾(.北京航天控制儀器研究所北京00039.海軍駐北京二三九廠軍事代表室北京00036)

浮子組件密封空間微環(huán)境污染特征對(duì)馬達(dá)性能的影響分析

陳白帆1，林 颯2，趙 蕾1
(1.北京航天控制儀器研究所，北京100039；2.海軍駐北京二三九廠軍事代表室，北京100036)

本文重點(diǎn)關(guān)注和探討了高精度慣性儀表制造技術(shù)特征引發(fā)的浮子組件微環(huán)境體系中污染形成的機(jī)理和進(jìn)入的途徑，提出了控制、清除的方法。首次提出了多余物控制技術(shù)本質(zhì)上是污染物跟蹤控制技術(shù)，在高精度、高可靠性航天密封產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中重視內(nèi)部空間微環(huán)境和微動(dòng)態(tài)環(huán)境污染體系對(duì)產(chǎn)品性能和可靠性的持久性影響作用，要有效識(shí)別零部組件在產(chǎn)品制造各階段清潔的目的和方法，才能真正消除各種工藝污染對(duì)產(chǎn)品性能與可靠性的影響，這也是動(dòng)壓馬達(dá)多余物控制的有效措施。

內(nèi)部微環(huán)境污染；污染來源特征；污染影響機(jī)理；零件清潔技術(shù)

0 引言

高精度慣性儀表產(chǎn)品都屬密封式產(chǎn)品，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)特征要求產(chǎn)品在長(zhǎng)期工作狀態(tài)下，動(dòng)壓馬達(dá)所在的浮子組件內(nèi)部微環(huán)境應(yīng)該是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的氣氛空間。一直以來，航天高精度慣性儀表常常在看似嚴(yán)格控制的制造環(huán)境和制造工藝控制技術(shù)要求下生產(chǎn)，但是依然發(fā)生了大量由于密封產(chǎn)品內(nèi)部微環(huán)境污染氣氛逐漸積累導(dǎo)致的失效事件。如動(dòng)壓馬達(dá)密封在浮子組件中，在充滿氦氣的氣氛環(huán)境中工作，浮子組件還要被密封在儀表殼內(nèi)的浮油中，要求在無氣泡的環(huán)境中工作。慣性技術(shù)原理決定了隨著慣性儀表精度的不斷提高，微環(huán)境污染變化對(duì)儀表精度的影響程度會(huì)越來越大，從現(xiàn)有失效分析的檢測(cè)數(shù)據(jù)中，可確認(rèn)慣性儀表浮子組中動(dòng)壓馬達(dá)零件表面存在大量有機(jī)、無機(jī)污染物，存在類似高可靠性軍用電磁繼電器微環(huán)境污染造成的失效模式。研究認(rèn)為動(dòng)壓馬達(dá)在使用過程中發(fā)生的失效事件，有相當(dāng)大數(shù)量是浮子組件內(nèi)的零部組件工作環(huán)境污染(隱性危害因素)造成的，這種密封空間的微環(huán)境和在內(nèi)外條件變化下的微動(dòng)態(tài)環(huán)境的污染特征和形成機(jī)理是一個(gè)被長(zhǎng)期忽略的造成產(chǎn)品失效的根源性科學(xué)問題。

此類工藝污染問題更多的是一種隱性的影響產(chǎn)品可靠性因素，如果得不到徹底解決，不但解決不了產(chǎn)品制造合格率問題和產(chǎn)品穩(wěn)定性問題，更解決不了工程用產(chǎn)品可靠性問題。這就意味著需要認(rèn)真研究慣性儀表產(chǎn)品密封后內(nèi)部微環(huán)境和微動(dòng)態(tài)環(huán)境污染特征，深入探討微環(huán)境污染形成機(jī)理和對(duì)不同原理產(chǎn)品的作用機(jī)理，以此建立更加完善、規(guī)范、科學(xué)的高精度慣性儀表零部組件的工藝污染控制、清除技術(shù)體系。

1 動(dòng)壓馬達(dá)零件微觀工藝污染特征(缺陷)分析

本文研究分析工作主要結(jié)合近年來儀表失效案例特征，對(duì)執(zhí)行現(xiàn)行制造工藝文件完成的動(dòng)壓馬達(dá)合格零件進(jìn)行微觀工藝特征的綜合檢測(cè)和特性分析，尋找有可能影響動(dòng)壓馬達(dá)性能的制造因素，特別是隱性的、非常識(shí)性的因素，梳理分析出幾項(xiàng)動(dòng)壓馬達(dá)制造工藝生產(chǎn)的合格零件存在的微觀工藝特征問題，提出產(chǎn)品制造中工藝設(shè)計(jì)要充分考慮的兩方面工藝污染問題。動(dòng)壓馬達(dá)安裝圖如圖1所示。

1.1 污染缺陷和殘留物帶來的偏差和危害

工藝設(shè)計(jì)一定要關(guān)注各種制造工藝固有污染缺陷和工藝介質(zhì)的殘留物給設(shè)計(jì)理想?yún)?shù)帶來的偏差和對(duì)特定原理產(chǎn)品的危害，要識(shí)別制造工藝過程給零件帶來(留下)的微觀污染特征。

在動(dòng)壓馬達(dá)轉(zhuǎn)子阻力矩的計(jì)算中，使用氣體的密度和黏度值。目前浮子組件在裝配最后階段是要充入氦氣，以保護(hù)動(dòng)壓馬達(dá)工作環(huán)境，提供一個(gè)理想的單一氣氛環(huán)境，設(shè)計(jì)理論計(jì)算為理想狀態(tài)100%的氦氣。但是，從目前慣性儀表生產(chǎn)制造過程清潔處理的重視程度和清潔技術(shù)的認(rèn)知狀態(tài)，以及執(zhí)行的工序、方法和工藝參數(shù)上分析，裝配在浮子中的零件存在大量污染物，浮子組充入氦氣密封后，內(nèi)部會(huì)逐漸析出大量的污染氣氛和水氣等，造成浮子內(nèi)部空間微環(huán)境氣氛密度和黏度值的變化。

本分析借鑒了高可靠性電磁繼電器多余物和污染控制技術(shù)研究成果——內(nèi)部氣氛測(cè)試數(shù)據(jù)來說明慣性儀表浮子組件內(nèi)部可能的微環(huán)境污染問題。因?yàn)?，目前的高可靠性電磁繼電器生產(chǎn)制造過程中對(duì)零件的清洗和防護(hù)要求比慣性儀表生產(chǎn)制造過程嚴(yán)格、規(guī)范和具體得多。

從表1、表2可以看出產(chǎn)品中使用的有機(jī)材料和金屬零件(零件按原有工藝已清洗過)都含有大量污染(物)氣氛。

表1 線圈及骨架材料釋氣成分 (相對(duì)于N2)Table 1 Gas composition of coil and skeleton material release(relative to N2)

表2 金屬零件析氣情況Table 2 Gas precipitation of metal parts

表3、表4可以看出繼電器在按原有工藝清洗、烘烤工藝后，密封后的產(chǎn)品隨著產(chǎn)品工作時(shí)間的增加，污染氣體、污染物依然會(huì)增加，驗(yàn)證了原有工藝存在缺陷。從驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果還可以看到產(chǎn)品內(nèi)部除了生成大量的二氧化碳和水，還會(huì)使產(chǎn)品密封初期充入的100%的氮?dú)夂拷档搅?9%，有的試驗(yàn)結(jié)果能降到80%左右。

表3 失效繼電器樣品內(nèi)部氣氛的質(zhì)譜分析結(jié)果Table 3 Mass spectrometric analysis of gas components in failure relay samples

表4 原工藝條件下和加嚴(yán)條件后產(chǎn)品內(nèi)部氣氛變化對(duì)比表Table 4 Comparison of the internal gas composition of the products under the original technological conditions and the tightened conditions

以繼電器為參照，可以推斷出慣性儀表浮子組件內(nèi)部空間充入的100%的氦氣，有可能隨著慣性儀表工作時(shí)間的增加，氦氣百分比將逐漸減少，其他氣體含量將逐漸增加。設(shè)計(jì)理論計(jì)算采用的氦氣黏度值將會(huì)發(fā)生變化，使浮子組件內(nèi)部空間形成混合氣體的密度值和黏度值。

圖2、圖3和表5分別為馬達(dá)失效點(diǎn)表面的掃描電鏡圖、能譜圖和元素含量，從半球表面含有大量的可溶性鹽類K、Na成分和酸基Cl、S成分分析，足以說明和證明浮子內(nèi)部污染還是較為嚴(yán)重。這種產(chǎn)品內(nèi)部密封空間微環(huán)境污染特征，還將引發(fā)化學(xué)、電化學(xué)腐蝕、機(jī)械化學(xué)反應(yīng)等危害，造成產(chǎn)品性能不穩(wěn)定、精度易超差、參數(shù)漂移，至產(chǎn)生污染物、腐蝕物形成多余物而導(dǎo)致產(chǎn)品失效。

表5 元素含量Table 5 Element content

圖4為繼電器線圈在正常清洗烘烤處理后加嚴(yán)烘烤失重情況，圖5為馬達(dá)定子線圈工藝不要求烘烤處理的產(chǎn)品烘烤后失重?cái)?shù)據(jù)，驗(yàn)證了馬達(dá)定子線圈零組件存在大量污染成份。

這種情況實(shí)際上反映出長(zhǎng)期以來慣性儀表零件制造過程中，未認(rèn)真研究和規(guī)范產(chǎn)品生產(chǎn)制造各階段零件的清潔問題和零件污染防護(hù)問題。因而，深層次的污染源給目前產(chǎn)品內(nèi)部帶來此項(xiàng)微觀污染特征。一直以來失效分析均未涉及此類機(jī)理，所以說至今沒有進(jìn)行浮子組件內(nèi)部真實(shí)氣氛和水汽的工藝試驗(yàn)、工藝檢測(cè)，沒有浮子組件內(nèi)部真實(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù)，就無法有效查找問題根源，對(duì)癥下藥改進(jìn)和完善浮子組件裝配工藝流程。

工藝改進(jìn)建議：盡快制定零件、部組件和整件的清潔工藝細(xì)則，重新補(bǔ)充完善儀表裝配和充氣密封前的排污清潔工藝細(xì)則，盡快采用高真空烘烤設(shè)備和設(shè)立清潔專用工位。

1.2 工藝方案的全面性問題

采用定子線圈組灌膠，解決污染物不會(huì)直接進(jìn)入浮子組件內(nèi)部，忽略或未認(rèn)識(shí)到存在的污染物在定子線圈加電后因溫度升高生成各種氣體。升高的溫度會(huì)使氣體膨脹，氣體膨脹將產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，對(duì)定子組件結(jié)構(gòu)穩(wěn)定造成危害，還可能造成定子組件灌膠開裂，使污染物進(jìn)入浮子組件微環(huán)境中。

原本工藝方案的目的是不讓定子線圈的有機(jī)污染物揮發(fā)到浮子組件內(nèi)部空間，給馬達(dá)造成污染。但是，未經(jīng)徹底清潔處理的定子線圈繞組，在線圈加電后，在溫度的作用下，依然會(huì)揮發(fā)出污染物和有害氣氛。而這種定子線圈組件不進(jìn)行排污、析氣和清洗，直接進(jìn)行灌膠密封的工藝缺陷，可能帶來的影響更大，對(duì)儀表性能的影響更加具有隱蔽性、突變性和不可預(yù)測(cè)性。

在繼電器制造行業(yè)執(zhí)行嚴(yán)格的清洗工藝文件后，線圈依然還存在大量污染情況，驗(yàn)證試驗(yàn)的數(shù)據(jù)如表6所示(該試驗(yàn)是繼電器生產(chǎn)過程諸多微觀工藝特征對(duì)合格率及可靠性影響分析驗(yàn)證試驗(yàn)之一)。

表6 繼電器線圈析氣情況Table 6 Gas distribution of relay coil

從試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果分析，線圈組在溫度作用下，未清潔干凈的各種污染物和加工過程的介質(zhì)殘留物會(huì)生成各種氣體，并隨工作時(shí)間的增加而逐漸增多。雖然動(dòng)壓馬達(dá)線圈組的升溫不是很高，估算值在70℃～90℃之間，但是動(dòng)壓馬達(dá)線圈組繞制完成后，不進(jìn)行真空析氣和清洗烘烤等清潔工序處理，帶著大量污染殘留物直接進(jìn)行灌膠密封是不合適的。因?yàn)?，被膠灌封在線圈中的這些污染物會(huì)在定子繞組加電工作升溫后，揮發(fā)出各種氣體，氣體會(huì)隨溫度的升高而膨脹，形成很大的內(nèi)應(yīng)力。隨著形成氣體總量的累積增多，只要定子繞組一加電升溫，形成的內(nèi)應(yīng)力也逐漸增大，必將造成定子組件結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性變化，造成整個(gè)馬達(dá)定子質(zhì)量的微變。如造成膠開裂后，還有可能造成浮子內(nèi)部空間微環(huán)境的污染加重，危害產(chǎn)品精度、性能和可靠性。所以，這類微觀工藝特征——污染特征所形成的對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)影響的機(jī)理是不可忽視的。

以上是對(duì)動(dòng)壓馬達(dá)零件生產(chǎn)制造工藝過程給零件形成(留下)的微觀工藝特征可能對(duì)陀螺儀表零次項(xiàng)、一次項(xiàng)等參數(shù)造成影響的初步診斷分析，僅從零件微觀工藝特征現(xiàn)象——微觀污染特征分析了可能對(duì)高精度陀螺儀表產(chǎn)品的生產(chǎn)合格率、性能、精度和可靠性的影響，這種特征對(duì)不同精度量級(jí)儀表的具體影響規(guī)律和影響程度還需開展更深入的試驗(yàn)驗(yàn)證。

工藝改進(jìn)建議：定子線圈組灌膠前，對(duì)定子線圈組增加排污工序，在高真空環(huán)境下，線圈加電烘烤，排污后經(jīng)清洗烘干后灌膠。后續(xù)可以研究取消灌膠工序，定子線圈是可以清潔干凈的(定子清潔后留存的污染含量的危害性遠(yuǎn)小于灌膠后膠體受氣體膨脹帶來結(jié)構(gòu)的微變化的影響)。

分析認(rèn)為要制造出更高精度的慣性儀表，零件(零部組件)微觀工藝特征的這種影響設(shè)計(jì)原理的作用將會(huì)越顯著。為此，建議有組織地對(duì)按現(xiàn)行工藝生產(chǎn)制造的儀表的全部零部組件進(jìn)行一次全面的設(shè)計(jì)原理和微觀特征分析和識(shí)別。開展以零件與產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理匹配性和性能特性要求符合性為目標(biāo)的產(chǎn)品制造工藝再設(shè)計(jì)工作，使產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理相匹配，使產(chǎn)品制造技術(shù)特征匹配和符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)特征。

2 慣性儀表零件工藝污染來源、及控制、清除技術(shù)

以上梳理的動(dòng)壓馬達(dá)零部件生產(chǎn)制造存在的工藝污染問題，系統(tǒng)地歸納成生產(chǎn)制造共性工藝基礎(chǔ)技術(shù)問題是：在產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中，長(zhǎng)期以來一直忽視零組件的清潔技術(shù)研究，忽視產(chǎn)品內(nèi)部微環(huán)境污染問題，未將零件的清潔處理工作作為一個(gè)關(guān)鍵制造因素加以控制。實(shí)際上，零件清潔不徹底是造成航天高精度、高等級(jí)產(chǎn)品后期失效的根源性原因之一，也是導(dǎo)致形成多余物失效的因素。

對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程中零組件和整體的清潔工藝認(rèn)識(shí)僅停留在表面清洗層面，零件機(jī)械加工完成后的基礎(chǔ)性清潔處理工序完全缺失，零件加工過程和加工完成后的清潔方法和目的要區(qū)別于零件組裝階段的清洗、烘烤和整件階段的清潔。從慣性儀表生產(chǎn)制造現(xiàn)狀分析，現(xiàn)行生產(chǎn)制造工藝過程對(duì)零組件、整體的污染控制、清潔處理存在5方面問題：

1)零組件、整體清潔處理階段劃分不清，各階段清潔的目的或目標(biāo)不明確，工藝方法、工藝參數(shù)不規(guī)范、不具體，清潔工藝流程不完整，清潔介質(zhì)單一，沒有配備專門的清潔設(shè)備，設(shè)置專門的區(qū)域等。

2)零件加工階段的清洗工序，僅由操作人員自行控制，對(duì)鈹材零件沒有明確的清潔工藝規(guī)范。零件完成后，沒有基礎(chǔ)性的高真空烘烤去污工序，包括鈹零件在機(jī)加工流轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)的清潔處理和存放要求，鈹零件大氣腐蝕、人為污染防護(hù)等均無明確的工藝規(guī)范。

3)動(dòng)壓馬達(dá)裝配階段的零件清潔最佳處理流程應(yīng)該是：領(lǐng)取零件—零件清潔—試裝配—零件清潔—最后正式裝配—整件高真空烘烤凈化—充氣封裝。對(duì)要配套裝配的零件，在研磨完成后也要按規(guī)定進(jìn)行清潔，整個(gè)裝配過程中應(yīng)嚴(yán)禁裸手觸碰零件。

4)進(jìn)入浮子組件裝配階段的零部組件基本上都無法進(jìn)行整體清洗處理，對(duì)焊線工序完成后，只能進(jìn)行局部酒精擦試。這一階段的零件絕不允許用手直接接觸，操作人員除戴指套外，還應(yīng)戴口罩防止呼氣等人體蒸汽污染零件。而目前這一階段，操作人員還直接用手觸摸，而且是長(zhǎng)時(shí)間的觸碰。這會(huì)造成零件的污染，并帶入浮子組件微環(huán)境中，嚴(yán)重的還會(huì)腐蝕零件表面。目前生產(chǎn)過程中直接用手觸碰零件現(xiàn)象非常普遍，可以說在機(jī)加、研磨、計(jì)量、裝配等環(huán)節(jié)都存在，操作人員沒有認(rèn)識(shí)到這種微小的工藝細(xì)節(jié)造成的微觀工藝污染特征對(duì)零件形成的傷害，甚至最終影響到產(chǎn)品的生產(chǎn)合格率，以及精度、性能和可靠性。

5)浮子組件密封前的烘烤工序驗(yàn)證不充分，工藝方法和工藝參數(shù)的有效性有待驗(yàn)證。目前采用的邊抽氣，邊用70℃的加溫進(jìn)行烘烤的方法，是難以排除零件在裝配階段十幾天的工期所吸附的濕氣和污染成分。整個(gè)裝配階段工藝沒有明確的污染控制和清潔要求，而且加溫參數(shù)可能低于產(chǎn)品加電工作時(shí)自身的溫度。

建議在高精度、高可靠性的密封性產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中，對(duì)零件污染的清潔處理按產(chǎn)品制造階段劃分為4個(gè)層面：①零件加工過程中和加工完成后的清潔(工藝)；②在裝配車間開始裝配前的零件清洗(工藝)；③整件裝配前的組件清洗(工藝)；④裝配完成的產(chǎn)品在密封前的凈化(工藝)。在這4階段，對(duì)應(yīng)的清潔質(zhì)量概念是不一樣的，使用的手段、參數(shù)也不盡相同。除了生產(chǎn)制造過程4個(gè)層面零件清潔處理工序外，針對(duì)零件后續(xù)加工的不同還有許多特殊的零件清潔要求。如在加工過程中的零件計(jì)量環(huán)節(jié)，在測(cè)量幾何參數(shù)之前就要用酒精擦試零件，并在規(guī)定的方法和時(shí)間干燥后測(cè)量；再如需進(jìn)行表面鍍膜(電鍍、化學(xué)鍍、離子鍍等)的零件，都應(yīng)進(jìn)行高真空烘烤徹底排盡材料基底污染物，并經(jīng)表面除污清洗后，涂層的附著性能才不受影響；對(duì)半球涂邊界潤(rùn)滑劑的工藝流程同樣要有嚴(yán)格的工藝操作規(guī)范，涂前的清潔處理手段、方法、參數(shù)、時(shí)間控制等細(xì)節(jié)至關(guān)重要，零件基體和表面清潔的好壞程度，將決定涂層與基底的吸附狀態(tài)(物理和化學(xué)吸附)的優(yōu)劣。

蘇聯(lián)對(duì)動(dòng)壓馬達(dá)零件的清洗要求很明確，包括在加工過程中和加工之后零件清洗的工藝過程和零件清洗質(zhì)量的檢驗(yàn)，裝配前零件和組件清洗的工藝過程和清洗質(zhì)量的檢驗(yàn)。使用了各種溶劑、超聲波方法，不同溫度流動(dòng)的水、蒸餾水、烘烤箱等方法。對(duì)零件均規(guī)定了長(zhǎng)時(shí)間脫氣工藝處理要求，一些零件甚至要求進(jìn)行3次的脫氣處理，同時(shí)還規(guī)定了從開始脫氣到結(jié)束脫氣之間的時(shí)間一直到充氣為止，不應(yīng)超過7個(gè)晝夜，對(duì)馬達(dá)密封前有明確的脫氣要求。美國(guó)羅克韋爾公司下屬陀螺儀制造廠在20世紀(jì)80年代，已在加壓的純氮?dú)猸h(huán)境里完成陀螺零件(轉(zhuǎn)子和腔體)的清洗和前道裝配。美國(guó)海軍響尾蛇導(dǎo)彈機(jī)電陀螺裝配規(guī)范，環(huán)境因素控制就有5條。

3 結(jié)論

發(fā)生在密封類產(chǎn)品空間微環(huán)境中的與零部組件有關(guān)的失效事件，均與零件生產(chǎn)制造過程中，

對(duì)工藝污染的認(rèn)知、識(shí)別不到位有關(guān)，與零件污染物的基礎(chǔ)控制、清除清潔不徹底、產(chǎn)品內(nèi)部微環(huán)境污染逐漸增多有關(guān)。實(shí)際上，這些生產(chǎn)制造過程因工藝方法、工藝參數(shù)等過程給零件帶來的各種微觀污染特征是長(zhǎng)期忽略的問題。只有盡快地建立起高精度慣性儀表制造的污染物控制、清除工藝體系，才能有效地保證高精度慣性儀表密封空間內(nèi)的微環(huán)境氣氛的穩(wěn)定，確保產(chǎn)品精度和可靠性。

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Study of the Influence on the Motor Performance of the Sealed Space Micro Environmental Pollution Characteristics of Float Assembly

CHEN Bai?fan1，LIN Sa2，ZHAO Lei1
(1.Beijing Institute of Aerospace Control Devices，Beijing 100039; 2.The Military Representative Office of the Navy's 239 Factory，Beijing 100036)

This paper focuses on and discusses the ways and mechanism of pollution into a high?precision inertial in?strument system in the micro environment of the floater components.In this paper，the control method and removal method of pollutants are put forward.This paper first proposed that we should attach importance to the effect of the pollution system of micro environment and micro dynamic environment on product performance in the design and manufacture of high preci?sion and high reliability space sealing products，and we should also effectively identify the purpose and method of cleaning parts and components at all stages of product manufacturing to truly eliminate the impact of various process pollution on product performance and reliability.

internal micro environment pollution;characteristics of pollution sources;influence mechanism of pol?lution;parts cleaning technology

U<666.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A class="emphasis_bold">666.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674?5558(2017)03?01354666.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1674?5558(2017)03?01354

A 文章編號(hào)：1674?5558(2017)03?01354

10.3969／j.issn.1674?5558.2017.02.017

陳白帆，男，研究員，研究方向?yàn)楦呔葢T性儀表、高可靠電磁繼電器制造可靠性、工藝可靠性設(shè)計(jì)、零件表面微觀工藝特征性、零件制造與產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理匹配性。

2016?12?16