摘 要：本文首先采用有限元分析軟件MSC.Patran建立了電磁繼電器的有限元模型，隨后采用MSC.Nastran軟件完成了電磁繼電器的模態(tài)分析。最后，針對(duì)影響電磁繼電器抗振性能的關(guān)鍵因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過摸底試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化方案的正確性及分析的合理性。所得結(jié)論對(duì)于同類型的平衡旋轉(zhuǎn)式電磁繼電器抗振性能的提高具有借鑒價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電磁繼電器;仿真;模態(tài);

1 引言

隨著電磁繼電器應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大以及市場(chǎng)對(duì)電磁繼 電器可靠性的要求越來越高，研究電磁繼電器的抗振性能，并結(jié)合失效模式和失效機(jī)理，確定影響抗振性能的關(guān)鍵因素。

本文采用有限元仿真分析軟件MSC.Patran/Nastran進(jìn)行振動(dòng)特性分析，對(duì)某型號(hào)電磁繼電器建立有限模型。通過模態(tài)分析可得到該型號(hào)電磁繼電器的固有頻率和振型，依據(jù)模態(tài)分析，在電磁繼電器裝配中采取相應(yīng)的解決措施，可以避免電磁繼電器正弦振動(dòng)試驗(yàn)及使用中發(fā)生共振。

2 電磁繼電器有限元模型的建立

本文以某型號(hào)電磁繼電器為分析對(duì)象，該電磁繼電器由22種零件組成，電磁繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾何模型見圖1。在有限元分析軟件MSC.Patran下采用手動(dòng)分網(wǎng)的方法構(gòu)建電磁繼電器整機(jī)有限元模型，見圖2。圖2所建立的電磁繼電器模型共有142847個(gè)節(jié)點(diǎn)和76321個(gè)單元。

構(gòu)建有限元模型時(shí)，采用經(jīng)典的Hertz接觸理論對(duì)動(dòng)、靜觸頭接觸部位進(jìn)行等效處理，在電磁繼電器釋放狀態(tài)下，常閉靜簧 片與動(dòng)簧 片之間加入1D(一維)的Spring(線性彈簧)單元來模擬常閉靜簧 片 與動(dòng)簧 片之間的相互作用力，見圖3。動(dòng)、靜簧 片均采用銀鎂鎳材料，可將動(dòng)、靜簧 片看做以平面為界的半彈性固體，二者之間的接觸視為球/平面Hertz接觸(見圖4),即可按照線性模型進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算。焊腳與動(dòng)、靜簧 片之間，靜簧 片與動(dòng)簧 片之間均采用MPC(多點(diǎn)約束)單元來等效。

圖1 繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 

圖2 繼電器有限元模型圖 

圖3 常閉靜簧 片與動(dòng)簧 片之間彈簧單元示意圖 

圖4 球/平面Hertz接觸示意圖 

考慮到某型號(hào)電磁繼電器在實(shí)際振動(dòng)摸底試驗(yàn)中失效模式主要集中表現(xiàn)為去激勵(lì)狀態(tài)下的瞬時(shí)接通、瞬時(shí)斷開故障，因此，本文中只對(duì)電磁繼電器的釋放狀態(tài)下進(jìn)行有限元仿真分析。

3 電磁繼電器的模態(tài)分析

對(duì)電磁繼電器進(jìn)行模態(tài)分析，得到了前8階模態(tài)分析結(jié)果，見表1。

通過MSC.Nastran后處理可以得到電磁繼電器釋放狀態(tài)下的振型圖，如圖5所示，為電磁繼電器前四階模態(tài)振型圖。

表1 繼電器模態(tài)分析結(jié)果

模態(tài)	共振頻率(Hz)	振型描述	振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
一階	878	軛鐵擺動(dòng)	無瞬時(shí)故障出現(xiàn)
二階	1399	繼電器機(jī)構(gòu)擺動(dòng)	在1300～1800Hz頻段，觸點(diǎn)抖動(dòng)
三階	1553	支架擺動(dòng)(Y軸向)	在1300～1800Hz頻段，觸點(diǎn)抖動(dòng)
四階	3258	動(dòng)合簧 片扭曲	超出試驗(yàn)條件，無試驗(yàn)數(shù)據(jù)
五階	4460	焊腳彎曲	超出試驗(yàn)條件，無試驗(yàn)數(shù)據(jù)
六階	6793	銜鐵彎曲	超出試驗(yàn)條件，無試驗(yàn)數(shù)據(jù)
七階	8912	支架擺動(dòng)(X軸向)	超出試驗(yàn)條件，無試驗(yàn)數(shù)據(jù)
八階	9003	外殼共振	超出試驗(yàn)條件，無試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5 模態(tài)振型 

4 電磁繼電器耐力學(xué)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過對(duì)電磁繼電器的模態(tài)分析，可以判定，支架的剛性不足和電磁繼電器剛性不足是造成電磁繼電器在1300～2000Hz之間出現(xiàn)諧振的主要影響因素。因此，為解決電磁繼電器的抗振性能，擬采取以下改進(jìn)措施進(jìn)行優(yōu)化提升：

① 降低支架高度，提高支架的剛性；

② 降低罩子高度，提高電磁繼電器整體的抗振性；

③ 增加阻尼簧 片厚度，提高電磁繼電器整體的抗振性。

根據(jù)改進(jìn)措施，構(gòu)建改進(jìn)后的繼電器，并對(duì)其建立有限元模型及進(jìn)行模態(tài)分析，得到了前8階模態(tài)分析結(jié)果，如表2所示。

通過MSC.Nastran后處理可以得到改進(jìn)后的電磁繼電器釋放狀態(tài)下的振型圖，如圖6所示，為電磁繼電器前四階模態(tài)振型圖。

表2 改進(jìn)后的電磁繼電器模態(tài)分析結(jié)果

模態(tài)	共振頻率(Hz)	振型描述	振動(dòng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
一階	620	常開靜簧 片擺動(dòng)	無瞬時(shí)故障出現(xiàn)
二階	2256	支架擺動(dòng)(Y軸方向)	超出試驗(yàn)條件，無試驗(yàn)數(shù)據(jù)
三階	2553	軛鐵擺動(dòng)(Y軸向)	超出試驗(yàn)條件，無試驗(yàn)數(shù)據(jù)
四階	2912	常開靜簧 片扭曲	超出試驗(yàn)條件，無試驗(yàn)數(shù)據(jù)
五階	4258	焊腳彎曲	超出試驗(yàn)條件，無試驗(yàn)數(shù)據(jù)
六階	6793	銜鐵彎曲	超出試驗(yàn)條件，無試驗(yàn)數(shù)據(jù)
七階	10912	支架擺動(dòng)(X軸向)	超出試驗(yàn)條件，無試驗(yàn)數(shù)據(jù)
八階	13125	外殼共振	超出試驗(yàn)條件，無試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖6 模態(tài)振型 

5 優(yōu)化方案的試驗(yàn)驗(yàn)證

通過采用有限元仿真軟件MSC.Patran/Nastran對(duì)電磁繼電器進(jìn)行模態(tài)分析，可以得出，支架剛性差及電磁繼電器整體的結(jié)構(gòu)剛性差是引起電磁繼電器諧振的主要影響因素。因此，決定將庫(kù)存的支架、阻尼簧 片、罩子零件按改進(jìn)措施進(jìn)行改制生產(chǎn)，并重新裝配樣品進(jìn)行正弦振動(dòng)摸底試驗(yàn)，具體的優(yōu)化改進(jìn)方案為：

a) 將阻尼簧 片厚度由0.2mm更改為0.35mm, 其余尺寸不變，見圖7。

b) 將原支架高度由14.8mm裁短至14.4mm, 具體改進(jìn)方案見圖8。

c) 將罩子內(nèi)腔的高度由30.7mm裁短至30.3mm, 具體改進(jìn)方案見圖9。

圖7 阻尼簧 片改進(jìn)前與改進(jìn)后 

圖8 支架改進(jìn)前與改進(jìn)后 

圖9 罩子改進(jìn)前與改進(jìn)后 

依據(jù)本文中提及的優(yōu)化改進(jìn)方案，對(duì)支架、阻尼簧 片、罩子進(jìn)行改制，并采用改進(jìn)后的新零件進(jìn)行樣品裝配及正弦振動(dòng)摸底試驗(yàn)，20只樣品中僅有1只產(chǎn)品失效，且該型號(hào)電磁繼電器改前后的振動(dòng)篩選合格率分別見表3、表4所示。

表3 改進(jìn)前某型號(hào)電磁繼電器振動(dòng)篩選淘汰率情況 導(dǎo)出到EXCEL

批次編號(hào)	190101	191101	累 計(jì)
交篩數(shù)(只)	200	450	650
振動(dòng)篩選淘汰數(shù)(只)	70	144	214
振動(dòng)篩選淘汰率	35%	32%	32.9%

表4 改進(jìn)后某型號(hào)電磁繼電器振動(dòng)篩選淘汰率情況 導(dǎo)出到EXCEL

批次編號(hào)	191201	191202	200101	200102	200501	累計(jì)
交篩數(shù)(只)	226	106	60	99	103	594
振動(dòng)篩選淘汰數(shù)(只)	15	8	5	2	2	32
振動(dòng)篩選淘汰率	6.64%	7.55%	8.33%	2.02%	1.94%	5.39%

6 結(jié)論

本文通過有限元仿真分析軟件MSC.Patran/Nastran針對(duì)某型號(hào)電磁繼電器進(jìn)行了有限元建模、模態(tài)分析，找出了影響電磁繼電器抗振性能的關(guān)鍵因素，確定了優(yōu)化改進(jìn)方案，并建立優(yōu)化后的電磁繼電器有限元模型，對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行模態(tài)分析，再通過摸底試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)方案的正確性和合理性。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳英華，任萬斌，翟國(guó)富.軍用密封電磁繼電器整機(jī)振動(dòng)特性仿真分析[J],低壓電器，2007.

[2] 史純義.用振動(dòng)排除法提高電磁繼電器振動(dòng)特性[J].機(jī)電元件，2009.

[3] 董繼文，任萬斌.安裝方式對(duì)航天電磁繼電器振動(dòng)特性的影響[J],機(jī)電元件，2009.

[4] 黃嬌英，胡振益，高成，吳榮榮.軍用電磁繼電器失效分析研究[J],現(xiàn)代電子技術(shù)，2013.

文章來源：機(jī)電元件