田 聰，梁慧敏，武江濤，劉國蕊

（1.陜西群力電工有限責(zé)任公司，陜西寶雞，721300；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，軍用電器研究所，黑龍江哈爾濱，150001）

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。

圖1 繼電器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 繼電器有限元模型圖

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。

表1 繼電器模態(tài)分析結(jié)果

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。

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。

表2 改進(jìn)后的電磁繼電器模態(tài)分析結(jié)果

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。

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。

圖7 阻尼簧片改進(jìn)前與改進(jìn)后

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。

圖8 支架改進(jìn)前與改進(jìn)后

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

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

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。