朱 藝 青

(廈門宏發(fā)電聲股份有限公司, 福建 廈門 361021)

0 引 言

在設備自動化和數(shù)字化的發(fā)展趨勢下,家用電器、工業(yè)自動化控制和汽車電子等行業(yè)的需求使繼電器的市場規(guī)模和需求量不斷增長。繼電器作為使用小電流控制大電流的一種控制開關,廣泛應用在自動控制、機電一體化等電力設備中。對于繼電器生產(chǎn)企業(yè)來說,繼電器的優(yōu)化設計是影響繼電器研發(fā)技術發(fā)展和企業(yè)生產(chǎn)效益的重大問題。通過虛擬樣機技術,對產(chǎn)品進行優(yōu)化設計能夠縮短產(chǎn)品開發(fā)時間,提升設計效率。

針對繼電器的優(yōu)化設計研究可分為兩類[1],一類是通過分析繼電器結構原理和電磁系統(tǒng)工作原理對某部件結構尺寸的優(yōu)化[2]。朱藝青等[3]基于電磁系統(tǒng)的電磁吸力分析結構尺寸對電磁吸力的影響,優(yōu)化繼電器電磁系統(tǒng)結構。趙紫恩等[4]通過建立觸簧系統(tǒng)仿真模型并加以驗證,對繼電器觸簧系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。唐貴英等[5]通過試驗測試,調(diào)整繼電器機械和電氣參數(shù)提升繼電器穩(wěn)態(tài)加速度。繼電器彈跳可能導致觸頭磨損和熔焊[6],房雅琦等[7]通過實驗探究繼電器結構參數(shù)對觸點彈跳的影響。唐鈺杰等[8]結合三維仿真計算的方法,優(yōu)化設計繼電器觸點彈跳,解決壽命試驗過程中因金屬轉(zhuǎn)移造成的觸點粘接故障。邱廣庭等[9]通過仿真方式模擬彈簧參數(shù)對觸頭彈跳時間的影響,優(yōu)化設計電器彈簧參數(shù)。王其亞等[10]通過分析結構尺寸和反力特性確定磁保持繼電器的結構參數(shù)。另一類是通過試驗方式得出多種參數(shù)的最佳參數(shù)組合,實現(xiàn)產(chǎn)品優(yōu)化。施宏偉等[11]通過正交試驗方法對油阻尼斷路器進行優(yōu)化設計。鄧杰等[12]在繼電器動態(tài)特性仿真基礎上,利用正交試驗設計方法分析與銜鐵吸合時間相關的多種繼電器參數(shù),得出最優(yōu)參數(shù)設計方案,減小繼電器銜鐵吸合時間的分散性。王其亞等[13]通過正交試驗設計得出繼電器關鍵影響參數(shù),并提出了根據(jù)水平表、誤差范圍水平表、內(nèi)外設計、信噪比計算和方差分析的觸點分斷速度的優(yōu)化方法。采用正交試驗的分析方法能夠減少試驗次數(shù),提高試驗效率。蘇偉龍等[14]在正交試驗的基礎上對高壓直流繼電器進行優(yōu)化設計,通過磁場法分析得出了要優(yōu)化的變量,最終通過樣機試驗證明優(yōu)化結果的可靠性。

繼電器的電磁系統(tǒng)是驅(qū)動繼電器動作、保證繼電器可靠吸合的重要部件。繼電器電磁系統(tǒng)結構尺寸,將影響繼電器的吸合時間、磁路穩(wěn)定閉合時間和觸點接觸壓力。繼電器的吸合時間是指繼電器線圈通電至動靜觸點第一次接觸所需的時間[15]。繼電器的磁路穩(wěn)定閉合時間是從線圈得電至電磁系統(tǒng)運動結束的時間。吸合時間可以定量地描述觸點自由行程的變化情況,磁路穩(wěn)定閉合時間是判斷繼電器產(chǎn)品性能好壞的重要指標。在繼電器觸點閉合后,會出現(xiàn)觸點彈跳現(xiàn)象。通過增大觸點接觸壓力可以抑制觸點的振動,提高繼電器的穩(wěn)定性[16]。以上論文主要研究電磁系統(tǒng)鐵心和銜鐵的結構尺寸對繼電器吸合過程的影響情況。在實際的繼電器磁路中,除了銜鐵和鐵心之外還存在銜鐵與鐵心間的工作氣隙,氣隙過大會導致漏磁過多,電磁材料利用率不高,氣隙過小會導致銜鐵不易釋放,因此要綜合考慮磁路中工作氣隙長度對動態(tài)特性的影響。

本文結合繼電器動態(tài)特性仿真技術對繼電器吸合時間、磁路穩(wěn)定吸合時間和工作氣隙長度進行仿真優(yōu)化。首先分析結構參數(shù)對繼電器動態(tài)特性的影響,然后采用正交試驗設計方法進行參數(shù)組合試驗,最后分析試驗數(shù)據(jù)結果確定最佳參數(shù)組合[17],比較優(yōu)化前后的仿真結果,能夠提升繼電器產(chǎn)品性能,指導產(chǎn)品設計。

1 繼電器模型建立與驗證

1.1 繼電器三維模型

本文以小型直流電磁繼電器為研究對象。小型直流繼電器電磁系統(tǒng)三維模型如圖1所示。電磁系統(tǒng)主要由銜鐵、U型鐵心和線圈組成。線圈通電后,鐵心中產(chǎn)生勵磁磁場,在電磁吸力的驅(qū)動下,銜鐵向U型鐵心轉(zhuǎn)動,帶動推動卡,推動動觸點向常開靜觸點運動。推動卡推動動簧片,使動簧片產(chǎn)生形變,動簧片的彈力是阻礙銜鐵吸合的反力。隨著線圈電流的增大,銜鐵受到的電磁吸力不斷增大,當電磁吸力大于簧片形變產(chǎn)生的反力時,動觸點向常開靜觸點運動。在動觸點吸合的過程中,動簧片的形變增大,動簧片反力也不斷增大。當動觸點和常開靜觸點接觸時,銜鐵和鐵心未接觸,還有一定超程。超程的存在可以減小動靜觸點碰撞后的彈跳、增大觸點接觸壓力。直至銜鐵和鐵心穩(wěn)定接觸,繼電器吸合過程結束。從繼電器線圈得電至銜鐵和鐵心穩(wěn)定接觸所經(jīng)歷的時間是磁路穩(wěn)定閉合時間。當需要繼電器釋放時,撤去線圈勵磁電壓,電磁吸力消失,在動簧片反力的作用下動觸點和常開靜觸點分離。

圖1 小型直流繼電器電磁系統(tǒng)三維模型

根據(jù)繼電器的動作情況分析得出,要使繼電器可靠的吸合和釋放需要保證:

(1)動簧片最大變形產(chǎn)生的反力要小于穩(wěn)定狀態(tài)下勵磁電流產(chǎn)生的電磁吸力;

(2)動簧片的形變要在其材料的彈性范圍內(nèi);

(3)銜鐵和鐵心之間存在一定超程。

根據(jù)以上的三點,在勵磁電壓以及線圈尺寸、材料一定的情況下,勵磁電流穩(wěn)定時刻產(chǎn)生的電磁吸力是一定的。限制動簧片的最大反力需要控制動簧片的形變量,也即是動觸點的位移量。限制了動簧片形變,也同樣可以將動簧片的形變控制在其材料彈性范圍內(nèi),在繼電器結構中,與動觸點位移相關的結構參數(shù)包括觸點間隙、銜鐵初始角度和工作氣隙長度。

1.2 繼電器電磁系統(tǒng)模型

繼電器電磁系統(tǒng)通過勵磁線圈產(chǎn)生磁場,在銜鐵和鐵心間產(chǎn)生電磁吸力,根據(jù)麥克斯韋方程組建立繼電器電磁系統(tǒng)模型。

(1)電壓平衡方程:

(1)

式中:U——勵磁電壓;

R——線圈電阻;

i——電流;

ψ——磁鏈;

L——電感;

t——通電時間。

當銜鐵在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下發(fā)生轉(zhuǎn)動后,電壓平衡方程可改寫為

(2)

v——銜鐵運動速度;

x——銜鐵位移。

(2)電磁場方程組:三維電磁模型中的電磁轉(zhuǎn)矩由線圈勵磁磁場產(chǎn)生,根據(jù)麥克斯韋定律,時變電磁場控制方程為

(3)

式中:E——電場強度;

D——電通量密度;

H——磁場強度;

B——磁通量密度;

J——線圈電流密度;

ρ——電荷密度。

其中,

(4)

式中:ε——介質(zhì)介電常數(shù);

μ——磁導率;

σ——電導率。

電磁吸力通過虛位移法求解。假設物體在受力方向上發(fā)生微小“虛位移”,根據(jù)磁場能量、力之間的關系可求得電磁吸力,其表達式為

(5)

式中:A——磁矢位;

δ——虛位移;

V——體積。

1.3 繼電器運動模型

繼電器運動模型主要是描述繼電器觸頭、簧片、推動卡、銜鐵等部件在運動過程中運動參數(shù)的變化情況。采用拉格朗日描述增量法,基于質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律建立繼電器運動模型控制方程。

(1)動量方程為

(6)

式中:σij,j——節(jié)點j所受柯西應力;

fi——可動組件單位質(zhì)量體積力;

(2)質(zhì)量守恒方程為

(7)

式中:ρ——可動組件當前質(zhì)量密度;

ρ0——可動組件初始質(zhì)量密度;

V′——變形體變形前后的相對體積。

(3)能量方程為

(8)

Sij——偏應力;

p——壓力;

q——體積粘性阻力。

(4)初始條件為在繼電器開始動作時t=0,轉(zhuǎn)動銜鐵中某點坐標為Xa(a=1,2,3),在任意t時刻,該點坐標為xi(i=1,2,3),則t=0時

xi(Xa,t)=Xa

(9)

(10)

Vi——初始速度;

i=1,2,3——坐標系X、Y、Z三個方向。

(5)邊界條件為繼電器中的運動部件還要受到3個邊界條件的約束。

應力邊界條件為

σijnj|Ω=?b1=ti(t)

(11)

位移邊界條件為

xi(Xa,t)|Ω=?b2=Di(t)

(12)

接觸邊界條件為

(13)

式中:ti——面力載荷;

nj——邊界外法向余弦;

Di——給定的位移函數(shù)。

由3個運動模型控制方程組成偏微分方程組,結合繼電器運動過程的初始條件和邊界條件,采用Galerkin法確定單元特性,建立有限元求解方程。經(jīng)過單元計算并考慮摩擦的影響整理得到任意t時刻系統(tǒng)的平衡方程為

(14)

式中:x——位移;

M——質(zhì)量矩陣;

P——載荷矩陣,由單元節(jié)點的載荷、接觸力、摩擦力等形成;

F——單元應力場的等效節(jié)點力矢量組集而成;

B——應變位移矩陣;

σ——柯西應力矢量。

計算F時,柯西應力矢量σ根據(jù)材料本構關系得出。不考慮材料失效,在材料應力不超過屈服極限時,由胡克定律形變得

σij=cijklεkl

(15)

式中:cijkl——材料彈性常數(shù);

k、l——縮并運算的啞標。

為了描述繼電器運動過程中各個部件接觸碰撞的相互作用,避免出現(xiàn)接觸穿透,計算接觸面作用力,引入對稱罰函數(shù)法計算部件碰撞接觸過程。在可能發(fā)生接觸的物體表面設置接觸關系。在每一時步內(nèi)檢查從面節(jié)點是否穿透主面、主面節(jié)點是否穿透從面,若穿透則在穿透面之間引入界面接觸力,接觸力大小與穿透深度和穿透面剛度成正比。

設tn時刻摩擦力為Fn,則tn+1時刻可能產(chǎn)生的摩擦力F*為

F*=Fn-kΔe

(16)

式中:k——接觸面剛度;

Δe——節(jié)點位移增量。

tn+1時刻可能產(chǎn)生的摩擦力Fn+1為

Fy=μ|fs|

(17)

式中:Fy——最大摩擦力;

μ——摩擦系數(shù);

fs——接觸面間法向接觸力,即罰函數(shù)。

其中,

fs=-l·ki·ni

(18)

式中:l——穿透深度;

ni——接觸點處單元外向法線單位矢量;

ki——接觸單元剛度因子;

Ai、Ki、Vi——接觸單元的面積、體積模量和體積;

f——罰因子。

接觸面摩擦系數(shù)使用企業(yè)技術參數(shù)。

1.4 實驗驗證

將建立的繼電器電磁系統(tǒng)模型和運動模型通過電磁轉(zhuǎn)矩和銜鐵轉(zhuǎn)速耦合在同一時間域內(nèi),實現(xiàn)繼電器的動態(tài)特性仿真。為了驗證仿真模型的可靠性,利用直流電壓源、示波器測試樣機線圈吸合過程電流波形,與仿真結果對比。線圈實測與仿真電流曲線如圖2所示。

圖2 線圈實測與仿真電流曲線

根據(jù)線圈電壓平衡方程,在oa段,線圈接通電壓,電流按指數(shù)規(guī)律增長,當電磁吸力大于簧片反力時,銜鐵帶動觸點運動,隨著速度逐漸增大,電流變化率不斷減小,變化至負值;a點為動靜觸點接觸,動觸點速度降至0,銜鐵受到的電磁吸力不大于簧片反力,因此出現(xiàn)了銜鐵速度為0的情況,此時運動反電動勢為0。a點后ab段,電流繼續(xù)增大,電磁吸力大于反力,銜鐵轉(zhuǎn)速從0開始增大,電流變化率再次減小至負;b點處銜鐵與鐵心接觸,銜鐵速度降為0,運動反電動勢消失,之后電流按指數(shù)規(guī)律增長至穩(wěn)定值。

由圖2可見,實測和仿真重合度較高。仿真吸合時間為5.2 ms、磁路穩(wěn)定閉合時間為8.8 ms,實驗測得吸合時間為5.8 ms、磁路穩(wěn)定閉合時間為8.6 ms,因此該仿真模型能夠較好地模擬繼電器的實際工作情況。

2 結構參數(shù)對繼電器電氣特性的影響

繼電器線圈尺寸和材料一定時,繼電器結構尺寸將影響繼電器的動作特性和工作可靠性等電氣特性。繼電器二維結構圖如圖3所示。d為觸點間隙,l為銜鐵總行程,包含觸點間隙和超程。

圖3 繼電器二維結構圖

2.1 觸點間隙對電氣特性的影響

當d變化時,調(diào)節(jié)推動卡長度,保持l不變,l=d+超程,d越小超程越大。超程是動靜觸頭接觸后,銜鐵和鐵心未接觸,銜鐵繼續(xù)運動的行程。本文研究的繼電器靜簧片較厚,固定在繼電器外殼上,在繼電器正常工作狀態(tài)下幾乎不會出現(xiàn)形變和位移,可看作剛體。當銜鐵動作在超程范圍時,靜簧片形狀不變,隨著銜鐵逐漸向鐵心運動,厚度較薄的動簧片將產(chǎn)生形變,銜鐵同時受到電磁吸力和動簧片形變反力的作用。當觸點間隙d較大時,超程較小,銜鐵超程導致動簧片產(chǎn)生的形變量小,受到的動簧片形變反力小,運動速度快;反之當觸點間隙d較小時,銜鐵超程較大,會導致動簧片產(chǎn)生較大的形變量,簧片形變越大銜鐵受到的反力越大,磁路穩(wěn)定閉合時間越長。不同的超程使動簧片產(chǎn)生的形變不同,將影響繼電器的磁路穩(wěn)定閉合時間。

不同觸點間隙對繼電器電氣特性的影響如圖4所示。

圖4 不同觸點間隙對繼電器電氣特性的影響

由圖4分析可得,隨觸點間隙d的增大,觸點吸合時間增大;隨著觸點間隙增大,超程距離隨之減小,傳動機構對動簧片產(chǎn)生的形變減小,簧片反力減小,繼電器磁路穩(wěn)定閉合時間和觸點接觸壓力都隨之減小。

2.2 銜鐵初始角度對電氣特性的影響

由圖3可得,銜鐵初始角度變化時,通過調(diào)節(jié)推動卡長度保持觸點間隙d為定值,l=d+超程。不同銜鐵初始角度對繼電器電氣特性的影響如圖5所示。

圖5 不同銜鐵初始角度對繼電器電氣特性的影響

由圖5分析可知,隨銜鐵初始角度增大,超程不斷增大,動簧片形變增大,簧片反力增大,繼電器磁路穩(wěn)定閉合時間和觸點接觸壓力都隨之增大;觸點間隙d不變,動觸點運動行程不變,但由于初始角度增大,鐵心和銜鐵間氣隙增大,電磁吸力減小,所以吸合時間隨銜鐵初始角度增大略有增大。

2.3 工作氣隙對電氣特性的影響

為匹配繼電器的釋放電壓,在繼電器銜鐵與鐵心接觸位置上設置一個凸起的釋放苞,導致銜鐵與鐵心閉合時存在一定的縫隙,形成電磁回路的工作氣隙。繼電器電磁系統(tǒng)等效磁路圖如圖6所示。

圖6 繼電器電磁系統(tǒng)等效磁路圖

根據(jù)麥克斯韋電磁力計算公式:

(19)

(20)

式中:F′——電磁力;

φ——通過氣隙的磁通;

A——鐵心橫截面積;

μ0——真空磁導率;

F——線圈磁勢;

Rx——銜鐵等效磁阻;

Rδ——氣隙等效磁阻;

Rt——鐵心等效磁阻。

由于“釋放苞”的存在,氣隙磁阻增大,磁通減小,銜鐵受到的電磁吸力減小。為了保證繼電器的可靠釋放,減小釋放時間,在磁路中加入一定的工作氣隙,使電磁吸力迅速降至小于反力的范圍。不同工作氣隙對繼電器電氣特性的影響如圖7所示。

圖7 不同工作氣隙對繼電器電氣特性的影響

由圖7分析可知,工作氣隙的大小對繼電器吸合時間和磁路穩(wěn)定閉合時間基本無影響。隨著工作氣隙的增大,繼電器觸點接觸壓力減小。

3 繼電器結構參數(shù)正交試驗設計

由第2節(jié)可知,觸點間隙、銜鐵初始角度和工作氣隙長度對繼電器吸合時間、磁路穩(wěn)定閉合時間和銜鐵接觸力的影響規(guī)律不一致。當綜合考慮三者的影響時,無法確定三者的取值。因此,在繼電器產(chǎn)品設計中選取3種參數(shù)的不同組合通過仿真試驗預先判斷繼電器性能,可以免去開模制作再驗證的設計流程。優(yōu)化目標是在保持觸頭可靠接觸的前提下,減小繼電器磁路穩(wěn)定閉合時間。3種參數(shù)的組合方式選用正交試驗方法。正交試驗設計是研究多因素多水平的一種設計方法,依據(jù)Galois理論從全面試驗中挑選出部分具有代表性的水平組合進行試驗,并對結果進行分析找出最優(yōu)的水平組合,以少數(shù)的仿真次數(shù)達到與多次仿真相同的參數(shù)結果,快速高效地實現(xiàn)對繼電器結構的優(yōu)化設計[18]。

3.1 可控因素水平表設計

將觸點間隙、銜鐵初始角度和工作氣隙長度作為正交試驗因素,分別用A、B、C表示。根據(jù)第2節(jié)分析得出的3種因素對繼電器動態(tài)特性的影響,相比于磁路穩(wěn)定閉合時間和觸頭接觸壓力,繼電器吸合時間受三種因素影響較小。通過觀察第2節(jié)中15組仿真實驗可知,吸合時間的變化量較小。盡管3種因素對吸合時間存在影響,但較小的指標變化量不能十分直觀地體現(xiàn)出試驗因素的影響。因此,為了提升優(yōu)化效率、避免分析數(shù)據(jù)時對其他指標造成干擾,選擇受因素影響程度較大、變化明顯的磁路穩(wěn)定閉合時間和觸點接觸壓力作為試驗指標。每個因素選用4水平,建立L16(43)正交試驗表。可控因素水平如表1所示;正交試驗如表2所示。

表1 可控因素水平

表2 正交試驗

3.2 方差分析

單因素作用下兩種評價指標的方差分析p值柱狀圖如圖8所示。p值反映因素對評價指標是否產(chǎn)生差異性。在因素的不同取值下,若指標有顯著性差異則表示該因素與指標之間的相關性較強,因素對指標的影響較大。通常以p=0.05作為判斷差異性的閾值,當p<0.05時,表示存在顯著性差異[19]。

圖8 單因素作用下兩種評價指標的方差分析數(shù)據(jù)p值柱狀圖

由圖8數(shù)據(jù)可得,觸點間隙長度和工作氣隙長度的p值大于0.05,二者對觸點接觸壓力和磁路穩(wěn)定閉合時間均未表現(xiàn)出顯著性差異,對接觸壓力和磁路穩(wěn)定時間的影響較小;銜鐵初始角度的p值小于0.05,對觸點接觸壓力和磁路穩(wěn)定閉合時間均表現(xiàn)出顯著性差異,銜鐵初始角度是影響觸點接觸壓力和磁路穩(wěn)定閉合時間的重要因素。

3種因素共同作用下不同評價指標的方差分析p值柱狀圖分別如圖9、圖10所示。由圖9和圖10可見,3種因素共同作用下,銜鐵初始角度p值較低,在3種因素中對指標的影響最大。銜鐵初始角度對觸點接觸壓力和磁路穩(wěn)定閉合時間均有顯著的影響,與單因素分析結果一致。多因素方差分析數(shù)據(jù)R2如表3所示。由表3數(shù)據(jù)可知,指標為接觸壓力時模型R2為0.746 8,意味著在所有影響觸點接觸壓力的因素中觸點間隙、銜鐵初始角度和工作氣隙長度的影響占74.68%;指標為磁路穩(wěn)定閉合時間時模型R2值為0.846 9,意味著在所有影響磁路穩(wěn)定閉合時間的因素中觸點間隙、銜鐵初始角度和工作氣隙長度的影響占84.69%。

圖9 3種因素共同作用下接觸壓力方差分析p值柱狀圖

圖10 3種因素共同作用下磁路穩(wěn)定閉合時間方差分析p值柱狀圖

表3 多因素方差分析數(shù)據(jù)R2

3.3 極差分析

極差分析可用于研究正交試驗數(shù)據(jù),包括因素間的優(yōu)勢或因素間具體水平的優(yōu)劣。接觸壓力和磁路穩(wěn)定閉合時間評價指標下三因素極差分析K均值分別如圖11、圖12所示。K值是對某因素某水平時的試驗數(shù)據(jù)求和,K均值是對K值再求平均,K均值越大,對應的評價指標取值越大。因素極差值R如表4所示。極差值越大,因素對評價指標的影響程度越大。

圖11 接觸壓力評價指標下三因素極差分析K均值

圖12 磁路穩(wěn)定閉合時間評價指標下三因素極差分析K均值

表4 因素極差值R

由表4數(shù)據(jù)可知,影響觸點接觸壓力程度由大到小依次為B、A、C;影響磁路穩(wěn)定閉合時間程度由大到小依次為B、C、A。由方差分析可知,銜鐵初始角度對觸點接觸壓力和磁路穩(wěn)定閉合時間的影響顯著,因此銜鐵初始角度是觸點接觸壓力和磁路穩(wěn)定閉合時間的關鍵調(diào)整參數(shù)。

3.4 最佳調(diào)整參數(shù)的確定

當目標為觸點接觸壓力時,由表1知,因素A應取2水平,因素B應取4水平,因素C應取3水平;當目標為磁路穩(wěn)定閉合時間時,因素A應取3水平,因素B應取1水平,因素C應取3水平。由圖11、圖12可知,因素A對觸點接觸壓力的影響程度更大,因此因素A選擇2水平,因素C選擇3水平。由圖5數(shù)據(jù)可知,在不同銜鐵初始角度的影響下,從水平1～水平3兩個水平間磁路穩(wěn)定閉合時間變化了44.26%,從水平3～水平4單個水平磁路穩(wěn)定閉合時間變化了46.59%,因此將B因素水平范圍縮小為水平1～水平3。綜合考慮觸點接觸壓力和磁路穩(wěn)定閉合時間兩個評價指標,即要保證接觸壓力較大,同時保證磁路穩(wěn)定閉合時間較短,因素B應取水平2。綜上,最佳調(diào)整參數(shù)為觸點間隙0.45 mm,銜鐵初始角度6.05°,工作氣隙長度0.05 mm。

對最佳調(diào)整參數(shù)進行仿真并與原始參數(shù)對比。優(yōu)化結果對比如表5所示。

表5 優(yōu)化結果對比

由表5數(shù)據(jù)分析可知,經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后,相比于原始參數(shù),繼電器的觸點接觸壓力減小了1.17%,繼電器磁路穩(wěn)定閉合時間縮短了12.5%。經(jīng)過優(yōu)化后的繼電器接觸壓力略有減小,但較大地縮短了繼電器的磁路穩(wěn)定閉合時間。由于在正交試驗中水平的取值有限,不能對范圍內(nèi)的所有參數(shù)一一取值,因此本文得到的最佳調(diào)整參數(shù)僅是已有水平下的最佳值。在該最佳值的較小鄰域內(nèi)重復使用正交試驗方法可以進一步精確最佳調(diào)整參數(shù)值,使其不斷趨近最佳調(diào)整參數(shù)。

4 結 語

(1)通過仿真模型還原繼電器的實際狀態(tài),并以樣機進行實驗驗證。分析繼電器的運動狀態(tài),得出影響繼電器動態(tài)特性的影響因素:觸點間隙、銜鐵初始角度和工作氣隙長度。

(2)借助仿真模型探究不同結構參數(shù)對繼電器吸合時間、觸點接觸壓力和磁路穩(wěn)定閉合時間的影響規(guī)律。繼電器吸合時間隨參數(shù)變化僅有微小改變;觸點接觸壓力和磁路穩(wěn)定閉合時間受觸點間隙、銜鐵初始角度和工作氣隙長度影響明顯。

(3)建立三因素四水平正交試驗表,在少量試驗次數(shù)內(nèi)找出三因素的最佳組合方式。計算試驗結果的方差和極差,分析得出銜鐵初始角度對觸點接觸力和穩(wěn)定吸合時間有顯著影響。綜合考慮參數(shù)對動態(tài)特性的影響和正交試驗結果,得出參數(shù)最佳組合。

(4)對比優(yōu)化前后數(shù)據(jù),繼電器的觸點接觸壓力減小了1.17%,磁路穩(wěn)定閉合時間縮短了12.5%?；诜抡婧驼辉囼灥慕Y構優(yōu)化方式可以為繼電器生產(chǎn)設計提供理論依據(jù),具有一定的生產(chǎn)價值。