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        某型號(hào)電磁繼電器抗振性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)

        2022-08-31 00:30:00梁慧敏武江濤劉國(guó)蕊
        機(jī)電元件 2022年4期
        關(guān)鍵詞:模態(tài)有限元支架

        田 聰,梁慧敏,武江濤,劉國(guó)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(chǎng)對(duì)電磁繼電器可靠性的要求越來(lái)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(lái)模擬常閉靜簧片與動(dòng)簧片之間的相互作用力,見(jiàn)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(jiàn)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(lái)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(kāi)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(jiàn)表1。

        表1 繼電器模態(tài)分析結(jié)果

        通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(guò)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(guò)摸底試驗(yàn)驗(yàn)證了改進(jìn)方案的正確性和合理性。

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