王玨 姜姍 由佳欣

關(guān)鍵詞：電磁繼電器，質(zhì)量一致性，評價方法，數(shù)字模型

0 引言

電磁繼電器作為一種傳遞信號的電子元器件，根據(jù)特定形式的輸入信號轉(zhuǎn)變?yōu)槠溆|點開合狀態(tài)，在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)保護(hù)、生產(chǎn)過程自動化及各類自動、遠(yuǎn)動、遙控、遙測和通訊等自動化控制電路中，是現(xiàn)代自動化系統(tǒng)中最基本的元器件之一。電磁繼電器的結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，不僅包括電路部分、磁路部分，還包含機(jī)械反力部分，同時電磁繼電器的加工工藝繁瑣、裝配工序要求高，針對傳統(tǒng)的電磁繼電器研制和生產(chǎn)過程的質(zhì)量一致性評價基本是依靠對最終繼電器產(chǎn)品的測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計而得出，需進(jìn)行多批量、反復(fù)生產(chǎn)調(diào)試才能實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量一致性的提高，這使得生產(chǎn)單位在提高繼電器質(zhì)量一致性同時需要付出高成本、長周期的代價，與現(xiàn)代企業(yè)管理的理念相違背。

由于反映電磁繼電器產(chǎn)品質(zhì)量的性能指標(biāo)很多，且不同質(zhì)量特性之間可能存在交互制約關(guān)系，因此電磁繼電器產(chǎn)品的一致性評價結(jié)果是需要通過大量樣品的測試與統(tǒng)計分析來確定的[1]。對于不同使用環(huán)境的特定應(yīng)用模式，需要針對不同性能組合，對整體質(zhì)量一致性進(jìn)行綜合評價。但實踐過程中，由于繼電器樣品有限，測試結(jié)果有限，造成生產(chǎn)方與使用方對于測試樣品數(shù)量、測試參數(shù)與指標(biāo)、測試數(shù)據(jù)處理方法均存在較大分歧，加之使用不同的分布類型進(jìn)行評估，一致性評價結(jié)論相差懸殊，未能形成共同認(rèn)可的評價結(jié)果[2]。

在國家產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整向高質(zhì)量發(fā)展的背景下，繼電器行業(yè)越來越關(guān)注如何科學(xué)評價繼電器產(chǎn)品的質(zhì)量一致性，為此開展了提高繼電器質(zhì)量一致性評價方法的研究。

1 電磁繼電器批次產(chǎn)品質(zhì)量一致性評價流程研究

基于對繼電器生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)調(diào)研，結(jié)合繼電器產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品改進(jìn)、工藝流程信息等，根據(jù)理論基礎(chǔ)與在繼電器實際產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的工程實踐經(jīng)驗，按照繼電器在設(shè)計、初樣試制、批量生產(chǎn)等不同設(shè)計生產(chǎn)階段劃分為：基于數(shù)字樣機(jī)的電磁繼電器批次產(chǎn)品質(zhì)量一致性評價、基于制造工序數(shù)據(jù)和數(shù)字樣機(jī)的電磁繼電器批次產(chǎn)品質(zhì)量一致性評價以及基于批量產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)的電磁繼電器批次產(chǎn)品質(zhì)量一致性評價3種評價流程。

1.1 基于數(shù)字樣機(jī)的繼電器批次產(chǎn)品質(zhì)量一致性評價

在繼電器產(chǎn)品的設(shè)計階段，對新設(shè)計產(chǎn)品、無實物樣機(jī)，可采取基于數(shù)字樣機(jī)的繼電器批次產(chǎn)品質(zhì)量一致性評價流程。如圖1所示為基于數(shù)字樣機(jī)的繼電器批次產(chǎn)品質(zhì)量一致性評價流程，首先進(jìn)行設(shè)計文件、零件清單和物料規(guī)格書等設(shè)計信息的收集，該信息用于建立數(shù)字樣機(jī)模型；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行質(zhì)量特性分析，計算合格率；針對所評價的質(zhì)量特性，計算均值、方差與標(biāo)準(zhǔn)差，對產(chǎn)品參數(shù)的一致性水平進(jìn)行評價。

1.2 基于制造工序數(shù)據(jù)和數(shù)字樣機(jī)的繼電器批次產(chǎn)品質(zhì)量一致性評價

在繼電器產(chǎn)品的新設(shè)計階段或改進(jìn)設(shè)計產(chǎn)品階段，已生產(chǎn)出產(chǎn)品初樣，可采取基于制造工序數(shù)據(jù)和數(shù)字樣機(jī)的繼電器批次產(chǎn)品質(zhì)量一致性評價流程。如圖2所示為基于制造工序數(shù)據(jù)和數(shù)字樣機(jī)的繼電器批次產(chǎn)品質(zhì)量一致性評價流程，首先進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計文件、生產(chǎn)工藝文件、零件清單和物料規(guī)格書等設(shè)計信息及制造工序數(shù)據(jù)的收集，該信息用于建立數(shù)字樣機(jī)模型；建模后用樣機(jī)測試數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行修正，數(shù)字樣機(jī)模型計算精度滿足評價要求后，進(jìn)行質(zhì)量特性分析，計算合格率；針對所評價的質(zhì)量特性，計算均值、方差與標(biāo)準(zhǔn)差，對產(chǎn)品參數(shù)的一致性水平進(jìn)行評價。

1.3 基于批次產(chǎn)品的繼電器批次產(chǎn)品質(zhì)量一致性評價

在繼電器產(chǎn)品進(jìn)入批產(chǎn)階段，可采取基于批次產(chǎn)品的繼電器批次產(chǎn)品質(zhì)量一致性評價流程。如圖3所示為基于批次產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)的繼電器批次產(chǎn)品質(zhì)量一致性評價流程，在批次產(chǎn)品中，按照相關(guān)的失效率抽樣方案和程序標(biāo)準(zhǔn)的要求選取一定數(shù)量的樣本進(jìn)行質(zhì)量特性試驗測試，收集試驗數(shù)據(jù)，進(jìn)行質(zhì)量特性分析，計算合格率；計算所評價的質(zhì)量特性的均值、方差與標(biāo)準(zhǔn)差，對產(chǎn)品參數(shù)的一致性水平進(jìn)行評價。

2 電磁繼電器一致性評價流程驗證

質(zhì)量一致性評價流程的合理性需要在實際產(chǎn)品上進(jìn)行驗證。由于第一種、第三種狀態(tài)的繼電器質(zhì)量一致性評價流程相對明確，在繼電器生產(chǎn)廠家及設(shè)計單位已運用，因此并不需要特別驗證。本文主要針對第二種情況下的質(zhì)量一致性評價流程，結(jié)合實際應(yīng)用，在產(chǎn)品實例中進(jìn)行分析與操作，驗證評價流程的合理性及有效性。

電磁繼電器處于產(chǎn)品改進(jìn)階段，符合第二種條件所規(guī)定的評價情況。針對上述第二種電磁繼電器一致性評價流程，依據(jù)圖2的流程，選取某型號平衡力式電磁繼電器進(jìn)行實際操作，結(jié)合多場耦合計算及快速計算模型，在性能參數(shù)質(zhì)量特性分布的基礎(chǔ)上[3]，對產(chǎn)品示例驗證評價方法的有效性。

2.1 設(shè)計及制造工序數(shù)據(jù)采集

首先分析所選取的典型繼電器產(chǎn)品工藝流程，詳細(xì)裝配流程如圖4所示。

裝配過程出現(xiàn)的一些可能影響產(chǎn)品質(zhì)量一致性的潛在問題，是在質(zhì)量一致性評價建模過程以及后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量一致性優(yōu)化改進(jìn)過程中需要注意的。以釋放軛鐵極面長度與軛鐵組合極面間距為例，分別對零件與裝配尺寸、性能采樣及數(shù)據(jù)分析進(jìn)行說明。

（1）釋放軛鐵極面長度。釋放軛鐵尺寸以及實測尺寸分布如圖5所示。釋放軛鐵極面長度的切削可增加銜鐵保持力。釋放軛鐵極面切削后截面長度為5.14±0.02mm，實測釋放軛鐵極面長度波動范圍為0.11mm，超出控制公差范圍。后續(xù)使用蒙特卡洛方法生成數(shù)組時，該公差將被適當(dāng)放大至±0.05mm，實際產(chǎn)品制作時則需要提高這一尺寸的加工精度或者對現(xiàn)有零件進(jìn)行嚴(yán)格篩選。

（2）軛鐵組合極面間距。裝調(diào)過程的旋鉚環(huán)節(jié)中，軛鐵組合中極面間距有公差尺寸標(biāo)注，如圖6所示。軛鐵組合極面間距與最終電磁系統(tǒng)的磁間隙大小密切相關(guān)，特別是釋放軛鐵與動作軛鐵極面間的平行程度直接影響銜鐵與軛鐵的接觸形式與接觸位置，從而影響電磁系統(tǒng)吸力特性。通過實測鉚接完后的軛鐵組合極面間距，實測數(shù)據(jù)上下限范圍較寬，達(dá)到了1.90～2.18mm，但公差范圍內(nèi)零件占比超過80%。后續(xù)計算中保持原公差，產(chǎn)品生產(chǎn)時將進(jìn)行控制或篩選。產(chǎn)品尺寸和電參數(shù)數(shù)據(jù)的采集都將為一致性設(shè)計評價過程中的數(shù)字樣機(jī)模型提供基礎(chǔ)模型修正數(shù)據(jù)以及過程工序參數(shù)參考數(shù)據(jù)。

2.2 數(shù)字樣機(jī)模型建立

在前期測試與工藝數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分別建立繼電器CAD模型、靜態(tài)特性數(shù)字樣機(jī)模型、動態(tài)特性數(shù)字樣機(jī)模型以及力學(xué)計算有限元模型，并在此基礎(chǔ)上建立快速計算模型，對質(zhì)量特性（共振頻率）進(jìn)行一致性評價，驗證評價結(jié)果。

（1）靜態(tài)特性數(shù)字樣機(jī)模型。建立繼電器數(shù)字樣機(jī)模型，將UG所建的電磁系統(tǒng)模型導(dǎo)入有限元分析軟件中（本校驗過程中使用的是AltairFlux），得到電磁系統(tǒng)仿真模型。進(jìn)行相關(guān)靜態(tài)特性數(shù)字樣機(jī)模型設(shè)置，對模型進(jìn)行有限元分網(wǎng)與邊界條件設(shè)置，得到有限元模型。

（2）動態(tài)特性數(shù)字樣機(jī)模型。建立動態(tài)特性數(shù)字樣機(jī)模型，首先需要對繼電器中的動簧片和U型簧等彈性元件，建立柔性體模型，組成基礎(chǔ)的反力系統(tǒng)。利用ADAMS建立反力整機(jī)模型，通過反力整機(jī)模型可計算靜觸點壓力、動觸點壓力等系統(tǒng)反力。根據(jù)裝配條件可以建立各個模型部件之間的約束條件。在施加恒定轉(zhuǎn)矩后，通過測量觸點間的壓力并與實際產(chǎn)品的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較來最終確定靜觸點的位置[4]。在MATLAB中建立動態(tài)特性Simulink控制框圖。通過電磁特性數(shù)據(jù)表和動力學(xué)模型的數(shù)據(jù)交換，得到繼電器動態(tài)輸出特性[5]。輸出結(jié)果包括線圈電壓、電磁轉(zhuǎn)矩、銜鐵角速度、銜鐵轉(zhuǎn)角、靜合觸點壓力、動合觸點壓力等隨時間變化數(shù)據(jù)。

（3）力學(xué)特性數(shù)字樣機(jī)模型?；诶^電器CAD模型，導(dǎo)入ANSYS Workbench中并進(jìn)行參數(shù)化處理，進(jìn)行分網(wǎng)、設(shè)置邊界條件、設(shè)置材料屬性等前處理操作，搭建模態(tài)分析和頻率響應(yīng)分析的功能模塊。在系統(tǒng)吸力與反力計算的基礎(chǔ)上，對繼電器的各零部件賦材料屬性，并對每個部件進(jìn)行分網(wǎng)，模型中體分網(wǎng)盡可能采用六面體單元。其中，結(jié)合工藝考慮，各零部件之間的點焊及鉚接均采用Contact中Bonded模擬實現(xiàn)，認(rèn)為零部件間接觸位置沒有相對運動。銜鐵轉(zhuǎn)動則是通過Joint中Revolute進(jìn)行模型等效，認(rèn)為零部件間存在無摩擦轉(zhuǎn)動。最終可以得出繼電器整機(jī)有限元模型。ANSYS軟件通過將剛度與質(zhì)量等進(jìn)行解耦，得到每一個子系統(tǒng)的模態(tài)，并將其進(jìn)行疊加整合，從而得到整個系統(tǒng)的模態(tài)。

2.3 樣機(jī)測試數(shù)據(jù)修正

將繼電器靜態(tài)、動態(tài)與力學(xué)仿真模型與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并針對性地修正模型。對于靜態(tài)仿真模型精度驗證，可采用吸反力測試儀進(jìn)行測試并獲取繼電器吸合電壓、釋放電壓以及額定電壓下的吸力曲線，利用靜態(tài)特性數(shù)字樣機(jī)模型仿真得到繼電器靜態(tài)特性數(shù)據(jù)并與實際測試結(jié)果進(jìn)行對比驗證。

對于動態(tài)仿真模型，主要通過測試觸點壓力與動態(tài)特性數(shù)字樣機(jī)模型仿真結(jié)果進(jìn)行對比驗證，以該產(chǎn)品為例，其觸點壓力的仿真與實測部分?jǐn)?shù)據(jù)對比數(shù)據(jù)見表1。

可以看出，數(shù)字樣機(jī)仿真模型與實測結(jié)果基本一致，可以作為一致性評價快速計算模型的基礎(chǔ)。對于力學(xué)特性模型，則可以通過力學(xué)特性數(shù)字樣機(jī)模型仿真計算得到繼電器的共振頻率與實測繼電器失效頻率進(jìn)行對比驗證。以該產(chǎn)品為例，計算出繼電器的共振頻率為2717.3Hz，試驗失效頻段2600～2800Hz，與試驗分析結(jié)果相同，由此可以判斷力學(xué)特性數(shù)字樣機(jī)模型的準(zhǔn)確性。

2.4 質(zhì)量特性計算

基于上述數(shù)字樣機(jī)模型，以共振頻率為例，對繼電器待評價的質(zhì)量特性進(jìn)行計算，計算繼電器各階共振模態(tài)，計算結(jié)果見表2。

通過試驗分析，產(chǎn)品失效模式為側(cè)板帶動電磁組件向Z向運動導(dǎo)致的動靜觸點分離，提取該階振型。

2.5 質(zhì)量一致性計算

基于繼電器數(shù)字樣機(jī)模型計算的質(zhì)量特性數(shù)據(jù)，通過Kriging快速計算方法構(gòu)建合理的快速計算模型。Kriging插值方法又稱為空間局部插值方法，是以變異函數(shù)為核心的對求解區(qū)域內(nèi)的變量進(jìn)行無偏最優(yōu)估計的方法[6]。無偏是指其估計值的期望為0，最優(yōu)是指其誤差平方和最小。對于具有空間相關(guān)性的輸入輸出變量，可通過該方法進(jìn)行內(nèi)插和外推來預(yù)測其輸出響應(yīng)[7]，其數(shù)學(xué)表示形式如下：

本驗證實例中，快速計算模型首先基于Matlab中編寫完成的Kriging接口程序進(jìn)行優(yōu)化建模，通過dacefit函數(shù)構(gòu)建建模6輸入1輸出數(shù)據(jù)樣本，編寫迭代程序，多次訓(xùn)練并改進(jìn)θ值提高其建模精度，通過predictor函數(shù)實現(xiàn)模型的預(yù)測功能[8]。

通過均方根誤差（RMSE）大小表征兩種抽樣方法的建模精度，均方根誤差值越小，表示建模越準(zhǔn)確，可信度越高。其計算公式如下：

其中，n 為樣本量大小，y i為有限元仿真結(jié)果， 為近似模型的預(yù)測值。通過該公式評估計算模型準(zhǔn)確度，直至達(dá)到精度要求，完成快速計算模型建立。

2.6 質(zhì)量一致性評價結(jié)果分析

基于快速計算模型，采用蒙特卡羅方法分別構(gòu)建容差優(yōu)化分配前后各1000組數(shù)字樣本，針對質(zhì)量一致性進(jìn)行分析與對比，驗證一致性評價結(jié)果的正確性。

由圖8 可知， 產(chǎn)品共振失效頻率集中在2600～2800Hz，均值為2690Hz，蒙特卡羅方法構(gòu)建的批產(chǎn)品數(shù)字樣本與實測結(jié)果基本一致，驗證了質(zhì)量一致性評估方法的正確性。

3 結(jié)語

本文按照電磁繼電器在設(shè)計階段、初樣試制、批量生產(chǎn)等不同階段，歸納總結(jié)了繼電器質(zhì)量一致性評價的3種基本流程，針對實際操作中可能會遇到問題的第二種基本流程，對其中涉及的工序數(shù)據(jù)采集、數(shù)字樣機(jī)建模步驟、快速計算模型建模方法、主要因素影響等進(jìn)行了分析。以典型平衡力式電磁繼電器為例，對典型電磁繼電器的設(shè)計、初樣、批量生產(chǎn)全過程分析，按照繼電器質(zhì)量一致性評價流程實施評價，建立了繼電器的靜態(tài)特性數(shù)字樣機(jī)模型、動態(tài)特性數(shù)字樣機(jī)模型及力學(xué)特性數(shù)字樣機(jī)模型，在此基礎(chǔ)上基于Kriging建立了快速計算模型并對共振頻率這一質(zhì)量特性為典型參數(shù)進(jìn)行了質(zhì)量一致性分析計算，最后驗證了評估過程的正確性，為后續(xù)電磁繼電器質(zhì)量一致性的評價方法的實施提供了參考范例。