某型号电磁继电器抗振性优化设计

摘 要：本文首先采用有限元分析软件MSC.Patran建立了电磁继电器的有限元模型，随后采用MSC.Nastran软件完成了电磁继电器的模态分析。最后，针对影响电磁继电器抗振性能的关键因素进行优化设计，通过摸底试验验证优化方案的正确性及分析的合理性。所得结论对于同类型的平衡旋转式电磁继电器抗振性能的提高具有借鉴价值。

关键词：电磁继电器;仿真;模态;

1 引言

随着电磁继电器应用领域的不断扩大以及市场对电磁继 电器可靠性的要求越来越高，研究电磁继电器的抗振性能，并结合失效模式和失效机理，确定影响抗振性能的关键因素。

本文采用有限元仿真分析软件MSC.Patran/Nastran进行振动特性分析，对某型号电磁继电器建立有限模型。通过模态分析可得到该型号电磁继电器的固有频率和振型，依据模态分析，在电磁继电器装配中采取相应的解决措施，可以避免电磁继电器正弦振动试验及使用中发生共振。

2 电磁继电器有限元模型的建立

本文以某型号电磁继电器为分析对象，该电磁继电器由22种零件组成，电磁继电器内部结构几何模型见图1。在有限元分析软件MSC.Patran下采用手动分网的方法构建电磁继电器整机有限元模型，见图2。图2所建立的电磁继电器模型共有142847个节点和76321个单元。

构建有限元模型时，采用经典的Hertz接触理论对动、静触头接触部位进行等效处理，在电磁继电器释放状态下，常闭静簧 片与动簧 片之间加入1D(一维)的Spring(线性弹簧)单元来模拟常闭静簧 片 与动簧 片之间的相互作用力，见图3。动、静簧 片均采用银镁镍材料，可将动、静簧 片看做以平面为界的半弹性固体，二者之间的接触视为球/平面Hertz接触(见图4),即可按照线性模型进行动力学计算。焊脚与动、静簧 片之间，静簧 片与动簧 片之间均采用MPC(多点约束)单元来等效。

图1 继电器内部结构 

图2 继电器有限元模型图 

图3 常闭静簧 片与动簧 片之间弹簧单元示意图 

图4 球/平面Hertz接触示意图 

考虑到某型号电磁继电器在实际振动摸底试验中失效模式主要集中表现为去激励状态下的瞬时接通、瞬时断开故障，因此，本文中只对电磁继电器的释放状态下进行有限元仿真分析。

3 电磁继电器的模态分析

对电磁继电器进行模态分析，得到了前8阶模态分析结果，见表1。

通过MSC.Nastran后处理可以得到电磁继电器释放状态下的振型图，如图5所示，为电磁继电器前四阶模态振型图。

表1 继电器模态分析结果

模态	共振频率(Hz)	振型描述	振动试验实测数据
一阶	878	轭铁摆动	无瞬时故障出现
二阶	1399	继电器机构摆动	在1300～1800Hz频段，触点抖动
三阶	1553	支架摆动(Y轴向)	在1300～1800Hz频段，触点抖动
四阶	3258	动合簧 片扭曲	超出试验条件，无试验数据
五阶	4460	焊脚弯曲	超出试验条件，无试验数据
六阶	6793	衔铁弯曲	超出试验条件，无试验数据
七阶	8912	支架摆动(X轴向)	超出试验条件，无试验数据
八阶	9003	外壳共振	超出试验条件，无试验数据

图5 模态振型 

4 电磁继电器耐力学性能优化设计

通过对电磁继电器的模态分析，可以判定，支架的刚性不足和电磁继电器刚性不足是造成电磁继电器在1300～2000Hz之间出现谐振的主要影响因素。因此，为解决电磁继电器的抗振性能，拟采取以下改进措施进行优化提升：

① 降低支架高度，提高支架的刚性；

② 降低罩子高度，提高电磁继电器整体的抗振性；

③ 增加阻尼簧 片厚度，提高电磁继电器整体的抗振性。

根据改进措施，构建改进后的继电器，并对其建立有限元模型及进行模态分析，得到了前8阶模态分析结果，如表2所示。

通过MSC.Nastran后处理可以得到改进后的电磁继电器释放状态下的振型图，如图6所示，为电磁继电器前四阶模态振型图。

表2 改进后的电磁继电器模态分析结果

模态	共振频率(Hz)	振型描述	振动试验实测数据
一阶	620	常开静簧 片摆动	无瞬时故障出现
二阶	2256	支架摆动(Y轴方向)	超出试验条件，无试验数据
三阶	2553	轭铁摆动(Y轴向)	超出试验条件，无试验数据
四阶	2912	常开静簧 片扭曲	超出试验条件，无试验数据
五阶	4258	焊脚弯曲	超出试验条件，无试验数据
六阶	6793	衔铁弯曲	超出试验条件，无试验数据
七阶	10912	支架摆动(X轴向)	超出试验条件，无试验数据
八阶	13125	外壳共振	超出试验条件，无试验数据

图6 模态振型 

5 优化方案的试验验证

通过采用有限元仿真软件MSC.Patran/Nastran对电磁继电器进行模态分析，可以得出，支架刚性差及电磁继电器整体的结构刚性差是引起电磁继电器谐振的主要影响因素。因此，决定将库存的支架、阻尼簧 片、罩子零件按改进措施进行改制生产，并重新装配样品进行正弦振动摸底试验，具体的优化改进方案为：

a) 将阻尼簧 片厚度由0.2mm更改为0.35mm, 其余尺寸不变，见图7。

b) 将原支架高度由14.8mm裁短至14.4mm, 具体改进方案见图8。

c) 将罩子内腔的高度由30.7mm裁短至30.3mm, 具体改进方案见图9。

图7 阻尼簧 片改进前与改进后 

图8 支架改进前与改进后 

图9 罩子改进前与改进后 

依据本文中提及的优化改进方案，对支架、阻尼簧 片、罩子进行改制，并采用改进后的新零件进行样品装配及正弦振动摸底试验，20只样品中仅有1只产品失效，且该型号电磁继电器改前后的振动筛选合格率分别见表3、表4所示。

表3 改进前某型号电磁继电器振动筛选淘汰率情况 导出到EXCEL

批次编号	190101	191101	累 计
交筛数(只)	200	450	650
振动筛选淘汰数(只)	70	144	214
振动筛选淘汰率	35%	32%	32.9%

表4 改进后某型号电磁继电器振动筛选淘汰率情况 导出到EXCEL

批次编号	191201	191202	200101	200102	200501	累计
交筛数(只)	226	106	60	99	103	594
振动筛选淘汰数(只)	15	8	5	2	2	32
振动筛选淘汰率	6.64%	7.55%	8.33%	2.02%	1.94%	5.39%

6 结论

本文通过有限元仿真分析软件MSC.Patran/Nastran针对某型号电磁继电器进行了有限元建模、模态分析，找出了影响电磁继电器抗振性能的关键因素，确定了优化改进方案，并建立优化后的电磁继电器有限元模型，对优化后的模型进行模态分析，再通过摸底试验验证了改进方案的正确性和合理性。

参考文献

[1] 陈英华，任万斌，翟国富.军用密封电磁继电器整机振动特性仿真分析[J],低压电器，2007.

[2] 史纯义.用振动排除法提高电磁继电器振动特性[J].机电元件，2009.

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[4] 黄娇英，胡振益，高成，吴荣荣.军用电磁继电器失效分析研究[J],现代电子技术，2013.

文章来源：机电元件