繼電器機(jī)械結(jié)構(gòu)模型的建立和仿真分析

高曉琳，盧 婧

(黑龍江工業(yè)學(xué)院，黑龍江 雞西 158100)

隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)的多功能化、大型化及復(fù)雜化要求組成系統(tǒng)的元件的可靠性越來越高。衛(wèi)星用電磁繼電器作為國防武器裝備系統(tǒng)和宇航系統(tǒng)中的主要電子元器件之一，其可靠性將直接影響整個(gè)國防武器裝備系統(tǒng)和宇航系統(tǒng)的可靠性，而且衛(wèi)星用繼電器不同于其它類型的繼電器，由于這種繼電器的工作條件比較惡劣，需要在惰性氣氛環(huán)境下工作，在這種條件下，沒有任何潤滑劑，而且需要工作20年之久，所以這種繼電器的可靠性尤其顯得更加重要，所以研究衛(wèi)星用繼電器的可靠性及可靠性設(shè)計(jì)方法，對(duì)保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性及質(zhì)量具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

對(duì)于繼電器模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)涉及到很多問題，首先就要涉及到電學(xué)問題，考慮到課題需要研究摩擦磨損問題，對(duì)原來的繼電器模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理，只考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的問題，對(duì)其進(jìn)行建模。建模方式有很多種，對(duì)于簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)可以直接在ADAMS中建模，而對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)就要依靠其他三維軟件來建立模型，例如可以選用Pro_e、UG、SolidWorks、Catia等等，[1]我選用SolidWorks作為建模工具，然后生成指定文件導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行仿真分析。

一 建立繼電器機(jī)械結(jié)構(gòu)模型

繼電器由銜鐵、頂支架、底支架、觸頭、動(dòng)簧片、動(dòng)斷靜簧片、動(dòng)合靜簧片等組成，在建立模型過程中，對(duì)模型作了簡(jiǎn)化，省略了線圈、磁鐵等部件。

二 仿真分析

形成模型后，生成Parasolid格式，保存在ADAMS的工作目錄下，然后導(dǎo)入到ADAMS中，同時(shí)ADAMS得出轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和質(zhì)量，并定義各部件的材料屬性，對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行約束.在這里對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)化，在旋轉(zhuǎn)構(gòu)件上加驅(qū)動(dòng)力來模擬電磁鐵產(chǎn)生的吸附力，驅(qū)動(dòng)力(其中d代表角度，time代表時(shí)間)，設(shè)置仿真時(shí)間為0.003s,步長(zhǎng)為0.000025s,并定義摩擦副之間的摩擦系數(shù)，當(dāng)部件沒有進(jìn)行過處理時(shí)，對(duì)于兩種材料(銅與玻璃)的摩擦系數(shù)為0.53，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真。[2]

對(duì)于繼電器模型的簧片而言，當(dāng)觸頭接觸到簧片時(shí)就會(huì)發(fā)生彎曲才能與動(dòng)合靜簧片接觸，與動(dòng)斷靜簧片分開，起到通斷電路的作用，但是如果在仿真中直接進(jìn)行仿真，那么簧片就是剛性體，不會(huì)發(fā)生變形，那么即使步長(zhǎng)足夠小也會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤或者出現(xiàn)觸頭穿透簧片的現(xiàn)象，也就是說當(dāng)觸頭與簧片接觸時(shí)簧片不會(huì)像實(shí)際情況那樣發(fā)生變形。

因此，為了使仿真符合實(shí)際情況就要把剛性體轉(zhuǎn)化為柔性體，即把不可以變形的部件轉(zhuǎn)化為可以變形的部件。對(duì)于剛性體轉(zhuǎn)化為柔性體有很多方法，本文采用幾何外形法生成柔性體。[3]

(1)計(jì)算動(dòng)簧片的mnf文件；

(2)加入ADAMS/AutoFlex模塊；

(3)增加約束，穩(wěn)固柔性體；

(4)用產(chǎn)成的柔性體替換原有的動(dòng)簧片剛性體，并去掉原來的剛性體；

(5)創(chuàng)建兩個(gè)啞物體，并把柔性體與啞物體固定。

(6)定義啞物體與觸頭的接觸；

(7)設(shè)置仿真時(shí)間為0.015s仿真步長(zhǎng)為0.000025s，仿真結(jié)果.在仿真中，沒有出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)間足夠小時(shí)，改變驅(qū)動(dòng)力的頻率，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)動(dòng)合(斷)動(dòng)簧片與靜簧片接觸時(shí)產(chǎn)生回彈跳動(dòng)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)有相關(guān)的分析，所以符合情況。[4]

三 分析仿真曲線

1.仿真速度曲線和加速度曲線。

圖1 觸頭速度曲線

圖2 動(dòng)斷靜簧片速度曲線圖

圖4 觸頭加速度曲線

圖5 動(dòng)簧片速度曲線圖

從上面這些速度和加速度仿真曲線中我們可以看出來，在仿真過程中各個(gè)構(gòu)件的速度與加速度都在變化，應(yīng)用機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)理論可以求出構(gòu)建在各個(gè)狀態(tài)的速度與加速度。

2.觸頭、動(dòng)斷靜簧片、動(dòng)簧片與動(dòng)合靜簧片接觸力仿真分析。[5]

因?yàn)樵谔厥猸h(huán)境下，對(duì)于此次研究的繼電器模型，一些關(guān)鍵零部件會(huì)產(chǎn)生磨損，影響繼電器的工作，所以要分析繼電器簧片的受力情況如圖6所示。

圖6 動(dòng)簧片與動(dòng)合靜簧片接觸力圖

從圖3中看出，在0.015s時(shí)間段內(nèi)產(chǎn)生了兩次撞擊，并且每次都有回跳現(xiàn)象，并存在X與Y方向的力，在0.008s時(shí)力的大小分別為6N和9.6N，而從圖3-11(c)中可以看出，也存在于Z方向分力，因此可以推斷出當(dāng)動(dòng)合靜簧片與動(dòng)簧片接觸時(shí)動(dòng)簧片發(fā)生了側(cè)傾，造成接觸時(shí)產(chǎn)生Z方向的分力.

同樣動(dòng)簧片與動(dòng)斷靜簧片接觸時(shí)也會(huì)產(chǎn)生彈跳，但是由于開始動(dòng)簧片就是與動(dòng)斷靜簧片接觸并存在接觸力，其值為2.5N，所以當(dāng)動(dòng)簧片返回來時(shí)會(huì)與動(dòng)斷靜簧片發(fā)生碰撞，但是卻不會(huì)產(chǎn)生X和Y方向的作用力，只有在Z方向存在85N的作用力，結(jié)果如圖7所示。

圖7 動(dòng)斷靜簧片動(dòng)簧片與動(dòng)簧片接觸力圖

對(duì)于動(dòng)簧片與觸頭的接觸作用力如圖8所示。

圖8 動(dòng)簧片與觸頭接觸力圖

由圖8也可以看出來，動(dòng)觸頭與動(dòng)簧片之間的距離隨時(shí)間的變化情況，隨著時(shí)間的推移，當(dāng)觸頭接觸動(dòng)簧片后分開時(shí)，距離與時(shí)間的函數(shù)會(huì)產(chǎn)生一次回跳，也就是上面所說的動(dòng)簧片的彈跳。

圖9 動(dòng)觸頭與動(dòng)簧片之間的距離隨時(shí)間的變化情況

另外，當(dāng)觸頭與動(dòng)簧片接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，因而就會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦力，從圖8也可以看出來，在X和Y方向沒有產(chǎn)生摩擦力矩，在Z方向卻產(chǎn)生了很大的力矩，在0.004s時(shí)接觸，發(fā)生摩擦，在0.0045s時(shí)產(chǎn)生回彈，由于摩擦力的存在，而且對(duì)于高頻運(yùn)動(dòng)的繼電器來說，即使摩擦力很小，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的積累，在接觸表面也會(huì)產(chǎn)生很大的磨損現(xiàn)象，而接觸力不可能減小，所以只能減小摩擦副之間的摩擦系數(shù)，關(guān)于如何減小摩擦系數(shù)的問題，然后會(huì)把減小摩擦系數(shù)后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次仿真，驗(yàn)證是否產(chǎn)生良好效果。

圖10 觸頭與動(dòng)簧片接觸摩擦力矩圖

3.驅(qū)動(dòng)副仿真分析。

對(duì)于整個(gè)繼電器而言，由于在電磁力的不斷吸合作用下，驅(qū)動(dòng)副也是個(gè)摩擦磨損比較嚴(yán)重的地方，經(jīng)過仿真，在未涂層前得到仿真曲線如圖11所示。

圖11 驅(qū)動(dòng)副力矩曲線圖

從圖7可以看出，不管是X方向還是Y或者Z方向，都產(chǎn)生了很大的反作用力矩，X方向力矩為112N.mm, 而產(chǎn)生力矩的根本原因就是當(dāng)觸頭與簧片接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生反作用力，同時(shí)存在很大的摩擦，而且在驅(qū)動(dòng)副這里，當(dāng)磁鐵吸合釋放銜鐵時(shí)也存在摩擦力 ，同樣由于繼電器的高頻運(yùn)動(dòng)，在摩擦副之間發(fā)生冷焊現(xiàn)象，使繼電器失去作用。

四 結(jié)論

本文對(duì)動(dòng)力學(xué)仿真及仿真軟件ADAMS進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并通過仿真得到了繼電器機(jī)械系統(tǒng)各摩擦副之間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從這些曲線中可以看出減小運(yùn)動(dòng)副之間的作用力。

[1]吳義彬.繼電器用戶實(shí)用手冊(cè)[K].北京:國防工業(yè)出版社，1992:42～45.

[2]胡昌壽.航天可靠性設(shè)計(jì)手冊(cè)[K].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999:146～65.

[3]謝國強(qiáng),劉茂愷,等.航天繼電器設(shè)計(jì)規(guī)范[S].桂林航天電器公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，2000:104～106.

[4]李景森.航天繼電器抗振設(shè)計(jì)概述[J].航天繼電器，1998(2):73～77.

[5][蘇]B.3.羅依金.小型密封電磁繼電器[M].王蓉芳,譯.北京:人民郵電出版，1979:81～94.