仿真與謝寧DOE在繼電器振動(dòng)失效分析中的應(yīng)用

沈智強(qiáng)

引言：小型功率繼電器在航空航天等使用環(huán)境復(fù)雜領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，對(duì)繼電器本身在不同環(huán)境下的可靠性提出了更高的要求，尤其是在振動(dòng)環(huán)境下的可靠性。本文旨在通過利用仿真和謝寧DOE相結(jié)合的方法，對(duì)某小型1/2立方英寸旋轉(zhuǎn)式繼電器在振動(dòng)環(huán)境下的失效原因進(jìn)行分析和措施應(yīng)用，從而在一定程度上提升了該產(chǎn)品振動(dòng)性。

一、概述

目前A產(chǎn)品是小型1/2立方英寸旋轉(zhuǎn)式大功率系列繼電器的代表品種，貫GJB1042A-2002，該產(chǎn)品雖然其體積小、重量輕，但其擁有比同體積和同質(zhì)量繼電器更高的負(fù)載能力，和更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，該產(chǎn)品廣泛應(yīng)用與航空甚至航天領(lǐng)域。由于該產(chǎn)品振動(dòng)指標(biāo)已逼近該類型結(jié)構(gòu)的極限值，使得在該振動(dòng)條件下，產(chǎn)品的可靠性不高，振動(dòng)合格率在5%左右，形成了供貨瓶頸，提高該系列產(chǎn)品的振動(dòng)可靠性刻不容緩。

二、攻關(guān)內(nèi)容及研究過程

（一）問題定位

根據(jù)工藝攻關(guān)實(shí)施方案要求，我們針對(duì)77只振動(dòng)失效產(chǎn)品進(jìn)行摸底試驗(yàn)。試驗(yàn)情況如下：

對(duì)77只失效產(chǎn)品進(jìn)行正弦振動(dòng)，通過對(duì)失效樣品的失效模式進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)77只中在非激勵(lì)狀態(tài)下出現(xiàn)失效的有13只，失效頻率主要分布在600Hz～900Hz的低頻段；在激勵(lì)狀態(tài)下失效的有58只，失效頻率主要分布在600Hz～1000Hz的低頻段，樣品主要在激勵(lì)狀態(tài)下出現(xiàn)失效。

為研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的保持力是否能夠滿足抗振要求，我們對(duì)產(chǎn)品的電磁系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析（見圖1），仿真結(jié)果顯示，產(chǎn)品兩端除鐵心有少量漏磁以外，鐵心內(nèi)部基本飽和（橙黃顏色），設(shè)計(jì)的電磁吸力和吸力曲線平滑、連續(xù)，故在通過鉚裝減小鐵心端頭漏磁的前提下，其保持力應(yīng)能滿足產(chǎn)品技術(shù)需求，無(wú)需對(duì)產(chǎn)品電磁系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

圖1 電磁系統(tǒng)仿真

我們運(yùn)用謝寧DOE中的成對(duì)比較技術(shù)對(duì)6+6（最小樣本量）只失效產(chǎn)品和合格產(chǎn)品的機(jī)械參數(shù)進(jìn)行拆罩對(duì)比分析見表1。其中動(dòng)合反力和不加推桿的保持力為摸底參數(shù)，技術(shù)文件未對(duì)其進(jìn)行規(guī)定，動(dòng)合反力的測(cè)試方法為：在接觸部分靜壓力合格的前提下，使用0.5N測(cè)力計(jì)打在動(dòng)簧片端頭，延常開觸點(diǎn)方向推動(dòng)動(dòng)簧片運(yùn)動(dòng)，待常開觸點(diǎn)閉合、指示燈亮?xí)r，對(duì)測(cè)力計(jì)進(jìn)行讀數(shù)；而不加推桿的磁保持力的測(cè)試方法為：對(duì)電磁產(chǎn)品線圈加吸合電壓的80%，當(dāng)銜鐵與極靴貼合后，使用3N的測(cè)力計(jì)對(duì)銜鐵上的推桿施加使銜鐵和極靴分?jǐn)喾较虻牧Γ?dāng)銜鐵和極靴分?jǐn)嗪笞x數(shù)。

從表1數(shù)據(jù)中可以產(chǎn)出，合格產(chǎn)品和失效產(chǎn)品的間隙、超程和復(fù)原力沒有明顯差異；靜壓力方面，合格品的靜壓力均值為198.3mN，不合格品的均值為230mN，大于合格品的靜壓力；動(dòng)合反力方面，合格品的動(dòng)合反力均值為303.3mN，不合格品的均值為353.3mN，大于合格品的動(dòng)合反力；保持力（加推桿）方面，合格品的保持力均值為1.22N，不合格品的均值為0.83N，小于合格品的保持力；保持力（不加推桿）方面，合格品的保持力均值為2.52N，不合格品的均值為2.27N，小于合格品的保持力。

根據(jù)分析數(shù)據(jù)我們可以確定：

1.合格產(chǎn)品的超程為≥0.04mm，間隙為≥0.3mm。由于合格品和不合格品的超程和間隙沒有明顯的差異，所以可以排除由于超程或間隙參數(shù)不合格導(dǎo)致產(chǎn)品振動(dòng)失效的可能；

2.合格產(chǎn)品的靜壓力和動(dòng)合反力較不合格品要小。由于靜壓力和動(dòng)合反力為一對(duì)相對(duì)矛盾的力，在觸點(diǎn)間隙一定，即簧片的形變量一定的情況下，靜壓力越大，其動(dòng)合反力越大；增大靜壓力可以提高產(chǎn)品在非激勵(lì)狀態(tài)下的抗振性能，但在激勵(lì)狀態(tài)下，由于過大的靜壓力使得動(dòng)合反力也相應(yīng)增大，隨之便需要更大的電磁吸力來(lái)保持動(dòng)簧片在激勵(lì)狀態(tài)下處于閉合狀態(tài)，而電磁吸力由線圈安匝、鍍層、裝配工藝決定，其自由度較小，在裝配過程中只能通過裝配工藝減少漏磁、增加接觸面積來(lái)達(dá)到增大保持力的目的，且增加的幅度非常有限，所以，在電磁吸力、觸點(diǎn)間隙一定的情況下，如何平衡靜壓力和動(dòng)合反力，使得在非激勵(lì)狀態(tài)觸點(diǎn)不出現(xiàn)抖斷失效的前提下，盡量減小靜壓力，使得動(dòng)合反力相應(yīng)減小，從而提高激勵(lì)狀態(tài)下觸點(diǎn)的抗振性能。

通過上述分析，如何保證產(chǎn)品在裝配、校正階段，產(chǎn)品的電磁吸力、機(jī)械參數(shù)符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，是我們的研究方向。

（二）摸底驗(yàn)證

若要驗(yàn)證上述分析結(jié)論的合理性與真實(shí)性，需要前提成立，即繼電器總裝結(jié)構(gòu)件（支架）在振動(dòng)模態(tài)中為剛性部件，不發(fā)生較大幅度的受迫振動(dòng)。通過前期試驗(yàn)驗(yàn)證，我們發(fā)現(xiàn)該產(chǎn)品由于其重心較高，而支架剛度偏低，所以產(chǎn)品電磁系統(tǒng)會(huì)在振動(dòng)過程中出現(xiàn)受迫振動(dòng)，為解決該問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了減振片，并在罩殼與減振片之間加裝聚四氟乙烯薄膜以避免罩殼與減振片的接觸增加振動(dòng)過程中能量的傳導(dǎo)。之后，我們抽取1批產(chǎn)品，數(shù)量為，依據(jù)表1中合格產(chǎn)品的各項(xiàng)參數(shù)均值，對(duì)其裝配過程和機(jī)械參數(shù)進(jìn)行控制，控制措施如下：

1.加裝減振片并卡入聚四氟乙烯薄膜；

2.電磁系統(tǒng)的保持力進(jìn)行100%檢驗(yàn)，檢驗(yàn)方法和合格判據(jù)為加吸合電壓的80%后，測(cè)試其保持力應(yīng)≥2.5N（表1中合格產(chǎn)品均值為2.52N），不合格或達(dá)不到的產(chǎn)品進(jìn)行返修；

3.校正參數(shù)按：

①靜壓力（200±20）mN（表1中合格產(chǎn)品均值為198.3mN）；

②動(dòng)合反力按（300±20）mN（表1中合格產(chǎn)品均值為303.3mN）；

③其余按產(chǎn)品技術(shù)文件執(zhí)行。

我們抽取該批產(chǎn)品中的兩個(gè)工號(hào)，對(duì)其按上述控制措施進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，采取控制措施的產(chǎn)品和其他產(chǎn)品在數(shù)量相當(dāng)?shù)那闆r下，采取控制措施產(chǎn)品的振動(dòng)性能有了明顯的改善，合格率由原來(lái)的5%提升至70%以上說明控制措施有效。

（三）驗(yàn)證成果

確定改進(jìn)措施有效性以后，我們對(duì)在制產(chǎn)品全面應(yīng)用控制措施，在控制期間，產(chǎn)品平均合格率72%；產(chǎn)品合格率有了大幅的提高，且有多個(gè)批次的產(chǎn)品合格率超過75%，合格率最高達(dá)到76.4%。

三、總結(jié)

通過前期對(duì)失效樣品進(jìn)行摸底試驗(yàn)，我們重現(xiàn)了繼電器的失效模式；在對(duì)該繼電器的磁路部分的仿真分析中，排除了由于設(shè)計(jì)導(dǎo)致繼電器失效的因素；再在之后運(yùn)用謝寧DOE中的成對(duì)比較技術(shù)，找出了失效品和合格品存在的差異，并在使用減振片在保證繼電器剛性部件的剛度的前提下，將產(chǎn)品的機(jī)械參數(shù)控制在合格品的平均水平上下，最終通過批量驗(yàn)證證實(shí)了參數(shù)優(yōu)化方案的有效性，從而提升了該系列繼電器產(chǎn)品的整體振動(dòng)性能。

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（作者單位：貴州振華群英電器有限公司）