晶体罩继电器抗浪涌大过载优化设计.pdf

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硕士学位论文（工程硕士）晶体罩继电器抗浪涌大过载优化设计OPTIMIZATIONDESIGNOFANTI-SURGEABILITYOFCRYSTALRELAYSUNDEROVERLOADCONDITION谭旭哈尔滨工业大学2018年3月 国内图书分类号：TM572学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工程硕士学位论文晶体罩继电器抗浪涌大过载优化设计硕士研究生：谭旭导师：杨文英副教授申请学位：工程硕士学科：电气工程所在单位：陕西群力电工有限责任公司答辩日期：2018年3月授予学位单位：哈尔滨工业大学 ClassifiedIndex:TM572U.D.C:621.3DissertationfortheMaster’sDegreeofEngineeringOPTIMIZATIONDESIGNOFANTI-SURGEABILITYOFCRYSTALRELAYSUNDEROVERLOADCONDITIONCandidate：TanXuSupervisor：AssociateProf.YangWenyingAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：ElectricalEngineeringAffiliation：ShaanXiQunLiElectricCo.，LtdDateofOralDefence：March，2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology： 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要晶体罩继电器作为军用电磁继电器的典型产品，性能稳定可靠性，标准化，系列化程度较高，因其与IC的兼容性被市场大量选用且占主导地位，是继电器产品的重点发展方向。市场快速发展对继电器提出了更高的需求，现有的设计方法和生产手段已经不能与用户形成良好配套，缺少小体积大过载能力的继电器，成为发展的主要瓶颈。本文以1/2晶体罩四组转换继电器为研究对象，通过采用虚拟样机技术，对其结构进行了优化，通过对影响过载因素的相关参数的研究，形成一套可行的设计优化方法，从而达到提高产品负载能力的目的。首先针对晶体罩密封电磁继电器的产品进行了摸底试验，分别进行了电气参数测试，机械参数测试和负载能力测试试验，通过对试验结果的分析，确定了产品的主要失效模式；对产品的燃弧时间，触点分断速度，触点回跳情况和负载后的触点烧蚀情况进行了分析和研究，为后续产品的优化指明了方向，为过载能力的提升奠定了基础。其次，采用有限元仿真技术对继电器电磁系统的静、动态电磁吸力特性进行准确计算，采用多体动力学分析软件ADAMS对继电器机械系统的静、动态机械反力特性进行准确计算，采用ADAMS软件与Matlab/Simulink软件联合仿真的方式求解继电器动态输出特性；通过理论及仿真联合分析确定继电器存在的设计缺陷和薄弱环节，同时为后续优化提供了分析平台。然后，针对与负载相关的执行机构触簧系统进行了改进，提出了一种基于分断动能的思想，提升分断速度。同时与典型的基于反力提升速度的方案进行了对比分析。同时对电磁系统的极限能力进行了评估，分别从线圈安匝、轭铁衔铁结构尺寸等方面进行了分析。通过分析确定了改进的方案，并通过了虚拟样机技术仿真，验证了改进方案的可行性和合理性。最后，对产品改进方案进行了物理样机的装配，针对装配过程中出现的电磁吸力一致性差的情况，对装配过程中影响吸力特性的因素进行了研究，得出需要重点控制衔铁的装配位置和特殊工序热处理的关键参数，才能有效的保证吸力特性的稳定。通过对改进产品进行试验，验证了改进的有效性。关键词：晶体罩继电器；仿真分析；过载能力；抗浪涌；优化设计-I- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractAsatypicalproductofmilitaryelectromagneticrelays,crystaldomerelayshavestableperformance,reliability,standardization,andhighdegreeofserialization.BecauseoftheircompatibilitywithICs,theyareusedinalargenumberofmarketsanddominate.Theyarethekeydevelopmentdirectionofrelayproducts.Therapiddevelopmentofthemarketputsforwardahigherdemandforrelays.Theexistingdesignmethodsandproductionmethodscannolongerformagoodmatchwithusers.Thelackofrelayswithsmallsizeandlargeoverloadcapacityhasbecomethemainbottleneckfordevelopment.Thisarticletakesthe1/2crystalcoverandfoursetsofrelaysastheresearchobject.Throughtheuseofvirtualprototypetechnology,itsstructureisoptimized.Bystudyingtherelevantparametersthataffecttheoverloadfactors,asetoffeasibledesignoptimizationmethodsareformedtoachieveImprovetheloadcapacityoftheproduct.Firstofall,atouch-downtestwasconductedforproductswithcrystal-enclosuresealedelectromagneticrelays.Electricalparametertesting,mechanicalparametertesting,andloadcapacitytestingtestswereconducted.Throughtheanalysisofthetestresults,themainfailuremodesoftheproductsweredetermined;Thetime,contactbreakingspeed,contactreboundandcontactablationafterloadwereanalyzedandstudied,whichindicatedthedirectionforthesubsequentproductoptimizationandlaidthefoundationfortheimprovementofoverloadcapacity.Secondly,usingfiniteelementsimulationtechnologytoaccuratelycalculatethestaticanddynamicelectromagneticattractioncharacteristicsoftherelayelectromagneticsystem,usingthemulti-bodydynamicsanalysissoftwareADAMStoaccuratelycalculatethestaticanddynamicmechanicalreactioncharacteristicsoftherelaymechanicalsystem,usingADAMSsoftwareandThejointsimulationmethodofMatlab/Simulinksoftwareisusedtosolvethedynamicoutputcharacteristicsoftherelay.Throughthejointanalysisoftheoryandsimulation,thedesigndefectsandweaklinksoftherelayaredetermined,andananalysisplatformisprovidedforsubsequentoptimization.Then,fortheload-relatedactuators,thecontactspringsystemhasbeenimproved,andaconceptbasedonsplitkineticenergyhasbeenproposedtoimprovethebreakingspeed.Atthesametime,itcompareswiththetypicalsolutionbasedonthespeedofreaction.Atthesametime,theultimatecapabilityoftheelectromagneticsystemwasevaluatedandanalyzedfromtheaspectsofthecoilampouleandtheyokeironarmature.Throughtheanalysisanddeterminationofthe-II- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文improvedprogram,andthroughthevirtualprototypetechnologysimulationtoverifythefeasibilityandrationalityoftheimprovedprogram.Finally,thephysicalprototypeassemblyoftheproductimprovementprogramwascarriedout.Inviewofthepoorconsistencyoftheelectromagneticsuctionforceduringtheassemblyprocess,thefactorsaffectingthesuctioncharacteristicsduringtheassemblyprocesswerestudied,andtheassemblypositionsandspecialrequirementsofthearmatureneededtobecontrolledwereobtained.Thekeyparametersoftheheattreatmentprocesscaneffectivelyensurethestabilityofthesuctioncharacteristics.Bytestingtheimprovedproduct,theeffectivenessoftheimprovementwasverified..Keywords:crystalcoverrelay,simulationanalysis,overloadcapacity,Anti-surge,optimaldesign-III- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文目录摘要........................................................................................................................IAbstract....................................................................................................................II第1章绪论.........................................................................................................11.1课题来源........................................................................................................11.2课题研究目的和意义.....................................................................................11.3国内外研究现状.............................................................................................31.3.1大过载继电器产品国内外研究现状.......................................................31.3.2浪涌失效模式机理及过载能力影响因素国内外研究现状....................41.3.3继电器设计技术的国内外研究现状.......................................................71.4课题的主要研究内容...................................................................................10第2章继电器过载能力影响因素及试验分析.....................................................122.1引言..............................................................................................................122.2晶体罩继电器过载能力的关键特性参数....................................................122.2.1触点开距...............................................................................................132.2.2触点回跳...............................................................................................142.2.3分断速度...............................................................................................162.2.4触点尺寸和形状....................................................................................182.2.5静态吸反力特性....................................................................................192.3晶体罩继电器过负载试验...........................................................................202.3.1过负载试验............................................................................................212.3.2电弧燃弧情况........................................................................................222.3.3继电器过负载试验失效分析................................................................252.4本章小结......................................................................................................27第3章继电器虚拟样机模型的建立及分析.........................................................283.1引言..............................................................................................................283.2继电器静态特性模型的建立与分析............................................................283.2.1电磁系统的静态特性吸力计算.............................................................283.2.2触簧系统静态反力特性计算................................................................323.3动态特性模型的建立与分析.......................................................................34-IV- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3.3.1动态特性的理论基础............................................................................343.3.2动态特性联合仿真................................................................................353.3.3动态特性仿真结果分析........................................................................373.4本章小结......................................................................................................38第4章继电器的过载能力优化方案设计.............................................................394.1引言..............................................................................................................394.2过载能力提升改进方案分析.......................................................................394.3分断动能提升法...........................................................................................404.4触簧系统的优化方案...................................................................................434.4.1折返结构簧片........................................................................................434.4.2加厚加长簧片........................................................................................444.4.3改进方案的仿真分析............................................................................454.4.4方案对比分析........................................................................................494.5电磁系统结构极限能力分析.......................................................................494.5.1改变安匝对电磁系统性能的影响.........................................................494.5.2轭铁极面长度的影响............................................................................504.5.3铁芯直径的影响....................................................................................504.5.4电磁系统热设计....................................................................................524.6本章小结......................................................................................................54第5章工艺装配影响分析与实验验证.................................................................555.1引言..............................................................................................................555.2关键工艺装配对继电器过负载性能的影响................................................555.2.1装配问题的概况....................................................................................555.2.2电磁装配问题分析................................................................................565.3磁性材料对整机及过负载性能的影响........................................................585.4继电器样机验证及试验分析.......................................................................625.5本章小结......................................................................................................62结论.....................................................................................................................63参考文献.................................................................................................................64攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果...................................................68哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限...............................................69致谢.....................................................................................................................70个人简历.................................................................................................................71-V- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第1章绪论1.1课题来源本课题来源于国营第792厂（群力电工有限责任公司）与哈尔滨工业大学签订的技术研发合作项目：继电器耐环境大过载设计技术。1.2课题研究目的和意义继电器作为电子控制领域的基础元件，其广泛用于军用领域(航天、航空、舰船、兵器、电子、核工业等)、通信设备、汽车、电力控制、工业控制、仪器仪表、家电和消费电子等的电控系统中[1]。电磁继电器是有可分离触点的一种继电器，其输入和输出参数均为电参量，是应用范围最广的继电器。近年来半导体技术飞速发展，在低功率、小电流应用场合，虽然呈现固态继电器正逐步取代电磁继电器的趋势，但对于大电流、多组数应用场合，电磁继电器由于其转换深度高(断态的绝缘电阻高达10000MΩ，通态的导通电阻小于50mΩ)，可多路同步切换，输入输出比大、抗干扰能力强等一系列固体电子元件不可取代的功能，在工业、国防及航天航空等领域仍占有不可替代的地位[2-3]。晶体罩继电器是军用电磁继电器的典型产品，性能稳定可靠性。在GJB39.2《军用电磁继电器系列型谱》中该类产品多达22个品种，其引出端的排列尺寸基本模数M=2.54mm间距，与IC的兼容性好，标准化、系列化程度高。负载从低电平至10A，触点组数包括1Z、2Z、4Z、6Z，负载范围广，产品种类丰富。该类继电器被市场大量选用且占主导地位，是继电器产品的重点发展方向。我公司（群力电工有限责任公司）早在1987年从西德LRE公司全套引进具有国际领先水平的1/2晶体罩密封直流电磁继电器生产技术，建立了我国第一条密封电磁继电器贯国军标生产线，其技术水平处于国内领先水平，已经形成覆盖系列型谱的多种系列化产品，并持续为多家军工用户单位供货。随着我国武器装备的功率要求提升和集成化、小型化、轻量化的快速发展，军事电子装备的小型化、集成化、高功率密度已是必然趋势。因此，亟需与之配套的微小型大负载密封继电器产品。经市场统计反馈，航天一院、航天二院、航天四院多家用户均明确对其使用的1/2晶体罩四组转换继电器的过载能力提出了新要求。该继电器遵循国家标准GJB65B-99《有可靠性指标的电磁继电-1- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文器总规范》，对应于美军标单篇规范MIL39016/40，国外Tyco和Hi-G等多家公司均有该型军用产品。产品规定的额定负载为28Vd.c.，2A，过负载能力为28Vd.c.，4A，为额定负载的2倍。对国内同类产品横向对比如表1-1。表1-1同类产品横向性能对比生产厂家792厂航天电子某厂航天电器某厂型号JRC-071M******JRC-071M符合标准GJB-65BGJB-65BGJB-65B工作温度-65~+125-65~+125-65~+125电寿命2A1w次2A5w次2A2w次过负载1A5w次1A10w次1A10w次28Vd.c.4A，100次4A，100次2196m/s2196m/s2正弦振动196m/s10-2000Hz10-2000Hz10-2000Hz2)2/Hz30(m/s2)/2Hz随机振动20(m/s经过对比发现，国内外现有的产品性能目前均无法满足用户需求。新要求为在产品其他性能不降低的情况下，过负载能力提升为额定负载的8倍，即28Vd.c.，16A。经查美军标单篇规范该产品也在进行结构改型，但一直没有完成新版标准，且性能指标也没有提升[4]。继电器由于零件种类多，工艺流程复杂，测试难度大，使其生产仍然多采用人工方式进行，同时作为一个涉及“机-电-磁-热”多学科多物理场的机电综合体，内部各相关因素彼此耦合约束，导致了产品性能指标提升的难度大、成本高，性能稳定可靠、技术指标高的高端产品少之又少。我国继电器设计最初主要参照苏、美等西方国家产品进行逆向仿制，后来以此为基础逐步进行自主设计，设计方法主要采用试验摸索参数及质量工程的方式完成，即“设计-试制-试验-反馈-再设计”的反复循环的设计流程，设计周期较长。市场快速需求现有的设计方法和实际现状使继电器生产已经不能与航天型号形成良好配套，成为发展的主要瓶颈。“中国制造2025”发展战略为制造业带来了新的契机和指引了方向随着工业4.0的发展，新材料，新技术飞速发展，为继电器的优化提供了新基础、新手段，作为机械工业基础元件的继电器也必须尽快提高自身的制造水平。“数字化、集成化、高可靠、宇航级”国防科工委与总装备部对我国军用继电器行业提出了的十二字的具体发展方针，保证了我国航空航天事业稳定、迅速地发展，为航天电磁继电器产品质量提升与可靠性的发展指明了方向[5]。-2- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文因此，本课题正是基于以上背景开展的。以四组转换的1/2晶体罩继电器产品为研究对象进行过负载性能优化提升。通过采用新的设计手段和方法进行项目的研究，对现有产品在总体设计和结构参数上的不足进行改善，将过负载能力性能指标进行较大提升。一方面可以满足用户武器装备的配套需求，巩固我公司晶体罩继电器在过载能力方面的的先进地位，另一方面晶体罩继电器结构相似，多采用平衡旋转式结构，研究中的设计手段和方法也可以运用到同类其他继电器中，对该类产品性能的改进具有广泛的参考价值。1.3国内外研究现状1.3.1大过载继电器产品国内外研究现状国外先进制造商非常重视产品的性能指标技术改进工作，特别是在军用领域，紧跟市场需求。在宇航技术、新能源技术、机器人技术等需求发展和推动下，耐瞬态大过载、长寿命、高可靠电磁继电器不断刷新电磁继电器的性能指标并得到整机装备应用。近年来，基于失效物理的可靠性设计和基于敏感参数退化的可靠性设计方法也在逐步得到实际应用。国外对产品进行全参数的试验研究，获得了产品使用负载的寿命曲线，提高了整机的负载能力和使用寿命。1/2晶体罩继电器的从最初的额定负载2A，28Vd.c.逐步提高到5A，8A水平。美国泰科下属的CII公司率先推出的1/2晶体罩1组常开的10A额定负载的继电器，新结构在原有的产品结构基础上对触簧材料进行改进，选用高弹性模量、耐电蚀、抗疲劳的新型金属材料，同时在有限的体积下，对簧片进行了加长、加宽等方式，在满足吸反力配合的条件下有效降低电流密度，减少了发热；Teledyne公司针对TO-5继电器在材料选择方面进行改进，通过选用铜芯可伐材料制作引出端，降低了体电阻，减少了高功率密度下产生的接触电阻热；国内方面，继电器制造商厦门宏发参考CII的结构推出了JZC-102M型继电器，将负载进一步提升到15A水平，并且采用整体支架结构加强整体散热，后续又推出JZC-200MM型2组转换触点产品具有可以切换20A过负载的能力，将功率体积比进一步提升。165厂也对1/2晶体罩6组转换6JT-2型继电器进行优化，将额定负载从1A，28Vd.c.提升到2A，过负载能力到5A。在民用方面，借助本土先进材料制造商田中贵金属（Tanaka）的优势，日本富士通（Fujitsu）公司和欧姆龙（Omron）公司推出的高功率密度继电器具有高抗浪涌能力，如G8PE型继电器，具有40A的连续载流能力，具有180A的瞬态切换电流能力，同时具有表面贴装的安装形式。富士通公司推出的1组-3- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文常开产品，在15.5mm×12.1mm×13.7mm的小体积下可以切换20A，10万次的额定负载，可承受的过负载电流高达60A[6]。在国内，因为受材料工艺等诸多因素的限制问题，产品的可靠性不高且产品体积较大，目前仅在电能表继电器领域对磁保持结构继电器进行抗浪涌优化，将抗冲击电流提升到额定负载的3~6倍。通过上述分析，针对过载能力提升问题，国内外均一直在进行优化研究。其技术途径通常为针对电弧抑制的触点抗烧蚀技术，继电器的吸反力配合最优化技术进行研究。但针对小体积下的过负载能力优化，目前有资料可查的1/2晶体罩继电器的最大的过负载能力为2×20=40A，本文研究的4组转换继电器的过负载能力达到了4×16=64A，远高于现有的技术水平，没有相关可借鉴产品，产品的失效模式的也缺少必要的数据，仅通过用户反馈多为粘接熔焊等故障，要想得到具体的参数还需要对产品进行全面的摸底试验，研究难度较大。1.3.2浪涌失效模式机理及过载能力影响因素国内外研究现状据统计分析，继电器触点故障约占所有故障的90%以上，而浪涌过载电流引起的故障又占继电器触点故障的60%左右[7]。用户在使用继电器时，并非是纯阻性电路，电路存在容性和感性负载等多种性质，继电器触点转换时不可避免会产生瞬态过压和过流，因此各继电器厂商在使用手册中给出了继电器的负载曲线和降额设计参数。但是在部分火工品中，用户因为产品体积限制和可靠性等要求需要，特意选用电磁继电器过负载和极限通断能力作为负载的切换控制[8]。如果继电器过载能力达不到要求，在过载电流下过电应力会导致继电器触点发生瞬态电弧烧蚀受损造成功能失效的严重情况[9]。文献[10-12]对航天继电器、星载继电器进行了浪涌负荷寿命试验研究，并且根据试验结果，总结提出该类继电器在寿命期的失效模式和失效机理。电磁继电器过负载条件下主要有两种失效模式，分别表现为触点熔焊和触点开路。触点熔焊主要是因为浪涌电流流过触点时，接触面的增长赶不上电流的增长，接触压降超过了金属的熔化压降，甚至超过了汽化压降，触点表面熔化或汽化导致触点熔焊或桥接。触头熔焊在闭合过程和断开过程均可以发生。华中科技大学的李震彪等人对触点熔焊进行了系统的研究[9,13-17]，给出了动、静熔焊的判据和材料与抗熔焊能力的影响；文献[18]采用自主研发的触头模拟装置针对触头的电寿命进行试验，得出闭合过程中的熔焊现象主要是发生在触头弹跳闭合瞬间，闭合弹跳的次数和时间与熔焊的发生具有随机性，但是平均弹跳次数与熔焊具有正相关性；文献[19]针对不同分断力进行了触头熔焊试验研究。-4- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文结果表明，分断力的增加与分离熔焊概率不是单调下降的关系，分断力的增加仅会使得触头发生第一次熔焊时的操作次数单调增加；文献[20]通过对继电器触头动熔焊机理和熔焊力的仿真分析和实验研究，明确了电弧回跳引起的动熔焊范围的体积大小，建立了基于固体力学理论的触头熔焊力仿真模型，并且计算得到触头熔焊力预计值。通过开发的熔焊力测试系统，研究得出触头间隙减小、增大磁吹强度以及提高分断速度可以减小触头动熔焊力。触点开路主要为在浪涌负载下，继电器触点周围形成了高温区，周围零件产生变形，偏离正常位置，造成触点开路。因此继电器的热特性对触点熔焊也具有重要影响。文献[21]以汽车继电器为研究对象，结合相关传热学理论给出了继电器内部热场的数学模型，通过仿真和试验进一步分析不同电流等级对温度场的影响；文献[22]对电触头表面的劣化进行热力学分析，对电流电弧作用的触头表面的热过程进行数值计算；文献[23]利用Matlab软件编程、仿真，计算给出小距离下高速断路器稳态电弧温度场，为研究同类的高速断路器瞬态电弧温度场提供借鉴和数据基础。向导体基体的热传导阳极熔融金属区阳极吸收电子带来的能量发射颗粒f（IUa）和f（IUc）带来的能量输入电金属蒸汽金属蒸汽弧的辐射能量和热传导发射颗粒熔融金属区阴极焦耳加热向导体基体的特传导图1-1燃弧中触点的能量平衡及触点磨损的影响文献[3]指出触点分断时产生的电弧的烧蚀是导致触点失效、继电器寿命短的主要原因。在继电器切换直流大功率负载动作过程中，电弧的产生对直流开断过程造成极大的影响，因此对于电弧特性和电弧侵蚀的研究是提高继电器负载能力的一个关键问题。图1-1给出了燃弧中触点的能量平衡及触点磨损的影响。-5- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文国内主要有哈尔滨工业大学电器与电子可靠性研究所、华中科技大学、河北工业大学和西安交通大学等单位对直流开关电器进行了相关研究，国外主要有日本的东京电机大学、德国布伦瑞克工业大学等单位进行了相关直流开关电弧的测试及仿真研究[24-27]。周学等人对航天电磁继电器分断过程的燃弧特性及电弧对触头的烧蚀特性进行了系统的分析。对分断电弧进行了静、动态的仿真分析，并进一步比较各种适用于航天继电器的电弧抑制措施对触头烧蚀量的减小程度，提出了采用灭弧气体，增大气体压强，并加入适当磁场进行永磁吹弧可以提高灭弧性能，能够对分断电弧进行有效抑制[28-31]；崔行磊等人提出了建立了电弧-触头的多场耦合模型和分断过程的动力学模型，通过模型对稳态条件下的电弧和分断过程中燃弧引起的蒸发和喷溅侵蚀机理及材料转移特性等问题进行详细的研究。提高触头材料的热导率、电导率等材料基本属性可以增强触头的抗侵蚀能力，为大电流下触头材料抗烧蚀能力设计提供了指导依据。结合软件仿真的动网格技术对分断电弧过程中的触头和电弧内部多物理场的耦合计算，得到了燃弧过程中，增大触头间隙，电弧的功率是先增大后减小，温度也与之相关，在整个燃弧过程中，阳极表面的温度始终要低于阴极表面[32-33]。该结论对于过载条件下的失效模式和机理的分析、接触系统设计具有重要的理论意义，对于不同燃弧条件下的动静触点的抗烧蚀能力设计和优化具有一定的实用价值。对于仅靠触点分离熄灭直流负载电弧的电磁继电器，触点分断速度是主要的关键影响因素之一。文献[34-35]分析了触点分离初速度对电弧燃弧时间和触点分断液态金属桥存在时间的影响，论证了在给定范围条件下加大触点分离初速度有利于电弧燃弧时间减少和能量降低的问题，这种影响在电阻性电路中更加有效。这一结论可以用于触点结构设计并对改善提高触点分断性能也具有参考价值。文献[36]给出触头分断过程中的电弧侵蚀现象的数值计算过程，研究了分断速度对输入触点能量和熔池尺寸的影响。分析表明，控制触点的分断速度在一定区间内对减小电弧对触头的侵蚀由显著的效果。文献[37]实验结果表明，分断速度与燃弧时间成反比，分断速度越慢，触头的烧蚀量越大。文献[38]同样研究了磁场强度、分断初速度对分断电弧金属相和气相燃弧时间的影响，得到了相同的影响规律。文献[20,39-40]在其搭建的高压直流大功率继电器实验系统上进行了大量实验，通过模拟分断机构进行不同条件下触头开距和分断速度等设计参数的实验，得出熔焊力大小与触头分断速度成反比，提高分断速度有利于减少熔焊的发生的结论。影响触点烧蚀的另一个重要原因就是触点的回跳时间，大负载的继电器尤-6- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文其如此。文献[41]研究了继电器闭合过程中出现的触点持续燃弧现象及闭合燃弧与回跳的关系，简单的分析了触点回跳机理，得出回跳对继电器切换负载能力的影响，并且提出了避免持续燃弧的办法，给出了减小回跳的措施；文献[42]以某型号功率型拍合式结构的转换继电器作为研究对象，首先通过试验给出了电磁吸力下降和触点释放闭合回跳过大是导致继电器失效的主要因素；然后对电磁系统的线圈安匝进行加大，避免了继电器在电磁吸力下降后不能稳定吸合的问题，同时优化尺寸参数来提高簧片刚度和改变簧片材料抑制弹跳现象；最后寿命试验达到了改进的目标，优化方案可行有效。文献[43]对航天继电器的接触系统的接触弹跳及其影响因素进行深入的研究。以推杆驱动式为典型例子，研究簧片的不同结构尺寸、触头种类规格、推动位置、电磁力大小和材料等各种影响因素对动触点动能、回跳位移、动态接触压力、总回跳时间和冲击速度等特征参数的影响程度，研究了阻性负载和灯负载条件下不同特征参数对动态特性的影响，灯负载下的回跳高度和时间均较大；文献[44]指出制约电磁继电器电寿命的关键因素是闭合过程中出现的触点回跳现象，文献通过给出了旋转式结构电磁继电器接触系统的理论力学模型，研究了不同刚度下弹跳的变化规律。并且通过对其实际生产的某型号继电器簧片采用物理加固的方式，结合有限元仿真软件Ansys计算的的方法，将继电器触点弹跳优化为可接受范围，解决了寿命试验中因电弧烧蚀造成的触点粘接故障。本课题主要是对继电器的过载能力进行提升。用户使用条件为接通时间200ms，断开时间800ms或1600ms以致更长，其特性很接近浪涌负载。通过对文献的分析，目前的研究给出了继电器在浪涌大电流冲击下的失效模式主要为触点熔焊和触点开路。其中电弧对触点的烧蚀是导致触点失效的主要因素。触点的分断速度和触点回跳是影响触点烧蚀的重要因素。这些影响因素的分析结论都可对课题的研究具有指导意义。因为继电器产品的多样性，目前对负载的提升还是针对某一具体型号产品进行，对于晶体罩继电器这种小体积下负载提升还没有一种通用完备的指导方法，这就需要是在课题研究过程中针对问题具体分析。1.3.3继电器设计技术的国内外研究现状保证继电器的输出特性是继电器产品设计的基本要求。目前，广泛采用三次设计的方法。总体设计实现产品的结构和功能要求，参数设计实现给出内部关键参数最有尺寸，容差设计来实现其输出特性的一致性与稳定性。继电器输出特性的优化，是由设计方案的合理性以及制造过程的可控性决定的。产品的-7- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文性能优化与设计、生产、管理三个环节紧密相关，其中，参数的优化是设计的关键。电磁继电器的参数设计包括电磁系统参数、机械系统参数和调整参数，这些参数的取值对吸力特性、反力特性及吸反力的配合特性有着重要影响，而这些影响又最终通过动态特性体现出来。通过对动态特性进行优化，可实现对设计参数的优化。仿真设计技术是利用数字化模型替代现实空间的物理模型，目前主要是在计算机中对现实物体进行模拟，这样避免了实际环境下物理样机的较高的成本和较长的时间，获得对现实世界更为完成的全面的理解的信息化技术。仿真可以大量减少实物试验次数。与实物试验相比，仿真能看到实物看不到的数据，提前发现缺陷，譬如预测运行期间的故障以及引起故障的原因，同时仿真具有低成本和高效率的特点，可以返现新方案，验证创新思路的可行性。在实际工程领域，有限元方法是一种应用最广、最成熟的数值分析方法，已成为设计者必不可少的设计工具之一，在实际中有很多成熟的商业软件作为仿真工具用于设计研发当中。国外学者很早就在继电器设计上使用了虚拟仿真分析技术，Y.Kawase等人在文献里对拍合式继电器的电磁系统用有限元法进行了研究，给出了电磁系统的动作释放电压、动作释放时间等参数曲线[45]，TadashiYamaguchi对小型拍合式继电器的动态特性进行了3D有限元分析，给出了一种更好的分网方法[46]。D.Wattiaux·O.Verlinden全面的分析了继电器的振动和冲击的动态数学模型[47]。Keivani,Maryam等人给出了针对拍合式继电器采用有限元法给出了一种新的可靠性模型[48]。在国内电器领域，随着我国计算机技术的发展和有限元技术的普及使得数值仿真成为新一代产品优化设计的新方法，大量的设计均采用了虚拟样机技术，CAD，CAE等软件被形成系统应用在产品设计优化当中，与国外基本同步。其中，西安交通大学最早将仿真技术引入断路器和接触器设计当中，已涉及到了电场、磁场、热场，流体等多物理场的分析，并注重了各物理场之间的耦合作用。福州大学的许志红在智能接触器方面、河北工业大学孟庆龙在低压电器装配方向的虚拟样机做了大量研究工作。哈尔滨工业大学王海龙、樊薇薇等人提出了航天电磁继电器机械虚拟样机系统的开发[49]，肖唐杰、杨文英完成了多种软件的自动建模联合仿真技术，完成了综合虚拟样机，并提出了一种新的语言实现了各软件的数据转换[50]。文献[51]利用有限元仿真分析方法对某型号小型拍合式结构密封电磁式继电器进行了结构静动态特性分析。首先，通过软件仿真分析的手段获得电磁系统的静态吸力特性。对整体磁路分布和非工作气隙漏磁情况分析来验证电磁继电器的结构设计合理性。其次，对静态吸反力特性的配合情况进行了分析。-8- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文再次，从静态特性出发，结合ADAMS软件计算的机械反力特性，计算出电磁结构的其它运动特性。文献[52]对通过实验研究和高速摄影设备、ANSYS有限元分析软件等手段辅助分析对不同机械参数、不同电气参数、不同结构对智能电网磁保持继电器抗短路性能的影响进行研究，提出设计改进，最终优化电气参数、机械参数的控制要求，优化产品结构，提升了产品的抗短路电流能力。文献[53]以基于Matlab工具箱发展起来的有限元软件COMSOL为基础，以典型电力仪表用继电器为研究对象，完整地提出了一种针对具有短时耐受能力的电表继电器的热稳定性分析和电动稳定性分析的仿真分析方法。该研究方法开关电器的设计提供了一种新的借鉴思路。文献[54]以双磁钢差动式继电器为研究对象，对其负载试验、仿真模型、结构优化及稳健设计方法均进行了研究，通过设计新结构接触系统，通过虚拟样机平台仿真分析及原型产品测试分析，验证方案改进方案可以提升触点分开瞬间的瞬时速率，提高产品性能的有效可行。该产品为6组转换触点晶体罩继电器，虽然电磁系统结构不同，但是对本文的研究也有一定的参考价值和指导意义。为了解决效率问题，文献[55]提出了一种基于等效磁路法和有限元方法的半解析建模方法，以对TO-5封装结构小型电磁继电器为研究对象，对其动态特性的快速准确计算进行了深入研究。在建立电磁系统的磁路模型中采用集中参数，对于漏磁和饱和等造成的磁路计算误差，则并根据有限元法仿真计算通过引入补偿矩阵Cm×n来修正。接触系统的反力特性则通过变形能原理来分别对复原簧片和动簧片进行计算获得的。继电器动态特性以吸反力配合关系为基础，通过四阶龙格库塔法求解动态特性微分方程便可以得到。文献[56]针对平衡力式继电器为研究对象，利用Kriging与自定义插值函数结合的方式，基于有限元仿真结果，提出一种新的平衡力结构继电器的多回路磁路的快速计算方法。通过对实际产品进行优化验证，该方法速度相对仿真由明显提升。文献[57]针对继电器静态特性计算效率、计算模式，采用串并行算法点重研究了不同算法在更复杂问题、更大规模的数值计算问题上的扩展能力，以运行效率作为判断依据，验证在实际运用中的并行化算法的优越性和可行性。通过以上分析可知，国内外现有的大过载产品主要集中在民用汽车市场，且触点组数多为1组或2组转换触点，对于多组数、小体积的继电器优化还没有高性能产品的出现。继电器过负载下的失效模式国内研究较多，可以直接借鉴现有的研究成果。影响过负载性能的主要影响因素为触点开断时电弧的烧蚀，因此本文将重点对其进行关注，特别是要关注触点的回跳和分断速度。目前新的设计研发手段逐步成熟，所以本项目主要的优化方法为基于理论模型和有限-9- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文元仿真的虚拟样机技术对产品的动态特性进行优化，成熟的方法有助于提高优化的效率和可行性。但是因为晶体罩的结构和参数等限制，导致电磁系统的的体积为约束条件，增加了优化难度，还需进一步对继电器电磁系统的电磁性能进行详细的研究。1.4课题的主要研究内容本课题以我厂JRC-071M型四组转换1/2晶体罩系列（21mm×11mm×11.5mm）密封直流平衡衔铁式电磁继电器作为研究对象，根据用户研制任务书技术指标要求在现有的指标不降低的情况下，进行过负载性能的提升。本课题选取继电器的额定负载和过负载作为关键输出特性进行研究，需达到的目标见表1-2。表1-2研制目标型号优化前指标优化后指标过负载4A，100次16A，100次（常温）电寿命2A1w次2A10w次（高温）196m/s2294m/s2正弦振动10-2000Hz10-3000Hz密封开关电器的切换负载能力是吸反力匹配特性、内部微环境、切换负载条件大小及触点材料性能等因素综合作用的结果。抗浪涌大过载继电器优化问题可以看作基于继电器的机-电-磁-热耦合的数学计算模型，优化计算影响过负载能力的各因素参数与输出目标过负载性能之间关系的最优化问题。课题的工作主要内容如下：（1）继电器过载能力关键影响因素及试验分析搭建试验系统，对本项目中所研究的继电器进行电参数测试，电寿命试验、过负载试验、以及电弧燃弧试验等，记录并统计试验过程中的对过负载影响的关键参数，例如触点燃弧时间，触点回跳次数等，对比继电器目前产品性能指标与目标要求的差距，找出薄弱环节，通过研究继电器的失效模式、失效机理，找出影响过载能力的关键参数。（2）JRC-071M型继电器的虚拟样机建立及特性分析采用FLUX有限元分析软件对继电器电磁系统的静、动态电磁吸力特性进行准确计算，采用ADAMS多体动力学分析软件对继电器机械系统的静、动态机械反力特性进行准确计算，采用ADAMS软件与Matlab/Simulink软件-10- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文联合仿真的方式求解继电器动态输出特性；通过理论及仿真联合分析确定继电器存在的设计缺陷和薄弱环节。（3）JRC-071M型继电器的结构优化方案的确定及仿真验证针对主要的矛盾对接触系统的结构进行优化，提出了基于反力提升和分断动能提升的方法的两种触簧系统改进方案，通过搭建的虚拟样机平台进行动态分析，对比验证确定了优化方案，达到了分断速度的提升，并且针对现有的电磁系统进行了极限能力的分析保证稳定的电磁吸力。（4）工艺装配的影响及改进方案的试验验证针对项目中所研究的密封电磁继电器在改进方案实施过程中的工艺过程影响进行了分析，对关键工艺装配电磁系统的配合位置与电磁吸力之间的关系进行了分析。针对特殊工序关键过程的热处理对磁性材料的性能影响进行了分析，找出导致电磁吸力一致性不好的主要影响因素，因此需要加强控制。通过对采用改进方案装配样机进行了试验验证，证明改进方案的有效性和合理性。影响过载能力的Matlab/FLUX电磁系统仿ADAMS接触系统关键特性分析虚Simulink联合仿真计算分析仿真计算分析拟真为后样续工机作提继电器基本参数系静态特性动态特性供方测试统向和电气参数测试的依据燃弧情况观察建过负载试验分析立和实测对比验证触簧系统关键工艺装配对继电基于返力电磁系统的分析工改进方案器性能的影响艺结装基于分断动能构配动态特性电磁系优热影仿真分析统结构化极限能设响磁性材料热处理优力分析计分特殊工艺化析方与对比分析验证案实验验确定改进方案证试验验证图1-2整体研究内容框图-11- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第2章继电器过载能力影响因素及试验分析2.1引言本章首先以电器设计理论为基础，对1/2晶体罩体积下的过负载能力相关影响因素进行分析，从导致静熔焊和动熔焊的失效机理出发，分析继电器的内部参数与过载能力目标参数间的关系，找出重点的可控关键参数，在试验和后续改进中做到有的放矢。本次改进是基于现有产品的过载能力优化设计提升。因此需采用现有产品对继电器的过负载能力进行摸底试验，目的是通过试验获得现有继电器的极限能力，试验中采用测试必要的分析手段及分析方法确认引起失效的主要原因，结合晶体罩继电器的试验条件制定试验方案，搭建试验系统，观察在浪涌过载寿命试验中能够反映继电器过载能力关键输出特性参数变化，在试验完成后，对失效触点表面形貌与成分分析；另外单独通过对继电器机构采用高速影像仪拍摄的方法，观察触点间燃弧的情况，从直观上分析燃弧对内部结构的影响，为产品性能的优化提供参考方向。2.2晶体罩继电器过载能力的关键特性参数继电器过载能力主要是在规定的短时脉冲下继电器能够通过和正常切换远高于额定负载电流的能力。要想保证继电器的正常切换，就要保证接触系统的稳定可靠。接触系统作为执行部分采用物理可分离结构，触点的切换过程中不可避免的产生电弧，电弧会造成触点材料的磨损、侵蚀，直接影响继电器切换负载能力的优劣。因此，分析影响过载能力的关键特性参数可以从与减小电弧侵蚀的相关因素进行着手。同时，因为电磁继电器是一种集机、电、磁、热等多学科为一体的机电元件，内部影响因素彼此耦合，互相制约，电磁系统的分析也需要关注。电弧对触点的侵蚀十分复杂，影响触点侵蚀的因素很多，包括电弧及电参数方面、机械力参数、触点本身方面等许多因素。通常只是定性讨论触点磨损的一般原理，对于具体产品的触点准确的磨损信息，只能通过进行相关试验才能获得。通过总结可知，触点侵蚀磨损与许多参数有关：包括触点的机械参数和负载特性等，具体如图2-1所示。-12- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文触点烧蚀量因素触触触触燃触电点点点点弧点路尺开回分时材中寸距跳断间料的和速电形度流状大小图2-1燃弧中触点的烧蚀量影响因素其中触点的尺寸和形状作为基本的设计结构参数，与多种因素如刚度、电流密度和散热等均相关，第二项触点开距属于继电器的机械参数，第三项为继电器的电气测试参数，第四项属于继电器动态特性参数，第五项触点的燃弧时间影响熔焊力的大小，触点的熔焊力Fw可以用公式[58]（2-1）进行计算。2/3FwKuitd（2-1）Ata式中u——电弧压降（V）；Ai——电流（A）；t——燃弧时间（s）。在触点分断过程中，会产生电弧，一旦形成了电弧，触点表面就会产生熔化，当熔焊力大于分断力的时候，就会形成触点粘接故障。因此，需要对继电器的燃弧时间分布进行试验摸底分析，尽量减少燃弧时间。触点燃弧时间与前四项均有关，剩余电路中的电流大小因已有规定不作为重点参数关注，因此本文将对前四项作为关键影响因素进行控制。2.2.1触点开距小体积下的直流电弧的熄灭方式主要为自然式，即靠机械力或电磁力把电弧直接拉长。要保证触点断开时分断电弧能够可靠熄灭，触点的开距的大小是过载能力的一个关键因素。-13- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文在切换电流已知的情况下，通常采用电弧的熄弧临界长度公式[59](2-2)进行触点开距的估算。1.50.5LK(UUIUI/)I（2-2）00式中-3K——弧长系数，银基材料为1.2×10；U——触点额定电压；U0——最小起弧电压，银基材料为12V；I0——最小起弧电流，银基材料为0.4A；I——触点额定电流（计算取值大于1A的较准确）。通过计算可知，规定的过负载条件下满足触点正常切换所需要的熄弧临界31.50.5长度为L1.210(28120.428/16)160.28mm，目前实际产品的触点开距为0.12mm，实际产品因为有限空间条件的限制无法达到如此大的开距。因此，有必要对过负载电流条件下能可靠断开电弧的最小触点开距进行试验摸底。在继电器开罩状态下以现有货架产品为样品，选取产品的触点开距为0.12mm，簧片厚度为0.12mm的4只产品，采用负载逐级增加的方式进行试验，具体试验验结果见表2-1。通过试验发现，在现有的簧片厚度下，0.12mm的触点开距，可以通过的最大负载12A，不具备通过16A负载的能力。按照给出的经验公式计算，通过12A所需要的触点开距为0.24，也远大于触点实际的触点开距，因此需要对原有经验公式中的弧长系数进行修正，需要对K值改为为原来的一半，采用修正后的数值再次计算可知，最小的开距距离约为0.143mm。得到的弧长系数可作为同类型结构的参考依据。表2-1不同负载试验记录编号负载常开常闭12A100次通过100次通过28A100次通过100次通过312A100次通过100次通过416A1次通过1次通过2.2.2触点回跳在各种控制电路中，回跳会使触点发生重燃，电弧燃烧时间过长会烧蚀触点表面的镀层，增大接触电阻，加剧触点烧蚀，影响触点乃至继电器的寿命。根据文献[55]可知，在100Vd.c.、8A下，分别在闭合过程中触头无弹跳和有-14- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文弹跳（总持续时间1ms左右）情况下做开闭试验1万次，无弹跳时，阴极损耗6.12mg；有弹跳时，阴极损耗8.26mg。闭和过程中触头弹跳对材料侵蚀损耗较严重。所以尽可能减少回跳，特别是尽量减小触点闭合回跳。对现有继电器进行回跳测试统计，从统计分析结论可以得出常开触点的闭合回跳和常闭触点的闭合回跳次数都较多，闭合回跳次数和时间远大于断开回跳，各组触点的回跳存在差异，单次闭合回跳时间最长约为500μs，较短为10μs，见图2-2。回跳次数的分布没有规律可循，次数从0次到10次不等。a）吸合的闭合回跳b）释放的闭合回跳图2-2触点的闭合回跳情况从能量的角度分析触点闭合回跳产生原因。在继电器加电时，衔铁与轭铁发生碰撞，能量来源于线圈产生的吸力，在额定激励下，由于末端的吸力远大于电磁继电器的机械反力，因此，当继电器加电吸合后簧片产生回跳，主要为动合静簧片的跟踪超程产生的回跳。而线圈去电释放时，释放闭合回跳是由动簧片与静触点碰撞产生的，一方面取决于动簧片的刚度。另一方面由于衔铁碰撞后所受的反力仅为复原弹簧提供的反力，远小于电磁吸力，碰撞的反作用力很容易带动衔铁转动，如果自由行程不足，衔铁上的推杆部分很容易推动簧片产生多次回跳。触点回跳的计算公式[60]如式（2-3）。22J(1KJ)02cl()tdt（2-3）00220式中J——触点对支点的惯性矩；——从动触点弹开经过时间t后动触点的角速度；-15- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文K——触点材料的碰撞损耗系数；——触点刚闭合过程中触点支架的角速度；0——动触点弹开的角度；c——触点弹簧的刚度；l——力臂；——触点弹簧的初压缩角；0t——时间。过载电流产生的电动斥力也是引起弹跳的主要原因，工程实际中应用的计算公式[55]为：02HAcPIHln（2-4）4Pc式中——周围介质的磁导率；0I——流经电流；——触头表面接触情况系数，其范围0.3~1.0；H——布氏硬度；P——触点压力；cA——触头表面积。c经分析可知，回跳与继电器电压、簧片刚度、开距、超程和触点压力等因素均有关，在满足设计要求和超程相同的情况下，簧片开距越小，动簧片的动能越小，簧片厚度越小，动簧片刚度越小，所以簧片开距和动簧片厚度越小，回跳就越少。但这就与切换负载需要较大的开距和刚度的情况相矛盾，因此需要综合考虑优化。2.2.3分断速度在分断电路过程中，触头间隙距离增加，使电弧拉长，一方面电弧向外界散出热量增加，另一方面也使电弧弧根在触头表面发生移动，即可降低触头材料的侵蚀损耗。因此，为降低分断过程中的触头损耗，应较快地使电弧长度拉长，即要求有较高的分断速度。触点的分断速度可以通过调整触点的刚度和压力进行优化。触点的运动过程是由于力的变化是一个变加速的运动过程，因此更应关注触点分离时刻对应的触点速度，该时刻的速度正是电弧开始起弧的时刻。由于分断初速度改变，熄弧长度也会改变。文献[32]给出了分断初速度对燃弧长度的影响，如图2-3所示。-16- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3.0气相燃弧长度金属相燃弧长度2.5总燃弧长度2.01.51.0燃弧长度（mm）0.50.0100200300400500-1分断初速度（mm·s）图2-3分断速度与燃弧长度的关系文献[29]给出了电弧能量与分离初速度的关系表达式dWcV（2-5）0式中W——总燃弧能量；c——幂函数的回归系数；d——幂函数的回归系数；V——分离初速度；0从文章中表明触点分离初速度从80mm/s增加到300mm/s将会减少液桥能量、金属相电弧能量和气相电弧能量，从而减少触点烧蚀。如图2-4所示，文献[61]给出了不同分断速度下的输入触头的瞬时功率。随着分断速度的提升，燃弧的能量迅速下降。因此，在优化过程中需要特别注意分断速度。同时，本次优化产品为转换触点组形式的继电器，更大的分断速度将给另一侧的触点闭合带来更大的能量，引起不必要的回跳，这是优化中不想看到的结果也需要综合考虑。对于本论文研究过程出现的两个主要的速度：刚分速度及分断速度，有如下讨论。刚分速度指的是开关分断之后一段时间内的运动机构平均速度，通常选取时间为10ms；由于刚分速度多使用在高压开关中，对于快速动作的继电器有一定适用性，但相对较低，对于过负载研究参考意义由于快速性及失效分断占绝大多数无法统计更难以掌握；因此，本论文中采用更结合实际的分断速度进行研究，分断速度依据对触点危害最为严重的电弧进行定义：对于相同电压电流等级的阻性负载，电弧从金属相到气相的转换具有跃升特性，跃升瞬间对应的产品动簧片的运动速度，定义为本文中对于过负载研究中的分断速度；-17- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文即气相电弧起弧时的簧片速度。实际测试中，选取性能表现稳定的产品，首先对触点拍摄动态影像（非带载），之后带过负载对产品的负载电流波形进行测试，在电流波形中采集起弧时间位置；依据跃升时间位置，同步提取此时的动簧片的运动速度，即可得到该只代表性产品的分断速度。图2-4不同分断速度下输入触头的瞬时功率2.2.4触点尺寸和形状热传导可以将热从接触位置表面带走，因此热传导是影响触点烧蚀量的一个重要参数。触点的尺寸如长度，宽度和厚度都对触点的烧蚀量有重要影响。继电器的静触点为开口圆环状，可以有效利用空间位置,接触形式为线接触，动合静簧片接触部位冲压一球面，当触点接通时形成点接触以保证接触可靠性。簧片的尺寸和形状影响继电器的反力曲线和热特性，其中簧片的最高温度计算公式[61]如下。I2IUj（2-5）0KTCA2KCT式中I——通过簧片的电流(A)；——簧片电阻率；K——簧片综合散热系数；TC——簧片横截面周长；A——簧片横截面积；U——触点接触压降；j-18- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文——簧片热导率。在优化中，由于受限与体积和引出端间距等影响，簧片的排布和尺寸形状不易改变。需要更多关注装配过程中的一致性不好引起的刚度等参数变化。2.2.5静态吸反力特性继电器的电气参数、负载能力，抗振性等参数是否满足设计要求与继电器的吸反力特性配合有着重要关系。吸反力特性曲线是位移和力的关系曲线，能有效反应接触系统和电磁系统的尺寸参数变化对电参数的影响。吸反力特性匹配不合理，继电器将无法可靠地工作，因此设计中应该首先考虑吸反力特性配合。我们对原有产品电磁系统的吸反力进行了实测工作，一方面对现有产品的实际情况进行摸底，同时得到的吸反力曲线也可为后续的仿真样机的修正提供数据支持。测试方法采用吸反力测试仪配合砝码重力测试验证的方法，实验测试设备如图2-5所示。a)吸反力测试仪测试b)砝码重力校验图2-5测试设备通过掉砝码实验，可测得实验数据：表2-2不同负载试验记录砝码质量砝码质量砝码质量垫片厚度砝码质量2V砝码质量3V14V16.8V27V01531173186.42020.07505.26681104.15131.420.10044.567.579.50.150029.54356.40.20020.52640-19- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文实测的电磁系统吸力曲线如图2-6，所示从吸反力配合曲线中可以分析，在额定动作电压下，静态吸力曲线与反力曲线较为接近，因此尽管动合静簧片衔铁在运动至末端的情况下，冲量比预期的要小，吸合时速度也较预期的数值要小。1.62.0原模型反力(预压力0.07N）14V1.4原模型反力(预压力0.08N）16.8VN)1.21.527V1.0(N)1.00.8电磁吸力（0.6电磁吸力0.50.40.20.00.00.20.30.40.50.60.7-0.10.00.10.20.30.40.50.60.7衔铁位移（mm）衔铁位移（mm）a)原有电磁系统吸力测试结果b)原有电磁系统反力测试结果图2-6电磁系统实测吸力2.3晶体罩继电器过负载试验本文的研究对象为792厂的JRC-071M型密封直流电磁继电器，该产品具有一个控制线圈，采用熔焊密封形式，图2-7a)为继电器整体的机构（去除线圈部分），该结构为平衡旋转式结构，含有四组推动杆，接触系统具有四组转换触点，包括动簧片、静合静簧片、动合静簧片，2-7b)为接触系统中一对转换触点组的示意图。a)继电器机构图b)接触系统示意图图2-7继电器结构示意图-20- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2.3.1过负载试验因为该产品引出端排布为2.54mm间距结构形式，直接焊线较为困难，为了更好模拟实际情况，进行过负载试验之前，先将继电器焊接到电路板上，如图2-8所示：a）电路板线路图b）焊接完成后电路板正面图2-8继电器与电路板焊接示意图产品试验条件按GJB65B中4.8.18进行,具体要求为：负载：采用负载等级逐级增加的方式进行摸底，进行2A×28Vd.c.(阻性)寿命50000次｡进行8A×28Vd.c.(阻性)，接通200ms，断开800ms，通断比1:416A×28Vd.c.(阻性)，接通200ms，断开800ms，通断比1:4动作次数：100次,(常温)常开､常闭触点分别进行｡要求：应连续监测所有被试触点的断开和闭合,以检查其转换情况｡按试验要求和需要测试的参数情况，搭建试验电路系统,如图2-9所示。对产品进行过负载摸底试验，4倍负载条件下，即8A阻性负载，4只，8倍负载条件下，即16A阻性负载，2只，试验结果如下表所示：表2-3四倍八倍过负载试验结果负载过负载试验寿命8A动作100次通过1只5万次常开触点粘接，累计动作13次失效16A无常开触点粘接，1组常闭失效，累计动作32次失效-21- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文负载电源示波器线圈激励控制测试平台阻性负载图2-9过负载试验系统图2.3.2电弧燃弧情况采用示波器对负载为额定负载下的燃弧情况进行统计记录，对吸合和释放典型燃弧时间测试波形如下图2-10所示。其中从图中可以看出吸合过程中触点产生的燃弧较小，时间较短。释放过程中产生的燃弧时间较长。a）吸合过程b）释放过程图2-10转换触点吸合释放燃弧时间典型波形对100次内的燃弧情况进行采集进行统计，得到吸合时间、吸合燃弧、释放时间、释放燃弧的数据统计，如表2-4所示。-22- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表2-4数据采集统计表吸合时间吸合燃弧释放时间释放燃弧最小值2.58ms0.35ms0.68ms0.02ms最大值2.73ms0.02ms0.62ms0.29ms平均值2.64ms0.14ms0.65ms0.12ms经分析四组转换触点存在不同步性，时间间隔差最大为0.15ms，吸合与释放时间均比较稳定。吸合与释放燃弧时间波动较大。采用示波器对负载为8A负载下的燃弧情况进行统计记录，100次内的燃弧情况如下图Intercept=4.279,Slope=0.01796XIntercept=-238.302692000401500301000计数20燃弧时间（s）500100002468101214161820020406080100时间次数a）时间分布图b）直方图图2-11燃弧时间统计经过统计分析，产品的有效数据为94次，燃弧时间的中位数为247μs，燃弧时间最高约为1900μs，平均值为513μs，方差为22。对产品拆罩，采用高速摄像机进行拍摄触点在8A负载下触点燃弧情况，燃烧情况如图2-12和图2-13所示。在触点分断过程中从触点的动态运动过程拍摄中对比发现，产品的释放过程中，未加电产品簧片的晃动要小于加电簧片，证明了簧片刚度减弱造成的回弹减小的情况，释放过程中小球的回跳均较为严重；吸合过程中均较为稳定，动触点回跳较小，但衔铁的回跳较为严重，设计时需要对空程有一定的余量，避免衔铁回弹再次推动簧片。通过对分断过程的采集，可以得到产品的实际分断速度为314mm/s。分断速度的提取可以为后续的仿真提供数据支持。-23- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1-0.000ms2-0.048ms3-0.072ms电弧4-0.088ms5-0.112ms6-0.168ms电弧7-0.176ms8-0.324ms9-0.432ms图2-12继电器静合触点分断过程1-0.000ms2-0.032ms3-0.072ms电弧4-0.008ms5-0.160ms6-0.176ms电弧电弧7-0.224ms8-0.234ms9-0.248ms图2-13继电器动合触点分断过程-24- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2.3.3继电器过负载试验失效分析进行8倍负载的产品所有失效模式均为粘接故障，除1只产品为常闭触点测试失效外，其余均为常开触点测试失效，对失效产品开壳，从触点表面形貌图可以看出，无论是动合触点还是动簧片，损耗材料集中堆积于动簧片表面某一集中区域，部分动簧片表面堆积物呈现带状，同时从试验后的测试发现触点间隙有一定的减小，具有粘接失效的特征。触点间均出现了远大于接触面积的烧蚀，烧蚀区域为白色，原有银镁镍带的金镀层表面完全消失，且无碳化黑色物质，表面布满细小气孔；可以推测在过负载试验燃弧过程中，触点表面区域承受了非常高的温度，使得表面出现接近汽化的状态，初步推测温度超过3000摄氏度，在此温度下，簧片的快速抑弧能力使得产品不至于持续燃弧而高温烧毁。试验前后的动作电压与释放电压均减小，说明簧片在过负载试验过程中发生了高温软化现象，拆壳测试簧片力也表明刚度数值上出现了下降。a）动合静簧片b）动簧片c）动簧片d）静簧片图2-14经过8倍过负载后触点的表面形貌图（10倍显微镜）对于其中一组粘接的触点进行了拍摄，从照片中可以看出，动静触点均与动簧片粘连，金属融化，后冷却凝结为固态后粘接在一起，从烧蚀面积和深度上来分析，为四组触点中最严重的一个，从动簧片烧蚀的边界的状态分析，并非拍照前分离触点的硬断裂（对比融化缺口正上部为断裂），因此可以推断动断触点间在试验末期出现了大面积的金属融化缺口。触点间烧蚀区域均为白色，与以往过负载实验烧蚀中的黑色碳化现象有着很大的区别，因此，为了进一步分析触点间的物理化学过程，进行高倍放大的的扫描电镜观测，并进行能谱分析，以确定触点烧蚀之后的主要成分。扫描电镜拍摄图片如图2-15，为上述相同簧片及触点。-25- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文a）动合静簧片b）动簧片c）动簧片d）静簧片图2-15经过8倍过负载后触点的表面形貌图（电子显微镜）通过采用能谱分析的手段对触点表面测试，以确定电弧烧蚀对其成份的影响。选取不同位置进行测试，首先选取表面完好的部分从图中2-16a)可以看到，在照射的深度范围内，金的含量较高，其次是作为基底的银和镁。选取烧蚀部分进行成份分析，从图中2-16b)可以看到，相对于没有烧蚀的触点部分，金的含量百分比从原来的的75.18%下降为6.14%，作为基体材料的银镁镍中银的含量从从17.2%变为77.97%，其它元素含量没有明显变化。从触点的动态运动过程拍摄中对比未经过过负载试验与经过过负载试验产品发现，两个产品的释放过程中，未经过过负载产品簧片的晃动要小于经过过负载产品，同样证明了簧片刚度减弱造成的回弹减小的情况，释放过程中小球的回跳均较为严重；吸合过程中均较为稳定，动触点回跳较小，但衔铁的回跳较为严重，设计时需要对空程有一定的余量，避免衔铁回弹再次推动簧片。在平均燃弧时间上（额定负载条件下），由于触点间隙较小(0.10mm-0.12mm)，造成一定的重燃。动断触点间燃弧时间少于动合触点燃弧时间，分析是由于在动簧片与静触点（动断）分离前，推动杆存在一段空程，从而使得推动球在与动簧片接触瞬间有一定的速度，从而提高动簧片分断速度，减小燃弧时间；在动簧片与动合触点分离前，由于分断速度完全依赖于动簧片刚度，推动杆没有起到推助作用，只是由簧片本身分断，所以动合触点分断速度较小，燃弧时间较长。吸合过程中动合触点弹跳较少出现，时间约为200μs左右，次数为1次左右，弹跳分析是由于材料转移使得触点间隙变小以及触点表面形貌不平的原因，动簧片与动合触点刚接触时电磁系统吸力与反力之差很小，甚至吸力小于反力，导致簧片出现弹跳甚至燃弧。释放过程也存在少量的动断触点闭合弹跳，分析是由于在释放过程中，当动簧片与静触点刚接触时，推动器已与动簧片分离，致使簧片由于积累的速度自由颤动，导致回跳加剧。-26- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文a）未烧蚀部分b）烧蚀后部分图2-16经过8倍过负载后触点的成分能谱分析（10倍显微镜）通过以上分析，减弱弹跳，并缩短动合触点与动簧片间的燃弧是提高继电器过负载能力的有效途径。2.4本章小结本章分析了影响晶体罩继电器过负载能力的关键参数，搭建了继电器过负载试验平台，通过采集和参数分析得到了现有产品的寿命和极限过载能力试验数据。通过高速摄像机对拆罩状态下的燃弧情况进行了分析，通过显微镜和扫描电镜对失效触点的形貌和成分进行了分析，通过吸反力测试系统对继电器的静态特性参数进行了测试并绘制出了吸反力配合曲线。得到的数据为后续晶体罩继电器产品的过载能力优化设计奠定了基础。-27- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第3章继电器虚拟样机模型的建立及分析3.1引言继电器仿真设计平台的首先要建立物理样机的虚拟样机模型，继电器静态特性与动态特性均可通过对虚拟样机的仿真获得，其准确性直接决定设计是否正确。继电器静态特性分析通常包括电磁系统的吸力特性与复原簧片和接触动簧片组成的反力特性分析，静态特性吸反力的配合能够很好的反应各种参数间的关系，是继电器优化设计关键，可以说继电器设计就是吸反力的配合。继电器动态特性让我们能够全面描述继电器在实际工作过程中的物理状态，特别是可以获得提升过负载能力需要关注的分断速度、触点回跳等参数特性。要保证继电器寿命次数，就要提高继电器的可靠性。提高可靠性需要减少继电器各运动部件之间的机械磨损和电气磨损，减小撞击能量，因此需要利用虚拟样机平台准确仿真继电器的动态特性，并优化继电器的相关参数。本章首先以产品现有实际设计图纸和物理样机实测数据为依据，采用Soldiworks建立继电器三维CAD模型，接着将模型导入电磁仿真软件FLUX进行继电器吸力特性计算并得到静态数据表，通过对复原弹簧采用实测数据函数建模结合ADAMS软件仿真的方法分进行反力特性计算；然后通过MATLAB软件中的Simulink模块联合仿真求解，形成反应继电器动态特性的仿真平台，最后与实测数据对比，验证模型的准确性。通过对仿真结果的分析，找出设计的薄弱环节，提出改进的方向。3.2继电器静态特性模型的建立与分析3.2.1电磁系统的静态特性吸力计算电磁系统的吸力特性计算是验证电磁系统设计是否合格的基本方法和必要手段。主要有磁路法和有限元磁场仿真法。有限元方法是基于变分原理，将微分方程形式的数学模型的边值问题转换为相应变分问题，通过泛函求极值，然后利用剖分插值将场域问题离散为普通多远函数的极值问题，即归结为一组多元的代数方程组。-28- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3.2.1.1电磁系统的模型建立及验证本文采用的FLUX电磁仿真软件包括建模(Geometry)、分网(Mesh)、定义物理属性(Physics)、计算(Solve)及计算结果后处理(postprocessing)等若干基本步骤。在对JRC-071M继电器进行仿真的过程中，首先以继电器的设计图纸为依据，结合实际测量的工程尺寸，在FLUX中建立其电磁系统模型，其次对建立好的模型进行分网和物理属性的定义，然后再对该模型进行计算和数据的后处理，从而实现对该模型的静态特性分析并得到该型继电器的电磁特性分布图，最后导出不同线圈电压不同转角下的FLUX数据表，以便在基于多仿真软件联合分析时线性插值使用。继电器电磁系统结构示意图如图3-1所示，由线圈和磁路系统组成。线圈采用QY-1漆包铜圆线绕制，线径为0.04mm，线圈电阻为600Ω。磁路系统由长轭铁、短轭铁、铁芯、衔铁和两个工作气隙（衔铁与轭铁贴合面的气隙）等组成，导磁材料选用电工纯铁牌号为DT4C，要求热处理后Hc≤48A/m。铁芯线圈长轭铁短轭铁衔铁图3-1继电器电磁系统结构图首先在FLUX中建立该型继电器的电磁系统模型，在该模型中包含铁心、线圈、轭铁和衔铁四个部分，建模过程中应建立该模型不同部分的坐标系，然后导入继电器的电磁系统模型，具体模型如图3-2所示。图3-2密封继电器JRC-071M电磁系统模型建模完毕后，在FLUX中建立若干个不同的分网节点，每个分网节点都-29- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文设置不同的分网密度，然后根据实际问题的需要将模型中的点划分到这几个分网节点中，从而来实现对模型的不同区域进行不同密度的分网，这样既可以节省计算时间又可以更方便地观察实验结果。分网效果图如图3-3所示。图3-3密封继电器JRC-071M分网结果JRC-071M继电器的线圈电压变化范围是0到27V，转角变化范围是0到4.57度，设置仿真脚本的电压步长为1V，转角步长设置为0.24度。对模型进行仿真计算并得到初步的实验结果，对实验结果进行后处理可以得到整个电磁系统以及单一截面的磁感应强度云景图和磁感应强度矢量图，如图3-4所示。a)磁感应强度分布云图b)磁感应强度矢量图c)截面磁感应强度分布云图图3-4FLUX静态分析磁感应强度分布图从上面的仿真结果可以看出当衔铁和轭铁没有构成闭合回路的时候，电磁系统中缠绕线圈的铁芯部分的磁感应强度较大，且出现饱和状态，而其余部分的磁感应强度则较小，这也是由于在衔铁闭合之前气隙的存在使的电路的磁感应强度减小的缘故。绘制出电压、电磁转矩、转角三变量之间的关系图，如图3-5所示。从上述仿真结果中可以看出电压、转角、电磁转矩和磁通四者之间的变化趋势。从图3-5a)中可以分析出随着转角的增大，磁通逐渐增大；从图3-5b)中可以看出随着转角的增大，电磁转矩也逐渐增大，这也是由于在转角变大的过程中回路磁通增大导致的；从图3-5c)中可以看出电磁转矩与电压是正相关；图3-5d)是电压、转角、电磁转矩的三者三维曲线图，可以明确表征三者之间的变化关系。-30- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文0.060.0200.050.016)0.040.012(Wb(N·m)0.03磁通0.0080.02电磁转矩0.0040.0100.000012345012345衔铁角度(°)衔铁角度(°)a)磁通随转角的变化趋势图b)电磁转矩随转角的变化趋势图0.020.0180.0160.0140.012(N·m)0.0080.01电磁转矩0.0060.0040.0020051015202530电压(V)c）电磁转矩随线圈电压变化趋势d）线圈电压、转角、电磁转矩三维关系图图3-5FLUX静态分析曲线图经过测试可以得到静态吸力仿真参数和实际测量的对比图，见图3-6所示。该模型的仿真实测吸力特性差距不大，可以进行后续的动态模型仿真。2.53V仿真16.8V仿真2.027V仿真3V实测)16.8V实测1.527V实测1.0电磁吸力(N0.50.0-0.10.00.10.20.30.40.50.60.7衔铁行程(mm)图3-6静态吸力特性与实测对比-31- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3.2.2触簧系统静态反力特性计算3.2.2.1动力学方程ADAMS是针对机械系统进行动力学分析的专业软件。对于多刚体系统动力学理论的，应用最广泛的模型就是拉氏二类方程法，ADAMS也采用这种方法建立多体系统的动力学方程。ADAMS用反映刚体i方位的欧拉角和刚体的T质心笛卡尔坐标作为广义坐标，即qxyz,,,,,，每个刚体可以用6个广义iiTTTT坐标描述，则系统广义坐标列阵为qqq1,,1q1，这种坐标的选择可以获得更快的求解速度。拉格朗日法建立的集成约束方程可表示为微分代数方程的形式。TTdTTTTQqqdxqq（3-2）qt,0qqt,,0式中——为完整约束的乘子列阵；T——为动能；Q——为广义力列阵；——为非完整约束的乘子列阵；qt,0为完整的约束方程；qqt,,0为非完整的约束方程。对于柔性体，在新版ADAMS中可以通过导入mnf文件对刚体柔性化。本课题采用Ansys软件对动簧片和动合静簧片进行离散化导出需要的mnf文件。将若干单元的有限个节点自由度来表示其无限多个自由度，近似地用少量模态的线性组合来表示这些节点的弹性变形，最后建立柔性体运动微分方程求解。3.2.2.2触簧系统的模型的建立触簧系统是包含柔性体和刚体的多体动力学系统。当给继电器线圈加激励，线圈产生的电磁吸力使衔铁发生转动，进而带动推杆推动动簧片完成触点转换动作。当继电器线圈去激励时，电磁吸力消失，衔铁在复原弹簧和簧片自身提供的返回力作用下，回到加激励前的初始状态，可以通过调整由位于盖板上的止挡决定衔铁的转动行程。本次研究的继电器触点接触系统属于半柔性接触形-32- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文式的转换型触点结构，其中刚体部件为常闭静触点，柔性体部件包括动簧片、动合静簧片、复原弹簧等。其数学模型可表示为：2ddxx11mFFFCkx12123111ddtt2ddxx22mFCkx（3-3）222222ddtt2ddxx33mFCkx323133ddtt式中mm~——簧片等效质量；13FF~——为簧片间接触力；13kk~——为等效刚度；13xx~——为簧片的等效位移；13CC~为簧片间的结构组尼。13在建模过程中，对于电磁继电器的刚体部件和柔性体部件（动簧片、动合静簧片等）分别建模导入，在导入时需要注意坐标系的一致。通过对暂态过程的仿真计算最终可以得到电磁继电器的动态特性。将在ADAMS中的建立的刚体模型和在ANSYS中建立的柔性体模型装配起来，可以得到电器的整机模型。建立JRC-071M继电器的整机模型之后，为实现动态特性仿真还须完成以下四个步骤：添加柔性体哑物体为几何模型添加运动副为几何模型添加驱动力为几何模型添加接触力图3-7静态吸力特性与实测对比完成全部的仿真及设置过程后，经过检测测试可以得到仿真参数和实际测量的对比图，具体见图3-8所示，模型符合试验转矩预期效果，该模型的仿真可以正确顺利地进行后续的动态模型仿真中。-33- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.4仿真1.2实测1.0)0.8力(N0.60.40.20.00.00.10.20.30.40.50.60.7位移(mm)图3-8静态反力特性与实测对比3.3动态特性模型的建立与分析3.3.1动态特性的理论基础3.3.1.1动态特性方程电磁机构动态特性主要是求解两个紧密联系、相互影响的问题获得：①电磁参数变量对电磁吸力产生的影响；②继电器吸反力对衔铁运动参数产生的影响。第一个问题可以由电压平衡方程解决，第二个问题可由达朗贝尔运动方程解决，计算电磁机构动态特性的方法很多，但核心内容通常都是通过经典数值方法对微分方程组的求解，即d(,ix,)TmovuiRT()dtdvFix(,,)TFx()movEmovfmovdtm（3-3）dxmovvmovdt式中——励磁线圈的磁链（Wb）；v——为衔铁运动速度（m/s）；movu——为线圈的额定电压（V）；RT()——为线圈的常温条件下电阻（Ω）；i——为电流（A）；-34- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文T——为温度（K）；FixE(,mov,)T、Fxf()mov——分别为电磁吸力和反作用力（N）；m——为衔铁自身的质量（kg）；x——为衔铁的位移（m）。movADAMS软件中对刚柔耦合的机械系统进行建模仿真的流程如图3-9所示。有限元软件建立柔性体几何模型建立几何模型加载柔性体网格剖分导出为MNF文件修改材料属性建立动力学分析模型添加柔性体哑物体添加运动副添加接触力求解动态特性添加驱动力后处理图3-9ADAMS软件建模仿真流程图在动态特性仿真中，首先需要在ADAMS建立该型继电器的整机模型，并导出与MATLAB的接口程序，即一个可以在MATLAB中运行.m文件。然后在Simulink中建立联合仿真的电路图，在电路图中包含线性插值使用的FLUX数据表和调用ADAMS的软件模块，从而实现基于多软件的联合仿真分析。通过Matlab的结果输出最终可以得到关于电磁继电器各种特性参数的仿真数据，最后对仿真数据进行处理并画出图像。3.3.2动态特性联合仿真联合仿真的电路逻辑图如图3-10所示。-35- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文FLUX数据表线性插值ADAMS软件接口（调用ADAMS）计算得到线圈电压衔铁转角图3-10动态联合仿真的逻辑图在Simulink中绘制相应的电路原理图，通过线性插值和接口文件调用ADAMS软件模块来进行联合仿真，从而得到最终的实验结果，具体的联合仿真控制图如图3-11所示。control_torque0Source1线圈回路子模块电磁力control_torque1angle-K-SourceVoltage矩查表coilphi3msbalance2RVoltageangle1示波器27control_torque(U,angle)线圈ADAMS电压3msbalance1子模型U(phi,angle)03msbalanceToCoilVoltagecontrol_torque=0初始力矩0U=0adams_subCoil_Voltagebalance图3-11动态联合仿真电路图在图3-11联合仿真电路原理图中求解磁链模块如图3-12所示，这个模块间接控制着线圈电压的变化趋势。联合仿真得到吸合与释放过程线圈电压的变化曲线。-36- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图3-12求解磁链子模块3.3.3动态特性仿真结果分析完成上述所有的准备工作后，在SIMULINK中进行动态联合仿真分析。首先运行在ADAMS中导出的.m文件，然后通过adams_sys命令来调用ADAMS模块，最后设置好仿真步长和时间进行联合仿真，仿真结果如图3-13所示。100/s)50mm050(-50(rad/s)0-100-50-150-100-200衔铁角速度-150-250-200动合静簧片右上速度-3000.0250.0300.0350.0260.0270.0280.0290.030时间(s)时间(s)图3-13衔铁转角及静簧片速度随时间变化从图3-13中继电器的吸反力配合特性曲线可以分析出整个衔铁的运动过程。0ms~2ms时，继电器的吸力小于反力，衔铁运动速度为0；2ms~7ms衔铁运动速度增大，7ms处受到动合静簧片的反力，10ms时，衔铁逐渐趋于稳定。衔铁的释放时间约为0.5ms，动合静簧片的分断速度为314.9mm/s，与实测值较为接近。-37- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文仿真衔铁速度实测衔铁速度0.90.2实测衔铁位移0.8仿真衔铁位移0）0.7mm）-0.20.6m/s-0.40.5衔铁位移（速度（-0.60.4-0.80.30.2-100.511.522.533.5400.511.522.533.5-3-3时间（s）10时间（s）10图3-14衔铁速度实测与仿真对比图3-15衔铁位移实测与仿真对比图3-14和图3-15中反映的是继电器衔铁速度和衔铁位移与实测值之间的差异不大，实测和仿真的偏差，主要体现在行程不同，这个应该是产品的实际加工，跟仿真模型的尺寸上有差异导致左右两个静合静簧片的预压力随时间的变化情况。3.4本章小结目前已经完成了电磁系统静态、动态分析模型的建立，验证了模型的正确性。后续将按照计划安排，提出具体的实施方案，开展对于实施方案的建模计算与特性比较，进行重点研究，通过吸反力配合与动态特性的分析，确定最优改进方案。通过对确定了以增加簧片厚度、增大动静触点的间隙、增大动合触点间压力、增大触点超程的主要改进方向；以期提高分断电弧的能力，提高释放过程触点分断速度，抑制吸合过程中触点碰撞引起的触点回跳燃弧；并考虑在这一过程中提升电磁系统吸力特性，实现合理的吸反力配合。-38- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第4章继电器的过载能力优化方案设计4.1引言在上一章完成了虚拟样机仿真平台的搭建的基础上得到了继电器的吸反力特性和动态特性。本章首先对得到的数据进行方案分析，主要提出了以分断动能法提升分断速度和提升反力法提升分断速度的方式对接触系统参数的优化设计方案，并通过虚拟样机通过对动态特性的仿真验证对比，确定改进效果，完成优化设计。考虑到电磁系统的影响，对电磁系统的极限性能尺寸、参数对电磁吸力的影响和高温等影响因素也进行分析，为是否需要对其改进提供了理论依据。4.2过载能力提升改进方案分析原有产品结构中，反力曲线为典型的三段组成，第一段为复原弹簧提供的反力，第二段为复原弹簧与动簧片共同作用得到的反力，第三部分为动簧片与动合静簧片加入之后的合成反力；从图4-1中明显可以看出，复原弹簧在起始端即存在力的作用，电磁系统提供的吸力需超过该阈值才可能使得衔铁动作，末段（第三部分）合力刚度较大，最后0.03mm的跟踪（超程）部分，反力增加明显。电磁吸力随着电压值的增加，整体吸力曲线抬升，吸力带较宽，16.8V吸力整体大过反力，吸合过程较为良好。分析衔铁释放过程中选用3V电压下电磁吸力曲线进行分析。吸反力曲线显示，释放过程中，吸力曲线接近反力曲线（预压力0.07N曲线），与第三段起始端较为接近。对于分断过程而言接近，该吸反力曲线特性将导致动合静簧片推动衔铁与动簧片的过程中，力值较小；动簧片与动合静簧片分离过程中，动簧片积累的分断力较小，导致动簧片与动合静簧片分断速度较慢，这也是原有产品过负载能力较弱的一个主要原因。从图中可以分析，吸合过程中的电压主要决定于两个关键点：复原弹簧初始反力与第二阶段簧片预压力介入点。从仿真数据与反力数据对比分析，复原弹簧初始反力为主要阈值，后段吸反力曲线并未出现接近或交叠的现象；从第一阶段实测过程中未出现吸合二步这一现象上来看，也在一定程度上间接证明-39- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文了这一推断。因此，从这个角度分析，该电磁系统尚存在一定的吸力余量，因此，优化首先集中在充分利用现有电磁系统电磁吸力裕量的基础上进行。图4-1静态吸反力特性实测与仿真对比另外，对于触点开距，现有结构开距较小，从目前得到的相关信息，部分可以通过八倍过负载试验的产品均较本产品开距更大；且从试验中可以发现，过负载试验中散热问题较为严重，因此需要增加簧片厚度，更快进行散热，同时降低高温软化对于簧片的影响。综合以上分析，拟采用以下改进策略（线圈与空间允许下）：（1）增加簧片厚度，提高抗电弧侵蚀能力。（2）增大动静触点的间隙，提高分断电弧的能力。（3）增大动合触点间压力，增大触点超程，提高释放过程触点分断速度，抑制吸合过程中触点碰撞引起的触点回跳燃弧。（4）增大自由行程、提高电磁吸力，提高吸合过程中的触点分断速度。以上改进方向需要平衡考虑触簧系统与电磁系统的匹配，由此，需要对包括电磁部分在内整个系统进行组合优化方案设计。4.3分断动能提升法继电器是由作为感应机构的电磁系统与执行机构的接触系统及中间连接部分组成的。感应机构和执行机构相互连接作用，实现电器的控制任务。从设计-40- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文角度而言，过负载负载能量远高于额定负载，电弧的能量远高于额定负载的电弧能量，要想使电弧有效抑制，就需要对执行部分的能力进行加强，通常采取的措施是加大开距和增强释放返力，改变继电器的动态特性，尤其是提升动合端分断速度；来达到抑制电弧，减少电弧烧蚀的目的。F(N)EFEDFDGCFCFBBAFA0E1D1C1B1A1对应触点间隙衔铁自由行程剩余间隙对应H触对应D触点跟踪点跟踪图4-2典型继电器吸反力配合曲线图4-2为典型的继电器吸反力曲线，通常提升末端反力曲线方法，即将E点抬高，FE增大。执行机构的加强，给作为感测机构的电磁系统提出了更高的要求，需要更大的线圈尺寸保证电磁吸力。本次优化的继电器因标准化要求外形尺寸不能改变，无法增加内部电磁机构空间。该继电器经过多次质量工程改进，电磁系统在规定的额定线圈参数、材料特性与结构特性等因素下性能已基本趋于最优，在不改变结构的情况下，吸力特性设计已经趋于饱和，提升空间极其有限。如果仅仅采用对末端吸力值提升，虽然能达到提升动簧片返回速度的目的，但同时也必将会带来一系列不利的影响。例如产品研制目标规定了吸合电压的上限值和高温寿命等约束条件，由于末端吸力提升，继电器将出现吸合电压高、高温性能下降等不良的影响,可能存在超过规定值的风险；即使参数可以满足，但该产品原有调试裕量空间较小，由于零件一致性的差异，校正工序调试难度也将增加，成品率下降也是不想看到的结果。根据前文分析，分断速度的提升是本次过负载能力提升的关键点。而从宏观角度，对于释放过程中，常开触点分断过程中，动簧片速度的能量来源是分-41- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文断时的动能J，这一动能并非只和末端的吸力有关，实际上取决于一个累加过程量。对触簧系统来说，从线圈去激励开始，记时间为t1，因为触点超行程和复簧反力的存在，动簧片开始往回运动，并在超程段由动合静簧片不断累加反力直至分开，时间记为t2，如图4-3，图中实际释放过程的吸力是在Adams中得到的。在分断前存在的金属相燃弧是我们比较关注的，所以t分断时间的分断速度的提升，可以有效减少电弧的烧蚀，这一过程中所累计的能量即为对分断速度有帮助的动能。图4-3释放过程对于吸合过程中，动簧片速度的能量来源也是一个累加过程量。对触簧系统来说，从线圈加激励开始，记时间为t开始，因为电磁吸力的存在，动簧片被推动杆推动开始往前运动，并在自由动程结束后段后克服动簧片产生的反力直至分开，时间记为t分断，如图4-4，所以提升初段的吸力也是重要的。图中实际的吸合放过程曲线在Adams仿真得到的，满安匝和吸合电压的曲线是Flux计算得到。图4-4吸合过程-42- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文分断动能是从能量角度驱动动簧片的原因，因此提升分断动能即可提升簧片的分断速度。从吸反力曲线的配合中可以分析，这一能量值为：t1JFt()F()tldt（4-1）atrcont2式中Ft()——相应时间的吸力值atrFt()——相应时间的反力值conl——簧片的位移其对应各图中曲线的阴影部分的面积，提升分断动能即增加继电器触簧系统分断过程中，反力与吸力曲线在超程段积分的差值，来提升分断速度。而实现这一途径可以通过综合提高超程与力值，甚至不提高反力等多种方式来实现。4.4触簧系统的优化方案本文结构优化是以提升分断动能的思想来提高分断速度，在原有的反力不提升情况下，增大触点的超程（跟踪）和增大触点间隙是一种较好的增加分断动能的方法。以前两章分析为基础，对触簧系统的动合静簧片设计了两种结构作为优化改进方案，分别为折返结构簧片和加厚加长结构簧片，下面将给出具体的方案，然后通过对整体综合比较，选取一种最可行的实施方案进行装配。4.4.1折返结构簧片将动簧片的厚度增加至0.15mm，动簧片初始静压力与原有产品保持一致，触点开距的中心值改为0.15mm，动合静簧片设计新的动合静簧片采用折返结构具体尺寸见图，簧片厚度增加为0.15mm，冲包（接触点）位于末端，动合静簧片的超程（跟踪）最小值增加至0.05mm。这种结构相对于原有的簧片结构，动簧片于动合静簧片的接触位移前移，在原有的动簧片转动相同的角度情况下，触点的跟踪明显多于原有的结构，因此动合一侧的分断速度也会高于原有的结构。由于产品的簧片加长，刚度发生了变化，因此产生的反力相对于原有的结构变化不大，对电磁系统的负担也相对较小。图4-5折返簧片-43- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文该折返簧片在现有簧片材料的基础上，对空间的利用最大化，使得触点的开距和超程都达到最大；设计折返簧片结构，使簧片末端超程增大，簧片间的接触压力增大，增大了整体的动能，从而增大动簧片分断速度，同时使吸合电压与释放电压较原有产品波动较小。材料的许用应力是结构本身的特性，它是由材料属性，加工工艺，结构特征等共同决定。超出材料许用应力的载荷会使材料产生不可恢复的形变。针对折角式动合静簧片设计方案吸反力配合情况，使用ANSYS软件考察该簧片在较大压力情况下的应力情况，考察是否超过许用应力范围。在ANSYS中导入动合静簧片模型，分网后施加载荷与边界条件，其中固定边界条件施加于簧片卷曲部分内部，三自由度限定位移为零；应力载荷施加在簧片冲包顶点部分，应力值为总反力值的1/4。分网与载荷施加如图4-6所示。求解后得到应力云图，如图4-7所示。图4-6计算载荷与边界条件施加图4-7动应力计算结果从计算结果上可以分析，图中最大值部分为加载点处的最大值，除该点外应力值均小于242MPa，尤其在最容易出现弯折的折角部分，均小于银镁镍材料的许用应力576MPa，。因此可以判断，在该设计条件下，折返式动合静簧片所受应力不会超过材料许用应力极限值，因此，不会发生弯折现象。4.4.2加厚加长簧片将动簧片形状与参数及初始静压力保持与原有产品保持一致，触点开距的中心值调整为为0.15mm，动合静簧片：厚度增加至0.15mm，簧片延长，冲包（接触点）外移，增加动合静簧片的超程（跟踪）最小值为0.04mm。其中触点开距与超程（跟踪）为关键尺寸。这个改进方案和折返结构一样，只是因为整体结构改变不大，要保证跟踪的情况啊，反力会提升较为明显，这将对电磁系统要求较高。-44- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图4-8加厚加长簧片对两种方案进行对比，得到改进方案的各主要参数对比表，见表4-1。从表中可以看到折返结构提高的触点跟踪要比加厚加长结构的大，并且动簧片的厚度也进行了增加，抗烧蚀性能也得到了提高。表4-1改进方案对比表原模型折返簧片加厚加长簧片动簧片厚度（mm）0.120.150.12触点开距（mm）0.100.150.15动合静簧片厚度（mm）0.120.150.15动合静簧片跟踪（mm）0.030.050.04其他采用折返结构簧片加长4.4.3改进方案的仿真分析4.4.3.1簧片组刚度计算仿真验证建立两种改进方案的单组簧片动态特性测试模型，触簧系统模型中包括刚体部件（衔铁、调整杆、推动器、止推挡等）和柔性体部件（动簧片等），单组簧片模型主要包括衔铁运动系统和触点接触系统，图4-9为折返结构的单组簧片的分析模型，图4-10为加厚加长结构的单组簧片的分析模型，分析单独在固定转速激励下，动合静簧片的受力与位移情况。折返结构参数为：衔铁转角4.57°，簧片厚度0.15mm，开距0.15mm加厚加长结构参数为：衔铁转角4.57°，簧片厚度0.12mm，开距0.15mm。仿真分析得到的力与位移数据如表4-2所示。表4-2动合静簧片两种方案结构单组动合静簧片仿真数据123456位移（mm）00.050.470.470.620.68折返簧片力（N）00.030.110.550.911.1位移（mm）00.050.460.480.640.68加厚加长簧片力（N）00.080.100.550.631.39-45- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图4-9折角结构单组簧片分析模型图4-10加长结构单组簧片分析模型通过仿真数据处理与分析，得到现有结构单组动合静簧片分析结果。表4-3动合静簧片两种方案结构单组动合静簧片分析结果时间（s）位移（mm）接触力（N）计算刚度10.036-4.8150.009动簧片0.048220.037-4.8480.010折返簧片动合10.042-5.0090.0971.1483静簧片20.045-5.0660.16310.033-4.6990.003动簧片0.049220.034-4.7430.003加厚加长簧片动合10.043-5.0180.5935.4055静簧片20.045-5.0470.750由数据可以分析出，该折返簧片中刚度变化较小，略有下降，但幅度较小，超程增加，预计实际分断速度将得到提升。由数据可以分析出，加厚加长簧片中刚度变化较大，刚度下降明显，但超程增加较多，预计实际分断速度将得到提升。4.4.3.2静态吸反力特性可由的计算刚度得到反力曲线，与仿真所得的电磁吸力曲线进行配合比较，如下图所示。图4-11折返结构仿真电磁吸反力配合曲线图4-12加厚加长仿真电磁吸反力配合曲线-46- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文从上图4-11和图4-12中可以看出，两种方案的吸反力配合中，折返结构方案的反力曲线终端值较原有模型有所下降，吸合电压由于复原弹簧的存在，预计将维持在原有水平，但触点超行程的增加使得释放过程中的分断力变大，整体的分断动能求解面积增加很大，对分断速度的增加帮助很明显。对于加厚加长方案结构可以看出，分断动能的面积部分也有所有增加，但是带了的是终端的反力提升明显，与吸力曲线的差距很小，可能导致吸合电压的变化。两种方案都可以实现提升分断速度的目的。4.4.3.3动态特性因为主要失效模式为释放过程存在问题，因此重点考察释放过程，按照改进方案进行建立动态分析的仿真模型，模型如下图所示。图4-13改进方案动态特性仿真模型分析数据结果导出绘图，如下图4-14到4-19所示，其中同样包括继电器的线圈电压随时间变换曲线、衔铁位移随时间变换曲线、动簧片位移随时间变化曲线、动簧片速度随时间变化曲线、动合静簧片位移随时间变化曲线、动合静簧片速度随时间变化曲线等。308.4原模型电压折返簧片电压加厚加长簧片电压25原模型电压衔铁位移8.2折返簧片衔铁位移加厚加长簧片衔铁位移208.0157.8电压(V)107.6衔铁位移(mm)57.407.2-505101520253035-3×10时间(s)图4-14释放过程线圈电压及衔铁位移曲线-47- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文原模型4.4分断动能折返结构5.0x10-14提升反力加厚加长4.24.00.03.83.6-14-5.0x103.4衔铁速度(mm/s)动簧片右上位移(mm)原模型3.2分断动能折角方案-13提升反力加厚加长方案-1.0x103.00.000.010.020.030.040.000.010.020.030.04时间(s)时间(s)图4-15衔铁速度-时间曲线图4-16动簧片位移-时间曲线2004.504.450(mm/s)(mm)4.40-2004.35-4004.30动合静簧片右上位移动合静簧片右上位移动簧片右上速度4.25-600原模型动合静簧片右上位移动合静簧片右上位移分断动能提升的折返方案反力提升的加厚加长方案4.20-8000.0280.0290.0300.02700.02750.02800.02850.0290时间(s)时间(s)图4-17动合静簧片速度-时间曲线（释放）图4-18动合静簧片位移-时间曲线2000(mm/s)-200-400动合静簧片右上速度-600原模型分断动能折角方案提升反力加厚加长方案-8000.02800.02850.0290时间(s)图4-19动合静簧片速度-时间曲线-48- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4.4.4方案对比分析通过改进，对比两种结构的改进方案，从动态仿真结果中可以看出，簧片分断速度都有提升。其中从图4-14中分析，折返结构改进方案后衔铁的释放时间约为1.19ms，图4-19中可知动合静簧片的分断速度为601.1mm/s，较原结构动簧片分断速度314.9mm/s有近90%左右的提升。加厚加长结构方案，衔铁的释放时间约为1.08ms，动作更快，动合静簧片的分断速度为782.6mm/s，较原结构动簧片分断速度314.9mm/s提升明显。加厚加长结构提升更为明显达到了140%。4.5电磁系统结构极限能力分析从上文分析可以看出，加厚加长结构对末端吸力的要求较高，这将必然带来吸合电压的增加。要想采用这种方案，需要对电磁系统进型电磁吸力的摸底。基于已经建立的静态模型，对现有电磁结构的极限能力进行仿真分析，以便对产品的电磁系统微调的可能性进行评估。4.5.1改变安匝对电磁系统性能的影响继电器的电磁吸力和线圈的安匝有着直接的关系。在其它参数不变的情况下，仅调整线径安匝考察其对电磁系统吸力矩的影响。图4-20线圈电压27V下增加安匝对吸力矩的影响从仿真计算结果可分析如图4-20所示，在其它电磁系统尺寸不改变的情况下，单纯增加安匝对于吸力矩提升有一定的帮助，但较为有限，安匝数增加-49- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文至1.5倍时，端部吸力矩仅增加不足10%。4.5.2轭铁极面长度的影响在主磁路中轭铁极面长度影响气隙磁阻值，故可能影响衔铁上吸力矩的大小。吸力矩曲线中对性能影响较大的有2V下长轭铁、短轭铁端部的保持力，考察释放电压16.8V、27V下情况下终力是否增大。在其他条件都不变的情况下，2V、16.8V、27V下长轭铁极面宽度变化时吸力矩曲线变化如图4-21～4-24所示。可以看出长极面变化主要在初始位置影响较小，在末位置有一定影响，但整体增长数值偏低。因此，现有结构通过改进长极面宽度来调节终力是不可行的。图4-212V下长极面宽度对吸力矩的影响图4-2227V下长极面宽度对吸力矩的影响图4-232V下短极面宽度对吸力矩的影响图4-2427V下短极面宽度对吸力矩的影响4.5.3铁芯直径的影响在主磁路中铁芯的直径影响工作磁通的数值，影响衔铁上吸力矩的大小。-50- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文在其他条件都不变的情况下，2V、17V、27V下长铁芯直径变化时吸力矩曲线变化如图4-25～4-27所示。图4-252V下铁芯直径对吸力矩的影响图4-2617V下铁芯直径对吸力矩的影响图4-2727V下铁芯直径对吸力矩的影响-51- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文从以上仿真计算中可以分析出动静触点分断速度与动合分断速度提高，符合优化要求，意味着分断燃弧时间缩小，对于寿命的提高有很大的帮助，但现有电磁系统裕量较小，对于折返簧片和加厚加长簧片的优先选取折返簧片进行。4.5.4电磁系统热设计建立热仿真模型，对继电器进行热分析，预测其在125℃时的线圈平均温度，所建立的模型以及分网图如下图所示。图4-28热分析计算模型及有限元模型设定环境温度为25℃，计算在额定条件下的线圈温升，温度分布云图如下图所示。11NODALSOLUTIONNODALSOLUTIONMAY312015MAY312015STEP=1STEP=116:47:2016:50:37SUB=1SUB=1TIME=1TIME=1TEMP(AVG)TEMP(AVG)RSYS=0RSYS=0SMN=25.3445SMN=25.3445SMX=82.4897SMX=82.4897MNMNYYZXZXMXMX25.344538.043450.742363.441376.140225.344538.043450.742363.441376.140231.693944.392957.091869.790782.489731.693944.392957.091869.790782.4897File:....1JYDQYJS792_071M_Information\dhjhp.x_tFile:....1JYDQYJS792_071M_Information\dhjhp.x_t图4-29环境温度为25℃下额定条件下的继电器温度分布云图从图中可以看出，当继电器工作在额定状态下的时候，环境温度为25℃，线圈的最高温升为仿真最高温度为：82℃，仿真最大温升为：57℃。当环境温度为125℃时，最高温度为180℃，最大温升为55℃。-52- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文则可通过计算在180℃条件下的等效安匝，判断线圈能否正常吸合。对高温下的线圈电阻进行计算，铜导线平均电阻温度系数为0.0041，线圈常温25℃下电阻为800Ω，线圈匝数为6200匝。计算85℃，125℃，180℃下的线圈电阻、安匝值及等效电压值。表4-4高温电阻及等效安匝计算温度25℃85℃125℃180℃计算电阻(Ω)80099711361308额定电压(V)27272727计算安匝209.25168.94148.40128.04等效电压值27.021.419.217.0(V)等效电压值为计算安匝所对应的常温状态下对应的电压值，因此为了验算高温下的吸合性能，可使用等效的常温电压值，计算常温等效电压下的吸力曲线。等效常温电压下的吸反力配合曲线如下图4-30所示。图4-30折返改进方案高温电磁吸力与反力对比从上图可以看出，在高温条件（125℃）下，27V线圈的仿真吸力值均全程大于反力曲线，因此可以判断，方案中电磁系统在高温下可以满足要求，可以正常吸合。同时，由于高温下，密封继电器内部温度升高，簧片有一定的软化效果，现有反力曲线将在一定程度上下降，因此可以保证吸合过程顺利。-53- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4.6本章小结本章主确定了产品的优化方案，采用前期建立的虚拟仿真平台，以提高分断速度为目标，提出了两个改进优化方案，分别从提高分断动能的，提高末端反力的方式入手对结构进行了对比分析，两种方案均可以达到提高分断速度的目的。提高分断动能的方法，通过改变簧片刚度，加大跟踪的方式，在反力提升很小的的情况达到了提升分断速度的目的。通过对电磁系统的极限能力分析，分析现有产品的电磁系统裕量较小，要想采用加厚加长簧片，对调试工艺过程加造成合格率较低的情况，因此优先推荐选用折返簧片。通过对电磁系统发热的仿真分析，改进后产品在高温下满足表中规定的参数要求，可以正常吸合。总体优化方案可行。-54- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第5章工艺装配影响分析与实验验证5.1引言上一章在以提高分断动能思想提升分断速度的基础上设计了两种改进方案，通过仿真平台计算，最终确定了采用折返簧片结构作为实施方案。但在样品生产中发现部分产品零件不合格、工艺不达标的问题使该批次产品调试难度较大，其中调试合格可用于进行试验的产品数量极少。同时，由于性能参数的不稳定，对过负载的试验结果影响也很大。为了更好的保证产品的一致性，本章重点分析关键工艺装配对过负载性能的影响和零件生产过程中的磁性能的变化，找出问题的关键控制点。最后通过对样机进行试验验证，证明改进方案的有效性。5.2关键工艺装配对继电器过负载性能的影响5.2.1装配问题的概况生产中发现主要的零件与工艺问题为衔铁与轭铁间吸合位置不能完全贴合，衔铁动作不灵活，试验中出现卡顿情况和存在电磁系统吸力小的情况。通过对不合格产品的电磁系统吸力进行实测，测试数值较通过过负载产品吸力存在较大差异，吸力整体偏低，导致产品同步性超差严重，部分产品出现吸合二步。部分测试对比数据如下表所示：表5-1参数测试表电压21号31号42号26号6号摸底试验产品15V电磁吸力1.0N0.85N0.9N0.85N1.2N1.5N27V电磁吸力1.2N1.0N1.1N0.9N1.5N1.8N仿真数据如下表：表5-2仿真数据表衔铁偏移角度0°0.358°0.895°1.79015V电磁吸力1.83N0.87N0.67N0.52N27V电磁吸力2.04N1.05N0.82N0.64N针对试验中出现的问题，使用虚拟样机模型进行静态电磁仿真，模拟实际工艺情况，对比产品吸力值的变化，分析产品出现的问题。-55- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文5.2.2电磁装配问题分析对于在实测过程中发现的衔铁贴合不紧密的情况，归纳为以下两种情况：（1）衔铁与轭铁极面不处于同一平面上当衔铁与轭铁完全贴合时，产品衔铁与轭铁极面在吸合状态下图5-1所示。当衔铁与轭铁极面处于不同平面即安装位置出现倾斜时，衔铁与轭铁位置如图5-2所示。图5-1衔铁与轭铁完全贴合图5-2衔铁与轭铁极面处于不同平面通过实测，此次生产的电磁系统组件，按照最大倾斜情况（单边接触、单边气隙减小0.1mm）以及中间情况（单边接触、单边气隙减小0.05mm）修改模型并进行仿真分析。所建立的模型及分析结果如下图5-3所示。图5-3模型及分析结果-56- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文按照实际产品建立的模型，仿真得到的电磁吸力值小于电磁系统正常贴合时的电磁吸力值，平均减小44.44%。最大值为2.04N，较正常贴合时最大值1.14N，减少了44.1%。（2）衔铁轴孔焊接移位衔铁轴孔位置按照设计要求为两极面的中心；正确安装的衔铁，其在两个轭铁贴合面的面积符合设计要求。当衔铁轴孔焊接位置出现偏差，当衔铁轴孔焊接移位时，衔铁与轭铁相对位置如下图所示。图5-4轴孔焊接移位图5-5轴孔焊接移位通过实测此次生产的电磁系统组件，按照最大位移情况（位移0.1mm）以及中间情况（位移0.05mm）修改模型并进行仿真分析。所建立的模型及分析结果如下图所示。a）15V时b）27V时图5-6仿真分析按照实际产品建立的模型，仿真得到的电磁吸力值小于电磁系统正常贴合时的电磁吸力值，平均减小26.8%，最大值为1.73N，较正常贴合时最大值2.04N，减少了15.2%。从模拟实际工艺情况的电磁系统仿真结果分析，电磁吸力较原设计均有下降，这与实测情况相吻合。该批次产品组装焊接过程中，由于衔铁位置偏差，与理论计算值和实测值进行对比，电磁系统吸力值均不符合要求。因此，产品-57- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文在吸合过程中，吸力不足以抵消动簧片与静触点间的熔焊力，产品在八倍负载试验常闭触点试验中失效。焊接衔铁时，衔铁偏移一定的角度，衔铁和轭铁不能完全贴合，对电磁吸力的影响极大；此外，还存在轭铁端面尺寸超差（负差），推杆玻璃球烧结控制精度低等问题，因此，准备进行初样试验的批次产品整体合格率较低、一致性较差。后续通过设计夹具和筛选的方式加以改进，如下图5-7。a)电磁系统装配夹具b)衔铁同轴度测试检具c)电磁吸力测试夹具图5-7装配夹具5.3磁性材料对整机及过负载性能的影响电磁继电器磁路系统的导磁材料为电工纯铁(DT4E、DT4C)，要求矫顽力(Hc)小，磁性能稳定性好。在继电器生产中，电工纯铁加工工艺流程主要为原材料入厂检验→轧制→备料→机加工→检验→去油→磁性热处理→检验→表面处理→检验→装配→入库。零件磁性热处理是关键工序之一，该工序质量的高低直接关系到继电器的使用性能。针对两批次产品磁性材料（轭铁、衔铁），进行B-H曲线测试。-58- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第一批次为2015年9月份装配产品，选取编号为B2号的继电器。B2号继电器，其衔铁、轭铁与C2号产品（过负载通过100次的产品）为同一批次产品，具有代表性。第二批次为2015年12月份装配产品，选取该批次编号为44号的继电器衔铁、轭铁制作测试标样。使用PPMS测试得到两批次产品零件（衔铁、轭铁）在293K（20℃）及398K（125℃）的磁滞回线，并进行对比分析。1）对比20℃与125℃同批次衔铁与轭铁磁滞回线。如图5-8所示：a)不同温度B2号衔铁磁滞回线b)不同温度44号衔铁磁滞回线c)不同温度B2号轭铁磁滞回线d)不同温度44号轭铁磁滞回线图5-820℃与125℃两批次衔铁、轭铁样件磁滞回线从图5-8中分析，两批次产品的衔铁与轭铁，磁滞回线整体形状、磁场强度与磁感应强度峰值均变化较小，仅44号衔铁曲线末端存在部分差异（图5-7-b），因此可以推断，在寿命试验进行时，继电器内部温度升高对电磁吸力的影响较小。-59- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文由于测试设备所限，无法测试高于400K的磁滞回线，因此，对于过负载过程中，高于125℃以上可能出现的磁性能变化，不能通过此次测试进行直接推断。2）对比20℃与125℃两批次产品，衔铁与轭铁的磁滞回线。如图5-9所示：从图5-9中可分析，两批次产品的衔铁，磁滞回线相对差异较小，两批次产品的轭铁，剩磁与最大相对磁导率均出现差异，磁滞回线在每一象限后2/3区域内磁导率出现差异，形状发生一定的改变，呈现一定的扭转趋势，推断批次产品的轭铁性能存在一定差异，影响继电器电磁系统性能。a)20℃44号与B2号衔铁磁滞回线b)125℃44号与B2号衔铁磁滞回线c)20℃44号与B2号轭铁磁滞回线d)125℃44号与B2号轭铁磁滞回线图5-920℃与125℃两批次衔铁、轭铁样件磁滞回线3）对比相同温度下，同批次产品衔铁与轭铁样件测试的磁滞回线。如图5-10所示：-60- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图5-10中衔铁与轭铁在磁滞回线形状上存在一定的差异，磁滞回线呈现相对扭转趋势，该趋势通常为相同磁性材料不同温度的曲线差异，而考虑到测试为在相同温度下的测试曲线，则说明磁性材料材质存在差异或热处理过程有区别，对于提供材料的来料厂家相同并且均进行了入厂检验合格的这一情况，推断热处理过程差异影响更大。计算四组产品零件样块的室温最大相对磁导率μmax，如表5-3所示。表5-3不同零件室温下的相对磁导率44号轭铁44号衔铁B2号轭铁B2号衔铁μmax665.541079.33715.211038.79a)20℃B2号轭铁与衔铁磁滞回线b)125℃B2号轭铁与衔铁磁滞回线c)20℃44号轭铁与衔铁磁滞回线d)125℃44号轭铁与衔铁磁滞回线图5-10相同温度两批次衔铁、轭铁样件磁滞回线表5-3中的最大相对磁导率数据也体现出了衔铁与轭铁的磁性能差异。综上分析本次测试数据，可得到以下结论：（1）相同批次衔铁与轭铁样件在20℃与125℃温度条件，其磁性能差异-61- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文较小；（2）相同批次轭铁与轭铁样件同温度条件的磁性能存在差异；（3）不同批次同种材料的磁滞回线、相对磁导率存在一定差异；从整个生产工序排查，材料供应商为同一厂家且检验合格，初步排除材料上的影响，通过对生产过程中调查发现，目前热处理过程生产仅对样件进行检测，与直接采用实际零件存在一定的差异，并且因为热处理作为特殊工序，受到温度、时间的影响因素较多，波动不宜控制。因此，分析推断热处理过程对测试材料的磁性能存在影响的可能性较大，并间接影响电磁系统性能。5.4继电器样机验证及试验分析抽取5只改进后的产品按照要求进行16A摸底试验，并进行了极限寿命试验其中最多次数进行了15378次仍未失效。证明改进后的查您在技术指标满足课题的研究目标。达到了本次研究的目的。具体情况见表5-4表5-4试验情况表序号常开数（次）常闭数（次）试验顺序状态指标情况123412341150150150150500500500500先常开再常闭正常已完成21001001001006200620062006200先常开再常闭正常已完成3800800800800100100100100先常闭再常开失效已完成42993299329932993----极限常开失效5----15324153241532415378极限常闭正常从试验后参数的分析可知，电气参数上改进后的产品释放回跳平均值为0.54ms，相比原有不合格产品的0.67ms，小19.4%，而试验后释放回跳的平均值为0.37ms，回跳时间降低，改进措施对回跳参数有所改善。5.5本章小结本章基于产品装配过程中的电磁吸力一致性差的情况，借助虚拟样机平台仿真等分析方法，对生产装配过程中不同因素对电磁吸力的影响进行了分析，并进行了装配样机的试验验证工作。（1）温度对磁性能影响较小，装配过程对磁性能有所影响造成衔铁和轭铁的差异，热处理的过程控制对磁性能有较大影响，并间接影响电磁系统性能。（2）经过样机研制、试验验证产品过负载负载寿命由不到100次提高到1万次以上，满足了设计任务的要求，改进方案有效。-62- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文结论随着我国武器装备的大功率和集成化、小型化、轻量化的快速发展，晶体罩继电器作为军用电磁继电器的典型产品现有能力已经不能满足配套要求对负载能力的需要。本文以用户需求的典型产品为研究对象，通过试验摸底，建立仿真虚拟样机，优化了接触系统的静簧片结构，达到了提升分断速度动态特性的目的，从而降低了电弧对触点的烧蚀，提高了产品的负载能力，满足了用户需求。本文的主要研究成果如下：（1）对晶体罩继电器的电气参数和负载的极限能力进行了试验研究，通过分析得出了影响继电器的过载能力的主要因素是触点的分断速度，产品的主要失效模式是动合触点组的粘接故障，通过控制回跳和提高触点的分断速度能有效的抑制电弧，减少对触点的烧蚀；（2）针对晶体罩继电器建立了虚拟样机的仿真模型，采用FLUX软件进行了静态电磁系统的计算，采用ADAMS软件进行了反力仿真特性的计算，采用ADAMS软件与Matlab/Simulink软件联合仿真的方式求解继电器动态输出特性；（3）针对提高触点分断速度的要求，依据分断动能设计思想，提出了两种设计方案，包括提升反力、提升分断动能、借助虚拟样机对电磁系统进行了极限能力分析，包括线圈安匝，衔铁尺寸，轭铁尺寸和温度等对电磁吸力的影响，保证了在产品切换过程中的吸力稳定可靠；（4）对装配过程中影响电磁吸力的关键因素进行了分析，包括装配影响和特殊工序的磁性材料热处理的影响。根据本课题的研制目标要求进行了负载试验和电性能测试，试验和测试结果表明改进后的样机技术指标满足研制任务书要求，解决了过载能力提升的技术难题。本文今后的研究方向有：（1）提高现有的虚拟样机平台的准确性和真实性，进行机、电、磁、热、流体等更复杂的耦合仿真；（2）对继电器进行容差设计与优化，采用大数据和统计分析技术，对影响过在能力的生产过程的因素进行详细分析，提高产品的可靠性和一致性。-63- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文参考文献[1]钱渭,王兆伟,鲍东红,等.继电器行业“十三五”产业技术创新发展战略研究[J].机电元件,2016,v.36;No.154(4):54-60.[2]翟国富,崔行磊,杨文英.电磁继电器产品及研究技术发展综述[J].电器与能效管理技术,2016,No.491(2):1-8.[3]梁慧敏.航天电磁继电器三次设计[M].哈尔滨工业大学出版社,2013.[4]MIL-R-39016/40G.RELAYS,ELECTROMAGNETIC,4PDT,LOWLEVELTO2.0AMPERES(0.100-INCHTERMINALSPACING)[S].[5]任万滨.航天继电器耐力学环境设计理论与应用[M].哈尔滨工业大学出版社,2014.[6]黄正.聚焦继电器:汽车零件尺寸收缩功率激增[J].中国电子商情(基础电子),2011,No.778(10):57-58.[7]姜东升,张翼,柳新军.航天继电器触点粘连故障机理分析及保护技术[J].航天器环境工程,2016,:653-656.[8]杜光远.电子元器件的降额与瞬态过程的参数研究[J].电子产品可靠性与环境试验,2014,v.32;No.190(4):11-13.[9]李震彪,吴细秀,魏梅芳.短弧对汽车继电器触头动熔焊的影响[J].低压电器,2007,No.274(1):10-13,21.[10]费鸿俊,林晶.浪涌负荷寿命试验研究[J].机电元件,1992,37-39,65.[11]姜东升,张沛,柳新军.航天继电器浪涌电流作用下电接触寿命研究[J].航天器环境工程,2013,623-626.[12]高宇翔,荣超群.星载继电器抗浪涌能力研究[J].数字技术与应用,2015,(4):118.[13]李震彪,张冠生,秦庆生.电触头材料抗静熔焊能力的研究[J].中国电机工程学报,1994,(1):34-39.[14]李震彪,张冠生.电触点静熔焊判据研究[J].高压电器,1991,(1):12-17.[15]李震彪,程礼椿,邹积岩.电触头材料熔焊、截流理论预测研究[J].电工合金,1995,(2):20-22,47.[16]李震彪,郑必成,张欢.继电器熔焊特性及其与触点分断操作的关系[J].华中科技大学学报(自然科学版),2007,No.283(7):104-106.[17]李震彪,张冠生,戚颖.电触头材料及其不同配对时抗动熔焊能力的研究-64- 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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果(一)发表的学术论文[1]袁宝武，谭旭，由佳欣，等.基于分断动能提升的电磁继电器接触系统过负载能力优化设计[J].机电元件，2016，v.36;No.155(5):12-17.(二)已经获得的专利[1]由佳欣，梁慧敏，谭旭，于昊，袁宝武.一种晶体罩系列电磁继电器中的贯通式散热片.国家实用新型专利.授权专利号：CN106847619A-68- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文致谢本课题是在七九二厂与哈尔滨工业大学合作项目资助下完成的，在论文完成之际，首先向尊敬的导师杨文英副教授表达诚意的感谢，无论是在学校对学业给予的指导，还是后续在论文工作中给予的关心都让我深深感到杨老师严谨的作风和博学的阅历对我的深刻影响，让我终身受益。感谢翟国富教授，梁慧敏教授等各位老师在我在哈工大学习一年的时间里在学习和生活上给予的关心和帮助，各位老师的渊博的学识、严谨的学术作风、让我永远难忘。感谢本次项目的各位成员由佳欣老师，袁宝武，沈雪红，崔斌，王贵斌等人是你们的合作才有了这样翔实的数据和完美的结果。特别是由佳欣老师在出国期间也和我不厌其烦的多次的讨论，给我在论文写作中进行指导，让我对项目的理解不断加深，才有今天的论文的完成。感谢陕西群力电工有限责任公司提供了这次学习的机会，公司领导和同事为了本次论文提供了大量的帮助，在此表示由衷的感谢。感谢我的妻子李兰和孩子，是你们在论文完成过程中给了我无限的欢乐和鼓励，才让我能够在完成论文的日子里一直坚持下去，谢谢你们。最后，我要感谢自己，希望这个论文的终点，希望还能继续做自己喜欢的事情。-70- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文个人简历谭旭，男，1984年6月9日出生于吉林省舒兰市。2002年9月至2007年7月在西安电子科技大学自动化专业学习；2012年9月至2017年7月在哈尔滨工业大学电气工程专业攻读工程硕士学位；2007年至今，在陕西群力电工有限责任公司工作。2014年12月至今，承担与哈尔滨工业大学合作提升继电器的过负载的《密封电磁继电器耐环境大过载设计技术》项目。-71-