仿真與謝寧DOE在繼電器振動失效分析中的應用

沈智強

引言：小型功率繼電器在航空航天等使用環境復雜領域的應用和推廣，對繼電器本身在不同環境下的可靠性提出了更高的要求，尤其是在振動環境下的可靠性。本文旨在通過利用仿真和謝寧DOE相結合的方法，對某小型1/2立方英寸旋轉式繼電器在振動環境下的失效原因進行分析和措施應用，從而在一定程度上提升了該產品振動性。

一、概述

目前A產品是小型1/2立方英寸旋轉式大功率系列繼電器的代表品種，貫GJB1042A-2002，該產品雖然其體積小、重量輕，但其擁有比同體積和同質量繼電器更高的負載能力，和更強的環境適應能力，該產品廣泛應用與航空甚至航天領域。由于該產品振動指標已逼近該類型結構的極限值，使得在該振動條件下，產品的可靠性不高，振動合格率在5%左右，形成了供貨瓶頸，提高該系列產品的振動可靠性刻不容緩。

二、攻關內容及研究過程

（一）問題定位

根據工藝攻關實施方案要求，我們針對77只振動失效產品進行摸底試驗。試驗情況如下：

對77只失效產品進行正弦振動，通過對失效樣品的失效模式進行分析，發現77只中在非激勵狀態下出現失效的有13只，失效頻率主要分布在600Hz～900Hz的低頻段；在激勵狀態下失效的有58只，失效頻率主要分布在600Hz～1000Hz的低頻段，樣品主要在激勵狀態下出現失效。

為研究產品設計中的保持力是否能夠滿足抗振要求，我們對產品的電磁系統進行了仿真分析（見圖1），仿真結果顯示，產品兩端除鐵心有少量漏磁以外，鐵心內部基本飽和（橙黃顏色），設計的電磁吸力和吸力曲線平滑、連續，故在通過鉚裝減小鐵心端頭漏磁的前提下，其保持力應能滿足產品技術需求，無需對產品電磁系統進行設計改進。

圖1 電磁系統仿真

我們運用謝寧DOE中的成對比較技術對6+6（最小樣本量）只失效產品和合格產品的機械參數進行拆罩對比分析見表1。其中動合反力和不加推桿的保持力為摸底參數，技術文件未對其進行規定，動合反力的測試方法為：在接觸部分靜壓力合格的前提下，使用0.5N測力計打在動簧片端頭，延常開觸點方向推動動簧片運動，待常開觸點閉合、指示燈亮時，對測力計進行讀數；而不加推桿的磁保持力的測試方法為：對電磁產品線圈加吸合電壓的80%，當銜鐵與極靴貼合后，使用3N的測力計對銜鐵上的推桿施加使銜鐵和極靴分斷方向的力，當銜鐵和極靴分斷后讀數。

從表1數據中可以產出，合格產品和失效產品的間隙、超程和復原力沒有明顯差異；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；動合反力方面，合格品的動合反力均值為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。

根據分析數據我們可以確定：

1.合格產品的超程為≥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不合格導致產品振動失效的可能；

2.合格產品的靜壓力和動合反力較不合格品要小。由于靜壓力和動合反力為一對相對矛盾的力，在觸點間隙一定，即簧片的形變量一定的情況下，靜壓力越大，其動合反力越大；增大靜壓力可以提高產品在非激勵狀態下的抗振性能，但在激勵狀態下，由于過大的靜壓力使得動合反力也相應增大，隨之便需要更大的電磁吸力來保持動簧片在激勵狀態下處于閉合狀態，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、增加接觸面積來達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、觸點間隙一定的情況下，如何平衡靜壓力和動合反力，使得在非激勵狀態觸點不出現抖斷失效的前提下，盡量減小靜壓力，使得動合反力相應減小，從而提高激勵狀態下觸點的抗振性能。

通過上述分析，如何保證產品在裝配、校正階段，產品的電磁吸力、機械參數符合產品設計要求，是我們的研究方向。

（二）摸底驗證

若要驗證上述分析結論的合理性與真實性，需要前提成立，即繼電器總裝結構件（支架）在振動模態中為剛性部件，不發生較大幅度的受迫振動。通過前期試驗驗證，我們發現該產品由于其重心較高，而支架剛度偏低，所以產品電磁系統會在振動過程中出現受迫振動，為解決該問題，我們設計了減振片，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過程中能量的傳導。之后，我們抽取1批產品，數量為，依據表1中合格產品的各項參數均值，對其裝配過程和機械參數進行控制，控制措施如下：

1.加裝減振片并卡入聚四氟乙烯薄膜；

2.電磁系統的保持力進行100%檢驗，檢驗方法和合格判據為加吸合電壓的80%后，測試其保持力應≥2.5N（表1中合格產品均值為2.52N），不合格或達不到的產品進行返修；

3.校正參數按：

①靜壓力（200±20）mN（表1中合格產品均值為198.3mN）；

②動合反力按（300±20）mN（表1中合格產品均值為303.3mN）；

③其余按產品技術文件執行。

我們抽取該批產品中的兩個工號，對其按上述控制措施進行對比驗證，采取控制措施的產品和其他產品在數量相當的情況下，采取控制措施產品的振動性能有了明顯的改善，合格率由原來的5%提升至70%以上說明控制措施有效。

（三）驗證成果

確定改進措施有效性以后，我們對在制產品全面應用控制措施，在控制期間，產品平均合格率72%；產品合格率有了大幅的提高，且有多個批次的產品合格率超過75%，合格率最高達到76.4%。

三、總結

通過前期對失效樣品進行摸底試驗，我們重現了繼電器的失效模式；在對該繼電器的磁路部分的仿真分析中，排除了由于設計導致繼電器失效的因素；再在之后運用謝寧DOE中的成對比較技術，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，將產品的機械參數控制在合格品的平均水平上下，最終通過批量驗證證實了參數優化方案的有效性，從而提升了該系列繼電器產品的整體振動性能。

參考文獻

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（作者單位：貴州振華群英電器有限公司）