振動夾具對產品耐力學性能影響淺析

叱光輝，趙海東，程 蕾，張文東

(1.陜西群力電工有限責任公司,陜西寶雞,721300；2.哈爾濱工業大學電器與電子可靠性研究所,黑龍江哈爾濱,150001)

1 產品簡介

某三相接觸器，主觸點引出端即具備導電性能又具備安裝特性，安裝簡單。觸點組數多、負載高可達400A，環境適應性強，主要用于大功率電源控制模塊。

2 故障現象：

該產品振動試驗時，激勵狀態下，三軸向370Hz～420Hz頻率段三組主觸點均出現斷抖現象。

3 原因分析：

3.1 觸點吸合狀態下的保持力即電磁吸力不足，使可動部分接觸不可靠，造成吸合狀態下振動過程中觸點斷抖；

3.2 主觸點間接觸力不足，造成振動過程中觸點斷抖；

3.3 產品振動試驗夾具設計不合理，產品裝夾后振動量級被放大，造成振動過程中觸點斷抖。

針對上述原因進一步拆解產品、測試、分析：

1)拆除上蓋測試電磁保持力，產品加額定電壓激勵，使用推拉力計下壓產品內部運動機構，應用推拉力計的觸發設置采集電磁吸力值，試驗設備如圖2所示。

圖1 產品外形示意圖

圖2 推拉力計測試反力

測試樣品電磁保持力為177N(吸合狀態為雙線圈工作)，符合設計要求162N～200N(如圖3所示經仿真分析，產品28Vd.c.雙線圈條件下電磁吸力約為335N，機械反力約為150N，電磁保持力約為185N)，可排除電磁吸力不足對正弦振動失效的影響。

圖3 電磁吸力與反力對比

2)拆除后蓋測試主觸點間隙，三組主觸點間隙分別為2.6mm、2.6mm、2.7mm，符合設計要求2.6±0.1mm；樣品線圈加電測試主觸點壓力，三組主觸點壓力分別為30N、29N、30.4N，符合設計要求28N～32N；

3)由于該產品結構特殊，觸點引出端既有導電功能、又有安裝固定產品的功能。為了方便振動過程中監測觸點狀態，振動夾具采用分體固定，如圖2所示，使用M6螺釘將膠木塊和絕緣板固定在鋁材振動夾具上，然后使用M8螺栓將產品固定在膠木塊上。

圖4 產品安裝在振動夾具中示意圖

這種固定方式的優點：三組觸點組間絕緣性能好，方便振動過程中觸點監測。缺點：膠木塊和絕緣板等轉接夾具，容易放大振動量級。若膠木塊與振動夾具固定不牢靠，或者兩側膠木塊高度不一，易放大振動量級，振動過程中觸點引出端兩側受力不均勻，造成觸點接觸不可靠。

為驗證膠木塊和絕緣板等轉接夾具，容易放大振動量，導致產品在370Hz～420Hz間發生抖斷失效，需對產品有轉接夾具、無轉接夾具兩種狀態進行仿真對比分析。

4 耐力學性能仿真分析

針對失效產品失效機理初步分析，對振動夾具進行優化修改，根據修改后的夾具進行產品力學特性仿真分析，因此建立兩種不同振動安裝形式模型，無轉接夾具模型如圖5所示，添加膠木塊和絕緣板等轉接夾具模型如圖6所示。

圖5 無轉接夾具模型圖 圖6 有轉接夾具模型

4.1 模態分析

模態分析用于確定結構的振動特性(固有頻率和振型)，也是正弦振動分析的起點。通過對連接關系的重新連接和對網格的細致劃分，可以分別得到有無轉接夾具的陣型及固有頻率，固有頻率分別如圖7及圖8所示，分別選取易失效頻段振型如圖9及圖10所示。

圖7 無轉接夾具固有頻率(374Hz)

圖8 有轉接夾具固有頻率(386Hz)

圖9 無轉接夾具第一階陣型 圖10 有轉接夾具第一階陣型

在模態分析仿真中可以得到，在無轉接夾具的振動中，影響主觸點分段的陣型頻率在374Hz左右，在有轉接夾具的振動仿真中，影響主觸點分段的頻率在386Hz左右，因此有無轉接夾具(膠木塊和絕緣板)均可能在370Hz～420Hz之間，激發出相應陣型。

4.2 施加試驗載荷

根據正弦振動試驗指標要求，按照載荷加載方向將仿真載荷分為添加為A、B、C三類如表1所示，其中X、Y、Z方向如圖11所示。

表1 載荷加載類型

X方向 Y方向 Z方向

4.3 仿真結果

4.3.1 無轉接夾具狀態

圖12 施加載荷時，觸點間響應曲線(X方向為例)

從施加載荷諧響應分析數據可以看出，在激勵方向為X、Y、Z方向時，在共振點374Hz附近，主觸點間系統響應值分別為26.726N、25.205N、26.329N，均小于主觸點之間作用力28N～32N，因此不會發生主觸點抖斷。

4.3.2 有轉接夾具狀態

圖13 施加載荷時，觸點間響應曲線(X方向為例)

從施加載荷諧響應分析數據可以看出，在激勵方向為X、Y、Z方向時，在共振點386Hz附近，主觸點間系統響應值分別為35.982N、34.468N、36.48N，均大于主觸點壓力為28N～32N，因此三個方向正弦振動均會發生主觸點抖斷。

4.4 仿真分析結論

4.4.1 根據模態分析得出該型接觸器在有和無轉接夾具的條件下，其固有頻率分別為374.93Hz、386.91Hz，均在370～420Hz之間。

4.4.2 通過正弦振動頻響曲線得知，該型接觸器在正弦載荷(10g，10～2000Hz)作用下：

① 沒有轉接夾具的條件下，其三個方向主觸點之間最大作用力均小于主觸點之間作用力28N～32N，因此主觸點不會發生抖斷。

② 在有轉接夾具的作用下，三個方向主觸點間最大作用力均大于主觸點之間總用力28N～32N，因此三個方向均會發生抖斷。振動量容易放大，比無轉接夾具平均增大了9.56N，約36.6﹪。

5 措施及驗證情況

5.1 措施：使用非金屬材料制作一體式振動夾具，夾具內部鑲嵌M8螺母用于固定產品，避免輔助夾具二次裝夾放大振動量級。

圖14 改進后產品安裝在振動夾具中示意圖

5.2 驗證：使用一體式振動夾具，裝入原失效產品，再次進行振動試驗，試驗合格。

6 結語

通過研究過程中建立基于有限元方法的接觸器力學性能分析模型，分析其耐力學環境能力，建立了接觸器電磁性能分析、振動分析、試驗驗證及測試等一系列方法，為產品設計及生產積累了更多的理論及實踐經驗。