提高電磁繼電器質量一致性的評價方法探索與研究

王玨 姜姍 由佳欣

關鍵詞：電磁繼電器，質量一致性，評價方法，數字模型

0 引言

電磁繼電器作為一種傳遞信號的電子元器件，根據特定形式的輸入信號轉變為其觸點開合狀態，在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用，廣泛應用于電力系統保護、生產過程自動化及各類自動、遠動、遙控、遙測和通訊等自動化控制電路中，是現代自動化系統中最基本的元器件之一。電磁繼電器的結構相對比較復雜，不僅包括電路部分、磁路部分，還包含機械反力部分，同時電磁繼電器的加工工藝繁瑣、裝配工序要求高，針對傳統的電磁繼電器研制和生產過程的質量一致性評價基本是依靠對最終繼電器產品的測試數據統計而得出，需進行多批量、反復生產調試才能實現產品質量一致性的提高，這使得生產單位在提高繼電器質量一致性同時需要付出高成本、長周期的代價，與現代企業管理的理念相違背。

由于反映電磁繼電器產品質量的性能指標很多，且不同質量特性之間可能存在交互制約關系，因此電磁繼電器產品的一致性評價結果是需要通過大量樣品的測試與統計分析來確定的[1]。對于不同使用環境的特定應用模式，需要針對不同性能組合，對整體質量一致性進行綜合評價。但實踐過程中，由于繼電器樣品有限，測試結果有限，造成生產方與使用方對于測試樣品數量、測試參數與指標、測試數據處理方法均存在較大分歧，加之使用不同的分布類型進行評估，一致性評價結論相差懸殊，未能形成共同認可的評價結果[2]。

在國家產業結構調整向高質量發展的背景下，繼電器行業越來越關注如何科學評價繼電器產品的質量一致性，為此開展了提高繼電器質量一致性評價方法的研究。

1 電磁繼電器批次產品質量一致性評價流程研究

基于對繼電器生產廠家的生產調研，結合繼電器產品設計、產品改進、工藝流程信息等，根據理論基礎與在繼電器實際產品生產過程中的工程實踐經驗，按照繼電器在設計、初樣試制、批量生產等不同設計生產階段劃分為：基于數字樣機的電磁繼電器批次產品質量一致性評價、基于制造工序數據和數字樣機的電磁繼電器批次產品質量一致性評價以及基于批量產品測試數據的電磁繼電器批次產品質量一致性評價3種評價流程。

1.1 基于數字樣機的繼電器批次產品質量一致性評價

在繼電器產品的設計階段，對新設計產品、無實物樣機，可采取基于數字樣機的繼電器批次產品質量一致性評價流程。如圖1所示為基于數字樣機的繼電器批次產品質量一致性評價流程，首先進行設計文件、零件清單和物料規格書等設計信息的收集，該信息用于建立數字樣機模型；在此基礎上進行質量特性分析，計算合格率；針對所評價的質量特性，計算均值、方差與標準差，對產品參數的一致性水平進行評價。

1.2 基于制造工序數據和數字樣機的繼電器批次產品質量一致性評價

在繼電器產品的新設計階段或改進設計產品階段，已生產出產品初樣，可采取基于制造工序數據和數字樣機的繼電器批次產品質量一致性評價流程。如圖2所示為基于制造工序數據和數字樣機的繼電器批次產品質量一致性評價流程，首先進行產品設計文件、生產工藝文件、零件清單和物料規格書等設計信息及制造工序數據的收集，該信息用于建立數字樣機模型；建模后用樣機測試數據對模型進行修正，數字樣機模型計算精度滿足評價要求后，進行質量特性分析，計算合格率；針對所評價的質量特性，計算均值、方差與標準差，對產品參數的一致性水平進行評價。

1.3 基于批次產品的繼電器批次產品質量一致性評價

在繼電器產品進入批產階段，可采取基于批次產品的繼電器批次產品質量一致性評價流程。如圖3所示為基于批次產品測試數據的繼電器批次產品質量一致性評價流程，在批次產品中，按照相關的失效率抽樣方案和程序標準的要求選取一定數量的樣本進行質量特性試驗測試，收集試驗數據，進行質量特性分析，計算合格率；計算所評價的質量特性的均值、方差與標準差，對產品參數的一致性水平進行評價。

2 電磁繼電器一致性評價流程驗證

質量一致性評價流程的合理性需要在實際產品上進行驗證。由于第一種、第三種狀態的繼電器質量一致性評價流程相對明確，在繼電器生產廠家及設計單位已運用，因此并不需要特別驗證。本文主要針對第二種情況下的質量一致性評價流程，結合實際應用，在產品實例中進行分析與操作，驗證評價流程的合理性及有效性。

電磁繼電器處于產品改進階段，符合第二種條件所規定的評價情況。針對上述第二種電磁繼電器一致性評價流程，依據圖2的流程，選取某型號平衡力式電磁繼電器進行實際操作，結合多場耦合計算及快速計算模型，在性能參數質量特性分布的基礎上[3]，對產品示例驗證評價方法的有效性。

2.1 設計及制造工序數據采集

首先分析所選取的典型繼電器產品工藝流程，詳細裝配流程如圖4所示。

裝配過程出現的一些可能影響產品質量一致性的潛在問題，是在質量一致性評價建模過程以及后續產品質量一致性優化改進過程中需要注意的。以釋放軛鐵極面長度與軛鐵組合極面間距為例，分別對零件與裝配尺寸、性能采樣及數據分析進行說明。

（1）釋放軛鐵極面長度。釋放軛鐵尺寸以及實測尺寸分布如圖5所示。釋放軛鐵極面長度的切削可增加銜鐵保持力。釋放軛鐵極面切削后截面長度為5.14±0.02mm，實測釋放軛鐵極面長度波動范圍為0.11mm，超出控制公差范圍。后續使用蒙特卡洛方法生成數組時，該公差將被適當放大至±0.05mm，實際產品制作時則需要提高這一尺寸的加工精度或者對現有零件進行嚴格篩選。

（2）軛鐵組合極面間距。裝調過程的旋鉚環節中，軛鐵組合中極面間距有公差尺寸標注，如圖6所示。軛鐵組合極面間距與最終電磁系統的磁間隙大小密切相關，特別是釋放軛鐵與動作軛鐵極面間的平行程度直接影響銜鐵與軛鐵的接觸形式與接觸位置，從而影響電磁系統吸力特性。通過實測鉚接完后的軛鐵組合極面間距，實測數據上下限范圍較寬，達到了1.90～2.18mm，但公差范圍內零件占比超過80%。后續計算中保持原公差，產品生產時將進行控制或篩選。產品尺寸和電參數數據的采集都將為一致性設計評價過程中的數字樣機模型提供基礎模型修正數據以及過程工序參數參考數據。

2.2 數字樣機模型建立

在前期測試與工藝數據的基礎上，分別建立繼電器CAD模型、靜態特性數字樣機模型、動態特性數字樣機模型以及力學計算有限元模型，并在此基礎上建立快速計算模型，對質量特性（共振頻率）進行一致性評價，驗證評價結果。

（1）靜態特性數字樣機模型。建立繼電器數字樣機模型，將UG所建的電磁系統模型導入有限元分析軟件中（本校驗過程中使用的是AltairFlux），得到電磁系統仿真模型。進行相關靜態特性數字樣機模型設置，對模型進行有限元分網與邊界條件設置，得到有限元模型。

（2）動態特性數字樣機模型。建立動態特性數字樣機模型，首先需要對繼電器中的動簧片和U型簧等彈性元件，建立柔性體模型，組成基礎的反力系統。利用ADAMS建立反力整機模型，通過反力整機模型可計算靜觸點壓力、動觸點壓力等系統反力。根據裝配條件可以建立各個模型部件之間的約束條件。在施加恒定轉矩后，通過測量觸點間的壓力并與實際產品的測量數據進行比較來最終確定靜觸點的位置[4]。在MATLAB中建立動態特性Simulink控制框圖。通過電磁特性數據表和動力學模型的數據交換，得到繼電器動態輸出特性[5]。輸出結果包括線圈電壓、電磁轉矩、銜鐵角速度、銜鐵轉角、靜合觸點壓力、動合觸點壓力等隨時間變化數據。

（3）力學特性數字樣機模型。基于繼電器CAD模型，導入ANSYS Workbench中并進行參數化處理，進行分網、設置邊界條件、設置材料屬性等前處理操作，搭建模態分析和頻率響應分析的功能模塊。在系統吸力與反力計算的基礎上，對繼電器的各零部件賦材料屬性，并對每個部件進行分網，模型中體分網盡可能采用六面體單元。其中，結合工藝考慮，各零部件之間的點焊及鉚接均采用Contact中Bonded模擬實現，認為零部件間接觸位置沒有相對運動。銜鐵轉動則是通過Joint中Revolute進行模型等效，認為零部件間存在無摩擦轉動。最終可以得出繼電器整機有限元模型。ANSYS軟件通過將剛度與質量等進行解耦，得到每一個子系統的模態，并將其進行疊加整合，從而得到整個系統的模態。

2.3 樣機測試數據修正

將繼電器靜態、動態與力學仿真模型與實測數據進行對比，并針對性地修正模型。對于靜態仿真模型精度驗證，可采用吸反力測試儀進行測試并獲取繼電器吸合電壓、釋放電壓以及額定電壓下的吸力曲線，利用靜態特性數字樣機模型仿真得到繼電器靜態特性數據并與實際測試結果進行對比驗證。

對于動態仿真模型，主要通過測試觸點壓力與動態特性數字樣機模型仿真結果進行對比驗證，以該產品為例，其觸點壓力的仿真與實測部分數據對比數據見表1。

可以看出，數字樣機仿真模型與實測結果基本一致，可以作為一致性評價快速計算模型的基礎。對于力學特性模型，則可以通過力學特性數字樣機模型仿真計算得到繼電器的共振頻率與實測繼電器失效頻率進行對比驗證。以該產品為例，計算出繼電器的共振頻率為2717.3Hz，試驗失效頻段2600～2800Hz，與試驗分析結果相同，由此可以判斷力學特性數字樣機模型的準確性。

2.4 質量特性計算

基于上述數字樣機模型，以共振頻率為例，對繼電器待評價的質量特性進行計算，計算繼電器各階共振模態，計算結果見表2。

通過試驗分析，產品失效模式為側板帶動電磁組件向Z向運動導致的動靜觸點分離，提取該階振型。

2.5 質量一致性計算

基于繼電器數字樣機模型計算的質量特性數據，通過Kriging快速計算方法構建合理的快速計算模型。Kriging插值方法又稱為空間局部插值方法，是以變異函數為核心的對求解區域內的變量進行無偏最優估計的方法[6]。無偏是指其估計值的期望為0，最優是指其誤差平方和最小。對于具有空間相關性的輸入輸出變量，可通過該方法進行內插和外推來預測其輸出響應[7]，其數學表示形式如下：

本驗證實例中，快速計算模型首先基于Matlab中編寫完成的Kriging接口程序進行優化建模，通過dacefit函數構建建模6輸入1輸出數據樣本，編寫迭代程序，多次訓練并改進θ值提高其建模精度，通過predictor函數實現模型的預測功能[8]。

通過均方根誤差（RMSE）大小表征兩種抽樣方法的建模精度，均方根誤差值越小，表示建模越準確，可信度越高。其計算公式如下：

其中，n 為樣本量大小，y i為有限元仿真結果， 為近似模型的預測值。通過該公式評估計算模型準確度，直至達到精度要求，完成快速計算模型建立。

2.6 質量一致性評價結果分析

基于快速計算模型，采用蒙特卡羅方法分別構建容差優化分配前后各1000組數字樣本，針對質量一致性進行分析與對比，驗證一致性評價結果的正確性。

由圖8 可知， 產品共振失效頻率集中在2600～2800Hz，均值為2690Hz，蒙特卡羅方法構建的批產品數字樣本與實測結果基本一致，驗證了質量一致性評估方法的正確性。

3 結語

本文按照電磁繼電器在設計階段、初樣試制、批量生產等不同階段，歸納總結了繼電器質量一致性評價的3種基本流程，針對實際操作中可能會遇到問題的第二種基本流程，對其中涉及的工序數據采集、數字樣機建模步驟、快速計算模型建模方法、主要因素影響等進行了分析。以典型平衡力式電磁繼電器為例，對典型電磁繼電器的設計、初樣、批量生產全過程分析，按照繼電器質量一致性評價流程實施評價，建立了繼電器的靜態特性數字樣機模型、動態特性數字樣機模型及力學特性數字樣機模型，在此基礎上基于Kriging建立了快速計算模型并對共振頻率這一質量特性為典型參數進行了質量一致性分析計算，最后驗證了評估過程的正確性，為后續電磁繼電器質量一致性的評價方法的實施提供了參考范例。