继电器振动失效诊断与设计改进方法研究

 本文旨在通过运用有限元仿真、理论分析等方法，通过对某1/5晶体罩系列继电器的代表品种进行设计改进，从而从根本上解决了该系列继电器的振动一致性问题，提高了该系列继电器的振动可靠性，提高了投入产出率。
    A产品是我厂1/5晶体罩系列产品的代表品种，属旋转式结构，是该系列产品中技术条件最高的产品，其中正弦振动为3000Hz、30g，随机振动指标达0.4g²/Hz，技术指标MIL-R-39016/13规定，经统计2011至2012年振动不合格率达10.3%；该项目已严重影响系列产品的总体振动性能，因此，有必要对该产品振动性能开展提升工作。
    攻关内容及研究过程
    2.1.问题定位
    2.1.1.失效产品摸底试验
    根据工艺攻关实施方案，前期我们针对3个批次共63只振动失效产品进行摸底试验和失效分析。试验情况如下：63只失效产品在现有4台振动设备上均进行正弦振动。通过对记录编号分析，4台设备上失效的产品均不完全相同；所有产品正弦、随机振动均在4台设备上试验结束后，仍然有30只产品始终未在任何一台设备上出现失效，即该30只产品故障始终未复现。进一步分析正弦振动失效样品，样品失效频率主要分布在两个频段，即120Hz～1000Hz的低频段和2700Hz～3000Hz的高频段。产品失效主要为非激励状态下静合抖断。
    2.1.2.有限元仿真分析
    通过对动簧片部分进行共振频率仿真分析，得出动簧片部分共振点，与实际失效高频段相符。
    首先是对簧片部分即将进行有限元仿真分析所做的前处理工作，即网络划分（之前已完成材料分配、几何约束设定等工作），在完成共振频率仿真工作之前，现简单说明一下共振频率仿真的意义：簧片部分（柔性体）在振动过程中随外界频率一同振动的过程中，当柔性体与外界振动频率一致时（即发生共振），其振动幅度为最大值，此时，簧片部分的位移也为最大值，但高阶共振频率的振幅要小于低阶，故只有低阶（5阶以下）共振频率才有分析的意义。与试验中出现的失效频段(120Hz～1000Hz和2700Hz～3000Hz)基本相符，说明模型的建立与实际簧片状态一致，模型可用。至此，簧片部分仿真的虚拟环境建立完成，为下一步优化设计提供了可靠的平台。
    2.2.设计改进
    由上述仿真分析可见，产品振动淘汰情况均可通过提高共振点实现，提高产品抗振性能，我们主要由设计方面进行改进。
    2.2.1.设计改进理论分析
    JRC-200MA产品接触部分设计为悬臂梁结构，一端固定，另一端受推杆作用力。
    由产品的失效分析情况可见，产品针对失效的情况多产生在非激励状态，在产品接触部分设计满足设计要求的情况下，产品的失效与衔铁的抖动有关，在产品的机械参数调整中，增加推杆部分的自由行程，是有效克服衔铁抖动导致产品振动时效的途径之一。
    2.2.2.仿真分析
    利用上述原理，我们在有限元软件的辅助下建立模型并进行仿真，目的是为了以改进簧片的宽度和长度为方向，确定具体改进簧片的尺寸，使得共振点尽可能的提高，以使其不再在产品要求的振动频率范围内失效，改进后的簧片尺寸为宽度由1.2mm改为0.9mm，长度由5.5mm改为5.3mm。
    2.2.3.方案实施
    通过设计理论分析和仿真中的振动频率分析，我们确定设计改进方案：
    2.2.3.1.对产品振动性能关联程度较大的动簧片进行设计改进，动簧片宽度由1.2mm改为0.9mm，长度由5.5mm改为5.3mm。
    2.2.3.2.在簧片发生了改变后，我们对电磁部分的推杆也做了改进的尝试，推杆部分的玻璃球直径由SR0.5±0.05mm改为了SR0.4±0.05mm，使得衔铁在达到原动合反力和超程的情况下，衔铁的自由行程增加至0.1mm。
    2.2.4.验证成果
    投料验证的产品在进行振动筛选过程中，该批产品交筛89只，振动合格率100%,在此之后，我们抽取了本批入库产品进行了例行试验，其中包括额定电流在内的试验项目均合格；之后我们抽取本批40产品进行了不同振动台、长时间的振动试验，结果有无产品失效。

    通过试验摸底，我们首先将失效继电器的失效模式和失效频段进行了量化地复现，之后再运用有限元仿真分析，得出产品理论共振点，结合试验的失效频段修正仿真模型；再利用振动经验公式确定产品设计改进方向，并运用修正后的模型最优化设计改进的具体参数，从而形成最优化的设计方案；最后通过批量验证，证明了设计方案的有效性，使得该型号继电器的代表系列产品总体振动可靠性得到提高。