仿真与谢宁DOE在继电器振动失效分析中的应用

沈智强

引言：小型功率继电器在航空航天等使用环境复杂领域的应用和推广，对继电器本身在不同环境下的可靠性提出了更高的要求，尤其是在振动环境下的可靠性。本文旨在通过利用仿真和谢宁DOE相结合的方法，对某小型1/2立方英寸旋转式继电器在振动环境下的失效原因进行分析和措施应用，从而在一定程度上提升了该产品振动性。

一、概述

目前A产品是小型1/2立方英寸旋转式大功率系列继电器的代表品种，贯GJB1042A-2002，该产品虽然其体积小、重量轻，但其拥有比同体积和同质量继电器更高的负载能力，和更强的环境适应能力，该产品广泛应用与航空甚至航天领域。由于该产品振动指标已逼近该类型结构的极限值，使得在该振动条件下，产品的可靠性不高，振动合格率在5%左右，形成了供货瓶颈，提高该系列产品的振动可靠性刻不容缓。

二、攻关内容及研究过程

（一）問题定位

根据工艺攻关实施方案要求，我们针对77只振动失效产品进行摸底试验。试验情况如下：

对77只失效产品进行正弦振动，通过对失效样品的失效模式进行分析，发现77只中在非激励状态下出现失效的有13只，失效频率主要分布在600Hz～900Hz的低频段；在激励状态下失效的有58只，失效频率主要分布在600Hz～1000Hz的低频段，样品主要在激励状态下出现失效。

为研究产品设计中的保持力是否能够满足抗振要求，我们对产品的电磁系统进行了仿真分析（见图1），仿真结果显示，产品两端除铁心有少量漏磁以外，铁心内部基本饱和（橙黄颜色），设计的电磁吸力和吸力曲线平滑、连续，故在通过铆装减小铁心端头漏磁的前提下，其保持力应能满足产品技术需求，无需对产品电磁系统进行设计改进。

图1 电磁系统仿真

我们运用谢宁DOE中的成对比较技术对6+6（最小样本量）只失效产品和合格产品的机械参数进行拆罩对比分析见表1。其中动合反力和不加推杆的保持力为摸底参数，技术文件未对其进行规定，动合反力的测试方法为：在接触部分静压力合格的前提下，使用0.5N测力计打在动簧片端头，延常开触点方向推动动簧片运动，待常开触点闭合、指示灯亮时，对测力计进行读数；而不加推杆的磁保持力的测试方法为：对电磁产品线圈加吸合电压的80%，当衔铁与极靴贴合后，使用3N的测力计对衔铁上的推杆施加使衔铁和极靴分断方向的力，当衔铁和极靴分断后读数。

从表1数据中可以产出，合格产品和失效产品的间隙、超程和复原力没有明显差异；静压力方面，合格品的静压力均值为198.3mN，不合格品的均值为230mN，大于合格品的静压力；动合反力方面，合格品的动合反力均值为303.3mN，不合格品的均值为353.3mN，大于合格品的动合反力；保持力（加推杆）方面，合格品的保持力均值为1.22N，不合格品的均值为0.83N，小于合格品的保持力；保持力（不加推杆）方面，合格品的保持力均值为2.52N，不合格品的均值为2.27N，小于合格品的保持力。

根据分析数据我们可以确定：

1.合格产品的超程为≥0.04mm，间隙为≥0.3mm。由于合格品和不合格品的超程和间隙没有明显的差异，所以可以排除由于超程或间隙参数不合格导致产品振动失效的可能；

2.合格产品的静压力和动合反力较不合格品要小。由于静压力和动合反力为一对相对矛盾的力，在触点间隙一定，即簧片的形变量一定的情况下，静压力越大，其动合反力越大；增大静压力可以提高产品在非激励状态下的抗振性能，但在激励状态下，由于过大的静压力使得动合反力也相应增大，随之便需要更大的电磁吸力来保持动簧片在激励状态下处于闭合状态，而电磁吸力由线圈安匝、镀层、装配工艺决定，其自由度较小，在装配过程中只能通过装配工艺减少漏磁、增加接触面积来达到增大保持力的目的，且增加的幅度非常有限，所以，在电磁吸力、触点间隙一定的情况下，如何平衡静压力和动合反力，使得在非激励状态触点不出现抖断失效的前提下，尽量减小静压力，使得动合反力相应减小，从而提高激励状态下触点的抗振性能。

通过上述分析，如何保证产品在装配、校正阶段，产品的电磁吸力、机械参数符合产品设计要求，是我们的研究方向。

（二）摸底验证

若要验证上述分析结论的合理性与真实性，需要前提成立，即继电器总装结构件（支架）在振动模态中为刚性部件，不发生较大幅度的受迫振动。通过前期试验验证，我们发现该产品由于其重心较高，而支架刚度偏低，所以产品电磁系统会在振动过程中出现受迫振动，为解决该问题，我们设计了减振片，并在罩壳与减振片之间加装聚四氟乙烯薄膜以避免罩壳与减振片的接触增加振动过程中能量的传导。之后，我们抽取1批产品，数量为，依据表1中合格产品的各项参数均值，对其装配过程和机械参数进行控制，控制措施如下：

1.加装减振片并卡入聚四氟乙烯薄膜；

2.电磁系统的保持力进行100%检验，检验方法和合格判据为加吸合电压的80%后，测试其保持力应≥2.5N（表1中合格产品均值为2.52N），不合格或达不到的产品进行返修；

3.校正参数按：

①静压力（200±20）mN（表1中合格产品均值为198.3mN）；

②动合反力按（300±20）mN（表1中合格产品均值为303.3mN）；

③其余按产品技术文件执行。

我们抽取该批产品中的两个工号，对其按上述控制措施进行对比验证，采取控制措施的产品和其他产品在数量相当的情况下，采取控制措施产品的振动性能有了明显的改善，合格率由原来的5%提升至70%以上说明控制措施有效。

（三）验证成果

确定改进措施有效性以后，我们对在制产品全面应用控制措施，在控制期间，产品平均合格率72%；产品合格率有了大幅的提高，且有多个批次的产品合格率超过75%，合格率最高达到76.4%。

三、总结

通过前期对失效样品进行摸底试验，我们重现了继电器的失效模式；在对该继电器的磁路部分的仿真分析中，排除了由于设计导致继电器失效的因素；再在之后运用谢宁DOE中的成对比较技术，找出了失效品和合格品存在的差异，并在使用减振片在保证继电器刚性部件的刚度的前提下，将产品的机械参数控制在合格品的平均水平上下，最终通过批量验证证实了参数优化方案的有效性，从而提升了该系列继电器产品的整体振动性能。

参考文献

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[5]GJB1042A-2002中国人民解放军总装备部

[6]马林 何桢，六西格玛管理，中国人民大学出版社，2007，（2）.

[7]马逢时等，六西格玛管理统计指南，中国人民大学出版社，2011，（1）.

（作者单位：贵州振华群英电器有限公司）