基于ANSYS电磁继电器触簧系统的随机振动分析

基于ANSYS电磁继电器触簧系统的随机振动分析
电磁继电器的触簧系统包括触点及簧片，由电磁系统驱动转换机构实现继电器触点与簧片间的闭合与开断。

在设计过程中，触点压力设计的合理性往往需要通过后期装配完成后试验验证来确定。

因此在设计过程中，应用仿真软件进行仿真与分析研究，先从理论设计上满足设计要求的前提下进行加工，既缩短了继电器的研发周期也节约了加工成本。

标签：电磁继电器触点压力预应力仿真分析PSD
1引言
电磁继电器做为最常见的继电器之一，其设计方法，设计理念在现阶段已较为成熟。

但是在设计过程中，触点与簧片间的压力是设计者不得不考虑的一个因素之一，其触点压力大小一般都是通过设计者的经验者所得，或者通过国外样品的测量所得，并未形成具体的设计思路与方法。

当触点接触压力太小时，触点与簧片间接触电阻偏大，并在随机振动及冲击条件下容易产生瞬断甚至脱落等现象造成继电器的失效；当触点接触压力太大时，电磁系统的功耗偏大造成发热高，导致漆包线损坏，同时也加重触点与簧片间的磨损，当触点间磨损的量大于设计的超距时，触点与簧片之间将无法再有效可靠地接触造成继电器的失效。

因此触点与簧片间的接触压力大小的设计，是在满足继电器触点间接触电阻的同时也能满足振动冲击等环境条件的要求。

本文通过一种特种电磁继电器的设计，简述随机振动仿真分析在继电器触点与簧片的接触压力设计中的作用。

2 研究对象
本文研究的对象为一特种继电器，其内部的核心的组件结构如图所示1所示。

为了便于观察内部结构，对组件的陶瓷部分进行了局部剖。

其转换的工作原理为轭铁底部有一弹簧，在管座内部线圈未施加激励时，由弹簧作用于轭铁向上的力，通过转换结构保证簧片与触点之间可靠接触；同理，当内部线圈施加激励时，电磁吸力大于弹簧的反力，保证簧片与另一触点可靠接触。

1-接线柱、2-陶瓷罩、3-转换结构、4-簧片、5-触点、6-轭铁、7-管座
图1 继电器内部组件结构示意图
该继电器与触簧系统相关的主要技术指标为：
（1）触点形式：SPDT；
（2）最大连续电流：10A；
（3）接触电阻：≤1.0Ω；
（4）机械寿命：100万次；
（5）振动：10g，50～500Hz；
（6）冲击：10g，11ms，1/2s。

从结构图可知，线圈未工作时，触点的压力由轭铁下部的弹簧提供，弹簧示意图如图2所示，如果选用不同规格的同一牌号的不锈钢丝绕制而成，可以通过计算得到触点间的压力见表1所示。

在进行随机振动试验时，触点与簧片间瞬断不应大于10μs。

因此要求触点与簧片之间必须接触可靠，且在随机振动过程中触点与簧片无脱落的现象。

下面通过ANSYS仿真软件来进行进一步的确触点与簧片之间的压力。

3 仿真分析
3.1 分析概述
随机振动分析是一种基于概率统计的谱分析技术，它求解的是在随机激励作用下的包括位移、应力等的概率分布情况。

随机振动分析中功率密度（PSD）记录了激励和响应的均方根值同频率的关系。

因此PSD是一条功率谱密度值—频率值的关系曲线，亦即载荷时间历程
PSD的说明：
1. PSD曲线下的面积就是方差，即响应标准偏差的平方值。

2. PSD的单位是Mean Square/HZ（如加速度PSD的单位为G2/Hz）。

3. PSD可以使位移、速度、加速度、力或者压力等。

在随机振动分析中，由于时间历程不是确定的，所以瞬态分析是不可用的。

随机振动分析的输入为：
1. 通过模态分析得到的结构固有频率和固有模态。

2. 作用于节点的单点或多点的PSD激励曲线。

随机振动分析通常是用来对选用的材料进行疲劳寿命预测的，如何将仿真分析后的结果用来对触点接触可靠地判断，就需要对模型进行前处理。

3.2 分析前处理
3.2.1 简化模型
仿真分析过程往往是个复杂繁琐的过程，在不影响仿真结果的前提下，可以对仿真的模型进行一定程度的简化，在仿真前可以将图1中的陶瓷与管座内部的一些零件抑制处理。

3.2.2 定义接触
在ANSYS中默认的接触形式有绑、无摩擦、摩擦、不可分离等多种模式。

但是在触点也簧片之间由于是存在一个相对运动的过程的，因此如图4所示，需要在触点与簧片之间插入“弹簧”幅。

图4 定义接触图
3.3 仿真过程
触点与簧片间的随机振动分析是属于有预应力的分析，仿真过程需要对静力学，模态、随机振动进行关联分析。

在随机振动分析中，加载位移约束时位移必须为0值，通常在模态分析结束后一般要查看模态分析的前几阶（一般为前6阶）固有频率和振型，进行模态分析求出给定范围的各阶响应频率（model），该结构的频率范围从20～2000Hz，然后再进行随机振动分析的设置（载荷及边界条件），随机振动分析中的载荷为功率谱密度（PSD）。

按照功率谱具体要求，输入加速度的功率谱密度曲线如图5所示。

图5 功率谱密度曲线
3.4 结果分析
因为主要考察的是触点与簧片之间接触的可靠性，因此在仿真结果主要查看触点与簧片之间应力的情况，其结果如图6所示，触点与簧片间弹簧幅的应力为8.6MPa。

图6 随机振动下触点与簧片的应力云图
通过与表1的结果的分析对比可知，在未施加激励状态条件下，弹簧选用大于φ0.5的不锈钢丝均可。

同理在施加激励时，触点与簧片间的接触应力也应大于8.6MPa。

由于在该状态弹簧反作用于轭铁，线圈的工作电压为28V，线圈选用漆包线φ0.15mm的QY-1/220绕制而成，根据电磁与热仿真。

当弹簧大于φ0.8时，线圈的温升将有可能超过线圈的使用温度，电磁仿真与热仿真在此处就不做详述。

因此，经综合考虑，弹簧选用φ0.6的不锈钢丝同时满足了两种状态的设计需求，该设计并在后期的试验得到验证。

4 结论
随机振动条件下触点与簧片之间接触的可靠性主要在于两者之间压力的大小，压力越大在振动条件下越可靠。

同时考虑到触点磨损等因素，压力值一般取满足振动条件所需的两倍值即可。

通过后期的试验验证，该设计依据也是有效可靠地。

参考文献：
[1] 周茂祥。

低压电器设计手册机械工业出版社1992
[2] 浦广益。

ANSYS Worbench 12基础教程与实例详解中国水利水电出版社2010
[3] 王强、陈明。

随机振动仿真分析光电技术应用2009。