基于多體動(dòng)力學(xué)的高壓直流電磁繼電器觸點(diǎn)振動(dòng)特性研究

黃 宇

（沈陽(yáng)特種設(shè)備檢測(cè)研究院， 遼寧 沈陽(yáng) 110035）

0 引言

電磁繼電器結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且涉及到眾多交叉學(xué)科，高壓直流繼電器作為一個(gè)具有高效處理能力的高功率控制元件，在高電壓、強(qiáng)電流等高頻的條件下?lián)碛衅胀ǖ碾姶爬^電器所無可代替的高壽命和堅(jiān)固可靠等優(yōu)點(diǎn)。 高壓直流繼電器的振動(dòng)特性是衡量其使用性能的重要指標(biāo)之一，目前國(guó)外主要從理論、仿真、擬態(tài)試驗(yàn)等方向進(jìn)行設(shè)計(jì)與探究。 但因這方面的資料研究大部分涉及到國(guó)防領(lǐng)域的關(guān)鍵保密技術(shù)，所以可進(jìn)行的借鑒十分稀少，因此我們國(guó)家對(duì)于該繼電器的研究?jī)?nèi)容很少，本文依托仿真，進(jìn)行關(guān)于高壓直流繼電器振動(dòng)特性的研究， 針對(duì)某一影響因素研究其對(duì)繼電器動(dòng)態(tài)特性的影響， 為同型號(hào)繼電器的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 繼電器三維建模

1.1 三維建模

該繼電器的傳動(dòng)方式為 “動(dòng)鐵芯—推桿—超程彈簧—?jiǎng)佑|點(diǎn)”傳動(dòng)方式。 這種傳動(dòng)方式由動(dòng)鐵芯經(jīng)過推桿和超程彈簧間接作用到簧片上。 明確各部件的運(yùn)動(dòng)及固定方式之后，建立繼電器內(nèi)各零件的三維模型并導(dǎo)入RecurDyn。

根據(jù)導(dǎo)入后的模型方向設(shè)置系統(tǒng)重力方向和圖標(biāo)尺寸，將陶瓷罩和金屬罩刪除，合并推動(dòng)系統(tǒng)。 模擬實(shí)際工況將超程彈簧拆分為上下兩部分，并在兩部分之間添加彈簧力，總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 仿真前處理示意圖Fig.1 Schematic diagram of simulation pretreatment

1.2 設(shè)置材料

考慮到模型部分零件的材料與RecurDyn 的材料數(shù)據(jù)庫(kù)中的有所不同，為使仿真結(jié)果更加接近實(shí)際，并保證繼電器接通后的良好導(dǎo)電性和機(jī)械性能， 高壓直流電磁繼電器各零件材料如表1 所示。

表1 繼電器各零件材料對(duì)照表Tab.1 Material comparison table of each part of the relay

1.3 創(chuàng)造約束與接觸

創(chuàng)造約束與接觸需要五個(gè)條件： 建立marker 點(diǎn)和face 面；添加基礎(chǔ)約束；添加彈簧力；進(jìn)行接觸設(shè)置。

marker 點(diǎn)的主要作用是確定彈簧的作用點(diǎn)和彈簧的運(yùn)動(dòng)方向，根據(jù)彈簧實(shí)際作用位置建立。超程彈簧上端作用點(diǎn)選在動(dòng)觸點(diǎn)與凸臺(tái)接觸面的中心； 超程彈簧下端作用點(diǎn)選在推動(dòng)系統(tǒng)與凸臺(tái)交界處的中心； 返回彈簧上端作用點(diǎn)在軛鐵板大小凹槽交界處中心； 返回彈簧下端作用點(diǎn)在動(dòng)鐵芯大小凹槽交界處中心。

設(shè)置與大地的固定鉸為固定副， 推移卡與外殼的滑移副為移動(dòng)副，動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)的實(shí)體接觸為接觸。

1.4 添加驅(qū)動(dòng)力

高壓直流繼電器工作時(shí)，其所有的動(dòng)力都源自動(dòng)鐵芯受到的電磁力，當(dāng)繼電器通電時(shí)動(dòng)鐵芯再在電磁力的作用下上運(yùn)動(dòng)，首先克服自身重力、推桿間摩擦力和彈簧的彈力使繼電器閉合。 繼電器仿真的驅(qū)動(dòng)采用由Maxwell 計(jì)算出的電磁力，即：當(dāng)電流恒定時(shí)，動(dòng)鐵芯處于不同角度時(shí)的受力情況。由于繼電器工作由電腦控制，因此在繼電器其工作時(shí)線圈中的電流可近似為恒定值。在進(jìn)行仿真時(shí)驅(qū)動(dòng)力的數(shù)值由動(dòng)鐵芯與軛鐵相對(duì)位置決定，需要將上述計(jì)算出來的離散數(shù)據(jù)調(diào)入到RecurDyn 中， 系統(tǒng)會(huì)根據(jù)輸入的離散數(shù)據(jù)擬合出一條動(dòng)鐵芯不同角度下受到電磁力的曲線。 完成曲線的創(chuàng)建后編寫樣條插值函數(shù)，軟件就會(huì)根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻動(dòng)鐵芯所處的位置來輸出動(dòng)鐵芯上電磁力的大小。

表2 電磁力參數(shù)大小Tab.2 Electromagnetic force parameters size

圖2 電磁力矩樣條曲線Fig.2 Electromagnetic moment spline curve

2 仿真

圖3 觸點(diǎn)開距示意圖Fig.3 Schematic diagram of contact distance

考慮繼電器的結(jié)構(gòu)條件， 為揭示觸點(diǎn)開距對(duì)彈跳的影響，尋找最佳的觸點(diǎn)開距（動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)的距離），選取表3 中7 個(gè)位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

由動(dòng)觸點(diǎn)位移震動(dòng)曲線可知，0s～0.009s 動(dòng)觸點(diǎn)加速向上運(yùn)動(dòng)過程直至動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)發(fā)生第一次碰撞速度驟減，由于觸點(diǎn)開距不同所以動(dòng)靜觸點(diǎn)發(fā)生碰撞的時(shí)間也有一定差距，開距越小動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)第一次碰撞越早。 0.009s-0.020s 過程中動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)不斷碰撞直至靜止，由于多體動(dòng)力學(xué)分析的是繼電器理論的振動(dòng)效果， 因此動(dòng)觸點(diǎn)的振動(dòng)次數(shù)和振幅與實(shí)際存在一定的差異但是兩者的趨勢(shì)和遵守的物理規(guī)律是相同的。0.020s之后動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)穩(wěn)定接觸但由于此時(shí)動(dòng)鐵芯還在跳動(dòng)因此0.020s 之后位移圖像還會(huì)有微小的振動(dòng)，這些振動(dòng)可以忽略。

根據(jù)動(dòng)觸點(diǎn)位移圖像可知； 隨著觸點(diǎn)開距的增加， 動(dòng)觸點(diǎn)位移的最大振幅整體呈現(xiàn)先增加后減小的的趨勢(shì)； 振動(dòng)總時(shí)長(zhǎng)呈現(xiàn)先增加后減小的的趨勢(shì)。 觸點(diǎn)開距為0.75mm 時(shí)振幅和振動(dòng)時(shí)間最小，且振動(dòng)次數(shù)較少。 因此觸點(diǎn)開距為0.75mm較好。

表3 觸點(diǎn)開距仿真設(shè)計(jì)Tab.3 Contact distance simulation design

圖4 動(dòng)觸點(diǎn)位移振動(dòng)曲線圖Fig.4 Vibration curve of moving contact displacement

圖5 動(dòng)觸點(diǎn)速度振動(dòng)曲線圖Fig.5 Moving contact velocity vibration curve

圖6 動(dòng)鐵芯位移振動(dòng)曲線Fig.6 Displacement vibration curve of moving iron core

圖7 動(dòng)鐵芯速度振動(dòng)曲線Fig.7 Velocity vibration curve of moving iron core

根據(jù)動(dòng)觸點(diǎn)速度圖像可知： 隨著觸點(diǎn)開距的增大最大波動(dòng)呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，通過速度波動(dòng)次數(shù)和時(shí)間分析，可知0.75mm 時(shí)圖像振動(dòng)波動(dòng)最小。

由動(dòng)鐵芯位移可知，0.009s～0.014s 曲線斜率減小。0.014s～0.025s 過程中動(dòng)鐵芯與軛鐵板不斷碰撞直至靜止， 因此將著重分析這一段時(shí)間內(nèi)動(dòng)觸點(diǎn)的振動(dòng)，0.025s之后動(dòng)鐵芯與軛鐵板穩(wěn)定接觸。 在整個(gè)過程中微小振動(dòng)可以忽略，只關(guān)注較大的振動(dòng)。

由動(dòng)鐵芯速度曲線可知，0s～0.009s 動(dòng)觸點(diǎn)加速向上運(yùn)動(dòng)直至動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)發(fā)生第一次碰撞速度驟減。0.009s～0.014s 過 程中由于動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)的碰撞，動(dòng)鐵芯速度減小后繼續(xù)增加直至動(dòng)鐵芯與與軛鐵板發(fā)生碰撞，0.014s～0.028s 過程中動(dòng)鐵芯與軛鐵板不斷碰撞直至靜止。 0.028s 之后動(dòng)鐵芯與軛鐵板穩(wěn)定接觸，0.028s 之后速度圖像還會(huì)有微小的變化，這些振動(dòng)可以忽略。

增大觸點(diǎn)開距， 速度波動(dòng)時(shí)間和次數(shù)呈現(xiàn)無明顯規(guī)律，最大速度振幅也相對(duì)穩(wěn)定。綜合分析振動(dòng)情況選擇最佳的觸點(diǎn)開距。發(fā)現(xiàn)動(dòng)觸點(diǎn)振動(dòng)時(shí)開距為0.75mm 效果最好， 由于繼電器動(dòng)觸點(diǎn)的振動(dòng)特性最終影響繼電器的通斷特性，因此0.75mm 是觸點(diǎn)開距的最優(yōu)位置。

3 結(jié)論

本章建立并簡(jiǎn)化了高壓直流電磁繼電器的三維模型和動(dòng)力學(xué)模型。利用RecurDyn 軟件研究繼電器觸點(diǎn)開距對(duì)繼電器振動(dòng)的影響，得到各參數(shù)與繼電器振動(dòng)情況的對(duì)應(yīng)關(guān)系和各參數(shù)的最優(yōu)范圍。 為進(jìn)一步研究繼電器振動(dòng)特性的問題提供了理論依據(jù)。