基于機(jī)械結(jié)構(gòu)的交流接觸器振動(dòng)機(jī)理分析及優(yōu)化

張志文, 章星棟, 朱映平, 黃振順

(浙江正泰電器股份有限公司, 浙江 溫州 325603)

0 引 言

隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,交流接觸器的應(yīng)用領(lǐng)域及使用日益增長(zhǎng),可應(yīng)用于接通與切斷交流回路[1],并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作來接通和切斷主電路及大容量控制電路,特別是應(yīng)用于航空航天、電能輸送和機(jī)床等重要領(lǐng)域的控制系統(tǒng)[2]。其主要由磁系統(tǒng)、觸頭系統(tǒng)、滅弧系統(tǒng)等部分組成。交流接觸器的主要工作原理:當(dāng)磁系統(tǒng)的線圈通以額定電壓后,帶有磁軛的線圈會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng),吸引銜鐵向磁軛方向運(yùn)動(dòng),而裝在觸頭支持上的動(dòng)觸頭通過銜鐵的運(yùn)動(dòng)與固定在基座上的靜觸頭的吸合或斷開、來實(shí)現(xiàn)對(duì)電路通、斷的控制[3];當(dāng)施加在線圈兩端的電壓顯著下降或消失時(shí),銜鐵部件會(huì)在反力彈簧的作用下復(fù)位,從而實(shí)現(xiàn)電路的分?jǐn)嗷蚪油?。因此交流接觸器可以實(shí)現(xiàn)低電壓控制高電壓、低電流控制高電流的功能,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離地頻繁接通與分?jǐn)嚯娐穂4]。

在生產(chǎn)制造及后續(xù)使用中,交流接觸器中的各部位零件會(huì)不可避免地發(fā)生碰撞并存在一定的制造誤差,當(dāng)各零部件誤差積累到一定程度時(shí),就會(huì)出現(xiàn)明顯鐵心振動(dòng),并伴隨噪聲產(chǎn)生的情況[5]。因此,交流接觸器在制造及客訴當(dāng)中,鐵心的振動(dòng)與噪聲是最常見的問題之一。本文針對(duì)該問題結(jié)合實(shí)際案例就產(chǎn)生的原因及解決方案進(jìn)行剖析。

1 振動(dòng)的類別及來源

交流接觸器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 交流接觸器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

交流接觸器的工作環(huán)境不確定,在不同環(huán)境下動(dòng)作會(huì)由于各部件的磨損等因素,造成其振動(dòng)。由于振動(dòng)的原因,會(huì)對(duì)交流接觸器的可靠動(dòng)作和壽命值產(chǎn)生影響。為了提高交流接觸器動(dòng)作的可靠性和安全性,需要找到振動(dòng)原因,并采取一定的措施加以解決。

交流接觸器在制造及使用過程中,產(chǎn)生的振動(dòng)多種多樣,其中最為主要是電磁振動(dòng)與機(jī)械振動(dòng)。

1.1 電磁振動(dòng)的產(chǎn)生原因

電磁振動(dòng)是交流接觸器的固有特性,是不可避免的。其產(chǎn)生的主要原因是交流接觸器的鐵心是由無取向的硅鋼片制成,其內(nèi)部有無數(shù)的由于分子電流運(yùn)動(dòng)形成的小磁針。在未對(duì)其施加外力時(shí),小磁針是雜亂無章的,整體對(duì)外不顯磁性。當(dāng)對(duì)其施加外力時(shí)(如線圈通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)),這些小磁針就會(huì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)向,方向趨于一致,對(duì)外顯磁性。有無外力作用的小磁針分布圖如圖2所示。線圈通以交流電時(shí),交流電的大小和方向會(huì)隨時(shí)間的變化而發(fā)生改變,同樣線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小與方向也會(huì)隨之改變,小磁針反復(fù)地工頻運(yùn)動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生振動(dòng),這就是交流接觸器的電磁振動(dòng)。電磁振動(dòng)不可完全杜絕,但可通過調(diào)節(jié)參數(shù)和改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來降低至可接受的程度。

圖2 有無外力作用的小磁針分布圖

1.2 機(jī)械振動(dòng)的產(chǎn)生原因

交流接觸器除了存在電磁振動(dòng),還存在機(jī)械振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的原因主要有兩種:一種為鐵心問題產(chǎn)生振動(dòng),一種為系統(tǒng)不平衡產(chǎn)生振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)及其產(chǎn)生的噪聲通常是很大的,同時(shí)由于振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生的危害也是不可接受的。此類振動(dòng)只要找到其產(chǎn)生的原因,就可以通過采取一定的措施加以避免。

2 機(jī)械振動(dòng)分析與解決方案

機(jī)械振動(dòng)主要由鐵心問題和系統(tǒng)不平衡造成。而不同的問題均有其不同的表現(xiàn)形式。

2.1 鐵心問題引起的機(jī)械振動(dòng)

鐵心問題引起的機(jī)械振動(dòng),其表現(xiàn)形式主要有兩種。

(1) 極面加工不平造成的振動(dòng)。鐵心通常會(huì)經(jīng)過沖壓、疊鉚、磨削、去毛刺、清洗、刷防銹油、包裝及入庫等工序后才應(yīng)用于交流接觸器。在磨削過程中,工作臺(tái)面不平、進(jìn)刀量過大或轉(zhuǎn)序過程中的磕碰等均會(huì)造成鐵心極面不平,從而產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲。這類振動(dòng)和噪音可以通過更換鐵心得到有效的解決。

(2)鐵心極面有異物引起的振動(dòng)。極面的異物主要來源有兩個(gè)方面,即鐵心加工過程產(chǎn)生的毛刺和進(jìn)行鐵心裝配的臺(tái)面不清潔,這類振動(dòng)可以通過清潔極面的方法加以消除。

2.2 系統(tǒng)匹配不平衡造成的機(jī)械振動(dòng)

系統(tǒng)匹配不平衡造成的機(jī)械振動(dòng)主要包括3種情況,即壓力中心不重合造成的系統(tǒng)不平衡、運(yùn)動(dòng)間隙不合理造成的系統(tǒng)不平衡和鐵心缺乏自我調(diào)節(jié)造成的系統(tǒng)不平衡,以上任意一種情況發(fā)生,均會(huì)造成系統(tǒng)不平衡,從而產(chǎn)生振動(dòng),并形成噪聲。

2.2.1 壓力中心不重合造成的系統(tǒng)不平衡

某型交流接觸器,車間反饋校驗(yàn)過程中有15%～25%的產(chǎn)品有比較大的振動(dòng),鐵心極面無異物或雜質(zhì),但為消除該振動(dòng)需要反復(fù)更換鐵心。據(jù)相關(guān)的檢驗(yàn)記錄來看,無異常。

(1)對(duì)設(shè)計(jì)的壓力中心的相關(guān)尺寸進(jìn)行了計(jì)算,無異常;

(2)通過現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析可知,校驗(yàn)振動(dòng)比例較大的位置均集中在某供方物料上,通過對(duì)影響壓力中心的尺寸進(jìn)行測(cè)量分析發(fā)現(xiàn)該問題是由供方加工錯(cuò)誤造成的。底座圖如圖3所示;基底圖如圖4所示。由于供方理解錯(cuò)誤(A=C≠B=D),將A和B加工成相等的尺寸,使得鐵心的壓力中心發(fā)生偏移,從而產(chǎn)生振動(dòng)。通過對(duì)錯(cuò)誤尺寸進(jìn)行修正,并對(duì)各尺寸進(jìn)行規(guī)范化的標(biāo)注,問題得到解決。

圖3 底座圖

圖4 基座圖

在接觸器的底部和兩側(cè)面利用加速傳感器,測(cè)得通過A/D轉(zhuǎn)換,傅立葉變換后表征振動(dòng)量的值,即頻譜能量值;根據(jù)頻譜能量值得到噪聲分貝值。更改前后產(chǎn)品噪聲的檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 尺寸更改前后產(chǎn)品噪聲的檢測(cè)數(shù)據(jù)

由表1可見,經(jīng)過更改產(chǎn)品尺寸能夠降低噪聲。各產(chǎn)品噪聲降低的百分比如表2所示。

表2 各產(chǎn)品噪聲降低的百分比

由表2可知,經(jīng)過尺寸的更改,10臺(tái)試品的各部位噪聲均呈不同程度的下降,降低幅度均約20%。通過更改產(chǎn)品尺度能夠消除壓力中心不重合帶來的系統(tǒng)不平衡的影響,進(jìn)而更為顯著地降低振動(dòng)和噪聲。

2.2.2 運(yùn)動(dòng)間隙設(shè)計(jì)不合理造成的系統(tǒng)不平衡

交流接觸器的運(yùn)動(dòng)件主要是觸頭,觸頭支持在基座里運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)通斷[6]?；袚?dān)觸頭支持的主要運(yùn)動(dòng)限位,如果運(yùn)動(dòng)間隙設(shè)計(jì)不合理,則極易由于局部的變形卡滯引起振動(dòng)。常見的間隙設(shè)計(jì)不合理情況主要分為兩種。

(1)觸頭支持在基座里的各處運(yùn)動(dòng)間隙均設(shè)計(jì)為一個(gè)值。間隙設(shè)計(jì)相同如圖5所示。

圖5 間隙設(shè)計(jì)相同

(2)間隙雖有主次之分，但整個(gè)觸頭支持的面都是配合面。整個(gè)觸頭支持的面均為配合面如圖6所示。

圖6 整個(gè)觸頭支持的面均為配合面

通常為解決運(yùn)動(dòng)間隙不合理產(chǎn)生振動(dòng)的方法有兩種。

(1)將整個(gè)配合面減小成中間面的配合，以減小運(yùn)動(dòng)摩擦，從而達(dá)到降低乃至消除振動(dòng)的目的。減小配合面示意圖如圖7所示。

圖7 減小配合面示意圖

(2)將觸頭支持的配合面縮小成4個(gè)點(diǎn)接觸,來達(dá)到降低或消除振動(dòng)的目的?？s小配合面為4個(gè)點(diǎn)示意圖如圖8所示。

圖8 縮小配合面為4個(gè)點(diǎn)示意圖

2.2.3 鐵心缺乏自我調(diào)節(jié)造成的系統(tǒng)不平衡

交流接觸器通常是垂直安裝的,其鐵心由于有自重,在基座里運(yùn)動(dòng)時(shí)通常不是直線運(yùn)動(dòng)的,而是會(huì)帶有一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的曲線運(yùn)動(dòng),此時(shí)如果動(dòng)、靜鐵心之間沒有一個(gè)自我調(diào)節(jié)的余量,就極易發(fā)生受力不平衡的情況,從而產(chǎn)生振動(dòng),同時(shí)也極易使機(jī)械壽命后極面的局部磨損產(chǎn)生噪聲[7]。動(dòng)、靜鐵心之間未存在調(diào)節(jié)余量示意圖如圖9所示。

圖9 動(dòng)、靜鐵心之間未存在調(diào)節(jié)余量示意圖

為消除振動(dòng)和噪聲，通常解決的思路：底座底面設(shè)計(jì)成一個(gè)圓弧面，同時(shí)給予靜鐵心一個(gè)調(diào)節(jié)間隙，當(dāng)動(dòng)鐵心在帶動(dòng)觸頭支持運(yùn)動(dòng)時(shí)，靜鐵心有一個(gè)向上迎擊并且自我調(diào)整的動(dòng)作，從而促使鐵心的壓力中心重合，最大限度地降低振動(dòng)。賦予靜鐵心一個(gè)調(diào)節(jié)余量示意圖如圖10所示。

圖10 賦予靜鐵心一個(gè)調(diào)節(jié)余量示意圖

3 結(jié) 語

通過對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生的原因以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可以得出以下結(jié)論:

(1)交流接觸器的振動(dòng)主要分為電磁振動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)。其中,電磁振動(dòng)是交流接觸器的固有特性,可以降低,但不可避免;而由于鐵心問題和系統(tǒng)不平衡問題產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng),可以通過采取特定措施加以消除。

(2)鐵心問題引起的機(jī)械振動(dòng),可以通過更換鐵心及規(guī)范制造流程解決;系統(tǒng)不平衡引起的機(jī)械振動(dòng),可以通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),如合理的間隙及運(yùn)動(dòng)匹配設(shè)計(jì)、鐵心具有自我調(diào)節(jié)量的設(shè)計(jì)等,都能得到有效的解決。

(3)接觸器累計(jì)操作次數(shù)會(huì)對(duì)交流接觸器的振動(dòng)和噪聲產(chǎn)生影響。隨著交流接觸器累計(jì)操作次數(shù)的增加,交流接觸器的鐵心磨損愈發(fā)嚴(yán)重,其振動(dòng)與噪音值均呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)。