鐵路信號繼電器模態(tài)仿真與試驗分析

摘

要：鐵路信號繼電器在鐵路控制和通信系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用，鑒于其機(jī)械結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，繼電器的觸簧系統(tǒng)易受到外界環(huán)境的振動干擾，使觸點(diǎn)發(fā)生誤動作。現(xiàn)利用有限元方法建立了鐵路信號繼電器的三維分析模型，通過模態(tài)分析得到了觸簧系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)振型，并通過振動試驗結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)的對比，驗證了該方法的有效性。關(guān)鍵詞：觸簧系統(tǒng)；有限元；模態(tài)分析；振動試驗

0

引言在鐵路信號系統(tǒng)中，隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高，鐵路信號繼電器作為控制和通信的核心元件，對其耐力學(xué)特性也有著更高的要求。當(dāng)繼電器受到外界的振動和沖擊擾動時，激勵會從底座傳遞到簧片上，簧片發(fā)生彎曲改變觸點(diǎn)間的接觸狀態(tài)，降低繼電器的工作可靠性，甚至使其機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞[1]。因此，提高繼電器的耐力學(xué)特性是一個值得深入研究的問題。本文通過有限元軟件，建立了鐵路信號繼電器的三維有限元模型，通過模態(tài)分析模塊對繼電器的固有頻率和振型進(jìn)行求解計算，從固有頻率角度對繼電器的抗振性能進(jìn)行了分析。最后結(jié)合振動試驗結(jié)果，驗證仿真計算數(shù)據(jù)的正確性，可為繼電器的抗振性能優(yōu)化提供一定的參考。1

三維模型的建立1.1

繼電器結(jié)構(gòu)分析本文以某型號的鐵路信號繼電器為研究對象，如圖1所示。當(dāng)繼電器處于釋放狀態(tài)時，線圈未通電或電壓小于額定值，電磁系統(tǒng)不產(chǎn)生吸力或吸力較小，在反力彈簧作用下，觸簧系統(tǒng)的8組常閉觸點(diǎn)接觸，常開觸點(diǎn)斷開；當(dāng)繼電器處于吸合狀態(tài)時，線圈產(chǎn)生磁通，電磁系統(tǒng)吸引銜鐵向下運(yùn)動，銜鐵帶動傳動軸驅(qū)動推拉桿和簧片實現(xiàn)開斷動作。在觸簧系統(tǒng)中，簧片既作為通電回路的一部分，又屬于控制電路接通和斷開的機(jī)械構(gòu)件[2]。在本文中，采用推動力來替代反力彈簧作用，使觸頭發(fā)生接觸，進(jìn)行接觸模態(tài)分析。1.2

三維有限元模型三維有限元模型作為仿真過程中進(jìn)行計算的邊界條件之一，其建模的精確度將直接關(guān)系到最終仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度[3]，有限元模型的網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖2所示。網(wǎng)格剖分結(jié)束后，為了計算繼電器觸簧系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)振型，需要對模型采取分配材料屬性、設(shè)定邊界條件和設(shè)置載荷等前處理步驟。2

模態(tài)仿真分析模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動力學(xué)的一種有效方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動領(lǐng)域中的應(yīng)用。通過模態(tài)分析可以得到系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)振型等參數(shù)[4]。計算前需在動簧片上施加推動力使觸頭發(fā)生初始接觸，并將繼電器模型底座固定，得到觸簧系統(tǒng)的前兩階固有頻率和模態(tài)振型，如表1所示。通過圖3可知，當(dāng)鐵路信號繼電器處于一階固有頻率時，動/靜簧片呈彎曲振型，共同進(jìn)行擺動，振動方向為簧片的運(yùn)動方向。由圖4可知，繼電器處于二階固有頻率時，彎曲振動主要由動簧片產(chǎn)生，在固有頻率下，外界的振動可造成觸點(diǎn)工作可靠性的下降。3

振動試驗分析3.1

試驗方案設(shè)計本次試驗在沈陽鐵路信號有限公司可靠性實驗室進(jìn)行，試驗遵循《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)》，繼電器由專用夾具牢固安裝在振動臺上，如圖5所示。3.2

固有頻率測量繼電器固有頻率的測量采用正弦激勵法，根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，設(shè)置激振參數(shù)為2g加速度，掃頻范圍為5～100Hz，循環(huán)2次。在掃頻振動過程中，由電壓傳感器實時采集觸點(diǎn)間的接觸壓降，接觸壓降曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，在掃頻周期中觸點(diǎn)發(fā)生兩次抖斷，抖斷時振動頻率約為65～70Hz?？s小掃頻范圍為50～70Hz再次試驗，最終確定在68Hz時，接觸壓降曲線波動最大，并且此時監(jiān)測燈閃爍最為劇烈。通過試驗基本確定該鐵路信號繼電器觸簧系統(tǒng)一階固有頻率約為68

Hz，依據(jù)同樣試驗步驟，測得二階固有頻率約為340

Hz。仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果相比，結(jié)果較為接近。4

結(jié)語（1）本文通過有限元方法建立了鐵路信號繼電器觸簧系統(tǒng)模態(tài)分析模型，通過對模型進(jìn)行求解，得到了繼電器的前二階固有頻率和振型。此外，通過振動試驗，實際測量了繼電器的固有頻率，驗證了該仿真分析方法的準(zhǔn)確性，可為繼電器和相關(guān)開關(guān)設(shè)備的抗振方法研究提供一定