鐵路信號(hào)繼電器模態(tài)仿真與試驗(yàn)分析

摘

要：鐵路信號(hào)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(dòng)干擾，使觸點(diǎn)發(fā)生誤動(dòng)作。現(xiàn)利用有限元方法建立了鐵路信號(hào)繼電器的三維分析模型，通過(guò)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(guò)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)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(dòng)試驗(yàn)

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引言在鐵路信號(hào)系統(tǒng)中，隨著列車運(yùn)行速度的不斷提高，鐵路信號(hào)繼電器作為控制和通信的核心元件，對(duì)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(dòng)和沖擊擾動(dòng)時(shí)，激勵(lì)會(huì)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(gè)值得深入研究的問(wèn)題。本文通過(guò)有限元軟件，建立了鐵路信號(hào)繼電器的三維有限元模型，通過(guò)模態(tài)分析模塊對(duì)繼電器的固有頻率和振型進(jìn)行求解計(jì)算，從固有頻率角度對(duì)繼電器的抗振性能進(jìn)行了分析。最后結(jié)合振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證仿真計(jì)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(hào)的鐵路信號(hào)繼電器為研究對(duì)象，如圖1所示。當(dāng)繼電器處于釋放狀態(tài)時(shí)，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(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)；當(dāng)繼電器處于吸合狀態(tài)時(shí)，線圈產(chǎn)生磁通，電磁系統(tǒng)吸引銜鐵向下運(yùn)動(dòng)，銜鐵帶動(dòng)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)推拉桿和簧片實(shí)現(xiàn)開(kāi)斷動(dòng)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(kāi)的機(jī)械構(gòu)件[2]。在本文中，采用推動(dòng)力來(lái)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(guò)程中進(jìn)行計(jì)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(jì)算繼電器觸簧系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)振型，需要對(duì)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(dòng)力學(xué)的一種有效方法，是系統(tǒng)辨別方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。通過(guò)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(jì)算前需在動(dòng)簧片上施加推動(dòng)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(guò)圖3可知，當(dāng)鐵路信號(hào)繼電器處于一階固有頻率時(shí)，動(dòng)/靜簧片呈彎曲振型，共同進(jìn)行擺動(dòng)，振動(dòng)方向?yàn)榛善倪\(yùn)動(dòng)方向。由圖4可知，繼電器處于二階固有頻率時(shí)，彎曲振動(dòng)主要由動(dòng)簧片產(chǎn)生，在固有頻率下，外界的振動(dòng)可造成觸點(diǎn)工作可靠性的下降。3

振動(dòng)試驗(yàn)分析3.1

試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)本次試驗(yàn)在沈陽(yáng)鐵路信號(hào)有限公司可靠性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)遵循《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》，繼電器由專用夾具牢固安裝在振動(dòng)臺(tái)上，如圖5所示。3.2

固有頻率測(cè)量繼電器固有頻率的測(cè)量采用正弦激勵(lì)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(dòng)過(guò)程中，由電壓傳感器實(shí)時(shí)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(shí)振動(dòng)頻率約為65～70Hz?？s小掃頻范圍為50～70Hz再次試驗(yàn)，最終確定在68Hz時(shí)，接觸壓降曲線波動(dòng)最大，并且此時(shí)監(jiān)測(cè)燈閃爍最為劇烈。通過(guò)試驗(yàn)基本確定該鐵路信號(hào)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(yàn)步驟，測(cè)得二階固有頻率約為340

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

結(jié)語(yǔ)（1）本文通過(guò)有限元方法建立了鐵路信號(hào)繼電器觸簧系統(tǒng)模態(tài)分析模型，通過(guò)對(duì)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(guò)振動(dòng)試驗(yàn)，實(shí)際測(cè)量了繼電器的固有頻率，驗(yàn)證了該仿真分析方法的準(zhǔn)確性，可為繼電器和相關(guān)開(kāi)關(guān)設(shè)備的抗振方法研究提供一定