鐵路信號繼電器模態(tài)仿真與試驗(yàn)分析

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(dòng)和沖擊擾動(dòng)時(shí),激勵(lì)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。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(jì)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(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(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,常開觸點(diǎn)斷開: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的機(jī)械構(gòu)件。在本文中,采用推動(dòng)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(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,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)。

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。通過圖3可知,當(dāng)鐵路信號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)在沈陽鐵路信號有限公司可靠性實(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(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。縮小掃頻范圍為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)測燈閃爍最為劇烈。通過試驗(yàn)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68Hz,依據(jù)同樣試驗(yàn)步驟,測得二階固有頻率約為340Hz。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

(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(dòng)試驗(yàn),實(shí)際測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)開關(guān)設(shè)備的抗振方法研究提供一定的參考。

(2)模態(tài)分析結(jié)果表明,觸簧系統(tǒng)的共振方向與簧片運(yùn)動(dòng)方向一致,易造成觸點(diǎn)抖斷。在進(jìn)行抗振性設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù),使固有頻率轉(zhuǎn)移到外界環(huán)境振動(dòng)頻率之外。