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。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。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,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)。

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68Hz,依據(jù)同樣試驗步驟,測得二階固有頻率約為340Hz。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)動方向一致,易造成觸點(diǎn)抖斷。在進(jìn)行抗振性設(shè)計時,應(yīng)設(shè)計合理的結(jié)構(gòu)參數(shù),使固有頻率轉(zhuǎn)移到外界環(huán)境振動頻率之外。