- 頭條振動頻率對鐵路繼電器觸點可靠性有怎樣的影響？2021-07-15 作者：陳依澤 曹云東 劉煒 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語鐵路繼電器通常都在具有振動或者沖擊的力學環境下工作，所以繼電器耐力學環境的能力對于其接觸系統就十分重要。沈陽工業大學電器新技術與應用研究所、沈陽鐵路信號有限責任公司的研究人員陳依澤、曹云東、劉煒，在2020年第6期《電氣技術》雜志上撰文，以S?JWXC-1000型鐵路信號繼電器為研究對象，以動靜觸頭接觸力非線性變化情況為判定接觸是否可靠的依據，對于有限位結構的觸簧系統，采用模態分析、諧響應分析和隱式動力學分析算法，通過改變振動加速度和振動頻率的方法來對不同振動載荷下觸簧系統的觸點可靠性問題進行仿真研究。 由仿真分析可知，觸簧系統在接近一階固有頻率時觸點接觸力會出現十分不穩定的情況；在遠離固有頻率時觸點可靠性較高，但是在70～90Hz頻率范圍內出現了不穩定→趨于穩定→不穩定→穩定的觸點接觸力變化情況。研究結果可為鐵路相關低壓電器的振動可靠性問題提供一定參考。
近幾年來，我國的軌道交通事業飛速發展，而我國大力推動建造的高鐵系統成為組成我國高端裝備制造產業的重要部分。鐵路系統所需要的基礎電器設備需求量在逐年增加，而且對其電器設備的各方面性能也提出了更高的要求。
鐵路系統中的電氣設備是保證行車安全的重要基礎設備，而繼電器廣泛應用于鐵路信號系統和船舶電氣系統中，在各種力學環境下其是否仍然能夠可靠工作是保證列車行車安全的重要環節。
現階段，國內外學者針對繼電器電磁系統研究較多，但是對在振動環境下開關電器的觸點可靠性問題研究較少。對于鐵路繼電器而言，簧片長度較長，是十分容易形變的柔性體，在振動狀態下觸點接觸具有明顯的非線性，給觸簧系統數學模型的建立和仿真分析都帶來了一定的困難。
有學者通過有限元及動力學仿真分析，得到了接觸器剩余壽命的預測模型，提出了一種接觸器可靠性評估方法。有學者將觸簧系統進行等效簡化，利用單自由度振動理論進行計算分析。有學者采用Bathe復合積分算法對觸簧系統施加沖擊載荷，通過提取動、靜觸頭之間的接觸力判斷是否發生斷路。從材料力學角度分析觸簧系統振動問題，將其等效為梁彎曲問題，為研究提供了新方法。
現在隨著計算機技術的發展，應用有限元法可以使振動問題的研究更加方便與準確。有學者利用多物理場仿真建模技術進行了電磁繼電器的仿真分析。有學者采用實驗的方法，分析總結了鐵路繼電器在各種情況下觸點可靠性的變化情況并總結了相關規律。
針對電磁鐵的動態仿真問題，有學者提出ANSYS與ADAMS聯合仿真的建模方法。有學者結合碰撞變形等因素，提出了考慮碰撞彈跳的接觸器動力學方程，建立了相應的動力學模型。
采用仿真方法，針對電磁繼電器的溫升和動力學特性等相關問題已經越來越引起相關技術人員的關注。現階段已有的文獻中多是從實驗研究和多體動力學仿真兩個角度對低壓控制電器觸點可靠性問題進行研究，而對于鐵路繼電器這種簧片較長而且十分容易發生形變的電器設備，就必須要考慮簧片本身柔性體的特性。
因此，沈陽工業大學、沈陽鐵路信號公司的研究人員，以S?JWXC- 1000型鐵路信號繼電器為研究對象，對影響繼電器觸簧系統抗振性的各種因素進行仿真分析，得到的結論對鐵路繼電器抗振性能的提升具有一定的參考意義。
圖1 鐵路繼電器整機幾何模型
圖2 單組觸簧系統結構示意圖
圖3 試驗設備
研究人員認為：
1）通過有限元軟件對觸簧系統進行模態分析。在施加預應力的常閉觸點狀態下，其一階固有頻率為70Hz，實際振動試驗得到的一階共振頻率為68Hz，驗證了仿真模型的正確性。
2）對觸簧系統進行諧響應分析，提取靜簧片頂部加速度振動響應頻譜后發現，在1000Hz范圍內，當外部振動頻率接近一階、二階固有頻率時簧片會出現不穩定的狀態，簧片頂部有向兩個方向的運動趨勢。
3）由于鐵路繼電器的拉桿與動簧片之間并不是完全貼合的，而是具有一定的“縫隙”，所以當振動頻率接近觸簧系統固有振動頻率時，簧片晃動幅度增大，因此與拉桿槽發生了頻繁的碰撞，直接導致了觸頭接觸力的劇烈變化。當振動頻率遠離固有振動頻率時，觸點處于一種可靠接觸的狀態。在逐漸增大振動加速度時，甚至出現了觸點接觸力為0的情況，得到了一階固有頻率下極限加速度為1g。
4）施加固定的振動加速度，頻率范圍為30～100Hz，對繼電器進行定頻振動仿真分析，得到了不同振動頻率下的常閉觸點接觸力變化曲線，通過對仿真結果進行分析，發現觸點接觸力經歷了穩定→不穩定→趨于穩定→不穩定→穩定的變化過程。在實際振動臺的振動試驗中對繼電器進行5～100Hz來回兩次的掃頻試驗，得到了常閉觸點接觸壓降變化圖，接觸壓降也出現了與仿真實驗相同的變化趨勢。
以上研究成果發表在2020年第6期《電氣技術》雜志，論文標題為“振動頻率對鐵路繼電器觸點可靠性的影響研究”，作者為陳依澤、曹云東、劉煒。
