振動(dòng)頻率對(duì)軌道交通鐵路繼電器觸點(diǎn)可靠性有怎樣的影響？

近幾年來，我國的軌道交通事業(yè)飛速發(fā)展，而我國大力推動(dòng)建造的高鐵系統(tǒng)成為組成我國gao duan裝備制造產(chǎn)業(yè)的重要部分。鐵路系統(tǒng)所需要的基礎(chǔ)電氣設(shè)備需求量在逐年增加，而且對(duì)其電器設(shè)備的各方面性能也提出了更高的要求。

鐵路系統(tǒng)中的電氣設(shè)備是保證行車安全的重要基礎(chǔ)設(shè)備，而繼電器廣泛應(yīng)用于鐵路信號(hào)系統(tǒng)和船舶電氣系統(tǒng)中，在各種力學(xué)環(huán)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(huán)節(jié)。

現(xiàn)階段，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)繼電器電磁系統(tǒng)研究較多，但是對(duì)在振動(dòng)環(huán)境下開關(guān)電器的觸點(diǎn)可靠性問題研究較少。對(duì)于鐵路繼電器而言，簧片長(zhǎng)度較長(zhǎng)，是十分容易形變的柔性體，在振動(dòng)狀態(tài)下觸點(diǎn)接觸具有明顯的非線性，給觸簧系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立和仿真分析都帶來了一定的困難。

有學(xué)者通過有限元及動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到了接觸器剩余壽命的預(yù)測(cè)模型，提出了一種接觸器可靠性評(píng)估方法。有學(xué)者將觸簧系統(tǒng)進(jìn)行等效簡(jiǎn)化，利用單自由度振動(dòng)理論進(jìn)行計(jì)算分析。有學(xué)者采用Bathe復(fù)合積分算法對(duì)觸簧系統(tǒng)施加沖擊載荷，通過提取動(dòng)、靜觸頭之間的接觸力判斷是否發(fā)生斷路。從材料力學(xué)角度分析觸簧系統(tǒng)振動(dòng)問題，將其等效為梁彎曲問題，為研究提供了新方法。

現(xiàn)在隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用有限元法可以使振動(dòng)問題的研究更加方便與準(zhǔn)確。有學(xué)者利用多物理場(chǎng)仿真建模技術(shù)進(jìn)行了電磁繼電器的仿真分析。有學(xué)者采用實(shí)驗(yàn)的方法，分析總結(jié)了鐵路繼電器在各種情況下觸點(diǎn)可靠性的變化情況并總結(jié)了相關(guān)規(guī)律。

針對(duì)電磁鐵的動(dòng)態(tài)仿真問題，有學(xué)者提出ANSYS與ADAMS聯(lián)合仿真的建模方法。有學(xué)者結(jié)合碰撞變形等因素，提出了考慮碰撞彈跳的接觸器動(dòng)力學(xué)方程，建立了相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型。

采用仿真方法，針對(duì)電磁繼電器的溫升和動(dòng)力學(xué)特性等相關(guān)問題已經(jīng)越來越引起相關(guān)技術(shù)人員的關(guān)注?，F(xiàn)階段已有的文獻(xiàn)中多是從實(shí)驗(yàn)研究和多體動(dòng)力學(xué)仿真兩個(gè)角度對(duì)低壓控制電器觸點(diǎn)可靠性問題進(jìn)行研究，而對(duì)于鐵路繼電器這種簧片較長(zhǎng)而且十分容易發(fā)生形變的電器設(shè)備，就必須要考慮簧片本身柔性體的特性。

因此，沈陽工業(yè)大學(xué)、沈陽鐵路信號(hào)公司的研究人員，以SJWXC- 1000型鐵路信號(hào)繼電器為研究對(duì)象，對(duì)影響繼電器觸簧系統(tǒng)抗振性的各種因素進(jìn)行仿真分析，得到的結(jié)論對(duì)鐵路繼電器抗振性能的提升具有一定的參考意義。

研究人員認(rèn)為：

1）通過有限元軟件對(duì)觸簧系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析。在施加預(yù)應(yīng)力的常閉觸點(diǎn)狀態(tài)下，其一階固有頻率為70Hz，實(shí)際振動(dòng)試驗(yàn)得到的一階共振頻率為68Hz，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

2）對(duì)觸簧系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析，提取靜簧片頂部加速度振動(dòng)響應(yīng)頻譜后發(fā)現(xiàn)，在1000Hz范圍內(nèi)，當(dāng)外部振動(dòng)頻率接近一階、二階固有頻率時(shí)簧片會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀態(tài)，簧片頂部有向兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

3）由于鐵路繼電器的拉桿與動(dòng)簧片之間并不是完全貼合的，而是具有一定的“縫隙”，所以當(dāng)振動(dòng)頻率接近觸簧系統(tǒng)固有振動(dòng)頻率時(shí)，簧片晃動(dòng)幅度增大，因此與拉桿槽發(fā)生了頻繁的碰撞，直接導(dǎo)致了觸頭接觸力的劇烈變化。當(dāng)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)離固有振動(dòng)頻率時(shí)，觸點(diǎn)處于一種可靠接觸的狀態(tài)。在逐漸增大振動(dòng)加速度時(shí)，甚至出現(xiàn)了觸點(diǎn)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(dòng)加速度，頻率范圍為30～100Hz，對(duì)繼電器進(jìn)行定頻振動(dòng)仿真分析，得到了不同振動(dòng)頻率下的常閉觸點(diǎn)接觸力變化曲線，通過對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)觸點(diǎn)接觸力經(jīng)歷了穩(wěn)定→不穩(wěn)定→趨于穩(wěn)定→不穩(wěn)定→穩(wěn)定的變化過程。在實(shí)際振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)試驗(yàn)中對(duì)繼電器進(jìn)行5～100Hz來回兩次的掃頻試驗(yàn)，得到了常閉觸點(diǎn)接觸壓降變化圖，接觸壓降也出現(xiàn)了與仿真實(shí)驗(yàn)相同的變化趨勢(shì)。

本文轉(zhuǎn)自《電氣新科技》

以上研究成果發(fā)表在2020年第6期《電氣技術(shù)》雜志，論文標(biāo)題為“振動(dòng)頻率對(duì)鐵路繼電器觸點(diǎn)可靠性的影響研究”。在此感謝作者的精彩寫作。