铁路信号继电器模态仿真与试验分析

摘

要：铁路信号继电器在铁路控制和通信系统中有着广泛应用，鉴于其机械结构特点，继电器的触簧系统易受到外界环境的振动干扰，使触点发生误动作。现利用有限元方法建立了铁路信号继电器的三维分析模型，通过模态分析得到了触簧系统的固有频率和模态振型，并通过振动试验结果与仿真数据的对比，验证了该方法的有效性。关键词：触簧系统；有限元；模态分析；振动试验

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引言在铁路信号系统中，随着列车运行速度的不断提高，铁路信号继电器作为控制和通信的核心元件，对其耐力学特性也有着更高的要求。当继电器受到外界的振动和冲击扰动时，激励会从底座传递到簧片上，簧片发生弯曲改变触点间的接触状态，降低继电器的工作可靠性，甚至使其机械结构损坏[1]。因此，提高继电器的耐力学特性是一个值得深入研究的问题。本文通过有限元软件，建立了铁路信号继电器的三维有限元模型，通过模态分析模块对继电器的固有频率和振型进行求解计算，从固有频率角度对继电器的抗振性能进行了分析。最后结合振动试验结果，验证仿真计算数据的正确性，可为继电器的抗振性能优化提供一定的参考。1

三维模型的建立1.1

继电器结构分析本文以某型号的铁路信号继电器为研究对象，如图1所示。当继电器处于释放状态时，线圈未通电或电压小于额定值，电磁系统不产生吸力或吸力较小，在反力弹簧作用下，触簧系统的8组常闭触点接触，常开触点断开；当继电器处于吸合状态时，线圈产生磁通，电磁系统吸引衔铁向下运动，衔铁带动传动轴驱动推拉杆和簧片实现开断动作。在触簧系统中，簧片既作为通电回路的一部分，又属于控制电路接通和断开的机械构件[2]。在本文中，采用推动力来替代反力弹簧作用，使触头发生接触，进行接触模态分析。1.2

三维有限元模型三维有限元模型作为仿真过程中进行计算的边界条件之一，其建模的精确度将直接关系到最终仿真结果的准确度[3]，有限元模型的网格剖分结果如图2所示。网格剖分结束后，为了计算继电器触簧系统的固有频率和模态振型，需要对模型采取分配材料属性、设定边界条件和设置载荷等前处理步骤。2

模态仿真分析模态分析是研究结构动力学的一种有效方法，是系统辨别方法在工程振动领域中的应用。通过模态分析可以得到系统的固有频率和模态振型等参数[4]。计算前需在动簧片上施加推动力使触头发生初始接触，并将继电器模型底座固定，得到触簧系统的前两阶固有频率和模态振型，如表1所示。通过图3可知，当铁路信号继电器处于一阶固有频率时，动/静簧片呈弯曲振型，共同进行摆动，振动方向为簧片的运动方向。由图4可知，继电器处于二阶固有频率时，弯曲振动主要由动簧片产生，在固有频率下，外界的振动可造成触点工作可靠性的下降。3

振动试验分析3.1

试验方案设计本次试验在沈阳铁路信号有限公司可靠性实验室进行，试验遵循《电工电子产品环境试验标准》，继电器由专用夹具牢固安装在振动台上，如图5所示。3.2

固有频率测量继电器固有频率的测量采用正弦激励法，根据仿真数据，设置激振参数为2g加速度，扫频范围为5～100Hz，循环2次。在扫频振动过程中，由电压传感器实时采集触点间的接触压降，接触压降曲线如图6所示。从图6中可以看出，在扫频周期中触点发生两次抖断，抖断时振动频率约为65～70Hz。缩小扫频范围为50～70Hz再次试验，最终确定在68Hz时，接触压降曲线波动最大，并且此时监测灯闪烁最为剧烈。通过试验基本确定该铁路信号继电器触簧系统一阶固有频率约为68

Hz，依据同样试验步骤，测得二阶固有频率约为340

Hz。仿真计算结果与试验结果相比，结果较为接近。4

结语（1）本文通过有限元方法建立了铁路信号继电器触簧系统模态分析模型，通过对模型进行求解，得到了继电器的前二阶固有频率和振型。此外，通过振动试验，实际测量了继电器的固有频率，验证了该仿真分析方法的准确性，可为继电器和相关开关设备的抗振方法研究提供一定