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近幾年來，我國的軌道交通事業(yè)飛速發(fā)展，而我國大力推動建造的高鐵系統(tǒng)成為組成我國高端裝備制造產業(yè)的重要部分。鐵路系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)和船舶電氣系統(tǒng)中，在各種力學環(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)。

現階段，國內外學者針對繼電器電磁系統(tǒng)研究較多，但是對在振動環(huán)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(tài)下觸點接觸具有明顯的非線性，給觸簧系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(fā)生斷路。從材料力學角度分析觸簧系統(tǒng)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(fā)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(guī)律。

針對電磁鐵的動態(tài)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(fā)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(yè)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)進行模態(tài)分析。在施加預應力的常閉觸點狀態(tài)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(tǒng)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(fā)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(wěn)定的狀態(tài)，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(tǒng)固有振動頻率時，簧片晃動幅度增大，因此與拉桿槽發(fā)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(tài)。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(fā)現觸點接觸力經歷了穩(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(fā)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。