一种基于有限元法的铁路信号继电器可靠性检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于有限元法的铁路信号继电器可靠性检测方法，包括：构建Euler

【技术实现步骤摘要】
一种基于有限元法的铁路信号继电器可靠性检测方法


[0001]本专利技术涉及电力设备制造
，特别涉及一种基于有限元法的铁路信号继电器可靠性检测方法。

技术介绍

[0002]铁路信号继电器属于有触点器件。因此，在某些比较激烈的力学环境下，如受到振动或者冲击时，触点接触就存在着十分不稳定性，会在外在应力作用下产生抖动、磨损，甚至接触位置的改变。在力学作用下，触头间接触面临着复杂的非线性问题，从而加大了研究其动态特性的难度。在振动状态下，电磁继电器触簧系统的振动响应情况成为了决定其是否能够可靠工作的重要基础。所以，如何能够提高触簧系统的抗振性，使其在各种振动工况条件下仍能够正常工作，保证电路可靠通断，就需要对触簧系统的力学特性进行深入研究，从而能够得到影响继电器振动可靠性的关键参数，在此基础上可以对电磁继电器的触簧系统进行优化。因此，对铁路信号继电器可靠性进行建模仿真分析十分重要，本专利具有重要的理论意义与实用价值。
[0003]现如今，随着科学的不断进步与发展，计算机仿真技术广泛应用于产品研发设计产业当中。针对开关电器中涉及的气流场、热场、电场、磁场等耦合场的仿真问题中，应用有限元方法可以更快速、更加准确地得到所需要的实验数据，而并不需要进行实际实验，降低了研发成本，减少研发周期。在国外市场，多数公司的继电器研究多围绕固态继电器，只有少数几家公司仍然坚持投入经费研发新型电磁继电器，其主要产品应用于航天领域和军工领域，说明了其在基础工业领域的重要影响和不可替代的作用。

技术实现思路

[0004]本专利技术实施例的目的是提供一种基于有限元法的铁路信号继电器可靠性检测方法，通过构建Euler
‑
Bernoulli梁弯曲理论数学模型，得到已知边界条件和初始条件数值时，得到触簧系统不同状态下的接触力变化动态响应，构建触头接触碰撞理论模型，通过模态分析和谐响应分析得到了共振频率及触头接触力及其位移频域响应，采用隐式动力学分析算法分析求解所建立模型，能够有效的实现对铁路信号继电器可靠性检测，可为振动载荷下簧片式电气开关接触可靠性问题的仿真试验提供新思路。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种基于有限元法的铁路信号继电器可靠性检测方法，包括如下步骤：
[0006]步骤1：构建Euler
‑
Bernoulli梁弯曲理论数学模型，在已知臂梁的边界条件即簧片随时间变化的横向位移和初始条件即簧片初始位置数值时，得到继电器的触头和簧片系统在不同状态下的接触力变化动态响应；
[0007]步骤2：构建触头接触碰撞理论模型，通过对模型进行模态分析和谐响应分析得到触头做最大振幅振动时的共振频率及继电器触头间接触力和簧片在共振频率下的响应情况；
[0008]步骤3：采用隐式动力学分析算法分析求解所建立模型，仿真分析在不同频率下接触力幅值变化趋势，以接触力非线性变化情况为判定接触是否可靠。
[0009]进一步地，所述构建Euler
‑
Bernoulli梁弯曲理论数学模型，包括：
[0010]在分析振动状态下继电器触簧系统的可靠性问题时，其触头是否能够可靠接触主要与触头连接的簧片柔性体特性有关，所以在对其进行分析时仅考虑簧片对触头的影响情况；假设簧片截面大小并不发生变化，并且满足线性应力应变定理，由于触头存在质量惯性的影响，其运动方程为：
[0011][0012]式中，c为簧片粘性阻尼系数，δ(x)为单位脉冲函数值，P(t)为触头接触时的碰撞冲击力，E为材料的弹性模量，I为截面对中性轴的惯性矩；ρA为簧片的单位长度质量，m为触头质量，x
m
为动触头位置，F(t)为推动杆作用力，P(t)为触头间接触力，δ(x)为单位驱动函数；
[0013]对黄片运动模型采用模态分析法，令其中y
n
(x)为簧片的第n阶固有振型，q
n
(t)为相应的广义坐标，将簧片系统的运动方程可以转化为：
[0014][0015]其中H＝F(t)y
n
(kL)
‑
P(y)y
n
(x
m
)；
[0016]臂梁的边界条件即簧片随时间变化的横向位移和初始条簧片初始位置数值已知情况下，通过求解欧拉
‑
伯努利梁计算方程，可以得到触簧系统不同状态下的接触力变化动态响应。
[0017]进一步地，所述构建触头接触碰撞理论模型，包括：
[0018]两个触头之间由于有预应力的存在，所以两触头之间有比较大的接触面积，触头的接触过程是从一个点到一个面，所以可以将动静触头之间的接触等效为Hertz接触；根据赫兹接触理论，接触表面在受到微小作用力后会形成一个有限接触区域并且刚性接触的两个物体互不穿透；相对于触簧系统来说，静触头只承受动触头传递的法向接触力，接触面最大接触应力赫兹理论解为：
[0019][0020]式中，a为触头的曲率半径，P为触头接触力；其静触头运动方程为
[0021][0022]式中，m、y(t)、c、k分别为静触头的质量、位移、阻尼和刚度，P(t)为静触头受到动触头传递过来的接触力；
[0023]对模型进行模态分析，无论是电磁系统通电状态还是断电状态，在拉杆的作用下动静簧片均发生形变，所以先对触簧系统施加预应力，在对其进行模态分析是十分必要的；在模态分析中，有预应力状态下的模态分析公式为：
[0024][0025]式中，[M]、[K]分别为系统的质量矩阵、刚度矩阵；S为质量变化值；是与时间t无关的振型向量；由于铁路继电器常常工作在低频或者中频的振动环境下，而且前二阶固有频率对触簧系统影响最大，故取前两阶固有频率及其相应振型；
[0026]对模型进行谐响应分析，谐响应分析是结构动力学分析的常用方法，主要用于确定已知线性结构在承受随时间按简谐规律变化载荷时的稳态响应；通过计算得到的结果可以显示出研究对象在不同振动加速度、不同位移、不同频率下的受迫振动激励响应情况，从而可以知道研究对象在不同状况下是否满足理论与实际要求；对于典型多自由度系统，其频率响应动力学方程为
[0027][0028]式中，[M]是质量矩阵，[C]是阻尼矩阵，[K]是刚度矩阵，{x}是位移矢量，{Q(ω)}代表正弦激励下的幅值矢量，是速度矢量，是加速度矢量；
[0029]求解得到每个模态的贡献为：
[0030][0031]求解模态正交性方程，可以计算得到每个模态对整体响应的贡献程度；簧片在接近固有频率时会出现不稳定的情况，从而使连接在动静簧片上的触头接触力发生变化，严重时甚至会出现触点失效抖断的情况；从而得到触头做最大振幅振动时的共振频率及继电器触头间接触力和簧片在共振频率下的响应情况。
[0032]进一步地，所述采用隐式动力学分析算法分析求解所建立模型，包括：
[0033]采用复合隐式动力学算法对其底座施加正弦位移激励，通过仿真分析其在不同频率和不同加速度振动载荷本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于有限元法的铁路信号继电器可靠性检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：构建Euler
‑
Bernoulli梁弯曲理论数学模型，在已知臂梁的边界条件即簧片随时间变化的横向位移和初始条件即簧片初始位置数值时，得到继电器的触头和簧片系统在不同状态下的接触力变化动态响应；步骤2：构建触头接触碰撞理论模型，通过对模型进行模态分析和谐响应分析得到触头做最大振幅振动时的共振频率及继电器触头间接触力和簧片在共振频率下的响应情况；步骤3：采用隐式动力学分析算法分析求解所建立模型，仿真分析在不同频率下接触力幅值变化趋势，以接触力非线性变化情况来判定接触是否可靠。2.根据权利要求1所述的基于有限元法的铁路信号继电器可靠性检测方法，其特征在于，所述构建Euler
‑
Bernoulli梁弯曲理论数学模型，包括：在分析振动状态下继电器触簧系统的可靠性问题时，其触头是否能够可靠接触主要与触头连接的簧片柔性体特性有关，所以在对其进行分析时仅考虑簧片对触头的影响情况；假设簧片截面大小并不发生变化，并且满足线性应力应变定理，由于触头存在质量惯性的影响，其运动方程为：式中，c为簧片粘性阻尼系数，δ(x)为单位脉冲函数值，P(t)为触头接触时的碰撞冲击力，E为材料的弹性模量，I为截面对中性轴的惯性矩；ρA为簧片的单位长度质量，m为触头质量，x
m
为动触头位置，F(t)为推动杆作用力，P(t)为触头间接触力，δ(x)为单位驱动函数；对黄片运动模型采用模态分析法，令其中y
n
(x)为簧片的第n阶固有振型，q
n
(t)为相应的广义坐标，将簧片系统的运动方程可以转化为：其中H＝F(t)y
n
(kL)
‑
P(y)y
n
(x
m
)；臂梁的边界条件即簧片随时间变化的横向位移和初始条簧片初始位置数值已知情况下，通过求解欧拉
‑
伯努利梁计算方程，可以得到触簧系统不同状态下的接触力变化动态响应。3.根据权利要求1所述的基于有限元法的铁路信号继电器可靠性检测方法，其特征在于，所述构建触头接触碰撞理论模型，包括：两个触头之间由于有预应力的存在，所以两触头之间有比较大的接触面积，触头的接触过程是从一个点到一个面，所以可以将动静触头之间的接触等效为Hertz接触；根据赫兹接触理论，接触表面在受到微小作用力后会形成一个有限接触区域并且刚性接触的两个物体互不穿透；相对于触簧系统来说，静触头只承受动触头传递的法向接触力，接触面最大接触应力赫兹理论...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯磊，叶卓儒，马慧卓，朱国栋，付龙，徐晓光，孙胜霞，李春蕾，沈传志，曹诚路，程宇航，王怀鑫，胡向阳，
申请(专利权)人：河北雄安许继电科综合能源技术有限公司许继集团有限公司国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：