曹云東，王貝貝，劉 煒，孫宏杰

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電器新技術(shù)與應(yīng)用研究所，遼寧沈陽(yáng)，110870;2.沈陽(yáng)鐵路信號(hào)有限責(zé)任公司，遼寧沈陽(yáng)，110025)

1 引言

我國(guó)正在大力發(fā)展高速鐵路網(wǎng)，列車運(yùn)行速度的顯著提高，對(duì)鐵路信號(hào)系統(tǒng)可靠性的要求也越來(lái)越高。鐵路信號(hào)繼電器是信號(hào)系統(tǒng)中的安全基礎(chǔ)元件，它在運(yùn)用中的可靠性與安全性是確保鐵路信號(hào)系統(tǒng)正常工作的必須要求［1］。返回系數(shù)是繼電器的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，它的高低反映繼電器的靈敏性，現(xiàn)在大量運(yùn)用的鐵路信號(hào)繼電器返回系數(shù)偏低，不具備解決軌道電路分路不良的能力，這對(duì)鐵路運(yùn)輸安全造成了重大安全隱患［2］。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)電磁繼電器的研究主要集中在尋求快速準(zhǔn)確的磁場(chǎng)計(jì)算方法以及動(dòng)態(tài)特性的仿真分析［3－4］，還有學(xué)者偏重于利用智能優(yōu)化算法對(duì)電磁系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)［5－7］。相對(duì)而言，對(duì)返回系數(shù)進(jìn)行的特定研究甚少，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真求取返回系數(shù)的方法還未見諸文獻(xiàn)。這造成鐵路信號(hào)繼電器的返回系數(shù)缺乏計(jì)算手段和仿真分析，只能通過(guò)盲目的試驗(yàn)來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)過(guò)程，耗費(fèi)了大量人力物力。

本文首先對(duì)某鐵路信號(hào)繼電器進(jìn)行靜態(tài)及動(dòng)態(tài)仿真，然后提出了一種通過(guò)對(duì)吸合過(guò)程和釋放過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真，從而求得返回系數(shù)的方法，并把仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。在此基礎(chǔ)上，對(duì)影響鐵路信號(hào)繼電器返回系數(shù)的各種因素進(jìn)行了分析。

圖1 鐵路信號(hào)繼電器電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 研究對(duì)象

本文研究的鐵路信號(hào)繼電器電磁系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。鎖緊螺母使反力彈簧處于輕微壓縮狀態(tài)，從而保持銜鐵處在打開位置。線圈得電時(shí)，會(huì)在工作氣隙中產(chǎn)生電磁吸力，克服機(jī)械反力，使銜鐵吸合。線圈失電時(shí)，機(jī)械反力大于剩磁產(chǎn)生的吸力，從而驅(qū)使銜鐵釋放。

3 動(dòng)態(tài)特性仿真

動(dòng)態(tài)特性反映了銜鐵吸合和釋放過(guò)程中電磁參量和運(yùn)動(dòng)參量的真實(shí)變化狀況。對(duì)吸合過(guò)程和釋放過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真是計(jì)算返回系數(shù)的前提。描述拍合式電磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的電壓平衡方程和達(dá)朗貝爾運(yùn)動(dòng)方程如式(1)所示:

式中，ψ為線圈磁鏈，t為時(shí)間，U為直流線圈電壓，R為線圈電阻，i為線圈電流;ω為銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，θ為銜鐵位移，M為電磁吸力力矩，Mf為反力力矩，J為銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

上述方程組由四階龍格－庫(kù)塔方法求解，求解過(guò)程中所需部分?jǐn)?shù)據(jù)由靜態(tài)仿真提供。具體來(lái)說(shuō)，依據(jù)靜態(tài)有限元仿真求出吸力力矩M(θ，i)和線圈磁鏈ψ(θ，i)平面曲線簇，然后采用網(wǎng)格變換技術(shù)和曲線擬合技術(shù)，獲得求解動(dòng)態(tài)微分方程組時(shí)每一步迭代所需之 i(θ，ψ)和 M(θ，ψ)［8］。

針對(duì)鐵路信號(hào)繼電器電磁系統(tǒng)，使用ANSYS Maxwell軟件包進(jìn)行三維靜磁場(chǎng)仿真，得到銜鐵吸力力矩M(θ，i)和線圈磁鏈ψ(θ，i)平面曲線簇如圖2和圖3所示。

圖2 銜鐵吸力力矩M(θ，i)平面曲線簇

圖3 線圈磁鏈ψ(θ，i)平面曲線簇

通過(guò)求解特征動(dòng)態(tài)微分方程組，獲得吸合過(guò)程和釋放過(guò)程中銜鐵轉(zhuǎn)動(dòng)角度隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖4所示。

圖4 銜鐵吸合及釋放過(guò)程動(dòng)作特性

4 返回系數(shù)的仿真計(jì)算及實(shí)驗(yàn)研究

4.1 返回系數(shù)的仿真計(jì)算方法

返回系數(shù)是返回參數(shù)與和動(dòng)作參數(shù)的比值。對(duì)于鐵路信號(hào)繼電器來(lái)說(shuō)，定義返回系數(shù)為吸合電壓和釋放電壓的比值。在不同電壓下對(duì)其吸合過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，恰能使銜鐵吸合的最小電壓值就是動(dòng)作值。同理，改變線圈兩端電壓，對(duì)釋放過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，恰能使銜鐵釋放的最大電壓值就是釋放值，而通過(guò)兩者的比值便可得到繼電器的返回系數(shù)。

首先，對(duì)線圈施加額定電壓24 V，進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真，得到吸合過(guò)程中銜鐵轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化關(guān)系。改變線圈兩端電壓，分別進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真，得到其動(dòng)作值為13.6 V。額定值和動(dòng)作值下銜鐵轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖5所示。

圖5 吸合過(guò)程中不同電壓下銜鐵動(dòng)作特性

然后，對(duì)繼電器的釋放過(guò)程進(jìn)行仿真計(jì)算。在軌道電路中，當(dāng)列車輪對(duì)占用鐵軌時(shí)，繼電器線圈被短路，即線圈兩端電壓為0。對(duì)此種情況下的釋放過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，得到銜鐵轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化關(guān)系。同理，改變線圈兩端電壓，恰能使銜鐵動(dòng)作直至釋放的最大電壓值就是釋放值，經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，得到釋放值為5.2 V。同樣，得到釋放值電壓下銜鐵轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖6所示。

圖6 釋放過(guò)程中不同電壓下銜鐵動(dòng)作特性

通過(guò)以上仿真，得到該鐵路信號(hào)繼電器的工作值為13.6 V，釋放值為5.2 V。所以，其返回系數(shù)約為 0.38。

4.2 返回系數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

鐵路信號(hào)繼電器電氣特性測(cè)試電路如圖7所示，其中J為待測(cè)繼電器。將繼電器線圈接入正向電壓，從零逐漸升高線圈電壓，直到銜鐵吸合及動(dòng)合接點(diǎn)閉合時(shí)，所需的最小電壓值就是工作值。然后逐漸降低線圈電壓，當(dāng)銜鐵釋放及動(dòng)合接點(diǎn)斷開時(shí)的最大電壓值就是釋放值。兩者的比值就是繼電器的返回系數(shù)。

圖7 繼電器電氣特性測(cè)試電路

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，得到該繼電器的工作值是13.9 V，釋放值是4.9 V，所以，其返回系數(shù)為 0.35?？梢钥闯?，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較接近，滿足工程計(jì)算精度要求，證明了本文方法的正確性，但是還有一定誤差。這是因?yàn)榉抡婺Ｐ筒捎玫慕Y(jié)構(gòu)尺寸是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)參數(shù)，而在產(chǎn)品生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中會(huì)進(jìn)行一定的人工調(diào)整，導(dǎo)致銜鐵角度和位置等參數(shù)發(fā)生了變化。

5 影響返回系數(shù)的因素

5.1 反力彈簧預(yù)壓力的影響

在繼電器銜鐵未動(dòng)作時(shí)，由于反力彈簧的預(yù)壓力，使銜鐵保持在打開位置。在吸合過(guò)程中，只有當(dāng)吸力大于反力彈簧的預(yù)壓力時(shí)，才能驅(qū)動(dòng)銜鐵動(dòng)作，預(yù)壓力越大則所需工作電壓也越大;在釋放過(guò)程中，反力彈簧的壓力則是銜鐵運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力，預(yù)壓力越大則在較大的電壓下就可以釋放，即釋放電壓越大。分別在不同反力彈簧預(yù)壓力下對(duì)繼電器的返回系數(shù)進(jìn)行仿真，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 不同預(yù)壓力下繼電器的返回系數(shù)

5.2 極靴尺寸的影響

極靴會(huì)對(duì)氣隙磁場(chǎng)的分布產(chǎn)生影響。在同樣的工作電壓和工作氣隙長(zhǎng)度下，極靴尺寸的變化會(huì)導(dǎo)致磁場(chǎng)的分布情況發(fā)生變化，產(chǎn)生不同的氣隙磁通，從而產(chǎn)生不同的電磁吸力。在不同極靴直徑下對(duì)返回系數(shù)進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 不同極靴直徑下繼電器的返回系數(shù)

可見，極靴直徑越大，所需工作電壓越小，所需釋放電壓越大，從而導(dǎo)致返回系數(shù)增大。這是因?yàn)闃O靴直徑增大，導(dǎo)致極靴表面積增加，根據(jù)麥克斯韋電磁吸力公式，同樣的氣隙磁通下，對(duì)銜鐵產(chǎn)生的吸力越大。當(dāng)然，各個(gè)部件之間的結(jié)構(gòu)尺寸也有限制關(guān)系，不能無(wú)限增大，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要根據(jù)實(shí)際情況選取合理的尺寸。

5.3 線圈電感的影響

由虛位移法求解電磁吸力的公式如式(2)所示。其中，Wm為磁場(chǎng)能量，δ為氣隙長(zhǎng)度。

由線圈電感L與線圈電流I計(jì)算磁場(chǎng)能量Wm的公式如式(3)所示:

由以上兩式可得由線圈電感計(jì)算電磁吸力的公式:

由上式可以看出，在鐵磁材料工作的線性區(qū)，且工作氣隙不變時(shí)，電磁吸力與線圈電感成正比。由電磁學(xué)相關(guān)理論可知，增加線圈匝數(shù)和鐵磁材料的磁導(dǎo)率能提高線圈的電感量，從而使電磁吸力的上升速度加快，進(jìn)而對(duì)繼電器的返回系數(shù)產(chǎn)生影響。然而，在同樣的電壓下，電感增加會(huì)導(dǎo)致線圈電流上升速度減慢，這又會(huì)導(dǎo)致銜鐵的吸合速度減慢，吸合時(shí)間變長(zhǎng)，這也需要引起足夠重視。

6 結(jié)論

(1)本文提出了一種基于動(dòng)態(tài)特性仿真來(lái)計(jì)算返回系數(shù)的方法，應(yīng)用此方法對(duì)某鐵路信號(hào)繼電器的返回系數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明了此方法的正確性。

(2)對(duì)影響鐵路信號(hào)繼電器返回系數(shù)的相關(guān)因素進(jìn)行了分析，全面深入地了解了銜鐵吸合及釋放過(guò)程的運(yùn)動(dòng)特性，從而為鐵路信號(hào)繼電器的設(shè)計(jì)和制造提供了理論指導(dǎo)和設(shè)計(jì)參考。

［1］ 郭進(jìn)，魏艷.鐵路信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備［M］.成都:西南交通大學(xué)出版社，2008.

［2］ 袁孝均.軌道電路分路不良問(wèn)題研究［J］.鐵道通信信號(hào)，2007，43(4):11－14.

［3］ Kawase，Y.，Yamaguchi，T.，Iwashita，K.et al.3 － D finite element analysis of dynamic characteristics of electromagnet with permanent magnets［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2006，42(4):1339 －1342.

［4］ 翟國(guó)富，王其亞，程賢科等.電磁繼電器動(dòng)態(tài)特性快速算法及其在優(yōu)化中的應(yīng)用［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(12):106－110.

［5］ 陳麗安，張培銘，繆希仁.基于免疫遺傳算法的智能化電磁電器全局優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.電工電能新技術(shù)，2003，22(1):17－20.

［6］ 劉幗巾，陸儉國(guó)，蘇秀蘋等.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法優(yōu)化接觸器電磁系統(tǒng)［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，22(1):62－66.

［7］ 龐玲玲，汪友華，陳堂功等.群體消亡粒子群優(yōu)化算法在繼電器優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.低壓電器，2011(5):1－4.

［8］ 榮命哲，婁建勇，王小華.永磁式接觸器動(dòng)觸頭動(dòng)作特性仿真分析與試驗(yàn)研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(1):109－113.