铁路信号继电器返回系数的仿真计算及影响因素研究

曹云东，王贝贝，刘 炜，孙宏杰

(1.沈阳工业大学电器新技术与应用研究所，辽宁沈阳，110870;2.沈阳铁路信号有限责任公司，辽宁沈阳，110025)

1 引言

我国正在大力发展高速铁路网，列车运行速度的显著提高，对铁路信号系统可靠性的要求也越来越高。铁路信号继电器是信号系统中的安全基础元件，它在运用中的可靠性与安全性是确保铁路信号系统正常工作的必须要求［1］。返回系数是继电器的一个重要技术指标，它的高低反映继电器的灵敏性，现在大量运用的铁路信号继电器返回系数偏低，不具备解决轨道电路分路不良的能力，这对铁路运输安全造成了重大安全隐患［2］。

目前，国内外对电磁继电器的研究主要集中在寻求快速准确的磁场计算方法以及动态特性的仿真分析［3－4］，还有学者偏重于利用智能优化算法对电磁系统进行优化设计［5－7］。相对而言，对返回系数进行的特定研究甚少，通过计算机仿真求取返回系数的方法还未见诸文献。这造成铁路信号继电器的返回系数缺乏计算手段和仿真分析，只能通过盲目的试验来指导设计过程，耗费了大量人力物力。

本文首先对某铁路信号继电器进行静态及动态仿真，然后提出了一种通过对吸合过程和释放过程进行动态特性仿真，从而求得返回系数的方法，并把仿真结果与实验结果进行了对比。在此基础上，对影响铁路信号继电器返回系数的各种因素进行了分析。

图1 铁路信号继电器电磁系统结构简图

2 研究对象

本文研究的铁路信号继电器电磁系统主要结构如图1所示。锁紧螺母使反力弹簧处于轻微压缩状态，从而保持衔铁处在打开位置。线圈得电时，会在工作气隙中产生电磁吸力，克服机械反力，使衔铁吸合。线圈失电时，机械反力大于剩磁产生的吸力，从而驱使衔铁释放。

3 动态特性仿真

动态特性反映了衔铁吸合和释放过程中电磁参量和运动参量的真实变化状况。对吸合过程和释放过程进行动态特性仿真是计算返回系数的前提。描述拍合式电磁系统动态特性的电压平衡方程和达朗贝尔运动方程如式(1)所示:

式中，ψ为线圈磁链，t为时间，U为直流线圈电压，R为线圈电阻，i为线圈电流;ω为衔铁转动角速度，θ为衔铁位移，M为电磁吸力力矩，Mf为反力力矩，J为衔铁转动惯量。

上述方程组由四阶龙格－库塔方法求解，求解过程中所需部分数据由静态仿真提供。具体来说，依据静态有限元仿真求出吸力力矩M(θ，i)和线圈磁链ψ(θ，i)平面曲线簇，然后采用网格变换技术和曲线拟合技术，获得求解动态微分方程组时每一步迭代所需之 i(θ，ψ)和 M(θ，ψ)［8］。

针对铁路信号继电器电磁系统，使用ANSYS Maxwell软件包进行三维静磁场仿真，得到衔铁吸力力矩M(θ，i)和线圈磁链ψ(θ，i)平面曲线簇如图2和图3所示。

图2 衔铁吸力力矩M(θ，i)平面曲线簇

图3 线圈磁链ψ(θ，i)平面曲线簇

通过求解特征动态微分方程组，获得吸合过程和释放过程中衔铁转动角度随时间的变化关系，如图4所示。

图4 衔铁吸合及释放过程动作特性

4 返回系数的仿真计算及实验研究

4.1 返回系数的仿真计算方法

返回系数是返回参数与和动作参数的比值。对于铁路信号继电器来说，定义返回系数为吸合电压和释放电压的比值。在不同电压下对其吸合过程进行动态仿真，恰能使衔铁吸合的最小电压值就是动作值。同理，改变线圈两端电压，对释放过程进行动态仿真，恰能使衔铁释放的最大电压值就是释放值，而通过两者的比值便可得到继电器的返回系数。

首先，对线圈施加额定电压24 V，进行动态特性仿真，得到吸合过程中衔铁转角随时间的变化关系。改变线圈两端电压，分别进行动态特性仿真，得到其动作值为13.6 V。额定值和动作值下衔铁转角随时间的变化关系如图5所示。

图5 吸合过程中不同电压下衔铁动作特性

然后，对继电器的释放过程进行仿真计算。在轨道电路中，当列车轮对占用铁轨时，继电器线圈被短路，即线圈两端电压为0。对此种情况下的释放过程进行动态仿真，得到衔铁转角随时间的变化关系。同理，改变线圈两端电压，恰能使衔铁动作直至释放的最大电压值就是释放值，经过仿真计算，得到释放值为5.2 V。同样，得到释放值电压下衔铁转角随时间的变化关系如图6所示。

图6 释放过程中不同电压下衔铁动作特性

通过以上仿真，得到该铁路信号继电器的工作值为13.6 V，释放值为5.2 V。所以，其返回系数约为 0.38。

4.2 返回系数的实验测试

铁路信号继电器电气特性测试电路如图7所示，其中J为待测继电器。将继电器线圈接入正向电压，从零逐渐升高线圈电压，直到衔铁吸合及动合接点闭合时，所需的最小电压值就是工作值。然后逐渐降低线圈电压，当衔铁释放及动合接点断开时的最大电压值就是释放值。两者的比值就是继电器的返回系数。

图7 继电器电气特性测试电路

经过实验测试，得到该继电器的工作值是13.9 V，释放值是4.9 V，所以，其返回系数为 0.35。可以看出，仿真结果与实验结果比较接近，满足工程计算精度要求，证明了本文方法的正确性，但是还有一定误差。这是因为仿真模型采用的结构尺寸是标准设计参数，而在产品生产和实验过程中会进行一定的人工调整，导致衔铁角度和位置等参数发生了变化。

5 影响返回系数的因素

5.1 反力弹簧预压力的影响

在继电器衔铁未动作时，由于反力弹簧的预压力，使衔铁保持在打开位置。在吸合过程中，只有当吸力大于反力弹簧的预压力时，才能驱动衔铁动作，预压力越大则所需工作电压也越大;在释放过程中，反力弹簧的压力则是衔铁运动的驱动力，预压力越大则在较大的电压下就可以释放，即释放电压越大。分别在不同反力弹簧预压力下对继电器的返回系数进行仿真，计算结果如表1所示。

表1 不同预压力下继电器的返回系数

5.2 极靴尺寸的影响

极靴会对气隙磁场的分布产生影响。在同样的工作电压和工作气隙长度下，极靴尺寸的变化会导致磁场的分布情况发生变化，产生不同的气隙磁通，从而产生不同的电磁吸力。在不同极靴直径下对返回系数进行了仿真计算，结果如表2所示。

表2 不同极靴直径下继电器的返回系数

可见，极靴直径越大，所需工作电压越小，所需释放电压越大，从而导致返回系数增大。这是因为极靴直径增大，导致极靴表面积增加，根据麦克斯韦电磁吸力公式，同样的气隙磁通下，对衔铁产生的吸力越大。当然，各个部件之间的结构尺寸也有限制关系，不能无限增大，在设计过程中，要根据实际情况选取合理的尺寸。

5.3 线圈电感的影响

由虚位移法求解电磁吸力的公式如式(2)所示。其中，Wm为磁场能量，δ为气隙长度。

由线圈电感L与线圈电流I计算磁场能量Wm的公式如式(3)所示:

由以上两式可得由线圈电感计算电磁吸力的公式:

由上式可以看出，在铁磁材料工作的线性区，且工作气隙不变时，电磁吸力与线圈电感成正比。由电磁学相关理论可知，增加线圈匝数和铁磁材料的磁导率能提高线圈的电感量，从而使电磁吸力的上升速度加快，进而对继电器的返回系数产生影响。然而，在同样的电压下，电感增加会导致线圈电流上升速度减慢，这又会导致衔铁的吸合速度减慢，吸合时间变长，这也需要引起足够重视。

6 结论

(1)本文提出了一种基于动态特性仿真来计算返回系数的方法，应用此方法对某铁路信号继电器的返回系数进行仿真计算，并与实验结果进行对比，证明了此方法的正确性。

(2)对影响铁路信号继电器返回系数的相关因素进行了分析，全面深入地了解了衔铁吸合及释放过程的运动特性，从而为铁路信号继电器的设计和制造提供了理论指导和设计参考。

［1］ 郭进，魏艳.铁路信号基础设备［M］.成都:西南交通大学出版社，2008.

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［5］ 陈丽安，张培铭，缪希仁.基于免疫遗传算法的智能化电磁电器全局优化设计［J］.电工电能新技术，2003，22(1):17－20.

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［7］ 庞玲玲，汪友华，陈堂功等.群体消亡粒子群优化算法在继电器优化设计中的应用［J］.低压电器，2011(5):1－4.

［8］ 荣命哲，娄建勇，王小华.永磁式接触器动触头动作特性仿真分析与试验研究［J］.中国电机工程学报，2005，25(1):109－113.