一種軌道交通車輛用新型微動(dòng)開關(guān)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

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(1. 北京京城地鐵有限公司，北京，101312；2. 北京市地鐵運(yùn)營有限公司地鐵運(yùn)營技術(shù)研發(fā)中心，北京，102208；)

1 引言

目前，微動(dòng)開關(guān)廣泛用應(yīng)用于電器電子設(shè)備、儀器儀表、控制系統(tǒng)等領(lǐng)域，在頻繁換接電路的設(shè)備中起到自動(dòng)控制及安全保護(hù)等作用。微動(dòng)開關(guān)是一類體積小、操作間隔短、操作力小、參數(shù)精密、通斷轉(zhuǎn)換迅速的機(jī)械電氣元件。微動(dòng)開關(guān)主要由速動(dòng)機(jī)構(gòu)和電接觸系統(tǒng)組成，微動(dòng)開關(guān)在通斷轉(zhuǎn)換過程中，速動(dòng)機(jī)構(gòu)決定了微動(dòng)開關(guān)的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，包括超行程、開關(guān)動(dòng)作力、觸點(diǎn)接觸力等參數(shù)。操作力的大小和曲線直接影響到開關(guān)的動(dòng)態(tài)特性和操作舒適度，觸點(diǎn)之間的接觸力大小和產(chǎn)品穩(wěn)定性有關(guān)，如果力過小，會(huì)出現(xiàn)接通不穩(wěn)定甚至不能接通的現(xiàn)象，使設(shè)備功能失效。因此有必要在微動(dòng)開關(guān)的設(shè)計(jì)方法上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)以滿足工作要求。對(duì)微動(dòng)開關(guān)的靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行研究，評(píng)估產(chǎn)品的力學(xué)特性，這樣既可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、避免資源浪費(fèi)，也有助于產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種具有雙向接通功能的微動(dòng)開關(guān)。采用創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)方法，主動(dòng)介入到微動(dòng)開關(guān)的設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，研究了彈片預(yù)壓和操作按鈕位置對(duì)微動(dòng)開關(guān)裝配和操作過程的影響，得到不同參數(shù)組合工況的微動(dòng)開關(guān)裝配和操作過程的力學(xué)特性曲線，根據(jù)操作力的目標(biāo)值確定了彈片預(yù)壓和操作按鈕位置的設(shè)計(jì)優(yōu)化函數(shù)，并對(duì)進(jìn)口的微動(dòng)開關(guān)實(shí)物進(jìn)行了測(cè)試對(duì)比。設(shè)計(jì)的微動(dòng)開關(guān)為速動(dòng)轉(zhuǎn)換型，它具有體積小、重量輕、安裝方便、速動(dòng)、自凈、強(qiáng)制斷開模塊等特點(diǎn)，兩組動(dòng)接點(diǎn)相互絕緣，可以不同級(jí)隨意使用，接點(diǎn)為自凈帶有永磁滅弧功能，尤其適合接通小電流信號(hào)，如傳送計(jì)算機(jī)信號(hào)，同時(shí)又有較強(qiáng)的分?jǐn)嗄芰?，且接線時(shí)對(duì)極性無要求?，F(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于DF型內(nèi)燃機(jī)車、電力機(jī)車、電動(dòng)車組、地鐵和城市輕軌車及出口機(jī)車的控制電路中。

2 微動(dòng)開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工作原理

2.1 微動(dòng)開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于微動(dòng)開關(guān)在使用過程中出現(xiàn)的問題主要反映在卡滯、接通不良、殼體裝配過程中容易損壞、開裂，彈簧力度過大或者過小，開關(guān)的通斷行程不在正常范圍內(nèi)等方面，下面選擇兩款用于軌道車輛的微動(dòng)開關(guān)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以改進(jìn)。

2.1.1 XS826微動(dòng)開關(guān)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

XS826微動(dòng)開關(guān)的設(shè)計(jì)是基于結(jié)構(gòu)力學(xué)理論建立了微動(dòng)開關(guān)的結(jié)構(gòu)模型，微動(dòng)開關(guān)XS826的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，如圖1所示。

圖1 XS826微動(dòng)開關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

該微動(dòng)開關(guān)主要由彈簧、滑塊、動(dòng)觸頭、片彈簧、滾輪組件、上接線柱、下接線柱、接線螺釘、擋片、外殼等結(jié)構(gòu)組成。

施加外機(jī)械力(推動(dòng)板鍵)觸動(dòng)微動(dòng)開關(guān)的滾輪組件將傳遞的外機(jī)械力作用于片彈簧與圓柱彈簧上，當(dāng)片簧片位移到臨界點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)動(dòng)作，使滑塊機(jī)構(gòu)上安裝的動(dòng)觸點(diǎn)與外殼上安裝的靜觸點(diǎn)快速接通或斷開。

當(dāng)滾輪組件的外機(jī)械力(推回板鍵)移去后，片彈簧與圓柱彈簧產(chǎn)生反向動(dòng)作力，當(dāng)滾輪組件反向行程達(dá)到片彈簧的動(dòng)作臨界點(diǎn)后，瞬時(shí)完成反向動(dòng)作。

XS826微動(dòng)開關(guān)的觸點(diǎn)間距小、動(dòng)作行程短、按動(dòng)力小、通斷迅速。其動(dòng)觸點(diǎn)的動(dòng)作速度與滾輪組件動(dòng)作速度無關(guān)。

2.1.2 XS847微動(dòng)開關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

XS847微動(dòng)開關(guān)在XS826的基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)，依據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)理論建立了微動(dòng)開關(guān)的結(jié)構(gòu)模型，微動(dòng)開關(guān)XS847的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，如圖2所示。

圖2 XS847微動(dòng)開關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

該微動(dòng)開關(guān)主要由滾輪組件、滑塊組件、片彈簧、圓柱彈簧、接線螺釘、動(dòng)觸頭、上接線柱、下接線柱、外殼等結(jié)構(gòu)組成。

同樣在施加外機(jī)械力(推動(dòng)板鍵)時(shí)，可以觸動(dòng)微動(dòng)開關(guān)的滾輪組件，其作用力將傳遞的外機(jī)械力作用于片彈簧與圓柱彈簧上面，當(dāng)片簧片位移到臨界點(diǎn)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)的動(dòng)作，使得滑塊機(jī)構(gòu)上安裝的動(dòng)觸點(diǎn)與外殼上安裝的靜觸點(diǎn)快速接通或斷開。

當(dāng)移去滾輪組件的外機(jī)械力(推回板鍵)后，圓柱彈簧與片彈簧產(chǎn)生了反向的動(dòng)作力，使得滾輪組件的反向行程達(dá)到了片彈簧的動(dòng)作臨界點(diǎn)后，瞬時(shí)完成反向動(dòng)作。

XS847微動(dòng)開關(guān)的觸點(diǎn)的間距較小、動(dòng)作行程短、按動(dòng)力小、通斷迅速。其動(dòng)觸點(diǎn)的動(dòng)作速度與滾輪組件動(dòng)作速度沒有關(guān)系。其防塵等級(jí)高于XS826微動(dòng)開關(guān)殼體的整體密封度較高。

2.1.3 接觸系統(tǒng)材料設(shè)計(jì)

接觸系統(tǒng)材料主要包括開關(guān)觸點(diǎn)與片彈簧兩個(gè)部分的材料，材料的性能決定了微動(dòng)開關(guān)的工作性能，因此，必須在材料方面進(jìn)行嚴(yán)格的選用。

(1)開關(guān)觸點(diǎn)材料設(shè)計(jì)

開關(guān)觸點(diǎn)要求具有良好的導(dǎo)電性，較高的耐熔性，耐電弧、腐蝕等性能觸點(diǎn)選用了銀鎳合金，具有較高的硬度、耐磨性、抗電弧燒損能力。

(2)片彈簧材料設(shè)計(jì)

片彈簧材料應(yīng)具有良好的彈性、抗疲勞強(qiáng)度，選用較高彈性、韌性的鈹青銅材料，材料厚度0.1mm，片彈簧成形后進(jìn)行時(shí)效處理。

2.2 XS826與XS847的微動(dòng)開關(guān)設(shè)計(jì)的技術(shù)性能要求與工作原理

XS826與XS847的微動(dòng)開關(guān)在運(yùn)用時(shí)，始終處于頻繁通斷動(dòng)作的過程中，其在設(shè)計(jì)方面需要滿足機(jī)械動(dòng)作的次數(shù)要求和電壽命的技術(shù)要求。工作原理上要能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)營需要。下面就技術(shù)指標(biāo)要求和微動(dòng)開關(guān)的工作原理進(jìn)行說明。

2.2.1 XS826與XS847的微動(dòng)開關(guān)設(shè)計(jì)的技術(shù)要求

XS826與XS847的微動(dòng)開關(guān)的技術(shù)要求在額定工作電壓、接點(diǎn)壓力、機(jī)械壽命和電壽命的技術(shù)指標(biāo)上十分接近，不同的部分主要在接點(diǎn)部分的防塵等級(jí)上，具體的對(duì)比內(nèi)容如表1所示：

表1 XS826微動(dòng)開關(guān)與XS847微動(dòng)開關(guān)技術(shù)

由上表可見，微動(dòng)開關(guān)的機(jī)械壽命和電壽命的要求是極高的，這也是現(xiàn)場(chǎng)使用的需要。

2.2.2 XS826與SX847微動(dòng)開關(guān)的工作原理

XS826與SX847微動(dòng)開關(guān)的工作原理主要從電路方面展示說明，XS826與XS847微動(dòng)開關(guān)電路轉(zhuǎn)換形式如圖3所示：

圖3 XS826與XS847微動(dòng)開關(guān)電路轉(zhuǎn)換形式

XS826與XS847微動(dòng)開關(guān)的工作原理相同，兩者的共同的工作原理為：

上接線柱與接線螺釘組成為引出端1和2；下接線柱與接線螺釘組成為引出端3和4；片彈簧、圓柱彈簧與滑塊組件組成引出端5，作為公用接線端。

自由狀態(tài)下片彈簧與滑塊組件不受任何外力，內(nèi)部的片彈簧與圓柱彈簧內(nèi)應(yīng)力使得動(dòng)觸頭與下接線柱相接，行程一組(常閉)接點(diǎn)。

外機(jī)械力(推動(dòng)板鍵)觸動(dòng)滾輪組件使得片彈簧位移到臨界點(diǎn)時(shí)運(yùn)動(dòng)，斷開(常閉)接點(diǎn)，接通上接線柱，完成一次動(dòng)作轉(zhuǎn)換。

當(dāng)外力消除，片彈簧與圓柱彈簧產(chǎn)生反向動(dòng)作力，回到(常閉)接點(diǎn)，完成開關(guān)的一次動(dòng)作循環(huán)。

XS826與XS847微動(dòng)開關(guān)行程及轉(zhuǎn)換位置各值應(yīng)滿足圖4和圖5規(guī)定。

圖4 XS826微動(dòng)開關(guān)行程及轉(zhuǎn)換位置

圖5 XS847微動(dòng)開關(guān)行程及轉(zhuǎn)換位置

(1)初始位置：在該位置滾輪組件、片彈簧及圓柱彈簧滑塊處于自由狀態(tài)，不受任何外力。

(2)動(dòng)作點(diǎn)：接觸系統(tǒng)觸發(fā)微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作的行程中的某點(diǎn)。

(3)釋放點(diǎn)：返回的接觸系統(tǒng)釋放動(dòng)作裝置使其可以回到正常位置的行程的某點(diǎn)。

(4)最終位置：傳動(dòng)機(jī)構(gòu)行程最大的位置。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 XS826微動(dòng)開關(guān)結(jié)果分析

XS826微動(dòng)開關(guān)行程動(dòng)作參數(shù)實(shí)際數(shù)見表2：

表2 XS826微動(dòng)開關(guān)行程動(dòng)作參數(shù)實(shí)際發(fā)生值

參數(shù)實(shí)際表中所有的測(cè)數(shù)據(jù)均需對(duì)照規(guī)定值，在規(guī)定值偏差范圍內(nèi)為合格產(chǎn)品，XS826規(guī)定值如下：

動(dòng)作力規(guī)定參數(shù)：2.0N+0.2N；初始位置規(guī)定參數(shù)為：20.0mm±0.5；動(dòng)作點(diǎn)規(guī)定參數(shù)為：16.8mm±0.3mm；釋放點(diǎn)規(guī)定參數(shù)為18.5mm±0.3mm；最終位置規(guī)定值15.3mm±0.5mm；如不滿足XS826規(guī)定值，則不合格。

XS826動(dòng)作力曲線圖6所示

圖6 XS826動(dòng)作力曲線

3.2 XS847微動(dòng)開關(guān)結(jié)果分析

XS826微動(dòng)開關(guān)行程動(dòng)作參數(shù)實(shí)際數(shù)見表3：

表3 XS826微動(dòng)開關(guān)行程動(dòng)作參數(shù)實(shí)際發(fā)生值

圖7 XS847動(dòng)作力曲線

參數(shù)實(shí)際表中所有的測(cè)數(shù)據(jù)需對(duì)照規(guī)定值，在規(guī)定值偏差范圍內(nèi)為合格產(chǎn)品，XS847定值如下：

動(dòng)作力規(guī)定參數(shù)：1.8N+0.2N；初始位置規(guī)定參數(shù)為：20.4mm±0.5；動(dòng)作點(diǎn)規(guī)定參數(shù)為：17.0mm±0.3mm；釋放點(diǎn)規(guī)定參數(shù)為19.1mm±0.3mm；最終位置規(guī)定值13.8mm±0.5mm；如不滿足XS847規(guī)定值，則不合格。

可見國產(chǎn)的微動(dòng)開關(guān)在動(dòng)作力的數(shù)值都在微動(dòng)開關(guān)的正常范圍內(nèi)，而且偏差的波動(dòng)性范圍較小，顯示出產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性較好，可靠性較高。在初始位置方面、動(dòng)作點(diǎn)、釋放點(diǎn)和最終位置方面，微動(dòng)開關(guān)的數(shù)據(jù)都表現(xiàn)出較低的波動(dòng)范圍，這表明微動(dòng)開關(guān)的質(zhì)量穩(wěn)定性方面較好。

XS826與XS847微動(dòng)開關(guān)在北京某地鐵線路上運(yùn)行半年，沒有發(fā)生任何故障，相比同類進(jìn)口的微動(dòng)開關(guān)，性能更加優(yōu)越，能夠滿足實(shí)際運(yùn)營的需要。

4 結(jié)論

通過實(shí)測(cè)結(jié)果的分析和在地鐵車輛上的運(yùn)用，說明通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化微動(dòng)開關(guān)靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)特性是可行的，驗(yàn)證了確定微動(dòng)開關(guān)設(shè)計(jì)優(yōu)化參數(shù)的方法的有效性。表明通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以提高微動(dòng)開關(guān)的工作效率，降低故障頻率，減少維護(hù)成本。XS826與XS847微動(dòng)開關(guān)設(shè)計(jì)合理，隨整機(jī)考核試驗(yàn)合格，各性能參數(shù)均符合要求，獲得用戶的認(rèn)可。