一種軌道交通繼電器的設(shè)計(jì)

卓彬

（廈門宏發(fā)電聲股份有限公司，福建 廈門 361021）

0 引言

繼電器作為一種自動控制“開關(guān)”，以其獨(dú)特的小信號控制較大負(fù)載的特性，被視為設(shè)備的自動控制、遠(yuǎn)程控制和智能控制的核心元件之一[1]，也因此被廣泛應(yīng)用于航空航天、工業(yè)控制及軌道交通領(lǐng)域。繼電器作為控制回路的“大腦”，一旦發(fā)生故障，就會引發(fā)被控制回路誤動作，出現(xiàn)安全問題[2]。南寧軌道交通集團(tuán)的羅志驍對車輛控制故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出60%以上的故障是由繼電器故障引起的[3]。因此，繼電器的可靠性對列車的運(yùn)行質(zhì)量和效率有極大影響。

該文將根據(jù)軌道交通繼電器的應(yīng)用特點(diǎn)“對癥下藥”，采用正向設(shè)計(jì)思路，對繼電器的零部件結(jié)構(gòu)、材料到成品的試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行了設(shè)計(jì)，確保繼電器的性能及可靠性能滿足軌道交通要求。

1 軌道交通繼電器應(yīng)用特點(diǎn)

軌道交通領(lǐng)域作為繼電器應(yīng)用的一個(gè)細(xì)分市場，其獨(dú)特的負(fù)載條件和應(yīng)用環(huán)境對繼電器的性能有特殊的要求。鐵路機(jī)車的設(shè)計(jì)壽命一般為15年，而繼電器安裝于車輛電氣柜中，大部分作為中間繼電器來控制電磁閥、接觸器等的線圈，也可直接控制機(jī)車制動閥等沖擊負(fù)載。因此，耐久性高、負(fù)載條件復(fù)雜是軌道交通繼電器的兩個(gè)重要特點(diǎn)。另外，當(dāng)列車處于不平穩(wěn)線路運(yùn)行或進(jìn)行緊急制動時(shí)，需要確保繼電器不發(fā)生誤動作，所以抗沖擊和振動性能也是軌道交通領(lǐng)域?qū)^電器的獨(dú)特要求。其他如防火、耐霉菌、耐腐蝕等也是軌道交通繼電器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的主要因素。

2 技術(shù)指標(biāo)要求

軌道交通領(lǐng)域?qū)囕d繼電器的要求除了滿足繼電器正常的動作和釋放、接觸電阻、絕緣和耐壓等基本功能和性能要求以外，還有一些特殊的要求，具體如下。1）動作電壓嚴(yán)苛。-40℃～80℃，動作電壓≤67% Un，釋放電壓≥10% Un。2）耐久性。電耐久性設(shè)計(jì)要求250萬次，機(jī)械耐久性要求500萬次。3）沖擊和振動。滿足IEC 61373標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定Ⅰ類B級車體安裝要求。4）防火。滿足EN45545-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的風(fēng)險(xiǎn)等級HL3要求。5）長霉。滿足GB/T 2423.16-2008電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)第2部分：試驗(yàn)方法試驗(yàn)J及導(dǎo)則規(guī)定的2b要求。6）鹽霧。35℃，5%NaCl，96h，不允許有影響繼電器功能的機(jī)械損傷。

為滿足車輛對大負(fù)載切換的多組強(qiáng)制導(dǎo)向繼電器的需求，該文設(shè)計(jì)了一款額定切換負(fù)載為12A的4組雙通雙斷強(qiáng)制導(dǎo)向安全繼電器HFRB400，包括繼電器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和試驗(yàn)驗(yàn)證，并充分考慮了軌道交通繼電器的實(shí)際應(yīng)用及特殊要求，確保繼電器的性能能滿足軌道交通領(lǐng)域的要求。

3 繼電器設(shè)計(jì)

3.1 繼電器總體設(shè)計(jì)

電磁繼電器主要由磁路系統(tǒng)和接觸系統(tǒng)、防護(hù)系統(tǒng)等部分組成。HFRB400繼電器結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。由圖1可知，繼電器整體為拍合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。磁路系統(tǒng)和接觸系統(tǒng)分別位于繼電器的上方和下方，外殼和底座構(gòu)成的防護(hù)系統(tǒng)將磁路系統(tǒng)和接觸系統(tǒng)“包裹”在內(nèi)部。防護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅能有效防止異物進(jìn)入繼電器內(nèi)部，而且還能保護(hù)繼電器內(nèi)部的金屬件不被外部環(huán)境腐蝕。通過結(jié)構(gòu)的細(xì)化，整個(gè)繼電器的防護(hù)等級達(dá)到IP40，滿足軌道交通領(lǐng)域及繼電器IP40的防護(hù)要求。

圖1 拍合式繼電器結(jié)構(gòu)圖

3.2 磁路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

磁路系統(tǒng)由線圈、軛鐵、鐵芯和銜鐵等零件組成。磁效率是磁路系統(tǒng)極為重要的衡量指標(biāo)，磁效率的高、低不僅極大影響產(chǎn)品的吸力特性，還會對磁路系統(tǒng)的溫升有較大影響。磁路截面積設(shè)計(jì)及材料選擇是影響磁效率的關(guān)鍵因素。

傳統(tǒng)的磁路設(shè)計(jì)采用試錯(cuò)法，不僅增加研發(fā)成本，效率也極低。隨著有限元仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品的開發(fā)成本和效率有了極大提升。HFRB400繼電器額定吸力下銜鐵閉合狀態(tài)的磁通分布如圖2所示。從圖2可以看出，整體磁通密度處于非飽和狀態(tài)，鐵芯與軛鐵固定位置磁通密度相對較大，分析認(rèn)為是該處軛鐵與鐵芯接觸面積小，且二者用導(dǎo)磁性較差的不銹鋼螺釘連接所致。

圖2 某拍合式繼電器磁通分布

在滿足繼電器設(shè)計(jì)功能的同時(shí)，零部件材料的選擇也極為重要。對金屬材料，一般優(yōu)選耐腐蝕的不銹鋼或銅質(zhì)材料，而對軟磁材料或碳鋼等易腐蝕的金屬零件，需要增加防護(hù)處理。銜鐵閉合時(shí)復(fù)原簧片的應(yīng)力分布如圖3所示。從仿真結(jié)構(gòu)可以看出，最大應(yīng)力為71.75MPa，遠(yuǎn)小于不銹鋼的疲勞應(yīng)力水平。線圈架選用阻燃等級為V-0的工程塑料，滿足繼電器的防火要求。考慮繼電器的工作溫度在-40℃～80℃，漆包線采用滿足Class F的耐溫直焊型聚氨酯材料，以確保繼電器在全工作溫度范圍內(nèi)不會老化斷線或因溫度升高而失效。

圖3 復(fù)原簧片應(yīng)力分布

3.3 接觸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

接觸系統(tǒng)是繼電器的“心臟”，通號（西安）軌道交通集團(tuán)的趙正元認(rèn)為80%以上的繼電器故障率發(fā)生在接觸系統(tǒng)[4-5]。因此，接觸系統(tǒng)的可靠性是繼電器設(shè)計(jì)的核心。

繼電器的接觸系統(tǒng)一般由動觸點(diǎn)、靜觸點(diǎn)、與動靜觸點(diǎn)相連的簧片以及固定靜簧片的底座組成。靜觸點(diǎn)與靜簧片鉚接后固定在底座上，動觸點(diǎn)與動簧片為一體復(fù)合帶料并通過鉚接固定在推動卡上，推動卡與銜鐵剛性固定。與靜簧片一起被固定在底座上的靜簧引出腳一端采用“Y”形設(shè)計(jì)。確保繼電器接觸系統(tǒng)滿足EN 50205強(qiáng)制導(dǎo)向（機(jī)械連鎖）繼電器標(biāo)準(zhǔn)的要求。

控制回路的負(fù)載特性很大程度上決定了動、靜簧片的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?；善Y(jié)構(gòu)的柔性、材料的耐疲勞性以及高溫應(yīng)力釋放水平的高、低對電耐久性要求高達(dá)250萬次的軌道交通繼電器來說極為重要。HFRB400靜簧片采用薄而長的片狀設(shè)計(jì)方案，材料為導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性較好的高導(dǎo)電銅帶。靜簧片形變量最大時(shí)的應(yīng)力分布如圖4所示，最大應(yīng)力位于折彎處約150MPa，遠(yuǎn)小于材料的高周疲勞應(yīng)力水平。因此，通過仿真分析，確保繼電器滿足107次耐久性設(shè)計(jì)要求。

圖4 靜簧片應(yīng)力分布

觸點(diǎn)材料的選擇一般考慮材料耐磨性、耐電弧能力以及接觸電阻的水平。一般來說，耐磨性好、耐溫高、接觸電阻低而穩(wěn)定的觸點(diǎn)材料更具優(yōu)選性。AgNi和AgSnO2觸點(diǎn)材料因其優(yōu)越的性能而被青睞。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，AgNi觸點(diǎn)接觸電阻的整體水平及耐磨性略優(yōu)于AgSnO2觸點(diǎn)，但抗黏結(jié)性不及AgSnO2觸點(diǎn)。因此，針對軌道交通的實(shí)際應(yīng)用，HFRB400兼具兩種不同觸點(diǎn)材料的規(guī)格，以滿足不同負(fù)載類型的應(yīng)用要求。

為確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的穩(wěn)健并滿足功能性的要求，經(jīng)有限元分析，得出電磁吸力于反力的匹配曲線，如圖5所示。由圖5可知，當(dāng)線圈激勵(lì)電壓達(dá)到48%Un時(shí)，繼電器可正常動作；當(dāng)線圈激勵(lì)電壓降低至10%Un時(shí)，繼電器能可靠釋放，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 HFRB400吸-反力匹配曲線

3.4 防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

城市軌道交通、地鐵線路大多為沙粒和灰塵較多的隧道，為防止沙粒或塵埃侵入繼電器內(nèi)部，鐵路繼電器標(biāo)準(zhǔn)要求繼電器的防護(hù)等級須滿足IP40。

在底座、外殼等塑料材料選擇方面，優(yōu)先選擇阻燃等級高、煙密度指數(shù)低、氧指數(shù)高的塑料材料，以滿足EN 45545-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防火要求。而對底座等固定類塑料零件的材料選擇來說，不僅需要考量材料的強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性，還需要考慮材料的絕緣性能。

3.5 設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.5.1 設(shè)計(jì)試驗(yàn)

鑒于軌道交通中間繼電器的特殊應(yīng)用條件，該方案在滿足軌道交通領(lǐng)域?qū)^電器特殊要求及產(chǎn)品可靠性要求的同時(shí)，增加了典型應(yīng)用負(fù)載電耐久性試驗(yàn)，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)項(xiàng)目見表1。

表1 試驗(yàn)項(xiàng)目

3.5.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

所有的樣品均通過標(biāo)準(zhǔn)要求的耐久性試驗(yàn)、環(huán)境試驗(yàn)及強(qiáng)制導(dǎo)向機(jī)械連鎖試驗(yàn)，且試驗(yàn)后的電氣參數(shù)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

其中，典型應(yīng)用負(fù)載及機(jī)械耐久性項(xiàng)目對應(yīng)的樣品試驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求的耐久性次數(shù)。防火試驗(yàn)后的樣品未起燃。長霉試驗(yàn)后，樣品在50倍放大條件下未發(fā)現(xiàn)明顯長霉。鹽霧試驗(yàn)后，樣品內(nèi)部金屬件及外觀未發(fā)現(xiàn)腐蝕等不良現(xiàn)象。因此，環(huán)境試驗(yàn)項(xiàng)目也顯著高于標(biāo)準(zhǔn)要求。

經(jīng)驗(yàn)證，該文所設(shè)計(jì)的4組額定電流為12A雙通雙斷強(qiáng)制導(dǎo)向安全繼電器滿足軌道交通領(lǐng)域?qū)^電器的特殊要求。

4 結(jié)語

該文結(jié)合繼電器在軌道交通領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用及軌道交通對繼電器的特殊要求，采用正向設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)了一款額定電流12A的4組雙通雙斷強(qiáng)制導(dǎo)向安全繼電器。從磁路系統(tǒng)、接觸系統(tǒng)及防護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇等方面闡述繼電器的設(shè)計(jì)思路，并對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了有限元仿真，以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)健性。最后對繼電器成品進(jìn)行電耐久性、機(jī)械耐久性、沖擊和振動、防火、長霉、鹽霧試驗(yàn)等試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果均滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求。