S700K-C遮斷開關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應用分析

劉春陽，王榮興，殷豪，李軍鎖

（1.西門子信號有限公司，西安 710016；2.武漢地鐵運營有限公司 通號中心，武漢 430063）

0 引言

依據(jù)GB/T 25338.1—2019《鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機第1部分：通用技術(shù)條件》中5.5.2節(jié)的相關(guān)要求，轉(zhuǎn)轍機應設(shè)有手動安全機構(gòu)，即遮斷開關(guān)。要求手動操作轉(zhuǎn)轍機前，應可靠斷開按鈕開關(guān)或速動開關(guān)，且未經(jīng)人工恢復不應接通電路[1]。S700K-C遮斷開關(guān)通過開關(guān)鎖的凸輪結(jié)構(gòu)，在使用專用鑰匙開啟后可切斷動作回路，同時，遮斷開關(guān)上的連桿可打開電動機上的齒輪擋板，操作人員可使用手搖把操縱轉(zhuǎn)轍機，實現(xiàn)道岔轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)轍機作為重要的城市軌道交通信號基礎(chǔ)設(shè)備，其正常穩(wěn)定的運行對鐵路安全行車具有重要影響[2-3]。隨著城市軌交通的飛速發(fā)展，用戶對遮斷開關(guān)的可靠性和易維護性提出了更高的要求。在與武漢地鐵公司技術(shù)人員深入溝通并分析現(xiàn)場故障后，西門子信號有限公司與武漢地鐵公司一同研發(fā)了一種更加適應現(xiàn)場復雜環(huán)境的新型遮斷開關(guān)，通過試驗及測試結(jié)果可知新方案在開關(guān)阻值及易維護性上均優(yōu)于原方案。

1 原遮斷開關(guān)問題分析

S700K-C原遮斷開關(guān)主要由絕緣體、按鈕開關(guān)、接觸套、扁插頭、開關(guān)板、連桿、保護罩等主要零部件組成，如圖1所示。其中，具有導電作用的接觸套穿過絕緣體上的孔位，并通過卡槽進行限位。下端對稱布置一對扁插頭通過螺釘固定，其主要作用是與按鈕開關(guān)連通，并限制其橫向位移。同時，按鈕開關(guān)通過兩根銷軸倒置固定在絕緣體上，兩個觸頭插入對應的扁插頭卡槽中。按鈕開關(guān)平時處于常閉狀態(tài)，當操作人員使用鑰匙轉(zhuǎn)動凸輪機構(gòu)，凸輪推動開關(guān)板轉(zhuǎn)動，使按鈕開關(guān)斷開，從而切斷轉(zhuǎn)轍機動作回路。同時，開關(guān)板帶動前端連桿將電動機上的齒輪擋板推開，操作人員可使用專用手搖把操縱轉(zhuǎn)轍機。

圖1 原遮斷開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)現(xiàn)場反饋，原遮斷開關(guān)主要有以下兩種故障模式：第一是扁插頭斷裂導致電動機轉(zhuǎn)轍機無法轉(zhuǎn)換；第二是按鈕開關(guān)阻值不穩(wěn)定影響表示電壓，失表后轉(zhuǎn)轍機無法轉(zhuǎn)換。從現(xiàn)有結(jié)構(gòu)分析可知，回路中的扁插頭既起到了電路導通的作用，又起到了連接按鈕開關(guān)的觸頭的作用。對于可修復的產(chǎn)品，人們總希望產(chǎn)品故障后能盡快修復，這就涉及產(chǎn)品的維修性，因為絕大多數(shù)產(chǎn)品都是長期使用，并且故障修復后繼續(xù)使用，因此維修性問題在研究可靠性的過程中受到人們的重視[4]。在原遮斷開關(guān)結(jié)構(gòu)中，絕緣體和開關(guān)銷軸材質(zhì)不一致，若銷孔磨損過大會造成按鈕開關(guān)竄動并影響阻值。按鈕開關(guān)整體布置在絕緣體下端，日常維護中無法直接觀察其狀態(tài)，故障發(fā)生后排查和更換都十分不便，極大地影響了維修效率?，F(xiàn)場急需一種新的遮斷開關(guān)方案來降低故障率并提高維修效率，從而提高轉(zhuǎn)轍機產(chǎn)品的整體可靠性。

2 新遮斷開關(guān)結(jié)構(gòu)特點

結(jié)合地鐵運營列車間隔時間短，聯(lián)鎖控制系統(tǒng)及室外機械結(jié)構(gòu)復雜的特點，如何提前發(fā)現(xiàn)道岔設(shè)備安全隱患，或短時間內(nèi)判斷并排除故障，成為鐵路局在日常維護及安全生產(chǎn)過程中的一個重要課題[5]?；谟脩粜枨?，設(shè)計了一種新的遮斷開關(guān)，主要由彎板、速動開關(guān)、開關(guān)板、滾柱架、連桿、絕緣板、透明防護罩等部件組成，如圖2所示。其中，速動開關(guān)通過螺釘安裝在彎板上，開關(guān)之間設(shè)置絕緣板進行隔離，也可通過跨接片實現(xiàn)開關(guān)之間的并聯(lián)。當操作人員開啟遮斷開關(guān)時，開關(guān)板圍繞銷軸進行轉(zhuǎn)動，進而驅(qū)動速動開關(guān)轉(zhuǎn)換。同時，連桿開啟齒輪擋板。此時，操作人員可使用手搖把操縱轉(zhuǎn)轍機，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)原遮斷開關(guān)的所有功能并提高了安全冗余。

圖2 新遮斷開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

相比原方案中扁插頭既要導通電路又要限制觸點橫移的結(jié)構(gòu)，新方案使用了帶獨立安裝孔的速動開關(guān)，將開關(guān)的安裝和線路導通功能進行了分離。新速動開關(guān)內(nèi)部鑲嵌了金屬材質(zhì)的螺紋安裝座，可通過兩個螺釘將速動開關(guān)與彎板進行固連，提升了抗振性能。新方案中的連接銷軸與彎板均為金屬材質(zhì)，比原非金屬絕緣體強度更高，振動環(huán)境下磨損更小。滾柱架內(nèi)部設(shè)置了緩沖彈簧，可避免速動開關(guān)的按鈕及內(nèi)部觸點受到振動產(chǎn)生的外力沖擊。既能有效延長開關(guān)的使用壽命，又能保證其阻值穩(wěn)定。透明防護罩設(shè)計，易于觀察速動開關(guān)接線狀態(tài)，降低了日常檢修維護強度，更換維修更簡單高效，有效保障了設(shè)備的運營安全。

3 速動開關(guān)與按鈕開關(guān)特點對比

車站聯(lián)鎖系統(tǒng)是以技術(shù)手段實現(xiàn)以進路控制為主要內(nèi)容的聯(lián)鎖功能的系統(tǒng)[6]，廣泛應用于現(xiàn)代城市軌道交通中。鐵路信號安全系統(tǒng)既要保證區(qū)間的行車安全，也要保證車站的行車安全[7]，轉(zhuǎn)轍機作為聯(lián)鎖系統(tǒng)中進路控制功能的重要執(zhí)行機構(gòu)，其轉(zhuǎn)換到位后的表示電壓是系統(tǒng)檢測的一項重要數(shù)據(jù)。按鈕開關(guān)作為遮斷開關(guān)中的重要執(zhí)行元件，其阻值不穩(wěn)定易引發(fā)失表故障。根據(jù)圖3可知，當轉(zhuǎn)轍機到位后，聯(lián)鎖系統(tǒng)會從發(fā)送端輸出60 V直流電壓，線路經(jīng)過遮斷開關(guān)到達接收端，若按鈕開關(guān)狀態(tài)不穩(wěn)定直接影響接收端電壓，電壓低于特定值后系統(tǒng)將判定失表故障。

圖3 四線制表示回路原理圖

經(jīng)過武漢地鐵對現(xiàn)場多臺轉(zhuǎn)轍機進行模擬測試可知，當接收端表示電壓低于53 V時，系統(tǒng)會判定轉(zhuǎn)轍機失表，轉(zhuǎn)轍機將無法正常轉(zhuǎn)換。對失表故障進行分析后發(fā)現(xiàn)，按鈕開關(guān)接觸電阻波動是造成失表的主要原因。接觸電阻與觸頭材料、觸頭壓力、接觸面形式、表面和清潔狀況等有關(guān)，接觸電阻可簡化用式（1）計算得出。由此可見，影響接觸電阻的最主要因素是接觸壓力，觸頭材料K值，觸頭接觸形式等，觸點壓力值越大接觸電阻越小，觸點K值越小接觸電阻越小，接觸面越大接觸電阻越小?；谝陨戏治觯抡跀嚅_關(guān)方案選取了一種新型速動開關(guān)，在觸頭壓力、觸頭材質(zhì)、連接形式及易維護性上均優(yōu)于原按鈕開關(guān)，能極大地提高遮斷開關(guān)的整體穩(wěn)定性，降低故障率，兩種開關(guān)的特點對比如表1所示。

表1 速動開關(guān)與按鈕開關(guān)特點對比表

式中：Rj為觸頭接觸電阻，Ω；F為觸頭壓力，N；m為與觸頭接觸形式有關(guān)的常數(shù)，對于點接觸m=0.5，線接觸m=0.5～0.7，面接觸m=1；K為與接觸材料、接觸表面加工方法、接觸面狀況有關(guān)的常數(shù)。

3.1 兩種開關(guān)觸點材質(zhì)對比

金屬的電阻隨溫度升高而增大，當溫度不是極高（接近于熔點）或極低（接近0 K）時，電阻與溫度呈線性關(guān)系[8]。暴露在空氣中的觸頭接觸面(除鉑和金外) 都將產(chǎn)生氧化作用，空氣中的銅觸頭在室溫下（20～30 ℃）即開始氧化，但其氧化膜很薄，在觸頭彼此壓緊的過程中就可以被破壞，故對接觸電阻影響不大。但隨著溫度繼續(xù)升高，銅觸頭氧化速度會加劇，氧化銅聚集后的觸頭導電性能很差，因此，銅觸頭的允許溫升都非常低。銀被氧化后的導電率與純銀差不多，所以銀或鍍銀的觸頭工作比銅更加穩(wěn)定。根據(jù)式（1）可知，觸頭材料的K值影響接觸電阻，同時根據(jù)導體材料的特性可知，材料的電阻系數(shù)越低，接觸電阻就越小。原按鈕開關(guān)觸點材質(zhì)為鈹青銅，新速動開關(guān)觸點材質(zhì)為銀氧化錫，銀的電阻系數(shù)小于銅，同時銀的K值也小于銅，在銀合金中適當加入材質(zhì)錫可細化晶粒，在不降低導電性能的前提下，大大提高了抗氧化性及耐磨性，新開關(guān)觸點材質(zhì)能夠更加有效地降低接觸電阻并保持其穩(wěn)定，具體參數(shù)對比如表2所示。同時，開關(guān)良好的密封性也能有效防止觸頭被有機物氧化，新速動開關(guān)IP等級也優(yōu)于原按鈕開關(guān)（如表1）。

表2 觸點材質(zhì)電阻率ρk及K值對比表

3.2 觸點壓力對比

按鈕開關(guān)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，主要由靜節(jié)點片、動接點架及各種功能性彈簧組成。其工作原理為：當開關(guān)板推動按鈕后，驅(qū)動彈簧帶動導向架向下移動，導向架與動接點架之間的壓簧開始被壓縮并隨導向架一起向下運動。當兩個壓簧過死點位置后方向推起動接點架，兩個觸點脫開，開關(guān)斷開。反之當開關(guān)板回位時，在按鈕開關(guān)回位彈簧的作用下，導向架向上移動，壓簧過死點后將動接點架下壓，通過壓簧徑向方向的分力使觸點接觸，開關(guān)連通，根據(jù)實測數(shù)據(jù)觸點壓力為4.5 N。在同樣接觸壓力下實際接觸面積越大，接觸電阻就越小，由于扁插頭與靜接點片為滑動連接，當振動時按鈕開關(guān)隨銷軸上下竄動，導致扁插頭與靜接點片接觸面積變小。同時，由振動產(chǎn)生的力傳入內(nèi)部動接點架時，若彈簧壓力不足會造成接觸電阻阻值波動大、導通不穩(wěn)定甚至不導通的問題。

圖4 原按鈕開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

新的速動開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖5所示。主要由推桿、按鈕、動靜接點及導向桿組成。當開關(guān)板推動按鈕時，按鈕及其底座上的兩個尖點向下運動，進入推桿上的V型槽帶動推桿圍繞其旋轉(zhuǎn)點進行運動。導向桿及動接點隨著推桿的作用向上運動，使動接點與靜接點分離，開關(guān)斷開。反之，當開關(guān)板與按鈕脫開后，在回位彈片的作用下按鈕及底座向上運動，并將導向桿向下推，最終使動接點與下方靜接點接觸，開關(guān)連通。新開關(guān)有獨立安裝螺紋孔，抗振性更強，避免了原扁插頭竄動造成的阻值波動。新開關(guān)回位彈片壓力值遠高于原按鈕開關(guān)的壓簧，實測觸點壓力可達到0.7 N，能有效保證動靜接點接觸更加穩(wěn)定。

圖5 新速動開關(guān)結(jié)構(gòu)圖

4 測試及現(xiàn)場應用

新方案設(shè)計完成后，需進行一系列試驗驗證，以確認其可靠性并保證其能夠適應現(xiàn)場運營環(huán)境。根據(jù)遮斷開關(guān)的使用特點，分別進行了振動試驗、高低溫試驗、速動開關(guān)壽命及阻值試驗。其中振動和高低溫試驗，均依據(jù)GB/T 25338.2—2019《鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機 第2部分 試驗方法》中5.11/5.12/5.14節(jié)的要求進行[9]。電磁繼電器的原理是通過繼電器線圈中的電流在磁路的可動部分（銜鐵）的氣隙中產(chǎn)生電磁力，吸引銜鐵，帶動接點系統(tǒng)改變接點的狀態(tài)[10]。根據(jù)現(xiàn)場使用頻率，結(jié)合電磁繼電器的特點，開發(fā)了一種由繼電器控制電動推桿帶動速動開關(guān)開閉的測試工裝，完成了開關(guān)機械壽命及阻值測試，測試結(jié)果均優(yōu)于原方案，其原理如圖6所示。新方案沿用了原有開關(guān)鎖驅(qū)動機構(gòu)，安裝孔距與原遮斷開關(guān)保持一致，開關(guān)板及連桿可互換，安裝后連桿與電動機擋板位置與原方案一致，保證電動機上的齒輪擋板開合角度不變。新遮斷開關(guān)借用了已有成熟部件，采用常用材料及加工方式，相對于原遮斷開關(guān)其成本并未增加，且生命周期內(nèi)維護成本大大降低，為新遮斷開關(guān)能夠快速地應用于現(xiàn)場提供了條件。

圖6 工裝電氣原理圖

5 結(jié)語

本文對S700K-C原有遮斷開關(guān)的原理進行了充分的分析，并聯(lián)合武漢地鐵技術(shù)人員確定了典型故障原因，制定了有針對性的優(yōu)化方向。通過參數(shù)化設(shè)計，徹底擯棄了原有扁插頭與按鈕開關(guān)的配合形式，選用的新速動開關(guān)在觸點壓力、觸點材質(zhì)等方面對行了優(yōu)化提升，有效地保證了開關(guān)的穩(wěn)定性，大大降低了日常維護強度。根據(jù)實際情況確定了試驗參數(shù)，對關(guān)鍵試驗元件進行了計算和選型，準確高效地完成了速動開關(guān)的壽命及阻值測試，且測試結(jié)果均優(yōu)于原方案。目前新遮斷開關(guān)方案正在武漢地鐵小范圍試用，經(jīng)過長時間跟蹤和反饋，新遮斷開關(guān)未再發(fā)生過一起故障，有效地保證了行車效率，其穩(wěn)定性和可靠性得到了用戶的肯定。