拍合式繼電器銜鐵內(nèi)折角測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)際效果

摘 要：

電磁系統(tǒng)為鐵路信號(hào)拍合式繼電器的重要組成部分，電磁系統(tǒng)中銜鐵行程對(duì)鐵路信號(hào)拍合式繼電器的電氣特性有直接影響，銜鐵折角角度更是影響銜鐵行程的重要因素。為了提高銜鐵折角角度的篩選精度，以鐵路信號(hào)拍合式繼電器中的銜鐵零件作為研究對(duì)象，提出一種模擬銜鐵在繼電器中運(yùn)動(dòng)過(guò)程的銜鐵內(nèi)折角的測(cè)試方法，并設(shè)計(jì)了銜鐵內(nèi)折角測(cè)試裝置。在實(shí)際生產(chǎn)試用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)使用所設(shè)計(jì)裝置篩選出來(lái)銜鐵的角度測(cè)試結(jié)果更加符合正態(tài)分布，且通過(guò)篩選的銜鐵組裝成繼電器的電氣特性一致性更好，證明了通過(guò)所設(shè)計(jì)裝置篩選比現(xiàn)有的方法篩選誤差更小。

關(guān)鍵詞：

拍合式繼電器; 電氣特性; 銜鐵內(nèi)折角; 角度測(cè)試方法

中圖分類號(hào)： TM581

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）01-0038-05

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.01.007

Structural Design and Practical Effect of Clapping Relay Armature Inner Chamfer Testing Device

LI Qing Shi1， FAN Yi Chuan2， LUO Wen Tian1

（1.Shenyang Railway Signal Co.，Ltd.， Shenyang 110000， China;

2.Institute of Reliability in Electrical Apparatus and Electronics，Harbin Institute of Technology， Harbin 150001， China）

Abstract：

Electromagnetic system is an important part of railway signal snap-in relay，the armature stroke in the electromagnetic system has a direct impact on the electrical characteristics of the railway signal snap-in relay，armature angle is an important factor affecting the armature stroke.In order to improve the screening accuracy of the armature angle，the armature parts in the railway signal snap-in relay is taken as the research object，A testing method for simulating the internal angle of the armature bending angle of the armature movement process in the relay is proposed.According to this method，the armature bending angle inner angle testing device is designed.After the design is completed，it is tested in actual production.It is found that the angle test results of the armature screened by the device are more in line with the normal distribution，and the electrical characteristics consistency of the armature assembled into the relay obtained by screening is better，which can prove that the screening error of the device is smaller than that of the existing method.

Key words：

snap-in relays; electrical characteristics; armature inner fold; angle testing method

0 引 言

繼電器被廣泛運(yùn)用于鐵路、航天、通信、遙控、遙測(cè)、機(jī)電一體化、自動(dòng)控制、電力電子等領(lǐng)域，是低壓電器中重要的控制元件，其可靠性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著直接的影響。磁保持繼電器具有功耗低、體積小、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，在軍用、民用、航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1］。電磁繼電器在控制電路中有獨(dú)特的電氣、物理特性，具有轉(zhuǎn)換深度高、可多路同步切換、輸入輸出比大、抗干擾能力強(qiáng)等一系列固體電子器件不能替代的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防及航天自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成信號(hào)傳遞、執(zhí)行控制、系統(tǒng)配電、電路隔離、電壓或負(fù)載轉(zhuǎn)換等功能［2］。

電磁繼電器動(dòng)作過(guò)程中動(dòng)態(tài)吸反力特性以及觸點(diǎn)狀態(tài)是研究、分析繼電器的關(guān)鍵所在。而無(wú)論是理論計(jì)算或是仿真分析所得的結(jié)論，均需要通過(guò)測(cè)試手段來(lái)驗(yàn)證其正確性［3］。

電磁系統(tǒng)是電磁繼電器的輸入部分，是產(chǎn)生電磁吸力驅(qū)動(dòng)觸簧系統(tǒng)的主要機(jī)構(gòu)。拍合式繼電器電磁系統(tǒng)主要由銜鐵、鐵芯和軛鐵3部分構(gòu)成。由于運(yùn)動(dòng)模式比較簡(jiǎn)單，只有一個(gè)磁間隙，磁效率較高、功耗較低，拍合式電磁系統(tǒng)在繼電器中被廣泛地應(yīng)用［1］。而電磁繼電器中的鐵路信號(hào)繼電器作為安全型的基礎(chǔ)信號(hào)器材，是鐵路列控系統(tǒng)中至關(guān)重要的設(shè)備之一，其安全性、可靠性是保障列車穩(wěn)定、高效運(yùn)行的必要條件［4］。

其中吸合電壓與釋放電壓可直接反映批次繼電器產(chǎn)品的健康狀態(tài)和一致性［5］，想要優(yōu)化繼電器電氣特性就要對(duì)電磁系統(tǒng)組成部分分別進(jìn)行考察，包括零件材料屬性、零件鍍層、零件尺寸參數(shù)、零件形位參數(shù)等，比較常見(jiàn)的是選取其中多個(gè)影響繼電器電氣特性較大且仍有調(diào)整裕量的零件尺寸參數(shù)或形位參數(shù)進(jìn)行修改，使繼電器在裝配后達(dá)到目標(biāo)優(yōu)化效果。

本文運(yùn)用以上研究方法進(jìn)行前期工作后，發(fā)現(xiàn)某廠家的某型號(hào)產(chǎn)品的銜鐵行程對(duì)其電磁吸力影響較大，銜鐵折角角度在銜鐵行程各個(gè)尺寸中貢獻(xiàn)率占比最大。目前廠家通過(guò)測(cè)試銜鐵外折角角度來(lái)把控銜鐵折角，而繼電器實(shí)際工作過(guò)程中使用的是銜鐵內(nèi)折角，為了精確測(cè)量銜鐵內(nèi)折角角度，進(jìn)行拍合式繼電器銜鐵內(nèi)折角測(cè)試方法與測(cè)試裝置設(shè)計(jì)。

1 總體研究方案

1.1 研究意義

本次以某廠家的某型號(hào)產(chǎn)品為研究對(duì)象，分析銜鐵行程對(duì)繼電器電氣特性一致性影響，并提高繼電器電氣特性一致性。經(jīng)過(guò)初步分析銜鐵行程對(duì)繼電器電氣特性影響較大，想要提升繼電器電氣特性一致性，就要縮小銜鐵行程的容差范圍。而銜鐵折角角度又是影響銜鐵行程的重要因素，因此設(shè)計(jì)一種銜鐵內(nèi)角角度測(cè)試方法用來(lái)精確測(cè)量銜鐵內(nèi)折角角度，減少銜鐵內(nèi)折角角度的分散性達(dá)到提升銜鐵行程一致性的目的，進(jìn)而提升繼電器電氣特性一致性。

1.2 工作原理

本文研究對(duì)象為拍合式結(jié)構(gòu)繼電器。繼電器電磁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。當(dāng)線圈通電時(shí)，銜鐵會(huì)在電磁吸力的作用下從釋放狀態(tài)轉(zhuǎn)換到吸合狀態(tài);線圈持續(xù)通電時(shí)，銜鐵在電磁吸力的作用下保持在吸合狀態(tài);當(dāng)線圈斷電后，銜鐵會(huì)在重錘片、動(dòng)合靜簧片、動(dòng)簧片的反力作用下從吸合狀態(tài)轉(zhuǎn)換到釋放狀態(tài)并穩(wěn)定在釋放狀態(tài)。

2 繼電器電氣特性單參數(shù)分析

在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前，先確定銜鐵內(nèi)折角對(duì)繼電器電氣特性的影響重要程度。在進(jìn)行初步的分析后，發(fā)現(xiàn)銜鐵行程對(duì)繼電器的電氣特性影響較大。根據(jù)繼電器結(jié)構(gòu)建立銜鐵行程尺寸鏈，將繼電器各零件尺寸公差范圍代入，進(jìn)行單因素分析，嚴(yán)格把控影響銜鐵行程較大的尺寸，進(jìn)而提升電氣特性一致性。

2.1 銜鐵行程尺寸鏈模型建立

根據(jù)電磁系統(tǒng)各零件間的幾何關(guān)系，建立了銜鐵行程的尺寸鏈模型。尺寸參數(shù)代號(hào)表如表1所示;銜鐵行程尺寸鏈模型示意如圖2所示。

根據(jù)銜鐵行程尺寸鏈模型中各尺寸之間的配合關(guān)系，得出銜鐵行程X為

X=L2cosλ+L5sin（δ－λ）+L3sin（θ－180+λ+φ）－L1－L4cos（θ－180+λ+φ）

2.2 尺寸鏈單參數(shù)影響分析

參考圖紙尺寸公差和實(shí)測(cè)尺寸范圍，單獨(dú)改變尺寸鏈中各尺寸參數(shù)的大小，分析各參數(shù)變化對(duì)銜鐵行程的影響情況。銜鐵行程尺寸鏈單參數(shù)變化對(duì)銜鐵行程的影響如表2所示。

分析表2的數(shù)據(jù)可知，銜鐵折角對(duì)銜鐵行程影響占比最大。根據(jù)分析結(jié)果，想要控制銜鐵行程的容差范圍，就必須要控制住銜鐵內(nèi)折角的容差范圍。因此需要一個(gè)精測(cè)銜鐵內(nèi)折角的設(shè)備來(lái)把控銜鐵零件。

3 銜鐵內(nèi)折角測(cè)試方法

銜鐵零件示意圖如圖3所示。目前對(duì)于鐵路信號(hào)拍合式繼電器銜鐵折角角度測(cè)試的方法有兩種，分別是使用角度尺、光學(xué)投影儀進(jìn)行測(cè)量。使用角度尺測(cè)量時(shí)，銜鐵零件與角度尺的放置無(wú)法達(dá)到相對(duì)水平與固定，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果與實(shí)際值相差較大;光學(xué)投影儀實(shí)際測(cè)試的位置是銜鐵放平之后的邊緣線，而非實(shí)際銜鐵拍打在鐵芯零件上的區(qū)域，測(cè)試結(jié)果受限于銜鐵邊緣線的直線度與折角平面的平面度。

銜鐵零件上設(shè)有止片、重錘片、鉚釘。為了能準(zhǔn)確反映銜鐵在繼電器中的運(yùn)動(dòng)掃程，根據(jù)銜鐵結(jié)構(gòu)和實(shí)際使用情況，設(shè)計(jì)了一種用基準(zhǔn)桿以銜鐵轉(zhuǎn)角圓心為軸心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從銜鐵一面運(yùn)動(dòng)至另一面的測(cè)試方案測(cè)量銜鐵內(nèi)折角，減少外角與內(nèi)角由于平面度或直線度所帶來(lái)的誤差。

4 銜鐵內(nèi)折角測(cè)試裝置

4.1 銜鐵內(nèi)折角測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述銜鐵內(nèi)折角測(cè)試方案，進(jìn)行測(cè)試裝置設(shè)計(jì)。

首先，設(shè)計(jì)基臺(tái)座，以支撐其他結(jié)構(gòu)?；_(tái)座上設(shè)計(jì)基準(zhǔn)桿，基準(zhǔn)桿為L(zhǎng)型，一端連接基臺(tái)座另一端處于滑臺(tái)旋轉(zhuǎn)中心，測(cè)試時(shí)基準(zhǔn)桿沿銜鐵內(nèi)部做相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng);基準(zhǔn)桿內(nèi)部中空給檢測(cè)棒與檢測(cè)滑塊預(yù)留槽孔;基臺(tái)座上設(shè)計(jì)紐扣電池殼，裝入紐扣電池為檢測(cè)回路提供電能;基臺(tái)座上設(shè)計(jì)走線槽，走線槽放置導(dǎo)線連接檢測(cè)棒、檢測(cè)滑塊、紐扣電池共同構(gòu)成檢測(cè)回路，當(dāng)測(cè)試過(guò)程中銜鐵與基準(zhǔn)桿接觸時(shí)，指示燈會(huì)提示;基臺(tái)座上配有旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)，旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)將帶動(dòng)銜鐵與基準(zhǔn)桿進(jìn)行相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng);基臺(tái)座上設(shè)計(jì)編碼器預(yù)留槽與數(shù)顯模塊卡槽，當(dāng)旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，編碼器會(huì)檢測(cè)旋轉(zhuǎn)角度并輸出至數(shù)顯模塊中，使用人員可以從數(shù)顯模塊讀取旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)當(dāng)前角度。

其次，設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)上的銜鐵夾緊裝置。銜鐵夾緊裝置包括1個(gè)底座、2個(gè)滑塊和3個(gè)螺紋桿，銜鐵上設(shè)計(jì)重錘片，夾緊裝置通過(guò)夾持銜鐵的重錘片部分進(jìn)行固定;設(shè)計(jì)銜鐵置于夾緊裝置中間位置，銜鐵與基準(zhǔn)桿前端接觸時(shí)，使用旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)讓定位滑塊平面貼緊銜鐵重錘片平面部分;設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)兩個(gè)螺紋桿可以固定定位滑塊，再通過(guò)旋轉(zhuǎn)剩下一個(gè)螺紋桿可以使銜鐵重錘片部分被夾緊固定，這樣轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)時(shí)，銜鐵夾緊裝置會(huì)帶動(dòng)銜鐵一起進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

4.2 銜鐵內(nèi)折角測(cè)試裝置的優(yōu)勢(shì)

（1） 由于銜鐵在制造加工的過(guò)程中含有一定的公差，采用本設(shè)計(jì)裝置可以適應(yīng)銜鐵由于制造加工所帶來(lái)的不重要部分的尺寸誤差，大大增加了本設(shè)計(jì)裝置的實(shí)用性，排除了銜鐵由于夾持方式所帶來(lái)的測(cè)量誤差。與使用角度尺測(cè)量相比，本設(shè)計(jì)裝置在測(cè)試過(guò)程中夾持穩(wěn)定，且設(shè)有編碼器與數(shù)顯模塊進(jìn)行讀數(shù)，排除讀數(shù)不一致所帶來(lái)的測(cè)量誤差，提高了測(cè)試效率。

（2） 本設(shè)計(jì)方案采用基準(zhǔn)桿與銜鐵進(jìn)行相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的測(cè)試方式，更加貼合銜鐵在實(shí)際使用情況中的動(dòng)作過(guò)程，排除了銜鐵內(nèi)角與外角由于銜鐵厚度和平面度所帶來(lái)的測(cè)試誤差。在測(cè)試過(guò)程中基準(zhǔn)桿不發(fā)生移動(dòng)，進(jìn)一步保證了測(cè)試過(guò)程穩(wěn)定，提高測(cè)量精度。

（3） 本設(shè)計(jì)裝置使用指示燈對(duì)銜鐵內(nèi)折角測(cè)試起始位置與測(cè)試終止位置進(jìn)行提示，測(cè)試過(guò)程中可以更準(zhǔn)確地知道銜鐵內(nèi)折角測(cè)試起始位置與測(cè)試終止位置，避免在測(cè)試過(guò)程中無(wú)法精確把控銜鐵旋轉(zhuǎn)位置而產(chǎn)生的測(cè)量誤差。

4.3 銜鐵內(nèi)折角測(cè)試裝置的使用方法

（1） 將待測(cè)銜鐵放置在旋轉(zhuǎn)夾緊裝置上，銜鐵彎折位置對(duì)準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)中心點(diǎn)，當(dāng)銜鐵內(nèi)側(cè)貼緊基準(zhǔn)桿內(nèi)置的檢測(cè)端子后，使用夾緊裝置固定銜鐵當(dāng)前位置，指示燈亮起，此時(shí)待測(cè)銜鐵處于測(cè)試起始位置。測(cè)試起始位置俯視圖如圖5所示。

（2） 轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)至第二滑塊與銜鐵固定部平面平行的位置后，轉(zhuǎn)動(dòng)第三螺紋桿使第二滑塊貼緊銜鐵固定部外側(cè)面。

（3） 轉(zhuǎn)動(dòng)第二螺紋桿，使第二滑塊的位置固定，防止銜鐵被夾緊后發(fā)生橫向串動(dòng)。

（4） 轉(zhuǎn)動(dòng)第一螺紋桿使銜鐵固定部被第一滑塊夾緊，同時(shí)歸零編碼器數(shù)顯模塊。

（5） 轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)時(shí)指示燈熄滅，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)滑臺(tái)直到銜鐵旋轉(zhuǎn)測(cè)試部?jī)?nèi)側(cè)面貼緊第二檢測(cè)端子負(fù)極、第二檢測(cè)端子正極，指示燈再次亮起。測(cè)試終止位置俯視圖如圖6所示;角度檢測(cè)組件結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

（6） 此時(shí)編碼器數(shù)顯模塊的讀數(shù)A加上90°即為銜鐵的折角角度X，即X=A+90°。

5 銜鐵內(nèi)折角角度篩選對(duì)比

為了驗(yàn)證本文所述裝置與角度尺篩選效果，每種測(cè)量方法分別挑選了20個(gè)銜鐵零件，這40個(gè)銜鐵零件的折角角度都滿足其各自測(cè)試方式下93.7°～94.2°的篩選范圍;再使用更高精度的測(cè)量方法對(duì)這40個(gè)銜鐵的內(nèi)折角角度進(jìn)行測(cè)試。銜鐵內(nèi)折角測(cè)試結(jié)果分布如圖8所示。

由圖8可見(jiàn)，雖然角度尺在篩選過(guò)程中測(cè)試結(jié)果都滿足篩選要求，但是其測(cè)試的目標(biāo)是銜鐵外折角角度，銜鐵外折角與內(nèi)折角角度存在一定偏差，其實(shí)際內(nèi)折角角度可能并不滿足實(shí)際篩選范圍要求。而通過(guò)本文測(cè)試裝置的銜鐵零件內(nèi)折角合格率達(dá)到了95%。故本文測(cè)試方法及裝置對(duì)于銜鐵內(nèi)折角的測(cè)試精度遠(yuǎn)大于角度尺，并進(jìn)一步驗(yàn)證了高精度的測(cè)試裝置能進(jìn)一步篩選出符合公差范圍的銜鐵零件。

6 繼電器電氣特性對(duì)比

使用角度尺進(jìn)行篩選的銜鐵零件和本文測(cè)試裝置篩選的銜鐵零件分別進(jìn)行整機(jī)裝配，采用控制變量法，調(diào)整繼電器其他參數(shù)尺寸相近后進(jìn)行繼電器的電氣特性測(cè)試。繼電器電氣特性結(jié)果分布如圖9所示。

由圖9可見(jiàn)，本文測(cè)試裝置所篩選出來(lái)的銜鐵零件組裝而成的繼電器的電氣特性一致性優(yōu)于通過(guò)角度尺所篩選出來(lái)的銜鐵零件組裝而成的繼電器的電氣特性一致性。

7 結(jié) 語(yǔ)

本文分析繼電器結(jié)構(gòu)后建立銜鐵行程尺寸鏈模型，根據(jù)尺寸鏈模型計(jì)算各因素影響占比，發(fā)現(xiàn)銜鐵折角對(duì)繼電器電氣特性影響較大，隨后設(shè)計(jì)一種銜鐵內(nèi)折角角度測(cè)試方法和裝置并篩選了20個(gè)銜鐵，與角度尺篩選的20個(gè)銜鐵進(jìn)行對(duì)比，再將銜鐵零件組裝至繼電器中，對(duì)不同測(cè)試設(shè)備篩選出來(lái)的銜鐵組裝成的繼電器進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了該測(cè)試裝置有助于提升繼電器電氣特性一致性。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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收稿日期： 20230625