一種軌道交通車輛用新型微動開關設計優化方法

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

1 引言

目前，微動開關廣泛用應用于電器電子設備、儀器儀表、控制系統等領域，在頻繁換接電路的設備中起到自動控制及安全保護等作用。微動開關是一類體積小、操作間隔短、操作力小、參數精密、通斷轉換迅速的機械電氣元件。微動開關主要由速動機構和電接觸系統組成，微動開關在通斷轉換過程中，速動機構決定了微動開關的動態力學特性，包括超行程、開關動作力、觸點接觸力等參數。操作力的大小和曲線直接影響到開關的動態特性和操作舒適度，觸點之間的接觸力大小和產品穩定性有關，如果力過小，會出現接通不穩定甚至不能接通的現象，使設備功能失效。因此有必要在微動開關的設計方法上進行優化改進以滿足工作要求。對微動開關的靜、動態力學特性進行研究，評估產品的力學特性，這樣既可以縮短產品開發周期、避免資源浪費，也有助于產品的創新設計。

本文設計開發了一種具有雙向接通功能的微動開關。采用創新性的設計方法，主動介入到微動開關的設計優化過程中，研究了彈片預壓和操作按鈕位置對微動開關裝配和操作過程的影響，得到不同參數組合工況的微動開關裝配和操作過程的力學特性曲線，根據操作力的目標值確定了彈片預壓和操作按鈕位置的設計優化函數，并對進口的微動開關實物進行了測試對比。設計的微動開關為速動轉換型，它具有體積小、重量輕、安裝方便、速動、自凈、強制斷開模塊等特點，兩組動接點相互絕緣，可以不同級隨意使用，接點為自凈帶有永磁滅弧功能，尤其適合接通小電流信號，如傳送計算機信號，同時又有較強的分斷能力，且接線時對極性無要求。現已廣泛地應用于DF型內燃機車、電力機車、電動車組、地鐵和城市輕軌車及出口機車的控制電路中。

2 微動開關結構設計和工作原理

2.1 微動開關結構設計

由于微動開關在使用過程中出現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，開關的通斷行程不在正常范圍內等方面，下面選擇兩款用于軌道車輛的微動開關進行結構優化設計，以改進。

2.1.1 XS826微動開關的結構優化設計

XS826微動開關的設計是基于結構力學理論建立了微動開關的結構模型，微動開關XS826的結構設計圖，如圖1所示。

圖1 XS826微動開關產品結構示意圖

該微動開關主要由彈簧、滑塊、動觸頭、片彈簧、滾輪組件、上接線柱、下接線柱、接線螺釘、擋片、外殼等結構組成。

施加外機械力(推動板鍵)觸動微動開關的滾輪組件將傳遞的外機械力作用于片彈簧與圓柱彈簧上，當片簧片位移到臨界點時產生瞬時動作，使滑塊機構上安裝的動觸點與外殼上安裝的靜觸點快速接通或斷開。

當滾輪組件的外機械力(推回板鍵)移去后，片彈簧與圓柱彈簧產生反向動作力，當滾輪組件反向行程達到片彈簧的動作臨界點后，瞬時完成反向動作。

XS826微動開關的觸點間距小、動作行程短、按動力小、通斷迅速。其動觸點的動作速度與滾輪組件動作速度無關。

2.1.2 XS847微動開關的結構設計

XS847微動開關在XS826的基礎上優化設計，依據結構力學理論建立了微動開關的結構模型，微動開關XS847的結構設計圖，如圖2所示。

圖2 XS847微動開關產品結構示意圖

該微動開關主要由滾輪組件、滑塊組件、片彈簧、圓柱彈簧、接線螺釘、動觸頭、上接線柱、下接線柱、外殼等結構組成。

同樣在施加外機械力(推動板鍵)時，可以觸動微動開關的滾輪組件，其作用力將傳遞的外機械力作用于片彈簧與圓柱彈簧上面，當片簧片位移到臨界點時將會產生瞬時的動作，使得滑塊機構上安裝的動觸點與外殼上安裝的靜觸點快速接通或斷開。

當移去滾輪組件的外機械力(推回板鍵)后，圓柱彈簧與片彈簧產生了反向的動作力，使得滾輪組件的反向行程達到了片彈簧的動作臨界點后，瞬時完成反向動作。

XS847微動開關的觸點的間距較小、動作行程短、按動力小、通斷迅速。其動觸點的動作速度與滾輪組件動作速度沒有關系。其防塵等級高于XS826微動開關殼體的整體密封度較高。

2.1.3 接觸系統材料設計

接觸系統材料主要包括開關觸點與片彈簧兩個部分的材料，材料的性能決定了微動開關的工作性能，因此，必須在材料方面進行嚴格的選用。

(1)開關觸點材料設計

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

(2)片彈簧材料設計

片彈簧材料應具有良好的彈性、抗疲勞強度，選用較高彈性、韌性的鈹青銅材料，材料厚度0.1mm，片彈簧成形后進行時效處理。

2.2 XS826與XS847的微動開關設計的技術性能要求與工作原理

XS826與XS847的微動開關在運用時，始終處于頻繁通斷動作的過程中，其在設計方面需要滿足機械動作的次數要求和電壽命的技術要求。工作原理上要能夠滿足現場的運營需要。下面就技術指標要求和微動開關的工作原理進行說明。

2.2.1 XS826與XS847的微動開關設計的技術要求

XS826與XS847的微動開關的技術要求在額定工作電壓、接點壓力、機械壽命和電壽命的技術指標上十分接近，不同的部分主要在接點部分的防塵等級上，具體的對比內容如表1所示：

表1 XS826微動開關與XS847微動開關技術

由上表可見，微動開關的機械壽命和電壽命的要求是極高的，這也是現場使用的需要。

2.2.2 XS826與SX847微動開關的工作原理

XS826與SX847微動開關的工作原理主要從電路方面展示說明，XS826與XS847微動開關電路轉換形式如圖3所示：

圖3 XS826與XS847微動開關電路轉換形式

XS826與XS847微動開關的工作原理相同，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。

自由狀態下片彈簧與滑塊組件不受任何外力，內部的片彈簧與圓柱彈簧內應力使得動觸頭與下接線柱相接，行程一組(常閉)接點。

外機械力(推動板鍵)觸動滾輪組件使得片彈簧位移到臨界點時運動，斷開(常閉)接點，接通上接線柱，完成一次動作轉換。

當外力消除，片彈簧與圓柱彈簧產生反向動作力，回到(常閉)接點，完成開關的一次動作循環。

XS826與XS847微動開關行程及轉換位置各值應滿足圖4和圖5規定。

圖4 XS826微動開關行程及轉換位置

圖5 XS847微動開關行程及轉換位置

(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，不受任何外力。

(2)動作點：接觸系統觸發微動開關動作的行程中的某點。

(3)釋放點：返回的接觸系統釋放動作裝置使其可以回到正常位置的行程的某點。

(4)最終位置：傳動機構行程最大的位置。

3 實驗結果分析

3.1 XS826微動開關結果分析

XS826微動開關行程動作參數實際數見表2：

表2 XS826微動開關行程動作參數實際發生值

參數實際表中所有的測數據均需對照規定值，在規定值偏差范圍內為合格產品，XS826規定值如下：

動作力規定參數：2.0N+0.2N；初始位置規定參數為：20.0mm±0.5；動作點規定參數為：16.8mm±0.3mm；釋放點規定參數為18.5mm±0.3mm；最終位置規定值15.3mm±0.5mm；如不滿足XS826規定值，則不合格。

XS826動作力曲線圖6所示

圖6 XS826動作力曲線

3.2 XS847微動開關結果分析

XS826微動開關行程動作參數實際數見表3：

表3 XS826微動開關行程動作參數實際發生值

圖7 XS847動作力曲線

參數實際表中所有的測數據需對照規定值，在規定值偏差范圍內為合格產品，XS847定值如下：

動作力規定參數：1.8N+0.2N；初始位置規定參數為：20.4mm±0.5；動作點規定參數為：17.0mm±0.3mm；釋放點規定參數為19.1mm±0.3mm；最終位置規定值13.8mm±0.5mm；如不滿足XS847規定值，則不合格。

可見國產的微動開關在動作力的數值都在微動開關的正常范圍內，而且偏差的波動性范圍較小，顯示出產品質量的穩定性較好，可靠性較高。在初始位置方面、動作點、釋放點和最終位置方面，微動開關的數據都表現出較低的波動范圍，這表明微動開關的質量穩定性方面較好。

XS826與XS847微動開關在北京某地鐵線路上運行半年，沒有發生任何故障，相比同類進口的微動開關，性能更加優越，能夠滿足實際運營的需要。

4 結論

通過實測結果的分析和在地鐵車輛上的運用，說明通過結構設計優化微動開關靜、動態力學特性是可行的，驗證了確定微動開關設計優化參數的方法的有效性。表明通過結構優化設計可以提高微動開關的工作效率，降低故障頻率，減少維護成本。XS826與XS847微動開關設計合理，隨整機考核試驗合格，各性能參數均符合要求，獲得用戶的認可。