微動(dòng)開關(guān)在電氣控制應(yīng)用中的故障分析及解決措施

劉太彪

青島酒店管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院酒店工程學(xué)院，山東 青島 266000

微動(dòng)開關(guān)廣泛應(yīng)用于軌道交通、船舶、航空等行業(yè)的電氣控制系統(tǒng)當(dāng)中，其具有使用壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。以軌道交通為例，本文通過對(duì)微動(dòng)開關(guān)在高海拔地區(qū)的使用過程中控制指令不能可靠傳達(dá)的故障進(jìn)行描述，分析確定了故障原因，最后提出了解決措施。

1 故障描述

在軌道交通領(lǐng)域，比如高鐵，微動(dòng)開關(guān)在云貴等高海拔地區(qū)的使用過程中，當(dāng)在短時(shí)間內(nèi)（如兩天之內(nèi)）由高海拔地區(qū)到低海拔地區(qū)時(shí)，軌道交通設(shè)備中的控制指令可能會(huì)失效，而且，該故障存在一定的隨機(jī)性。

2 原因分析

2.1 指令傳輸示意

微動(dòng)開關(guān)指令按照硬線電路邏輯傳遞給網(wǎng)絡(luò)傳輸部，網(wǎng)絡(luò)傳輸部進(jìn)行數(shù)據(jù)備份采集，并通過光纖環(huán)網(wǎng)和自診斷線透傳給網(wǎng)絡(luò)顯示器、數(shù)據(jù)記錄裝置和指令執(zhí)行裝置，整個(gè)執(zhí)行過程如圖1所示。

圖1 微動(dòng)開關(guān)指令傳輸、顯示、記錄邏輯

2.2 微動(dòng)開關(guān)的技術(shù)性分析

2.2.1 設(shè)計(jì)理念分析

微動(dòng)開關(guān)通過了軌道交通行業(yè)的常規(guī)試驗(yàn)，機(jī)械壽命達(dá)到200萬次，獲得相關(guān)認(rèn)證，符合相關(guān)要求。微動(dòng)開關(guān)在設(shè)備中的應(yīng)用按照故障導(dǎo)向安全的理念來進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果設(shè)備中的某個(gè)微動(dòng)開關(guān)出現(xiàn)故障，只會(huì)影響該線路的信號(hào)輸出，并不會(huì)影響到其他線路[1]。

通過對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖紙、指令表及接線圖等的仔細(xì)核實(shí)及相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)備的工作原理不是引起該類故障的原因。

2.2.2 參數(shù)及控制負(fù)載分析

微動(dòng)開關(guān)的主要關(guān)鍵參數(shù)如圖2所示。

圖2 微動(dòng)開關(guān)電壽命曲線

微動(dòng)開關(guān)在使用時(shí)的工作電壓在直流77～110 V之間，根據(jù)電壽命曲線，微動(dòng)開關(guān)觸點(diǎn)回路電流不小于12.13 mA。

微動(dòng)開關(guān)在運(yùn)用中的工況模擬如圖3所示。

圖3 微動(dòng)開關(guān)運(yùn)行工況模擬

微動(dòng)開關(guān)的工作電壓一般在直流77～100 V之間，當(dāng)繼電器的線圈電阻為6.35 kΩ時(shí)，微動(dòng)開關(guān)的輸入回路電流如下：

輸入回路電阻6.35 kΩ；

輸入100 V時(shí)，輸入電流為15.75 mA；

輸入90 V時(shí)， 輸入電流為14.17 mA；

輸入77 V時(shí)， 輸入電流為12.13 mA；

綜上，負(fù)載工況與微動(dòng)開關(guān)電氣特性匹配，微動(dòng)開關(guān)選型合適。

2.2.3 設(shè)計(jì)變更分析

微動(dòng)開關(guān)（見圖4）的殼體部分為PC類透明塑料材質(zhì)，固定接線處、安裝處、接縫處等均使用密封膠進(jìn)行密封，整個(gè)腔體部分滿足IP60的防護(hù)等級(jí)。開關(guān)的動(dòng)作部分采用特種硅橡膠密封帽進(jìn)行防護(hù)，保證密封功能，通過上述設(shè)計(jì)，形成一個(gè)相對(duì)密閉的空間，可以很好地滿足密封的要求。同時(shí)，硅橡膠密封帽還要滿足動(dòng)作部分在Ω形速動(dòng)簧（觸點(diǎn)形狀）和復(fù)位彈簧共同作用下，可以靈活動(dòng)作。

圖4 微動(dòng)開關(guān)結(jié)構(gòu)

通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)周圍環(huán)境氣壓在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大變化時(shí)，比如從低氣壓（高海拔）環(huán)境到高氣壓（低海拔）環(huán)境，根據(jù)氣壓隨海拔高度的變化規(guī)律曲線：

式中，P0為海平面大氣壓；P0為101.325 kPa；H為海拔高度。

以昆明到貴陽兩地來分析，通過查閱資料，昆明市海拔約為1895 m，氣壓約為811 hPa，貴陽市海拔約為1100 m，氣壓約為880 hPa。 帶入上述公式進(jìn)行驗(yàn)證，昆明氣壓計(jì)算結(jié)果為803 hPa，貴陽氣壓計(jì)算結(jié)果為886 hPa。計(jì)算結(jié)果基本與查閱資料結(jié)果相符合。

以已經(jīng)開通的高鐵線路為例來分析，昆明-貴陽的高鐵行程為不到3 h，通過對(duì)整個(gè)線路的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣壓接近貴陽的氣壓時(shí)，發(fā)現(xiàn)微動(dòng)開關(guān)的密封帽出現(xiàn)不同程度的壓癟狀態(tài)，因?yàn)槊芊饷钡膲喊T，對(duì)動(dòng)作部分產(chǎn)生一定的阻礙作用，由于本身動(dòng)作部分的釋放力值較小，介于0.2～0.5 N之間，故極有可能造成動(dòng)作部分無法正常彈出，進(jìn)而影響動(dòng)作指令的有效發(fā)出，產(chǎn)生前述故障[2]。

除了氣壓因素，其他因素如溫度或者濕度，在西南廣大地區(qū)因無明顯變化，故不再做進(jìn)一步分析。

2.2.4 線路驗(yàn)證

首先，對(duì)整個(gè)昆明到貴陽的線路進(jìn)行氣壓變化的驗(yàn)證，繪制曲線如圖5所示。

圖5 微動(dòng)開關(guān)隨氣壓變化

通過該曲線可以進(jìn)一步驗(yàn)證，氣壓變化較明顯時(shí)（兩地壓差超過8.5 hPa），微動(dòng)開關(guān)會(huì)出現(xiàn)壓癟現(xiàn)象。

2.2.5 信號(hào)測(cè)量

在線路測(cè)試的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步確定微動(dòng)開關(guān)壓癟對(duì)輸出指令的影響，考慮采用多通道示波器監(jiān)控電平信號(hào)變化并對(duì)監(jiān)控信號(hào)變化的時(shí)間，即為觸點(diǎn)接通或者斷開的時(shí)間。通過監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，能夠正常動(dòng)作的微動(dòng)開關(guān)觸點(diǎn)變化時(shí)間與壓癟后的微動(dòng)開關(guān)觸點(diǎn)變化時(shí)間無明顯差異，均為0.007 s左右，然而對(duì)于因壓癟無法正常彈出的，則差異會(huì)非常明顯（見圖6）。

圖6 示波器檢測(cè)開關(guān)觸點(diǎn)斷開到閉合

2.3 故障結(jié)論

通過上述分析得出如下結(jié)論：如果在線路運(yùn)行區(qū)間內(nèi)海拔變化較大，即氣壓升高較快，則氣密性較好，即防護(hù)等級(jí)高于IP60 的開關(guān)因與外界氣壓交換速度慢，內(nèi)壓小于外界大氣壓，微動(dòng)開關(guān)復(fù)位彈簧無法克服氣壓差造成的阻力（密封帽壓癟對(duì)動(dòng)作部分的阻礙作用），導(dǎo)致無法正常工作，進(jìn)而造成指令輸出異常，以及后續(xù)一系列的故障。

3 解決措施

3.1 密封性問題

可以采用對(duì)密封帽進(jìn)行穿孔的方式進(jìn)行解決，具體實(shí)施可以采用直徑1mm左右的特種彎針，對(duì)微動(dòng)開關(guān)的密封帽兩側(cè)進(jìn)行對(duì)穿孔，確保不傷及其他部件（見圖7）。這樣通過四個(gè)孔能使內(nèi)外氣壓達(dá)到快速平衡，同時(shí)，還能維持一定的防護(hù)等級(jí)。

圖7 穿孔示意

穿孔后進(jìn)行線路試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)再?zèng)]有出現(xiàn)指令輸出錯(cuò)誤的問題，故該解決措施有效。

3.2 普適性問題

除了西南云貴地區(qū)，隨著微動(dòng)開關(guān)在航空、軌道交通、船舶等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，中國自西向東的海拔高度變化極大，該類故障發(fā)生概率會(huì)非常普遍，在各領(lǐng)域使用過程當(dāng)中的隱患也會(huì)越來越大。穿孔措施只能作為短期措施來執(zhí)行，而且穿孔措施也會(huì)降低開關(guān)本身的防護(hù)等級(jí)，因此也會(huì)帶來別的一些問題。故為了解決該類問題的普適性，從根本上杜絕該類問題，需從如下幾方面來考慮。

3.2.1 動(dòng)作耐久性的問題

微動(dòng)開關(guān)在很多領(lǐng)域的使用壽命都是10～20年，需要選擇穿孔后的開關(guān)進(jìn)行動(dòng)作耐久性的試驗(yàn)，通過一定的試驗(yàn)裝置來模擬開關(guān)全壽命周期的動(dòng)作次數(shù)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來確定耐久性是否滿足[3]。

3.2.2 工藝改進(jìn)

后續(xù)生產(chǎn)工藝，需要從該類典型問題出發(fā)，在保證滿足防護(hù)等級(jí)的前提下，降低開關(guān)的密封性。

4 結(jié)語

在電氣控制系統(tǒng)當(dāng)中，很多故障問題都是與別的專業(yè)相關(guān)的。有些問題在該環(huán)境下長期使用均沒有出現(xiàn)，然而換個(gè)別的環(huán)境則會(huì)出現(xiàn)，且該問題可能會(huì)多次出現(xiàn)，需要我們具體問題具體分析。某些問題還需要結(jié)合別的專業(yè)知識(shí)來考慮，整個(gè)過程中，技術(shù)人員對(duì)某些故障的認(rèn)識(shí)也是隨著故障的解決來加深的。這對(duì)于技術(shù)人員來說都是極為寶貴的經(jīng)驗(yàn)。