一種軌道交通繼電器的設計

卓彬

（廈門宏發電聲股份有限公司，福建 廈門 361021）

0 引言

繼電器作為一種自動控制“開關”，以其獨特的小信號控制較大負載的特性，被視為設備的自動控制、遠程控制和智能控制的核心元件之一[1]，也因此被廣泛應用于航空航天、工業控制及軌道交通領域。繼電器作為控制回路的“大腦”，一旦發生故障，就會引發被控制回路誤動作，出現安全問題[2]。南寧軌道交通集團的羅志驍對車輛控制故障進行統計分析，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行質量和效率有極大影響。

該文將根據軌道交通繼電器的應用特點“對癥下藥”，采用正向設計思路，對繼電器的零部件結構、材料到成品的試驗驗證進行了設計，確保繼電器的性能及可靠性能滿足軌道交通要求。

1 軌道交通繼電器應用特點

軌道交通領域作為繼電器應用的一個細分市場，其獨特的負載條件和應用環境對繼電器的性能有特殊的要求。鐵路機車的設計壽命一般為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，也可直接控制機車制動閥等沖擊負載。因此，耐久性高、負載條件復雜是軌道交通繼電器的兩個重要特點。另外，當列車處于不平穩線路運行或進行緊急制動時，需要確保繼電器不發生誤動作，所以抗沖擊和振動性能也是軌道交通領域對繼電器的獨特要求。其他如防火、耐霉菌、耐腐蝕等也是軌道交通繼電器設計時應考慮的主要因素。

2 技術指標要求

軌道交通領域對車載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）動作電壓嚴苛。-40℃～80℃，動作電壓≤67% Un，釋放電壓≥10% Un。2）耐久性。電耐久性設計要求250萬次，機械耐久性要求500萬次。3）沖擊和振動。滿足IEC 61373標準規定Ⅰ類B級車體安裝要求。4）防火。滿足EN45545-2標準規定的風險等級HL3要求。5）長霉。滿足GB/T 2423.16-2008電工電子產品環境試驗第2部分：試驗方法試驗J及導則規定的2b要求。6）鹽霧。35℃，5%NaCl，96h，不允許有影響繼電器功能的機械損傷。

為滿足車輛對大負載切換的多組強制導向繼電器的需求，該文設計了一款額定切換負載為12A的4組雙通雙斷強制導向安全繼電器HFRB400，包括繼電器的結構設計、材料選擇和試驗驗證，并充分考慮了軌道交通繼電器的實際應用及特殊要求，確保繼電器的性能能滿足軌道交通領域的要求。

3 繼電器設計

3.1 繼電器總體設計

電磁繼電器主要由磁路系統和接觸系統、防護系統等部分組成。HFRB400繼電器結構圖如圖1所示。由圖1可知，繼電器整體為拍合式結構設計。磁路系統和接觸系統分別位于繼電器的上方和下方，外殼和底座構成的防護系統將磁路系統和接觸系統“包裹”在內部。防護系統的設計不僅能有效防止異物進入繼電器內部，而且還能保護繼電器內部的金屬件不被外部環境腐蝕。通過結構的細化，整個繼電器的防護等級達到IP40，滿足軌道交通領域及繼電器IP40的防護要求。

圖1 拍合式繼電器結構圖

3.2 磁路系統設計

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

傳統的磁路設計采用試錯法，不僅增加研發成本，效率也極低。隨著有限元仿真技術的廣泛應用，產品的開發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，鐵芯與軛鐵固定位置磁通密度相對較大，分析認為是該處軛鐵與鐵芯接觸面積小，且二者用導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

在滿足繼電器設計功能的同時，零部件材料的選擇也極為重要。對金屬材料，一般優選耐腐蝕的不銹鋼或銅質材料，而對軟磁材料或碳鋼等易腐蝕的金屬零件，需要增加防護處理。銜鐵閉合時復原簧片的應力分布如圖3所示。從仿真結構可以看出，最大應力為71.75MPa，遠小于不銹鋼的疲勞應力水平。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不會老化斷線或因溫度升高而失效。

圖3 復原簧片應力分布

3.3 接觸系統設計

接觸系統是繼電器的“心臟”，通號（西安）軌道交通集團的趙正元認為80%以上的繼電器故障率發生在接觸系統[4-5]。因此，接觸系統的可靠性是繼電器設計的核心。

繼電器的接觸系統一般由動觸點、靜觸點、與動靜觸點相連的簧片以及固定靜簧片的底座組成。靜觸點與靜簧片鉚接后固定在底座上，動觸點與動簧片為一體復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”形設計。確保繼電器接觸系統滿足EN 50205強制導向（機械連鎖）繼電器標準的要求。

控制回路的負載特性很大程度上決定了動、靜簧片的材料選擇和結構設計。簧片結構的柔性、材料的耐疲勞性以及高溫應力釋放水平的高、低對電耐久性要求高達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計方案，材料為導電性、導熱性較好的高導電銅帶。靜簧片形變量最大時的應力分布如圖4所示，最大應力位于折彎處約150MPa，遠小于材料的高周疲勞應力水平。因此，通過仿真分析，確保繼電器滿足107次耐久性設計要求。

圖4 靜簧片應力分布

觸點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、接觸電阻低而穩定的觸點材料更具優選性。AgNi和AgSnO2觸點材料因其優越的性能而被青睞。根據經驗，AgNi觸點接觸電阻的整體水平及耐磨性略優于AgSnO2觸點，但抗黏結性不及AgSnO2觸點。因此，針對軌道交通的實際應用，HFRB400兼具兩種不同觸點材料的規格，以滿足不同負載類型的應用要求。

為確保結構設計的穩健并滿足功能性的要求，經有限元分析，得出電磁吸力于反力的匹配曲線，如圖5所示。由圖5可知，當線圈激勵電壓達到48%Un時，繼電器可正常動作；當線圈激勵電壓降低至10%Un時，繼電器能可靠釋放，滿足設計要求。

圖5 HFRB400吸-反力匹配曲線

3.4 防護系統設計

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部，鐵路繼電器標準要求繼電器的防護等級須滿足IP40。

在底座、外殼等塑料材料選擇方面，優先選擇阻燃等級高、煙密度指數低、氧指數高的塑料材料，以滿足EN 45545-2標準規定的防火要求。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度和尺寸穩定性，還需要考慮材料的絕緣性能。

3.5 設計試驗驗證

3.5.1 設計試驗

鑒于軌道交通中間繼電器的特殊應用條件，該方案在滿足軌道交通領域對繼電器特殊要求及產品可靠性要求的同時，增加了典型應用負載電耐久性試驗，設計的試驗項目見表1。

表1 試驗項目

3.5.2 試驗結果及分析

所有的樣品均通過標準要求的耐久性試驗、環境試驗及強制導向機械連鎖試驗，且試驗后的電氣參數均滿足標準要求。

其中，典型應用負載及機械耐久性項目對應的樣品試驗結果遠高于標準要求的耐久性次數。防火試驗后的樣品未起燃。長霉試驗后，樣品在50倍放大條件下未發現明顯長霉。鹽霧試驗后，樣品內部金屬件及外觀未發現腐蝕等不良現象。因此，環境試驗項目也顯著高于標準要求。

經驗證，該文所設計的4組額定電流為12A雙通雙斷強制導向安全繼電器滿足軌道交通領域對繼電器的特殊要求。

4 結語

該文結合繼電器在軌道交通領域的實際應用及軌道交通對繼電器的特殊要求，采用正向設計思路，設計了一款額定電流12A的4組雙通雙斷強制導向安全繼電器。從磁路系統、接觸系統及防護系統的結構設計、材料選擇等方面闡述繼電器的設計思路，并對關鍵結構件進行了有限元仿真，以驗證結構的穩健性。最后對繼電器成品進行電耐久性、機械耐久性、沖擊和振動、防火、長霉、鹽霧試驗等試驗驗證，試驗結果均滿足相應的標準要求。