沖擊和振動試驗對車載直流高速斷路器質量的影響及建議

關鍵詞：高速斷路器，沖擊，振動，質量控制

0引言

城市軌道交通是目前人們出行的主要交通方式之一。隨著城市軌道交通線網規模的不斷擴大，城市軌道交通裝備的質量水平日益受到重視，其主要原因如下：

（1）保障乘客安全：城市軌道交通構成了城市公共交通系統的關鍵一環，每日承載著龐大的客流量。故而，增強裝備的安全性是確保乘客安全出行的核心所在。

（2）維護運營穩定：城市軌道交通系統的穩定運行對于城市交通的順暢至關重要。如果裝備出現故障，可能會導致列車停運、延誤或取消，從而影響整個交通系統的穩定運營。

（3）應對復雜環境：城市軌道交通系統通常需要在復雜的環境中運行，涉及高架橋、地下隧道、地面道路等多種地形以及多樣的氣候條件。這些復雜的環境條件對裝備質量提出了更高的要求。因此，需要不斷改進和創新裝備技術，以適應各種復雜環境。

1高速斷路器的作用及應用現狀

高速斷路器在城市軌道交通裝備領域中扮演著至關重要的角色。其作用主要包括以下3方面：

（1）核心保護設備：城市軌道交通車輛牽引系統的關鍵保護組件為高速斷路器。當電路遭遇過載、短路等異常情況時，高速斷路器能即刻中斷電流流通，有效防止電路及車輛相關設備遭受損害。

（2）確保安全運行：在車輛載客運營期間，高速斷路器始終處于直流高電壓及大電流的工作條件之中，其穩定的開合能力對于保障供電系統及車輛安全、順暢運行具有關鍵作用。若高速斷路器發生誤動作或損壞，將可能對車輛的正常運行造成重大干擾，嚴重時還可能誘發安全事故。

（3）預防故障：高速斷路器在防范牽引供電系統發生短路故障的過程中扮演著至關重要的角色。通過及時切斷故障電流，它可以有效防止故障擴大，降低故障對車輛和供電系統的影響。

目前城軌車輛高速斷路器在行業內的應用狀況基本良好，但是在長期運維中外殼及框架結構時常會有開裂的情況，如圖1所示。開裂有一定的發展過程，一般在造成嚴重后果前可在檢修過程中被發現。處理的辦法是更換開裂的部件，但是這樣就增加了人力及運維的成本，且不能達到產品的使用年限，甚至發現不及時也可能產生安全隱患。嚴重時可能影響高速斷路器正常分合閘，甚至可能引起高速斷路器本身燒毀，波及附近的設備。高速斷路器在應用過程中存在的開裂情況，很大程度上是由于在產品定型階段進行沖擊和振動試驗中考核不充分造成的。

2沖擊和振動試驗標準對比

目前，城市軌道交通領域廣泛采用的沖擊與振動試驗標準主要是GB/T21563《軌道交通機車車輛設備沖擊和振動試驗》（該標準基于國際標準IEC61373進行了修訂），標準版本之間主要差異詳見表1[1-4]。歸根結底，主要差異在于模擬長壽命試驗的振動量級發生了變化，詳見表2，IEC61373—2010版標準比IEC61373—1999版標準試驗要求有明顯降低。

3高速斷路器開裂與沖擊和振動試驗的關系分析

沖擊和振動試驗是對高速斷路器抗振動沖擊特性的有效驗證。充分且規范地進行試驗可以預先發現質量問題，有效減少批量生產的高速斷路器在運維過程中的開裂情況。對于在沖擊與振動試驗過程中可能欠考核的方面，總結如下：

（1）試驗標準選取不適宜

到底是依據IEC61373：1999（GB/T21563—2008）進行沖擊和振動試驗，還是依據IEC61373：2010進行。2個標準試驗時的嚴酷程度存在差異，IEC61373：1999（GB/T21563—2008）對模擬長壽命試驗的要求更嚴苛。依據IEC61373：2010進行沖擊和振動試驗雖然更容易通過，但產品的抗振動沖擊的特性難以得到充分驗證。

高速斷路器依據的產品標準為GB/T21413.3—2023《軌道交通機車車輛電氣設備第3部分：電工器件直流斷路器規則》。產品標準中已經明確了振動的試驗標準“按GB/T21563—2018進行，加速度比例系數為7.83”，即應按照IEC61373：1999的試驗方法進行振動試驗。

（2）試驗等級選取不適宜

沖擊和振動試驗根據設備在車上的位置將試驗等級進行了分類。分類如下：

1類車體安裝

A級車體上（或下部）直接安裝的柜體、組件、設備和部件。

B級車體上（或下部）直接安裝的箱體內部的組件、設備和部件。

2類轉向架安裝

3類車軸安裝

到底是按照“1類A級”進行沖擊和振動試驗，還是按照“1類B級”進行。2個試驗等級的嚴酷程度存在差異，“1類B級”明顯更嚴酷。高速斷路器根據集成方式不同，可集成在高壓箱、牽引逆變器等箱體內，均屬于“1類B級”，應按照該類別的試驗參數要求進行試驗。此處的試驗類別是容易被忽略的地方，但如果產品依據“1類A級”的試驗參數進行測試，抗振動沖擊的特性難以得到充分驗證。

（3）實際安裝取向考慮不全面

沖擊和振動試驗標準中定義的縱向與橫向均是以車輛為基準，且在車輛縱向上的抗振動沖擊要求比橫向更高。高速斷路器在設計制造的過程中，難以確定應用時的安裝取向，實際的安裝取向和具體應用有關。如圖2所示，在實際應用過程中，高速斷路器的縱向可能與車輛的縱向一致，也可能不一致。

高速斷路器在垂向上的安裝方向可以明確，但水平方向上存在2種安裝取向的可能，均需按照更嚴苛的“縱向”要求進行有效驗證。如果進行沖擊和振動試驗時避重就輕，僅進行一種安裝取向的沖擊和振動試驗，其他可能安裝取向的抗振動沖擊特性將不能得到充分驗證。

4結語

對于車輛設備或部件，規范進行沖擊和振動試驗對產品的質量控制有重要作用。建議相關方編制沖擊和振動試驗大綱時，可以重點關注試驗標準版本、試驗等級、安裝取向等方面，尤其是標準版本的選取和實際安裝取向的考慮。

對于試驗標準版本的選擇，若產品標準中已經明確了沖擊和振動試驗應依據的試驗標準，則應嚴格執行；在產品標準缺失或未明確具體指導的情況下，對于技術較為成熟的車輛設備或組件，推薦使用IEC61373：2010標準進行沖擊與振動試驗，這有助于適度放寬對產品結構強度的要求，進而削減生產成本。然而，針對技術、工藝尚待完善的車輛設備或組件，則建議優先考慮遵循IEC61373：1999標準進行沖擊與振動試驗，防止試驗時考核不充分，留下質量隱患。

在考量實際安裝方向時，若產品于兩個或三個軸向的具體安裝方向尚未明確，則針對這些未知的軸向，均應依據最為嚴苛的等級來完成相應的試驗。如果產品在設計時已經明確限定了使用安裝取向，建議制造商明確說明產品的安裝取向要求，避免誤使用。