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        探討提高信號繼電器技術(shù)性能的方法與途徑

        2010-07-13 08:24:00
        鐵路通信信號工程技術(shù) 2010年3期
        關(guān)鍵詞:鐵路信號接點繼電器

        劉 煒

        (沈陽鐵路信號工廠,沈陽 110025)

        1 信號繼電器的歷史與現(xiàn)狀

        鐵路信號與鐵路幾乎同時誕生,并伴隨鐵路的發(fā)展而發(fā)展。1825年在英國誕生世界第一條鐵路,1830年在英國利物浦—曼徹斯特鐵路上使用第一架有記載的信號機(jī),1856年第一套簡單的機(jī)械式車站聯(lián)鎖控制設(shè)備誕生。伴隨鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展,鐵路信號技術(shù)不斷提高和完善,鐵路信號繼電器也從無到有,體積由大到小逐步發(fā)展起來。在與信號機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)及車站聯(lián)鎖配合中,繼電器的品種、規(guī)格不斷增加。至本世紀(jì)初,隨著計算機(jī)技術(shù)在鐵路信號領(lǐng)域大量應(yīng)用,信號繼電器的品種和數(shù)量將逐步減少。

        目前,國內(nèi)AX繼電器按照國標(biāo)GB/T 7417-2001要求進(jìn)行產(chǎn)品制造和檢驗。從現(xiàn)場多年運(yùn)用的實踐來看,銀氧化鎘材料基本能滿足鐵路信號繼電器的安全要求,多年來沒有收集到信號繼電器在現(xiàn)場使用過程中,由于接點材料問題產(chǎn)生接點熔接造成安全事故的案例。

        從現(xiàn)場收集到的繼電器故障問題主要集中在線圈斷線、加強(qiáng)接點片由于疲勞等原因折斷和接點電阻不穩(wěn)定造成電路不正常工作等問題。與世界一流的信號產(chǎn)品比較,在產(chǎn)品質(zhì)量上還存在差距,在產(chǎn)品安全性、可靠性方面也存在標(biāo)準(zhǔn)和理念的不一致。

        2 AX繼電器使用存在的主要問題

        AX系列繼電器是國內(nèi)廣泛使用的鐵路信號繼電器,產(chǎn)品制造處于國內(nèi)先進(jìn)水平,初步估算目前使用的AX系列繼電器約在1 000萬臺以上。由于繼電器壽命管理期限為15年,實際還有超期使用的繼電器,因此,每年均能收集到繼電器使用出現(xiàn)故障或問題的報告,分析和總結(jié)故障案例,有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量。

        AX系列繼電器在使用中存在的主要問題如下。

        (1)JYJXC-135/220型繼電器線圈斷線、接點片疲勞斷裂。

        (2)JWXC-1700型繼電器線圈斷線、接點接觸不良造成電路功能失效。

        (3)JZXC-480、JZXC-H18型繼電器整流二極管擊穿損壞。

        (4)JBSXC-850/870型時間繼電器在使用過程中受干擾后可能造成控制電路功能失效,繼電器應(yīng)吸起時不吸起。

        對上述問題進(jìn)行分析,其原因如下。

        (1)從收集的現(xiàn)場繼電器故障數(shù)據(jù)分析,繼電器線圈斷線,與繼電器型號無直接關(guān)系。產(chǎn)品從出廠時間來看,2000年以前生產(chǎn)的繼電器所占比例較大,有些繼電器是1995年前后的產(chǎn)品,處于繼電器規(guī)定的壽命管理期限附近;但從繼電器功能及制造質(zhì)量來講,繼電器即使超過使用壽命,繼電器線圈也不應(yīng)出現(xiàn)斷線的故障。這與生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制和裝備的技術(shù)水平有關(guān)。

        (2)有極加強(qiáng)接點繼電器動接點在使用過程中存在斷裂現(xiàn)象,主要原因為有極加強(qiáng)接點繼電器銜鐵閉合與釋放時,受到的沖擊力較大,動接點運(yùn)動行程大(產(chǎn)品要求大于7 mm),造成動接點片疲勞斷裂。另一方面原因是在產(chǎn)品制造過程中存在動接點片表面劃傷現(xiàn)象。隨著鐵路運(yùn)行密度和車速的提高,每天繼電器動作次數(shù)明顯提高,個別繼電器使用年限或使用次數(shù)超出產(chǎn)品規(guī)定的期限,這也是繼電器動接點片斷裂的另一原因。

        (3)整流繼電器二極管損壞的原因可分為2種情況,有部分繼電器投入使用時間較短,有的是在開通過程中整流二極管損壞。其原因是繼電器開通階段,現(xiàn)場可能存在電流混電問題,造成二極管過流(或過壓)損壞。另一種原因是整流二極管本身存在“潛在”的質(zhì)量隱患,在使用過程中或當(dāng)外在的電氣或機(jī)械應(yīng)力提高,環(huán)境溫度或濕度的變化等造成“潛在”隱患變成實際電子元件的故障。近年,工廠在繼電器的生產(chǎn)過程中,將二極管逐件進(jìn)行老化篩選,整流繼電器的電子元件早期失效問題得到很好的解決。

        (4)時間繼電器由于抗電磁干擾能力不強(qiáng),造成JBSXC-850/870型繼電器使用過程中功能失效。時間繼電器是因為現(xiàn)場配線施工不規(guī)范或沒有考慮到電磁干擾,沒有將屏蔽線的地線有效“接地”,因此造成繼電器電源線感應(yīng)到高頻電壓信號,繼電器不能正常工作。解決問題的主要辦法是提高時間繼電器的抗干擾能力,在繼電器電源線上增加“磁環(huán)”,降低耦合干擾產(chǎn)生的電信號,采取措施后,實際效果良好。

        3 國際標(biāo)準(zhǔn)與國家標(biāo)準(zhǔn)對照存在的主要差異

        國標(biāo)GB/T7417-2001《AX系列繼電器》與國際鐵路聯(lián)盟UIC736R《信號繼電器》標(biāo)準(zhǔn)對照,由于對信號系統(tǒng)及器件的安全理解存在一些差異,造成標(biāo)準(zhǔn)之間存在不同,其主要差異如表1所示。

        通過表1可知,UIC736R標(biāo)準(zhǔn)與國標(biāo)GB/T7417-2001的主要差異在于產(chǎn)品設(shè)計的安全性與可靠性,主要體現(xiàn)在3個方面:(1)UIC標(biāo)準(zhǔn)更加強(qiáng)調(diào)繼電器(N型)結(jié)構(gòu)設(shè)計必須采用強(qiáng)制引導(dǎo)的接點結(jié)構(gòu);(2)接點必須采用無熔焊危險的材料;(3)繼電器的使用過程中,抗振動性能應(yīng)達(dá)到較高的水平。

        表1 國標(biāo)GB/T7417-2001與鐵路聯(lián)盟UIC736R標(biāo)準(zhǔn)比較表

        4 信號繼電器改進(jìn)的方法與途徑

        國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)近年來不斷改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量,提高工藝制造水平和生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制能力,結(jié)合現(xiàn)場收集的數(shù)據(jù)分析,企業(yè)主要進(jìn)行了如下改進(jìn)。

        (1)繼電器線圈繞制工藝的提高。將繼電器線圈架材質(zhì)由熱固性塑料改為熱塑性塑料,雖然材料的成本成倍增加,但提高了零件加工精度和生產(chǎn)效率,解決了生產(chǎn)和使用過程零件易損壞等問題;采用數(shù)控設(shè)備繞制線圈,使線圈的匝數(shù)誤差控制在±1匝,線圈繞制的一致性大大提高;采用3 m絕緣膠帶進(jìn)行線圈表面絕緣封閉,解決線圈引線端絕緣及斷線問題,這樣從整體上提高線圈質(zhì)量和制造水平,也大大減少了繼電器故障數(shù)量。

        (2)減少繼電器接點電阻。繼電器接點的接觸電阻一直是生產(chǎn)過程控制的一個難題。近年來雖未改進(jìn)生產(chǎn)工藝,但注意生產(chǎn)過程和生產(chǎn)環(huán)境對銀接點表面的影響,并在觸頭制造成型后就采取必要保護(hù)措施,注意接點保護(hù)的持續(xù)性和有效性,特別注意生產(chǎn)環(huán)境中溫度、濕度及有害氣體可能對接點表面的影響。通過采取有效措施并注意環(huán)境對接點電阻的影響,取得了比較好的控制效果,特別是近一年來,繼電器接點電阻控制明顯好于從前,不論是產(chǎn)品出廠檢驗、現(xiàn)場測試及產(chǎn)品壽命試驗,繼電器接點電阻都能比較穩(wěn)定地控制在50 mΩ以下。

        (3)對加強(qiáng)接點單元進(jìn)行改進(jìn),在動片根部增加輔助片,減少動接點片在工作中應(yīng)力集中,還能有效地防止生產(chǎn)過程中可能在動接點片上產(chǎn)生的劃痕。改進(jìn)后,加強(qiáng)動接點片在繼電器正常使用中斷裂問題基本得到了解決。

        (4)AX繼電器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)與UIC標(biāo)準(zhǔn)對照存在的差異,很難通過產(chǎn)品改進(jìn)得到根本解決,很多問題是由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計階段遵守的標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品安全理念不同而產(chǎn)生的結(jié)果。如果想得到根本解決,必須重新制定產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)條件,重新思考產(chǎn)品安全準(zhǔn)則,研制新系列的信號繼電器,使信號繼電器的產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)性能達(dá)到世界先進(jìn)水平。

        (5)過去在6502電路中,繼電器主要控制對象是繼電器間的邏輯、點燈電路和道岔電路,相對來講,繼電器接點電阻的變化對繼電器的功能影響較小。在繼電器與計算機(jī)配合使用的電路中,繼電器接點電阻對完成電路功能影響較大,有時接點電阻變化幾十毫歐或幾百毫歐,可能直接影響到電路控制或檢測功能,造成信號系統(tǒng)某項功能失效,影響行車安全。

        為此,提出開發(fā)研制適合高速鐵路和客運(yùn)專線要求的新型鐵路信號繼電器。

        5 新型鐵路信號繼電器的研制

        京津客運(yùn)專線的開通使用,標(biāo)志著我國高速鐵路及鐵路信號技術(shù)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。為了提升國產(chǎn)信號繼電器的質(zhì)量與性能,滿足鐵路市場對信號繼電器安全性、可靠性的質(zhì)量要求,使國內(nèi)鐵路信號產(chǎn)品的制造達(dá)到世界先進(jìn)水平,擬制定開發(fā)研制適合于客運(yùn)專線及高速鐵路使用的新型信號繼電器計劃,重點從信號繼電器的安全性、可靠性和可維護(hù)性要求進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計,新型繼電器設(shè)計應(yīng)解決好以下問題。

        (1)新型繼電器在規(guī)定的使用壽命期限內(nèi),不應(yīng)存在使用安全隱患。設(shè)計中必須做到繼電器采用強(qiáng)制引導(dǎo)的接點結(jié)構(gòu),保證動合接點與動斷接點不能同時處于閉合狀態(tài);繼電器額定電壓應(yīng)能滿足24、50 V的要求。

        (2)新型繼電器接點材料的選擇既要保證使用安全、不能產(chǎn)生接點熔焊的問題,又要考慮國內(nèi)信號系統(tǒng)對接點電阻穩(wěn)定性的要求,符合國際鐵路信號標(biāo)準(zhǔn)對接點材料的要求,滿足信號繼電器未來可能與列控系統(tǒng)配套出口中存在的技術(shù)問題,因此,應(yīng)考慮實現(xiàn)兩種接點材料替換時的可行性和方便性。

        (3)應(yīng)將信號繼電器的振動和絕緣耐壓能力提高到UIC736R標(biāo)準(zhǔn)要求的水平,即新型繼電器的抗振動能力應(yīng)為5~22 Hz,最大振幅為1 mm,振頻為22~50 Hz,加速度為2 g,繼電器必須保證使用的可靠性。

        (4)新型繼電器的絕緣耐壓,包括整流和緩放繼電器均應(yīng)能承受交流正弦波50 Hz、2 000 V有效電壓值,歷時1 min無擊穿和閃落現(xiàn)象的要求。

        (5)應(yīng)保證無極、偏極和整流普通接點繼電器的質(zhì)量,使繼電器達(dá)到使用壽命15年或使用次數(shù)2×106次的要求;適當(dāng)提高有極加強(qiáng)接點繼電器和無極加強(qiáng)接點繼電器的使用壽命,延長繼電器維修周期;逐步建立由生產(chǎn)廠家為主體的信號繼電器維修體制,由維修中心進(jìn)行繼電器維修工作,保證繼電器在使用周期內(nèi)的安全性和可靠性。

        (6)新型繼電器的插接方式應(yīng)保持與AX系列繼電器插座通用。在此基礎(chǔ)上,還應(yīng)設(shè)計適合現(xiàn)場非焊接式配線要求的插座,保證與繼電器插接方便,接觸可靠,安裝和固定方式既能在室內(nèi)使用,又能保證道旁安裝使用時的可靠性,從而達(dá)到繼電器插接的可靠性和安全性。

        [1] 《中國鐵路信號史》編委會.中國鐵路信號史[M].北京:中國鐵道出版社,1989.

        [2] GB/T7417-2001 AX系列繼電器[S].

        [3] UIC736R-2004 信號繼電器[S].

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