楊建榮

（國網(wǎng)吉林省電力有限公司，長春 130021）

0 引言

急?？刂齐娐愤壿嬊逦⒔Y(jié)構(gòu)簡單，研究這類電路控制可靠性的文獻幾乎沒有，能檢索到的文獻[1]不具有直接相關(guān)性且年代較久遠。由于這類電路的啟用機率小，大量的工業(yè)實踐也很少有因其失控而引發(fā)的電氣故障，所以易被設(shè)計人員忽視而疏于詳細分析。隨著電動助動車的大量涌現(xiàn)，在行駛途中需要頻繁制動，急停電路使用頻率急劇增大。在恩施城內(nèi)突發(fā)急停故障，事發(fā)后拆卸電門鎖開關(guān)、左右手把的剎車斷電開關(guān)及保險開關(guān)，帶回實驗室檢測。

1 檢查與解構(gòu)

1.1 開關(guān)檢測結(jié)果

電門鎖、保險開關(guān)動作正常。用萬用表檢查左右斷電開關(guān)電阻見表1。結(jié)果（表中OL是顯示值表示開路）表明左制動開關(guān)正常，右制動開關(guān)接通時的接觸電阻異常。

表1 左右制動斷電開關(guān)電阻

1.2 結(jié)構(gòu)解剖分析

解構(gòu)左側(cè)開關(guān)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。觸點的接觸與釋放、按鈕的按下與松開都處在一個同心軸方向上。軸向上的彈簧既是按鈕松開后的復(fù)位動力，又是觸點接觸加壓的動力，結(jié)構(gòu)簡單、可靠性極高。

圖1 左側(cè)開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

解構(gòu)右側(cè)開關(guān)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。按鈕按下、松開與觸點接觸、脫離的移動方向相互垂直，觸點從斷開到閉合，需經(jīng)軸向彈簧釋放與橫向彈簧釋放兩個動作環(huán)節(jié)，而且觸點加壓的橫向彈簧受制于軸向移動的影響，其彈力有限。定觸點平面用肉眼可觀察到高低不平，故相對左側(cè)開關(guān)動作的可靠性很低。此為導(dǎo)致不到一年時間即出現(xiàn)開關(guān)接觸不良的原因。

圖2 右側(cè)開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2 電路安全性分析

2.1 本質(zhì)安全的設(shè)計要求

GB/T 25295電氣設(shè)備安全設(shè)計導(dǎo)則（4.2.1）指出安全要求的一般原則，在以下四種條件下電氣設(shè)備的使用是安全的：①在整個生命周期；②在技術(shù)標準規(guī)定的正常使用條件時單一故障條件下；③在合理預(yù)見的設(shè)計目的；④在正確安裝、運行和維護的條件下。而本質(zhì)安全的電氣電路設(shè)計要求則是通過設(shè)計手段使生產(chǎn)過程和產(chǎn)品性能本身具有防止危險發(fā)生的功能，即使在誤操作的情況下也不會發(fā)生事故。

2.2 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計存在安全隱患

由廠方給出的電氣原理圖3可以看到，制動斷電開關(guān)是采用并聯(lián)連接形式（圖中粗實線部分）。左右任何一個剎車手把制動開關(guān)自動接通，都會輸出一個高電平觸發(fā)信號，控制器接收到信號后就會即刻切斷電機供電。表面上看，這個并聯(lián)結(jié)構(gòu)自動動作是合理的，但如果仔細分析前后輪剎車與左右開關(guān)的各種正常與故障組合條件下車輛的最終運行狀態(tài)（見表2），則會發(fā)現(xiàn)存在嚴重的人身安全事故隱患。

圖3 電氣原理圖

表2 動作組合結(jié)果分析

車輛僅對前輪制動時，若開關(guān)沒能接觸導(dǎo)通，則后輪上的電機仍在驅(qū)動車輛繼續(xù)前行，此時前輪會由不平衡狀態(tài)朝著呈90°轉(zhuǎn)向的平衡位置扭轉(zhuǎn)，駕駛員將在意外情形下，失去平衡而與車身同時倒地。以下暫不分析由連接剎車斷電導(dǎo)線斷線導(dǎo)致的無法斷開電機電源的危險故障。

2.3 制動電路的實際可靠度小于設(shè)計值

助動車的行業(yè)標準要求剎車時可靠斷開電機電源。設(shè)左右剎車單個開關(guān)整體接通故障率為λ1、λ2，且故障率按e?x指數(shù)分布，則電機在剎車時左右兩個并聯(lián)開關(guān)S1、S2的接通設(shè)計的可靠度[2]為

僅僅滿足這個斷電的要求是不夠的，由分析得知還存在前輪制動而S2沒有接通，電機電源沒有斷開的風(fēng)險隱患項。而這個風(fēng)險僅僅是由S2的接通可靠度決定，與S1的接通可靠度無關(guān)。顯然相對于原設(shè)計的開關(guān)并聯(lián)接通可靠度而言，此時的安全行駛可靠度降低了。假設(shè)λ1≈λ2，則其降低倍數(shù)B約為

2.4 單個制動開關(guān)接通可靠度右側(cè)小于左側(cè)

當仔細分析S1、S2開關(guān)觸點接通的機械結(jié)構(gòu)差異時，還可以看到開關(guān)接通的可靠度不僅依賴觸點接觸可靠度，還依賴于機械動作機構(gòu)的可靠度。

設(shè)軸向滑動的可靠度為R1，橫向滑動的可靠度為R2，左右開關(guān)的觸點接通可靠度為R3、R4，左右開關(guān)整體動作可靠度為Rz、Ry，則

由于Rx＜ 1（x=1,2,3,4）且R4＜R3，則

顯然故障率高的右側(cè)開關(guān)不適宜用于這種安全斷電的場合。不能因為機械結(jié)構(gòu)上安裝方便而選用卻忽略分析接觸不可靠所帶來的隱患。尤其是開關(guān)恰好被安裝在存有危險停車故障的右手把上，若按下剎車把不能預(yù)期關(guān)斷電機電源，就會發(fā)生人車倒地。恩施的急停故障案例，則是駕駛員倒地后被摔進了路邊的深山溝中，并因流血過多不治身亡。

3 解決途徑

增加冗余的并聯(lián)開關(guān)，比如在右開關(guān)上再并聯(lián)一個開關(guān)，可靠度可以增加，但僅僅按下右剎車時，電機沒斷電的隱患依然存在。要杜絕這個危險故障產(chǎn)生的安全隱患，需要另辟途徑。

3.1 采用串聯(lián)斷電電路結(jié)構(gòu)

從左手把開關(guān)S1結(jié)構(gòu)可以看到這個開關(guān)的觸點斷開的可靠度幾乎為100%。故將右剎車開關(guān)也改用左開關(guān)結(jié)構(gòu)形式，將原來并聯(lián)常態(tài)斷開的電路，改為串聯(lián)常態(tài)閉合的結(jié)構(gòu)形式，如圖4所示。此時即便開關(guān)觸點出現(xiàn)接觸不良的故障，也僅僅是一次斷開電機電源的安全故障[3]，而不會是引發(fā)車禍的危險故障。

圖4 串聯(lián)急停電路

3.2 制動電路改進前后右手把的可靠度比較

1）不考慮觸點接觸差異時的開關(guān)整體可靠度

剎車電路改進后，右手把電機斷電信號可靠度增加值B的計算。設(shè)軸向滑動的可靠度為R1，橫向滑動的可靠度為R2；改進前觸點接通可靠度為R5，改進前開關(guān)閉合的整體可靠度為Rq，改進后觸點斷開的可靠度為Rx，改進后開關(guān)斷開的整體可靠度為Rh。依據(jù)普通微動開關(guān)使用壽命均為10 000次，將改進前為確保接通的每個動作環(huán)節(jié)故障率暫且均設(shè)為λ1=0.000 01，改進后為確保接通的每個動作環(huán)節(jié)故障率均為λ2，則有λ2<<λ1。設(shè)λ2＜0.000 005，則在同一個單位t時間段內(nèi)，開關(guān)整體輸出的可靠度為

改進后與改進前的開關(guān)整體平均壽命[4]比值為

即改進前約為0.000 03的故障率，現(xiàn)在已經(jīng)不存在，而且開關(guān)的平均壽命也至少增加了9倍。

2）考慮接觸方式差異時的觸點接觸可靠度

如果僅僅考慮觸點接觸接通的可靠度，則在同一種使用環(huán)境下，小電流會更容易使觸點的阻值變大[5]；且觸點改動之前是面接觸，之后是線接觸的可靠度差異[6]。即在觸頭外加壓力F相同的條件下，點接觸形式下每個接觸點所承受的壓力最大，也就是最容易破壞接觸表面的氧化膜，從而使膜電阻減小。反之，面接觸的接觸點數(shù)n最多，排除和破壞表面膜的能力小，膜電阻就增大。線接觸介于兩者之間；同時當接觸壓力較小如彈簧壓力小于9N時，面接觸的接觸電阻反而比點接觸或線接觸的接觸電阻大，接觸電阻Rj與接觸形式的關(guān)系見表3[7]。

表3 接觸電阻Rj與接觸形式的關(guān)系（銅）

在此借用這個表中面接觸與線接觸的阻值比：1 900/330=57，作為接觸故障率λ的比值，并假設(shè)故障率與接觸電阻是線性相關(guān)并且相關(guān)系數(shù)k=1，則改進后觸點接通可靠度與平均壽命評估比較值分別為

改進后的開關(guān)不僅觸點接通的可靠度大幅度增加，且其接通壽命也為改進前的57倍，這就意味著改進后的安全故障率也大幅度降低。

3.3 串聯(lián)斷電結(jié)構(gòu)的可靠度

1）串聯(lián)斷電結(jié)構(gòu)的可靠度計算式

對于輸出是開關(guān)斷開后的信號來講，開關(guān)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的電路如圖4所示，其信號可靠度的邏輯框圖[8]如圖5所示。它是任一開關(guān)斷開后就會有輸出信號的或關(guān)系。設(shè)S1、S2開關(guān)觸點斷開的滑動機械結(jié)構(gòu)與原左手把開關(guān)相同，設(shè)開關(guān)整體觸點斷開的故障率為λ，且故障率按e?x指數(shù)分布，R(t)、F(t)分別為斷開可靠度與不可靠度，則電機在制動時兩個串聯(lián)開關(guān)斷開可靠度為

圖5 串聯(lián)急停電路的可靠度邏輯

式中：R(t)為開關(guān)斷開可靠度；RS1、RS2為左手剎和右手剎車斷開的強度。

改進后的左右開關(guān)串聯(lián)后的斷開可靠度與改進前開關(guān)并聯(lián)接通的可靠度計算式形式是一樣的。同理，改進后單個制動開關(guān)斷開的可靠度與改進前單個開關(guān)接通的可靠度計算式的形式也是一樣的。

2）串聯(lián)斷電結(jié)構(gòu)的可靠度及增加值

由于串聯(lián)常閉與并聯(lián)常開的急停開關(guān)的可靠度計算式完全相同，所以兩者的可靠度完全取決于每個開關(guān)的可靠度。改進后的右開關(guān)，采用左開關(guān)結(jié)構(gòu)形式，由3.2節(jié)的比較分析得，改進后單個可靠性遠大于改進前的右手把開關(guān)的可靠度。而串聯(lián)常閉結(jié)構(gòu)的可靠度，則可由式（7）、式（12）計算得出，其可靠度與單個開關(guān)的可靠度是一致的。由于

則

而改進前，由于存在本質(zhì)不安全的故障隱患，導(dǎo)致并聯(lián)結(jié)構(gòu)可靠度已經(jīng)變?yōu)閮H由單個開關(guān)的可靠度所決定。所以，改進后的可靠度比改進前的可靠度增加值及壽命增加的比值仍維持式（6）～式（9）中所得出的結(jié)論不變。

3.4 串聯(lián)電氣自動急停開關(guān)結(jié)構(gòu)的一般邏輯特征

串聯(lián)安全斷電急停開關(guān)控制電路結(jié)構(gòu)，類似于左側(cè)開關(guān)簡單可靠的急停按鈕，實際上普遍應(yīng)用于各類電器控制的緊急停止電路中，以及接觸器需要互鎖時的常閉互鎖電路上[9]。

電工手冊中15t/3t的交流起重機控制線路中的控制回路電源控制繼電器C，零位限位開關(guān)FTK、XTK、DTK，艙口蓋及橫梁欄桿門上的安全開關(guān)，電機過電流繼電器LJ開關(guān)需要急?？刂?，其常閉觸點全部串聯(lián)在繼電器C的線圈回路中，如圖6所示。

圖6 15t/3t起重機控制回路電源啟動急停原理圖

電梯電氣控制電路中電源繼電器YJ，需要急停的安全鉗開關(guān)、限速器斷繩開關(guān)、電機過熱檢測開關(guān)的常閉觸點也都是串聯(lián)在控制電源繼電器的線圈回路中，如圖7所示。

圖7 電梯控制電源回路啟動急停原理圖

翻閱其他常用生產(chǎn)機械電氣控制電路中的急?？刂疲瑒t無一例外全部采用串聯(lián)常閉停止。

目前最普遍使用的LA38型按鈕內(nèi)部結(jié)構(gòu)與手指按下狀態(tài)如圖8所示，動觸點、按鈕帽與前述的左側(cè)開關(guān)結(jié)構(gòu)類似，也是處在一個同軸中心上下移動。急停按鈕則是在該開關(guān)機構(gòu)基礎(chǔ)上改變了平鈕的帽子而已。

圖8 按鈕內(nèi)部結(jié)構(gòu)與手指按下狀態(tài)

大量的工業(yè)應(yīng)用實踐表明：該串聯(lián)常閉控制結(jié)構(gòu)是相當可靠的，幾乎沒有發(fā)生過因為按鈕失效不能緊急停止而導(dǎo)致的安全事故，也幾乎沒有因開關(guān)接觸不良而導(dǎo)致的無故急停故障現(xiàn)象。電氣控制的串聯(lián)自動緊急停止設(shè)計是經(jīng)得起數(shù)量與時間考驗的控制結(jié)構(gòu)?？偨Y(jié)這類控制線路結(jié)構(gòu)的一個共同邏輯特征為:k(jiting)，iff：U(out)=0，?：F(t)→0，即對任意一個急停開關(guān)，當且僅當全部環(huán)節(jié)（包括中間過渡環(huán)節(jié)）以斷電零電壓為有用的輸出信號時，則急停故障率與不可靠度趨向于零。

4 結(jié)論

串聯(lián)急停才是本質(zhì)安全的電路。對于急停電路，不能忽視邏輯結(jié)構(gòu)的選擇。采用串聯(lián)常閉的邏輯結(jié)構(gòu)才能避免應(yīng)用中出現(xiàn)重大的安全事故，該結(jié)構(gòu)是一個值得推廣應(yīng)用的急停電路結(jié)構(gòu)形式。