探討提高信號繼電器技術性能的方法與途徑

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，1856年第一套簡單的機械式車站聯(lián)鎖控制設備誕生。伴隨鐵路運輸?shù)陌l(fā)展，鐵路信號技術不斷提高和完善，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、轉(zhuǎn)轍機及車站聯(lián)鎖配合中，繼電器的品種、規(guī)格不斷增加。至本世紀初，隨著計算機技術在鐵路信號領域大量應用，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GB/T 7417-2001要求進行產(chǎn)品制造和檢驗。從現(xiàn)場多年運用的實踐來看，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準和理念的不一致。

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，繼電器應吸起時不吸起。

對上述問題進行分析，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水平有關。

（2）有極加強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，在使用過程中或當外在的電氣或機械應力提高，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，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 國際標準與國家標準對照存在的主要差異

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

通過表1可知，UIC736R標準與國標GB/T7417-2001的主要差異在于產(chǎn)品設計的安全性與可靠性，主要體現(xiàn)在3個方面：（1）UIC標準更加強調(diào)繼電器（N型）結(jié)構(gòu)設計必須采用強制引導的接點結(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，抗振動性能應達到較高的水平。

表1 國標GB/T7417-2001與鐵路聯(lián)盟UIC736R標準比較表

4 信號繼電器改進的方法與途徑

國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)近年來不斷改進產(chǎn)品的設計質(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)主要進行了如下改進。

（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措施，注意接點保護的持續(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）對加強接點單元進行改進，在動片根部增加輔助片，減少動接點片在工作中應力集中，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。改進后，加強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)品標準與UIC標準對照存在的差異，很難通過產(chǎn)品改進得到根本解決，很多問題是由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計階段遵守的標準和產(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)的技術條件，重新思考產(chǎn)品安全準則，研制新系列的信號繼電器，使信號繼電器的產(chǎn)品質(zhì)量和技術性能達到世界先進水平。

（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

京津客運專線的開通使用，標志著我國高速鐵路及鐵路信號技術達到了世界先進水平。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)品的制造達到世界先進水平，擬制定開發(fā)研制適合于客運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、可靠性和可維護性要求進行改進設計，新型繼電器設計應解決好以下問題。

（1）新型繼電器在規(guī)定的使用壽命期限內(nèi)，不應存在使用安全隱患。設計中必須做到繼電器采用強制引導的接點結(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準對接點材料的要求，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問題，因此，應考慮實現(xiàn)兩種接點材料替換時的可行性和方便性。

（3）應將信號繼電器的振動和絕緣耐壓能力提高到UIC736R標準要求的水平，即新型繼電器的抗振動能力應為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，使繼電器達到使用壽命15年或使用次數(shù)2×106次的要求；適當提高有極加強接點繼電器和無極加強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保持與AX系列繼電器插座通用。在此基礎上，還應設計適合現(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].