振動(dòng)對(duì)繼電器可靠性的影響分析

王春洪 黃凱

摘要：在現(xiàn)代交通行業(yè)中，高速動(dòng)車組作為一種重要的交通工具，其安全性和可靠性一直是研究的焦點(diǎn)。動(dòng)車組的設(shè)備振動(dòng)是一個(gè)不可忽視的因素，它對(duì)設(shè)備的可靠性和性能有著重要影響。繼電器作為動(dòng)車組中的重要組成部分，承擔(dān)著控制和保護(hù)的重要任務(wù)。然而，由于動(dòng)車組在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到各種外界和內(nèi)部因素的影響，繼電器的可靠性面臨著挑戰(zhàn)。現(xiàn)以摩爾斯·史密特（Mors Smitt）過(guò)流保護(hù)繼電器為對(duì)象，結(jié)合2023年CRH1E型動(dòng)車組在運(yùn)行中網(wǎng)側(cè)過(guò)電流檢測(cè)電路故障的實(shí)際案例，深入研究了動(dòng)車組設(shè)備振動(dòng)對(duì)繼電器可靠性的影響。

關(guān)鍵詞：高速動(dòng)車組；繼電器；設(shè)備振動(dòng)；可靠性

中圖分類號(hào)：U279.2? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2024）12-0064-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.12.017

0? ? 引言

設(shè)備振動(dòng)是動(dòng)車組運(yùn)行過(guò)程中的一個(gè)重要因素，它可能對(duì)繼電器的可靠性產(chǎn)生直接或間接的影響[1]。動(dòng)車組設(shè)備振動(dòng)主要來(lái)源于列車行駛時(shí)的軌道不平順、車輛的自身振動(dòng)以及各種外界環(huán)境因素的作用。

繼電器的失效可能導(dǎo)致動(dòng)車組中控制和保護(hù)功能的失效，進(jìn)而對(duì)列車的運(yùn)行安全性和可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。本文以摩爾斯·史密特（Mors Smitt）過(guò)流保護(hù)繼電器為對(duì)象，結(jié)合實(shí)際案例，深入研究動(dòng)車組設(shè)備振動(dòng)對(duì)繼電器可靠性的影響。

1? ? 動(dòng)車組設(shè)備振動(dòng)特性

動(dòng)車組設(shè)備振動(dòng)特性是指動(dòng)車組設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)的一系列特點(diǎn)和參數(shù)，受到諸多因素的影響，例如輪對(duì)、車體彈性變形、車輛加速度等。重點(diǎn)分析以下幾種振動(dòng)。

1.1? ? 縱向振動(dòng)

列車在運(yùn)行過(guò)程中存在著頻繁的加速和剎車振動(dòng)?？v向振動(dòng)頻率主要由列車重量和坡度決定或制動(dòng)力導(dǎo)致的振動(dòng)。

1.2? ? 橫向振動(dòng)

橫向振動(dòng)又稱側(cè)傾振動(dòng)，是指列車在運(yùn)行過(guò)程中由于曲線半徑、鐵軌轉(zhuǎn)角或運(yùn)行速度等導(dǎo)致的側(cè)向振動(dòng)。列車的側(cè)向振動(dòng)幅度不宜過(guò)大，因?yàn)闄M向荷載會(huì)對(duì)鐵軌和車輛構(gòu)件造成磨損。

1.3? ? 垂向振動(dòng)

垂向振動(dòng)是指列車在運(yùn)行過(guò)程中由鐵軌高低不平或車輛輪對(duì)偏差導(dǎo)致的上下振動(dòng)。垂向振動(dòng)頻率主要受車體質(zhì)量和懸掛系統(tǒng)剛度影響。

了解動(dòng)車組設(shè)備振動(dòng)的特性[2]對(duì)于分析振動(dòng)對(duì)繼電器可靠性的影響具有重要意義。

2? ? 故障案例

2023年3月至6月，CRH1E型動(dòng)車組在運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生網(wǎng)側(cè)過(guò)電流檢測(cè)電路故障導(dǎo)致受電弓自動(dòng)降下。

2.1? ? 控制原理/機(jī)械安裝結(jié)構(gòu)

2.1.1? ? CRH1E型動(dòng)車組網(wǎng)側(cè)過(guò)電流檢測(cè)電路故障控制邏輯介紹

過(guò)流檢測(cè)繼電器監(jiān)控來(lái)自車頂電流互感器的電流，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流時(shí)繼電器動(dòng)作，斷開緊急切斷繼電器的供電使其觸點(diǎn)斷開給數(shù)字輸入輸出單元（MIO模塊）的“無(wú)過(guò)流”信號(hào)變?yōu)?，當(dāng)故障車廂的受電弓處于升弓狀態(tài)，報(bào)“網(wǎng)側(cè)過(guò)電流緊急降弓”；當(dāng)故障車廂的受電弓處于降弓狀態(tài)，則報(bào)“網(wǎng)側(cè)過(guò)電流檢測(cè)電路故障”。

2.1.2? ? Mors Smitt過(guò)流保護(hù)繼電器簡(jiǎn)介

Mors Smitt過(guò)流保護(hù)繼電器是一種常見(jiàn)的用于電路保護(hù)的繼電器。它主要用于監(jiān)測(cè)電路中的過(guò)流情況，并在過(guò)流超過(guò)設(shè)定值時(shí)觸發(fā)動(dòng)作，切斷電路以保護(hù)電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。在動(dòng)車組中，Mors Smitt過(guò)流保護(hù)繼電器起到了重要的作用，能夠及時(shí)檢測(cè)電路中的異常情況，避免因過(guò)流引起的設(shè)備損壞和事故發(fā)生。過(guò)流保護(hù)繼電器主要參數(shù)如表1所示。

2.1.3? ? 過(guò)流保護(hù)繼電器安裝位置

保護(hù)繼電器安裝在走廊旁邊的配電柜內(nèi)，旁邊為客運(yùn)備品柜（包含行李架）。

2.2? ? 運(yùn)行中捕捉的振動(dòng)情況

在故障排查的過(guò)程中敲擊過(guò)流保護(hù)繼電器，繼電器常閉觸點(diǎn)斷開，更換上新的繼電器后進(jìn)行敲擊試驗(yàn)也存在常閉觸點(diǎn)斷開的現(xiàn)象。為了排查振動(dòng)對(duì)繼電器觸點(diǎn)工作的影響，在過(guò)流繼電器上安裝加速度傳感器，檢測(cè)橫向、垂向和縱向的振動(dòng)情況[3]，如圖1所示。

檢測(cè)故障時(shí)間段：過(guò)流保護(hù)繼電器振動(dòng)X方向5.3g、Y方向6.3g、Z方向6.3g；其他時(shí)間段的振動(dòng)均小于2g，如圖2所示。

2.3? ? 敲擊振動(dòng)測(cè)試

在02車對(duì)過(guò)流保護(hù)繼電器進(jìn)行敲擊振動(dòng)測(cè)試，測(cè)試能使其常閉觸點(diǎn)斷開的最小振動(dòng)值，在X、Y、Z三個(gè)方向分別逐漸增加敲擊力度，X方向或者Y方向當(dāng)振動(dòng)值大于6g后，過(guò)流保護(hù)繼電器觸點(diǎn)斷開，Z方向即繼電器安裝的垂直方向敲擊未出現(xiàn)故障。試驗(yàn)的數(shù)值與故障時(shí)的數(shù)值相符，如圖3所示。

以上數(shù)據(jù)表明，過(guò)流保護(hù)繼電器受振動(dòng)導(dǎo)致觸點(diǎn)斷開。

2.4? ? 振動(dòng)源的查找

檢查高壓控制柜隔壁的客運(yùn)備品柜，備品柜上部行李架放下后，左右側(cè)柜板各裝有一個(gè)止擋，用于支撐行李架，其中右側(cè)止擋固定的柜板與高壓控制箱共用，過(guò)流保護(hù)繼電器與止擋安裝“背靠背”的關(guān)系，相對(duì)位置高低差約7 cm，水平位置重合，如圖4所示。

分別對(duì)高壓控制柜周邊9個(gè)位置進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，來(lái)排查不同位置的振動(dòng)對(duì)過(guò)流保護(hù)繼電器的影響。在第七次、第八次用手抬起行李架后讓其自由落下，行李架碰撞到止擋后產(chǎn)生撞擊聲，此時(shí)振動(dòng)測(cè)試儀檢測(cè)到的振動(dòng)數(shù)據(jù)在Y方向最大值有6.44g，過(guò)流保護(hù)繼電器觸點(diǎn)斷開，其他位置的振動(dòng)未復(fù)現(xiàn)故障，如圖5所示。

檢查02車備品柜上方行李架，用手抬起到上方最大位置其阻尼感較輕，如不用定位固定，輕微晃動(dòng)很容易自由落下與止擋碰撞。對(duì)比檢查了其他的高壓控制箱和備品柜，發(fā)現(xiàn)07、10、15車的行李架對(duì)比02車，在最高位有較明顯的阻尼，且自由下落對(duì)止擋的沖擊程度也不相同。分別在02、07、10、15車試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。試驗(yàn)結(jié)果表明，行李架的阻尼失效的情況下，可造成過(guò)流保護(hù)繼電器失效。

模擬從備品柜內(nèi)朝向過(guò)流保護(hù)繼電器方向敲擊間壁，和在行李架放平的狀態(tài)下放入大件行李的沖擊，示意圖如圖6所示，結(jié)果如表3所示。

以上數(shù)據(jù)表明，備品柜上方行李架自由落下與止擋碰撞導(dǎo)致過(guò)流保護(hù)繼電器觸點(diǎn)斷開，從而報(bào)出網(wǎng)側(cè)過(guò)電流檢測(cè)電路故障。

2.5? ? 整改措施

過(guò)流保護(hù)繼電器在運(yùn)行途中受到備品柜的上方行李架自由落下與止擋碰撞，在較大振幅的振動(dòng)條件下，出現(xiàn)誤動(dòng)作的現(xiàn)象，鑒于行李架為旅客存放行李的地方，無(wú)法避免外界因素導(dǎo)致對(duì)繼電器的沖擊。為了避免這種工況將繼電器移走（圖7），以免沖擊帶來(lái)的影響。

3? ? 總結(jié)

本文從實(shí)際案例出發(fā)，通過(guò)模擬驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)垂向加速度對(duì)繼電器的影響最大。因此，在動(dòng)車組的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，應(yīng)該充分考慮動(dòng)車組垂向減速度對(duì)設(shè)備振動(dòng)的影響，并建議如下：

1）進(jìn)一步研究動(dòng)車組設(shè)備振動(dòng)對(duì)繼電器可靠性的影響機(jī)理。通過(guò)深入理解振動(dòng)對(duì)繼電器內(nèi)部元件的影響機(jī)制，可以更好地設(shè)計(jì)和改進(jìn)繼電器的結(jié)構(gòu)，提高其抗振能力。

2）開展更多實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，探究不同振動(dòng)參數(shù)對(duì)繼電器可靠性的影響程度。通過(guò)對(duì)不同振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試和分析，可以建立起振動(dòng)參數(shù)與繼電器可靠性之間的定量關(guān)系，為繼電器的設(shè)計(jì)和選型提供科學(xué)依據(jù)。

3）研究繼電器的故障診斷和預(yù)測(cè)方法。通過(guò)對(duì)繼電器故障模式和特征的研究，可以開發(fā)出有效的故障診斷和預(yù)測(cè)方法，提前發(fā)現(xiàn)和解決繼電器的故障問(wèn)題，提高動(dòng)車組的可靠性和安全性[4]。

4）探索新型繼電器的應(yīng)用。隨著科技的不斷發(fā)展，新型繼電器的應(yīng)用前景廣闊。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 趙帥.動(dòng)車組繼電器與接觸器故障分析及運(yùn)用策略研究[D].北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2021.

[2] 陳依澤，曹云東，劉煒.振動(dòng)頻率對(duì)鐵路繼電器觸點(diǎn)可靠性的影響研究[J].電氣技術(shù)，2020，21（6）：19-25.

[3] 軌道交通 機(jī)車車輛設(shè)備 沖擊和振動(dòng)試驗(yàn)：GB/T 21563—

2018[S].

[4] 孫宗先，崔韜，頓明真，等.城軌車輛電磁繼電器選型方法探討[J].機(jī)電工程技術(shù)，2022，51（12）：280-283.

收稿日期：2024-02-23

作者簡(jiǎn)介：王春洪（1968—），男，山東諸城人，高級(jí)工程師，從事軌道車輛研究工作。