一种轨道交通继电器的设计

卓彬

（厦门宏发电声股份有限公司，福建 厦门 361021）

0 引言

继电器作为一种自动控制“开关”，以其独特的小信号控制较大负载的特性，被视为设备的自动控制、远程控制和智能控制的核心元件之一[1]，也因此被广泛应用于航空航天、工业控制及轨道交通领域。继电器作为控制回路的“大脑”，一旦发生故障，就会引发被控制回路误动作，出现安全问题[2]。南宁轨道交通集团的罗志骁对车辆控制故障进行统计分析，得出60%以上的故障是由继电器故障引起的[3]。因此，继电器的可靠性对列车的运行质量和效率有极大影响。

该文将根据轨道交通继电器的应用特点“对症下药”，采用正向设计思路，对继电器的零部件结构、材料到成品的试验验证进行了设计，确保继电器的性能及可靠性能满足轨道交通要求。

1 轨道交通继电器应用特点

轨道交通领域作为继电器应用的一个细分市场，其独特的负载条件和应用环境对继电器的性能有特殊的要求。铁路机车的设计寿命一般为15年，而继电器安装于车辆电气柜中，大部分作为中间继电器来控制电磁阀、接触器等的线圈，也可直接控制机车制动阀等冲击负载。因此，耐久性高、负载条件复杂是轨道交通继电器的两个重要特点。另外，当列车处于不平稳线路运行或进行紧急制动时，需要确保继电器不发生误动作，所以抗冲击和振动性能也是轨道交通领域对继电器的独特要求。其他如防火、耐霉菌、耐腐蚀等也是轨道交通继电器设计时应考虑的主要因素。

2 技术指标要求

轨道交通领域对车载继电器的要求除了满足继电器正常的动作和释放、接触电阻、绝缘和耐压等基本功能和性能要求以外，还有一些特殊的要求，具体如下。1）动作电压严苛。-40℃～80℃，动作电压≤67% Un，释放电压≥10% Un。2）耐久性。电耐久性设计要求250万次，机械耐久性要求500万次。3）冲击和振动。满足IEC 61373标准规定Ⅰ类B级车体安装要求。4）防火。满足EN45545-2标准规定的风险等级HL3要求。5）长霉。满足GB/T 2423.16-2008电工电子产品环境试验第2部分：试验方法试验J及导则规定的2b要求。6）盐雾。35℃，5%NaCl，96h，不允许有影响继电器功能的机械损伤。

为满足车辆对大负载切换的多组强制导向继电器的需求，该文设计了一款额定切换负载为12A的4组双通双断强制导向安全继电器HFRB400，包括继电器的结构设计、材料选择和试验验证，并充分考虑了轨道交通继电器的实际应用及特殊要求，确保继电器的性能能满足轨道交通领域的要求。

3 继电器设计

3.1 继电器总体设计

电磁继电器主要由磁路系统和接触系统、防护系统等部分组成。HFRB400继电器结构图如图1所示。由图1可知，继电器整体为拍合式结构设计。磁路系统和接触系统分别位于继电器的上方和下方，外壳和底座构成的防护系统将磁路系统和接触系统“包裹”在内部。防护系统的设计不仅能有效防止异物进入继电器内部，而且还能保护继电器内部的金属件不被外部环境腐蚀。通过结构的细化，整个继电器的防护等级达到IP40，满足轨道交通领域及继电器IP40的防护要求。

图1 拍合式继电器结构图

3.2 磁路系统设计

磁路系统由线圈、轭铁、铁芯和衔铁等零件组成。磁效率是磁路系统极为重要的衡量指标，磁效率的高、低不仅极大影响产品的吸力特性，还会对磁路系统的温升有较大影响。磁路截面积设计及材料选择是影响磁效率的关键因素。

传统的磁路设计采用试错法，不仅增加研发成本，效率也极低。随着有限元仿真技术的广泛应用，产品的开发成本和效率有了极大提升。HFRB400继电器额定吸力下衔铁闭合状态的磁通分布如图2所示。从图2可以看出，整体磁通密度处于非饱和状态，铁芯与轭铁固定位置磁通密度相对较大，分析认为是该处轭铁与铁芯接触面积小，且二者用导磁性较差的不锈钢螺钉连接所致。

图2 某拍合式继电器磁通分布

在满足继电器设计功能的同时，零部件材料的选择也极为重要。对金属材料，一般优选耐腐蚀的不锈钢或铜质材料，而对软磁材料或碳钢等易腐蚀的金属零件，需要增加防护处理。衔铁闭合时复原簧片的应力分布如图3所示。从仿真结构可以看出，最大应力为71.75MPa，远小于不锈钢的疲劳应力水平。线圈架选用阻燃等级为V-0的工程塑料，满足继电器的防火要求。考虑继电器的工作温度在-40℃～80℃，漆包线采用满足Class F的耐温直焊型聚氨酯材料，以确保继电器在全工作温度范围内不会老化断线或因温度升高而失效。

图3 复原簧片应力分布

3.3 接触系统设计

接触系统是继电器的“心脏”，通号（西安）轨道交通集团的赵正元认为80%以上的继电器故障率发生在接触系统[4-5]。因此，接触系统的可靠性是继电器设计的核心。

继电器的接触系统一般由动触点、静触点、与动静触点相连的簧片以及固定静簧片的底座组成。静触点与静簧片铆接后固定在底座上，动触点与动簧片为一体复合带料并通过铆接固定在推动卡上，推动卡与衔铁刚性固定。与静簧片一起被固定在底座上的静簧引出脚一端采用“Y”形设计。确保继电器接触系统满足EN 50205强制导向（机械连锁）继电器标准的要求。

控制回路的负载特性很大程度上决定了动、静簧片的材料选择和结构设计。簧片结构的柔性、材料的耐疲劳性以及高温应力释放水平的高、低对电耐久性要求高达250万次的轨道交通继电器来说极为重要。HFRB400静簧片采用薄而长的片状设计方案，材料为导电性、导热性较好的高导电铜带。静簧片形变量最大时的应力分布如图4所示，最大应力位于折弯处约150MPa，远小于材料的高周疲劳应力水平。因此，通过仿真分析，确保继电器满足107次耐久性设计要求。

图4 静簧片应力分布

触点材料的选择一般考虑材料耐磨性、耐电弧能力以及接触电阻的水平。一般来说，耐磨性好、耐温高、接触电阻低而稳定的触点材料更具优选性。AgNi和AgSnO2触点材料因其优越的性能而被青睐。根据经验，AgNi触点接触电阻的整体水平及耐磨性略优于AgSnO2触点，但抗黏结性不及AgSnO2触点。因此，针对轨道交通的实际应用，HFRB400兼具两种不同触点材料的规格，以满足不同负载类型的应用要求。

为确保结构设计的稳健并满足功能性的要求，经有限元分析，得出电磁吸力于反力的匹配曲线，如图5所示。由图5可知，当线圈激励电压达到48%Un时，继电器可正常动作；当线圈激励电压降低至10%Un时，继电器能可靠释放，满足设计要求。

图5 HFRB400吸-反力匹配曲线

3.4 防护系统设计

城市轨道交通、地铁线路大多为沙粒和灰尘较多的隧道，为防止沙粒或尘埃侵入继电器内部，铁路继电器标准要求继电器的防护等级须满足IP40。

在底座、外壳等塑料材料选择方面，优先选择阻燃等级高、烟密度指数低、氧指数高的塑料材料，以满足EN 45545-2标准规定的防火要求。而对底座等固定类塑料零件的材料选择来说，不仅需要考量材料的强度和尺寸稳定性，还需要考虑材料的绝缘性能。

3.5 设计试验验证

3.5.1 设计试验

鉴于轨道交通中间继电器的特殊应用条件，该方案在满足轨道交通领域对继电器特殊要求及产品可靠性要求的同时，增加了典型应用负载电耐久性试验，设计的试验项目见表1。

表1 试验项目

3.5.2 试验结果及分析

所有的样品均通过标准要求的耐久性试验、环境试验及强制导向机械连锁试验，且试验后的电气参数均满足标准要求。

其中，典型应用负载及机械耐久性项目对应的样品试验结果远高于标准要求的耐久性次数。防火试验后的样品未起燃。长霉试验后，样品在50倍放大条件下未发现明显长霉。盐雾试验后，样品内部金属件及外观未发现腐蚀等不良现象。因此，环境试验项目也显著高于标准要求。

经验证，该文所设计的4组额定电流为12A双通双断强制导向安全继电器满足轨道交通领域对继电器的特殊要求。

4 结语

该文结合继电器在轨道交通领域的实际应用及轨道交通对继电器的特殊要求，采用正向设计思路，设计了一款额定电流12A的4组双通双断强制导向安全继电器。从磁路系统、接触系统及防护系统的结构设计、材料选择等方面阐述继电器的设计思路，并对关键结构件进行了有限元仿真，以验证结构的稳健性。最后对继电器成品进行电耐久性、机械耐久性、冲击和振动、防火、长霉、盐雾试验等试验验证，试验结果均满足相应的标准要求。