振動對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。動車組的設(shè)備振動是一個不可忽視的因素，它對設(shè)備的可靠性和性能有著重要影響。繼電器作為動車組中的重要組成部分，承擔(dān)著控制和保護的重要任務(wù)。然而，由于動車組在運行過程中會受到各種外界和內(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）過流保護繼電器為對象，結(jié)合2023年CRH1E型動車組在運行中網(wǎng)側(cè)過電流檢測電路故障的實際案例，深入研究了動車組設(shè)備振動對繼電器可靠性的影響。

關(guān)鍵詞：高速動車組；繼電器；設(shè)備振動；可靠性

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

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

0? ? 引言

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

繼電器的失效可能導(dǎo)致動車組中控制和保護功能的失效，進而對列車的運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）過流保護繼電器為對象，結(jié)合實際案例，深入研究動車組設(shè)備振動對繼電器可靠性的影響。

1? ? 動車組設(shè)備振動特性

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

1.1? ? 縱向振動

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

1.2? ? 橫向振動

橫向振動又稱側(cè)傾振動，是指列車在運行過程中由于曲線半徑、鐵軌轉(zhuǎn)角或運行速度等導(dǎo)致的側(cè)向振動。列車的側(cè)向振動幅度不宜過大，因為橫向荷載會對鐵軌和車輛構(gòu)件造成磨損。

1.3? ? 垂向振動

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

了解動車組設(shè)備振動的特性[2]對于分析振動對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型動車組在運行中經(jīng)常發(fā)生網(wǎng)側(cè)過電流檢測電路故障導(dǎo)致受電弓自動降下。

2.1? ? 控制原理/機械安裝結(jié)構(gòu)

2.1.1? ? CRH1E型動車組網(wǎng)側(cè)過電流檢測電路故障控制邏輯介紹

過流檢測繼電器監(jiān)控來自車頂電流互感器的電流，當(dāng)出現(xiàn)過流時繼電器動作，斷開緊急切斷繼電器的供電使其觸點斷開給數(shù)字輸入輸出單元（MIO模塊）的“無過流”信號變?yōu)?，當(dāng)故障車廂的受電弓處于升弓狀態(tài)，報“網(wǎng)側(cè)過電流緊急降弓”；當(dāng)故障車廂的受電弓處于降弓狀態(tài)，則報“網(wǎng)側(cè)過電流檢測電路故障”。

2.1.2? ? Mors Smitt過流保護繼電器簡介

Mors Smitt過流保護繼電器是一種常見的用于電路保護的繼電器。它主要用于監(jiān)測電路中的過流情況，并在過流超過設(shè)定值時觸發(fā)動作，切斷電路以保護電氣設(shè)備的安全運行。在動車組中，Mors Smitt過流保護繼電器起到了重要的作用，能夠及時檢測電路中的異常情況，避免因過流引起的設(shè)備損壞和事故發(fā)生。過流保護繼電器主要參數(shù)如表1所示。

2.1.3? ? 過流保護繼電器安裝位置

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

2.2? ? 運行中捕捉的振動情況

在故障排查的過程中敲擊過流保護繼電器，繼電器常閉觸點斷開，更換上新的繼電器后進行敲擊試驗也存在常閉觸點斷開的現(xiàn)象。為了排查振動對繼電器觸點工作的影響，在過流繼電器上安裝加速度傳感器，檢測橫向、垂向和縱向的振動情況[3]，如圖1所示。

檢測故障時間段：過流保護繼電器振動X方向5.3g、Y方向6.3g、Z方向6.3g；其他時間段的振動均小于2g，如圖2所示。

2.3? ? 敲擊振動測試

在02車對過流保護繼電器進行敲擊振動測試，測試能使其常閉觸點斷開的最小振動值，在X、Y、Z三個方向分別逐漸增加敲擊力度，X方向或者Y方向當(dāng)振動值大于6g后，過流保護繼電器觸點斷開，Z方向即繼電器安裝的垂直方向敲擊未出現(xiàn)故障。試驗的數(shù)值與故障時的數(shù)值相符，如圖3所示。

以上數(shù)據(jù)表明，過流保護繼電器受振動導(dǎo)致觸點斷開。

2.4? ? 振動源的查找

檢查高壓控制柜隔壁的客運備品柜，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，過流保護繼電器與止擋安裝“背靠背”的關(guān)系，相對位置高低差約7 cm，水平位置重合，如圖4所示。

分別對高壓控制柜周邊9個位置進行振動試驗，來排查不同位置的振動對過流保護繼電器的影響。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，此時振動測試儀檢測到的振動數(shù)據(jù)在Y方向最大值有6.44g，過流保護繼電器觸點斷開，其他位置的振動未復(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，輕微晃動很容易自由落下與止擋碰撞。對比檢查了其他的高壓控制箱和備品柜，發(fā)現(xiàn)07、10、15車的行李架對比02車，在最高位有較明顯的阻尼，且自由下落對止擋的沖擊程度也不相同。分別在02、07、10、15車試驗，結(jié)果見表2。試驗結(jié)果表明，行李架的阻尼失效的情況下，可造成過流保護繼電器失效。

模擬從備品柜內(nèi)朝向過流保護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)致過流保護繼電器觸點斷開，從而報出網(wǎng)側(cè)過電流檢測電路故障。

2.5? ? 整改措施

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

3? ? 總結(jié)

本文從實際案例出發(fā)，通過模擬驗證發(fā)現(xiàn)垂向加速度對繼電器的影響最大。因此，在動車組的設(shè)計和運營過程中，應(yīng)該充分考慮動車組垂向減速度對設(shè)備振動的影響，并建議如下：

1）進一步研究動車組設(shè)備振動對繼電器可靠性的影響機理。通過深入理解振動對繼電器內(nèi)部元件的影響機制，可以更好地設(shè)計和改進繼電器的結(jié)構(gòu)，提高其抗振能力。

2）開展更多實驗和測試，探究不同振動參數(shù)對繼電器可靠性的影響程度。通過對不同振動參數(shù)進行系統(tǒng)的測試和分析，可以建立起振動參數(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)測方法。通過對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)測方法，提前發(fā)現(xiàn)和解決繼電器的故障問題，提高動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]

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

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

[3] 軌道交通 機車車輛設(shè)備 沖擊和振動試驗：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].機電工程技術(shù)，2022，51（12）：280-283.

收稿日期：2024-02-23

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