电力机车新型风道继电器的优化设计.pdf

总第 4 7卷第 5 3 8期 2 0 1 0年第 1 0期 电测与仪表 Ei e c t r i c al M e a s u r e me n t& I n s t r ume n t at i o n Vo 1 ． 4 7 No ． 5 3 8 0c t ．2 0 1 0 电力机车新型风道继电器的优化设计 屈圭， 梅沪光 ( 广 东技术师范学院 机 电学院， 广州 5 1 0 6 3 5 ) 摘要： 风道继电器作为重要信号转换装置 ， 在我 国主力电力机车 四大通风系统的七条风道中都安装使用。但 目 前广泛使用的膜片式风道继 电器在使用 中暴露出的寿命低 ， 可靠性差 ， 触头烧蚀和随机失效等问题和缺陷较普 遍。经分析发现继电器触头烧蚀 的根本 因是产生振频烧蚀 。随机失效的原因是冰雪异物堵塞。针对以上缺陷 设计 了微压膜片与负逻辑微动开关结合的新结构继 电器。并对进气 口进行 自洁防堵设计 ， 对接线螺柱进行了新 型接线夹紧螺旋结构设计。经过对继电器动触头的动态参数优化 ， 得到了优化解 ， 对触头弹性系数和几何结构 参数的确定提供了依据。经实际装车验证， 新型风道机电器解决了存在的缺陷和问题， 各项性能指标优良， 运行 稳定可靠。 关键词 ： 电力机车； 新型风道继电器 ； 优化设计 中图分类号： T M5 8 5 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 — 1 3 9 0 ( 2 0 1 0 ) 1 0 — 0 0 6 3 — 0 5 Opt i m i z a t i o n O i l t he Ne w Ty pe Ai r Du c t Re l a y i n El e c t r i c Lo c o m o t i v e Q U G u i ， ME I H u — g u a n g ( D e p a r t m e n t o f Me c h a t r o n i c E n g i n e e r i n g ， G u a n g d o n g P o l y t e c h n i c N o r ma l U n i v e r s i t y ， G u a n g z h o u 5 1 0 6 3 5 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Ai r d u c t r e l a y s ．a s a n i mp o r t a n t s i g n a l c o n v e r s i o n d e v i c e ,- a r e i n s t a l l e d i n t h e s e v e n wi n d t u n n e l o f o u r f o u r ma i n v e n t i l a t i o n s y s t e m e l e c t r i c l o c o mo t i v e ．Ho we v e r ，t h e p r o bl e ms a nd d e fic i e n c i e s a r e mo r e c o mmo n wi t h t h e wi d e l y u s e d d i a p h r a g m a i r c h a n n e l r e l a y s e x p o s e d i n u s e ， l o w l i f e ， p o o r r e l i a b i l i t y a n d r a n d o m f a i l u r e o f t h e c o n t a c t e r o s i o n ．Th r o u g h t h e a n a l y s i s i t i s f o u nd t h a t a b l a t i o n o f t he r o o t c a u s e s o f r e l a y c o n t a c t s i s v i b r a t i o n f r e q ue n c y a b l a t i o n．Ra n d o m f a i l ur e s a r e d u e t o i c e b l o c k a g e ．I n r e s p o n s e t o t h e de f e c t o f t h e mi c r o—l a mi n a t e d f i l m a n d t h e ne g a t i v e l o g i c c o mb i n a t i o n o f mi c r o s wi t c h r e l a y s t h e n e w s t r u c t u r e i s d e s i g ne d ．S o i s t o h a l t i n g t h e s e l f -c l e a n i n g d e s i g n ，a n d a n e w t y pe o f wi r i n g c o n ne c t i o n s t ud f o r s t r u c t ur a l d e s i g n o f t h e c l a mp i n g s c r e w．Afte r mo v i n g c o n t a c t s o n t h e r e l a y S d y n a mi c p a r a me t e r o p t i mi z a t i o n，t h e o p t i ma l s o l u t i o n i s d o n e ．I t p r o v i d e s t h e b a s i s o f t h e c o n t a c t e l a s t i c i t y a n d g e o me t r y p a r a me t e r s ．By a c t u a l l o a d i ng v e r i f i c a t i o n ，t he n e w ma c hi n e s o l v e s t he p r o b l e m a n d de f e c t s ；i t i s no w wi t h g o o d pe r f o r ma n c e s ，s t a b l e a n d r e l i a bl e o pe r a t i o n． Ke y wor ds ： e l e c t r i c l o c o mo t i v e ，n e w t y pe a i r du c t r e l a y ，o p t i mi z a t i o n 0引 言 我国现有电力机车在正常运行时 ，牵引电机 ， 硅 整流柜 ， 主变压器及平波电抗器 ， 制动电阻带都需要 通风冷却。为此 ， 在机车四大通风系统的七条冷却风 道都设有风道继电器 ， 在风速或风压达到规定值时发 出电信号， 接通相关装置控制电路 ， 允许其运行。 因此 是机车的一种重要控制 电器。 前期主要使用叶片式风 道继电器， 通过阻力型叶片将气流风速度转换成叶片 的机械运动 ，推动电触点接通或断开实现继电功能。 因灵敏性差 ， 性能不稳定 ， 机械故障频繁等因素， 9 0 年 代后被膜片式风道继 电器取代 。 但 目前广泛使用的膜 片式风道继电器在使用中仍存在如下问题 ： ( 1 ) 触头寿命低 ， 烧蚀频繁 膜片式风道继电器在风机工作正常 ， 风道压力达 到规定值时经常出现无电信号输出。 经检修发现 白金 触头烧蚀 ， 虽然闭合 ， 但仍表现为断路。 用金相砂纸打 磨后 ， 故障现象消除。 经各路局机务段调研统计 ， 膜片 式风道继电器触头烧蚀率接近1 0 0 ％，触头平均寿命 只有3 个月。 经常需要进行触头 白金打磨 ， 维修工作量 大 ， 工作可靠性无法保证。 ( 2 ) 风道继电器进气通道发生堵塞失效 在风沙寒冷地区 ，需对失效继 电器经常进行冰 一 63— 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 7卷第 5 3 8期 2 o l O年第 1 O期 电测 与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I ns t r u m e n t a t i o n 、 I 7 No ． 5 3 8 Oc t ． 2 0 l O 雪、 异物清理后才能恢复正常工作 。 统计结果显示 ， 在 我国三北地 区冬季 ， 冰雪堵塞情况尤为严重 ， 且堵塞 现象随机发生 ， 甚至须临时停车排除故障 ， 对行车安 全造成直接威胁。 这种情况在制动电阻带风道继电器 故 障中所 占比例很大 。 ( 3 ) 元件损坏 据统计 ， 接线柱折断 ； 进风管折断 ； 膜片损坏 ； 弹 簧损坏等故障也占一定比例。 1 风道继电器失效机理分析 为彻底解决以上各类故障 ， 必须从故障现象分析 人手 ， 准确把握故障产生的本质原因和机理。 1 ． 1 触头烧蚀原 因分析 由膜片式风道继电器结构示意图1 知 ，继电关键 元件为静、 动触点 ， 其材料均为白金。实际使用 中， 继 电器进气 口1 1 与风道连通 ，当风机达到额定转速 ， 风 道压力达到规定值3 0 0 P a 时 ， 推动继电器模片1 带动动 触点4 上移， 与静触点5 接触， 输出电信号。 在这个过程 中 ， 如果风道压力没有减低到膜片释放值 ， 触点应该 一 直接触。但如果触点烧蚀 ， 在触点表面形成的氧化 层导致触点问绝缘 ， 在烧蚀状态即使触点接触， 继电 器也无 电信号输出。因此 ， 造成触点过早烧蚀的原因 就成了问题的关键 。第一 ， 白金触点烧蚀的机理是触 点在开合过程 中， 当触点 间距离很近时 ， 电流击穿气 隙， 形成电弧 ， 造成白金表面点状氧化 。一般认为 ， 烧 图 1膜 片 式风道 继 电器结构 示 意 图 F i g ． 1 S t r u c t u r e d i a g r a m o f me mb r a n e a i r d uc t r e l a y 蚀与电流大小和开合频率成正比。但从实际工况看 ， 继 电器的负载电流不大 ， ≤5 A；触点开合频率很 低 ， 为弄清是否是 白金材料的原 因， 对不 同厂家生产 的膜片式继 电器和八只更换 了汽车白金的继 电器进 行 了对 比试验， 结果见表1 ( 数据单位 ： 小时) 。 对以上试验数据 ， 可以计算出使用时间与 白金材 料 ( 产品种类 ) 的线性相关系数为： 、 v： — _ = ： 0 ．1 3 6 ， Xy一 S w 试验和计算结果表明 ， 继 电器的触头烧蚀与白金 材料无明显相关性 。 由于各 厂生产的继 电器的弹簧系数均有一定差 异。 实际测得推动膜片动静触点相接触时的作用力约 表 1 白金材料与使用时间实验结果 Ta b． 1 Th e e x p e r i me n t r e s u l t s o f p r e mi u m ma t e r i a l s a n d u s e o f t i me —． 6 4． ． 注 ： 实际实验参数 ： 1 2 1 V ； 3 A；试验机车 ： S S 7 ， S S 3 表 2 弹簧 系数与使 用时间的实验结果 T a b． 1 Th e e x p e r i me n t r e s u l t s o f s p r i ng c o e f f i c i e nt a n d t h e u s e o f t i me 注： 实 际实验参数 ： 1 2 1 V ； 3 A ； 试验机车 ： S S 7 ， S S 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 7卷第 5 3 8期 2 0 1 0年第 1 0期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e nt& I n s t r um e n t a t i o n Vo 1 ． 4 7 No ． 5 3 8 Oc t ．2 0 1 0 为1 ． 5 N， 白金开位 间距一般在2 ～ 4 m m， 由此计算 出各 继电器的弹簧系数 。同时 ， 对安装实验继 电器位置的 风道压力进行 了测量。 将上述数据与继 电器使用时间 之间的关系列见表2 ( 数据单位 ： 小时) 。 数据表明，各继电器复位弹簧3 的系数与 白金使 倒 用时间有 明显相关性 。且风道压力较大时， 白金使用 时间较长 。由此 ， 受到对动触头的动态情况进行分析 的启示。 可以将继电器动触头简化为图2 所示机械弹簧系 统。其中m为动触头 白金 、 螺杆 、 连接膜片衬垫 、 接线 螺母的质量之和 ； 为复位 弹簧系数 ； K 为膜片弹性 系数 ； 厂 为膜片阻尼系数 。由此得到动触头系统的传递 函数为： 2 G ( ) ： 士： 了 膦 S - t - 2 ~ O J n s " 1- (．0 式 = 为无 = 为无 阻尼 比。 图 2继 电器动 触头动 态模 型 Fi g ． 2 Dy na mi c mo d e l o f mo v i n g c o n t a c t r e l a y 将继电器安装在风道壁或内部后 ， 考虑风道在机 车运行作用下和风机转动造成的振动影响下的实际 状态， 可 以将这个系统视为有干扰作用的动态系统 。 由此可知 ， 如果在机车、 风机等振动源作用下 ， 继 电器动触头在闭合状态下是可以在本身 自然频率与 振动频率接近时发生共振的 ，形成振幅大幅增加 ， 但 又与振源相位不同 ， 这就会造成 白金动 、 静触头之间 按接近强迫振动的频率 出现微距离的开合 ， 产生振频 电弧烧蚀。 1 ． 2堵 塞失效 的原 因分 由于机车风道为开放结构 ， 直接与机车外的 自然 环境相通 ， 所 以在运行过程中冰雪 、 粉尘或其它杂物 很容易进入风道 ， 堵塞继 电器进气 口。 另外 ， 制动电阻 按下 触头 触头 b 图 3微动 开 关结构 Fi g ． 3 Mi c r o s wi t c h s t r uc t u r e 带冷却风道的出口在机车顶端 ， 其上虽设有百叶窗阻 挡杂物进入。但在冬季车顶有积雪时， 经 电阻带的热 空气可将积雪融化 ，雪水经风道流经继 电器进气 口 时 ， 造成积水。 如果温度低于0 。 则会结冰 ， 冻结进气 口 或继电器膜片。 1 ． 3 元件损坏原 因分析 主要是 由于经常拆装维修和没有按规范安装操 作 ， 导致接线柱拧断 ， 进气管折断。 这与继 电器可靠性 差经常需要拆装清理维护有很大关系。 其余为振动疲 劳和磨损损坏 ， 但所 占比例很小 。 2 新型继电器的结构设计 针对上述问题和缺陷产生原 因， 对风道继 电器的 结构进行重新设计。 2 ． 1 感压与触头动作机构设计 如果把继电器的静触头视为固定部分 ， 把动触头 视为在膜片和弹簧支撑下的运动系统 ， 那么动触头在 规定风压输入下 ， 必须满足 以下条件 ： 在规定输人下 系统稳定 ； 在振动干扰下 系统稳定 ； 在阶跃输入下的 稳态值误差小。但受风道继 电器结构空 间和成本所 限 ， 只能从减轻动触头质量和动触头操纵机构两个方 面采取措施。 ( 1 ) 感压元件设计 由于风道继 电器的膜 片接触的是 自然环境温度 的空气 ， 所以可以采用更轻薄 ， 更柔韧 ， 耐用度更高的 膜片材料 ，或采用无运动件的压敏芯片作为敏感元 件。 因此 ， 可 以有两种感压设计方案。 一是采用微压弹 性膜 片结构 ， 仍将风压转换成机械位移 ， 推动触头动 作。 但要尽可能降低运动部分的质量以便提高无阻尼 一 6 5— 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 7卷第 5 3 8期 2 0 1 0年第 1 0期 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I n s t r u m e nt a t i o n Vo 1 ．4 7 No ． 5 3 8 O c t ．2 O l O 图 4新型 风道 继 电器结构 图 Fi g． 4 St r u c t u r e d i a g r a m o f n e w a i r d uc t r e l a y 自然频率， 避开振源频率 。 同时增加阻尼比， 保证系统 稳定 。 二是采用压敏元件 ， 直接将风压转换成电信号 ， 经放大后驱动无触点 电子继电器 ， 实现功能。由于后 一 方案要考虑继电器 自身电源问题 ； 须经微弱信号放 大 ， 易受电磁干扰 ； 且所选 的几种 电子继电器在开路 状态 的耐压实验均没有通过。 所以仅作为实验备选方 案保 留。 ( 2 ) 触头动作机构设计 由于原继 电器的触头动作是直接靠膜片推动 ， 虽 然结构简单 ， 但动作可靠性不易保证 。 所以， 考虑采用 微动开关的双位稳定簧片结构 ， 如图4 所示 。 ( 3 ) 感压部分与触头部分的结合 分析微动开关的结构知 ，触头在 常闭位置的闭 合 ， 位置更稳定 ， 结合面积更大 ， 过流能力更强 ， 因此 更可靠。 所以在设计 中采用微压弹性膜片与微动开关 负逻辑相结合 的方案。 也就是将膜片复位弹簧设在膜 片进气室的背面 ， 没有气压输入时在弹簧力 的作用下 常闭触点打开 ， 常开触点闭合。当输入气压达到规定 值时 ， 膜片推动弹簧压缩释放微动开关使常闭触点闭 合 。继 电器的接线是接在a ( b ) 与常闭触点之间。 2 ． 2 防堵 进 气通道 设计 为了克服堵塞失效， 设计了新型进气通道。第一是采 用防水罩结构。在进气口夕 十 图4 中1 1 所示的防水罩 ， 这样可以防止沿风道内壁个方向的水流， 雪沫， 粉尘等直 接在进气口堆积。二是采用迷宫式进气口， 将进气口设计 在进气口盖1 6 的中部 ， 由于自重作用 ， 保证进入防水罩1 1 的水流仍不能向上流 人 边气 口。三是设计了 有 自沽功能 的振动杆， 可以在进气口盖的进气通道中自由活动 ， 但由 两端螺母轴向限位不能脱落， 在机车风道的振动作用下对 进气口述行 自洁。 2 ． 3 新 型通 用接 线 夹紧螺旋 结构 一 6 6一 为防止继电器外接线螺柱被损坏 ， 并考虑继电器 在任何位置都能方便接线 ， 且接线可靠。设计了新型 接线夹紧螺旋结构 。螺母8 预埋在绝缘外壳7 中， 中问 穿过夹紧螺杆6 ， 6 的左端有十字和一字起子 口，右端 铆接有活动压线头9 ， 9 可相对6 转动 ， 保证压紧接线鼻 子时不对接线鼻子产生旋转扭矩。 接线下螺柱1 0 固定 在壳体绝缘镶块1 1 中， 1 0 的左端有锥形凸起 ，保证穿 人不 同尺寸的接线鼻子内孔 ， 并且在压头夹紧后不能 被抽出， 右端装有内部接线螺母1 3 ， 同时完成内接线 和紧固任务。 2 ． 4 正 负压继电器同体结构 原膜片式继电器是正压 ， 负压分别设计 ， 在通道 结构上有一定 区别 ， 制造不便 。在新型结构设计上采 用内部正负压继电器 同体的结构 ， 只要在装配时改变 进入继 电器的管 口连接 ，就可生产正压和负压继 电 器 ， 在继电器结构 、 壳体 、 连接安装方式 、 接线等方面 则完全一致 ， 保证了制造方便。 3 新型风道继 电器的参数优化 在以上结构初步设计的基础上 ， 对新 型风道继 电 器的关键部分的结构参数进行优化设计和分析。 3 ． 1 动触头 系统建模 如图2 ， 设质量m位置为y ( ) ， 支撑 的位置为 ( ) ， 则 动触头系统的运动方程为： m— d y+ 厂 + v ： + L ( 1 ) d d t l 十 2 d t 1 + 2 设 ： k = k k ／ ( ， ) ， 则系统的传递函数为： G( ) ： ： ( 2) R( s ) + fi+ k 因此 ， 在考虑风道振动时 ， 系统 由振荡环节和一 阶微分环节组成。 3 ． 2动触 头动 态分析 与优 化 试 给定参数 为 厂 = 1 m= 0 ． 2 ； k = 0 ． 5 2 ； k ， = 1 0 ，运用 MA T L A B 软件得到系统的伯德图如 图5 所示。 由图5 可 知 ， 系统虽然稳定 ， 但振荡环节阻尼 比较 小时 ， 在频率为l O r a d ／ s 附近 出现谐振峰值 ， 虽然此时 剪切频率较大， 系统响应快 ， 但在实际使用时 ， 对继电 响应时间并没有更严格的要求 ， 因此 ， 应该进行相应 优化， 即使降低剪切频率也要减小谐振峰值和谐振频 率 。由于继电器为开关性质元件 ， 所 以其动态优化仍 为参数优化。 以m、 厂 、 k 为设计变量 ， 设谐振峰值为 目标 函数 ， 则优化问题为 ： mi n M ：一 1俪 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 4 7卷第 5 3 8期 2 0 1 0 年第 1 0 期 电测与仪表 El e c t r i c al M e a s u r e m e n t& I ns t r u m e n t a t i o n Vo 1 ． 4 7 NO ． $ 3 8 Oc t ． 2 O 1 O J。 。 璺 三 。 一： 。 一 。 ， h 、 o” 9 o B o d e Di ~r a m ， ， I — — ／ ＼ ≮。 ‘ _● ＼ 、 s ． t ． ≥ 0 ． 2 2 俯 ≤ O． 9 2 x ／ ~k - 、 ≥0 V m ( 3 ) 编制M A T L A B 的 函数或约束极小值优化工具箱 函数f mi n c o n ， 可以计算出最优解 ： m= 0 ． 4 6 f = 6 ． 3 5 ； k = 1 6 ． 2 2 I~ w c = VVI + 4 ff 4 + 2 ， ： 2 计算剪切 频率和谐振频率 。 再 由 = k 2 ／ ( k ) 分配k 值给k 、 k 。 对微动开关 的动触头几何结构可根据质量m和弹性 系数进行确定。 B o d e Di a g I Ⅻ 、 、 、 ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ ： ： ： ：： ： f ／ r a d ／ s 图 6动 触头优化 后伯 德 图 F i g ． 6 Bo d e o f mo v i n g c o n t a c t s a fte r o pt i mi z a t i o n 按优化后的参数绘制动触头伯德图6 ，可见其谐 振峰值基本消失， 目频率和 振频率降到Q l r a d ／ s 以下 。 4 结 束 语 经分析得到 了 目前膜片式风道继 电器失效的根 本原 因和机理 。 发现继电器触头烧蚀的根本原因是继 电器动触头在机车和风机振动作用下发生共振 ， 触头 产生微距开合 ， 产生振频烧蚀 。风道堵塞的原 因是冰 雪异物造成。元件损坏是由于频繁拆装和操作不当。 针对以上缺陷设计了微压膜片与负逻辑微动开关结 合 的新结构继电器。并对进气 口进行 自洁 防堵设计 。 对接线螺柱进行 了新型接线夹紧螺旋结构设计。 经过 对继电器动触头 的动态参数优化 ，得到了优化解 ， 对 触头弹性系数和几何结构参数的确定提供了依据。 产 品开发试制后 ， 经兰州铁路局武南机务段和兰西等机 务段安装运行 ，证 明产品性能完全达到了设计 目标 ， 解决了触头过早烧蚀和冰雪异物堵塞 问题 。 各项测试 结果显示 ， 性能指标优 良， 提高了风道继电器的可靠 性与使用寿命和机车运行安全性 ， 降低了维修人力成 本和经济成本 。 参 考 文 献 [ 1 ] 姚樵耕 ， 于文根 ， 电气 自动控制[ M] ．北京 ： 机械工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 编写组编 ， 机械设计手册 ( 第 9 篇 ) 电动机和常用低压 电器[ M1 ． 北京 ： 机械工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． [ 3 ] 董景新等 ， 控制工程基础[ M] ．北京 ： 清华大学 出版社 ， 2 0 0 3 ． 【 4 】 瞿亮， 凌民等． 基于MA T L A B 的控制系统计算机仿真[ M 】 ． 北京 ， 清华 大学 出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 5 】 T B 厂 I 2 7 6 2 — 1 9 9 6 ， 机车继电器基本技术条件[ s ] ． 【 6 ] G B 2 9 0 0 ． 1 7 — 9 4 ， 电工名词术语 继电器及继电保护装置[ s ] ． 【 7 ] G B 2 4 2 3 ． 4 — 9 3 ， 电工 电子产品环境试验规程 试验D b： 交变 湿热试验 方法 [ S ] ． [ 8 ] G B 4 2 0 8 — 9 3 ， 外壳防护等级的分类【 s ] ． [ 9 ] G B 4 9 4 2 ．2 — 9 3 ， 低压电器外壳防护等级 】 ． [ 1 0 ] T B 厂 r 1 3 3 3 ， 机车电器基本技术条件【 s ] ． [ 1 1 ] T B ／ T 2 7 6 2 ， 机车继 电器基本技术条件[ s 】 ． [ 1 2 ] G B ／ T 2 4 2 3 ． 1 0 — 1 9 9 5 ， 电工电子产品环境 试验方法 振 动试验『 s ] ． [ 1 3 ] G B 9 9 8 — 8 2 ，低压 电器基本实验方法[ S 1 ． [ 1 4 ] T B ／ T1 3 3 3 — 1 9 9 6 ， 机车 电器基本技术条件[ s 】 ． [ 1 5 】 铁道部 产品质量监 督抽查 检验实施 细则． 机 车静压式 风速继 电器 I Z ] ． 2 0 0 3 ． 7 ． 作者简 介： 屈 圭( 1 9 5 7 一 ) ， 男 ， 教授 ， 从 事机 电系统 分析与 综合 ， 风 电 系统设计。E m a i l ： Q G 1 1 1 1 Q G @1 2 6 ．c o rn 梅沪光 ( 1 9 5 5 一) ， 男 ， 副教授 ， 从事机 电系统设计 ， 工程图学研 究。 收稿 日期 ： 2 0 1 0 — 3 — 2 7 ( 杨长江 编发 ) 一 6 7一 塞 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m