城市轨道交通领域用高可靠、长寿命国产化中间继电器研究应用

叶春久,郑太峰,刘健

（贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550009）

摘要：本文通过梳理轨道交通车辆领域继电器应用的现状：过度依赖国外进口产品，产品种类、型号繁多，采购成本高、周期长，售后服务响应不及时等问题。受疫情影响及欧美日等国贸易壁垒的限制，导致我国轨道交通装备缺乏高性能、高安全性、高可靠性继电器的支撑，在国际市场竞争上处于不利局面，故解决轨道交通车辆继电器的核心技术问题也就显得格外重要。通过对进口继电器的结构、磁路、触点和灭弧等关键技术进行深入研究，针对其高压分断能力、强制导向结构、耐特殊环境、长电寿命、高可靠性的特点，提出了自主化攻关设计。利用三维结构设计、电磁仿真和结构强度分析等技术，实现了轨道交通车辆继电器关键核心技术自主可控，有效降低了列车制造成本，提升了轨道交通产品的竞争力，实现中车产品“走出去”的战略目标。

关键词：中间继电器；长寿命；安全性；磁路 

1  前言

轨道交通车辆上应用的继电器基本为国外产品，主要品牌有摩尔施密特、西门子、施耐德、利奇、阿塔奇、德驰、安川、欧姆龙等，这些产品一部分是国外直接进口，还有一部分是关键零部件国外进口，在国内组装生产[1]，因此一旦国外限制继电器及零件出口，这些产品将面临短供、断供的问题，短时间内很难找到成熟可靠的国内产品进行替代。

为积极应对国际形势变化带来的供应链、产业链风险，解决关键零部件“卡脖子”现象，摆脱对国外产品依赖，加速轨道交通车辆用继电器技术攻关，无论是行业层面，还是国家层面，都十分迫切。

2轨道交通用继电器使用情况

继电器主要是通过关闭和断开触点来实现电路控制，在城市轨道交通车辆控制电路中有着广泛应用。地铁车辆的信号传输和逻辑控制大多通过继电器实现，如门状态、空气制动状态、受电弓控制、驾驶员激活、牵引控制等。由于继电器在控制电路中起着重要的作用，其可靠性直接影响到地铁信号系统的可靠性和安全性。

通过调研和数据整理方式，对轨道交通系统在用的11个品牌、165种继电器的性能参数、使用条件、负载类型及装车运用场景等方面的调研，对典型产品的整机防护等级、触点结构形式、线圈电压、最大分断能力、最小接通能力、电寿命、机械耐久性、线圈抑制、安装方式等参数进行了深入的研究[2-3]。以及对机车、城轨车辆、动车组/高铁不同车型平台装配的进口继电器品牌、型号、性能参数和应用问题进行汇总。梳理分析后按继电器功能作用分类为：中间继电器104种，时间继电器46种，电压检测继电器8种，电流检测继电器2种，双稳态继电器2种。其中，中间继电器以安全继电器居多，占比达到40%。

3轨道交通用中间继电器指标对比分析

通过简统一体化的技术要求和使用条件进行筛选，已确定后续国产化中间继电器主要型号为R10-4C、R10-3Za和R12-4Za三种中间继电器，对应国外进口产品为F470、FD670和B400，其执行标准为：NF F62-002-1《铁路机车—有或无触点继电器和插座总则和试验》和NF F62-002-2-A1《铁路机车—有或无触点继电器和插座详细规范》，而国内现行有效标准为：TB／T 2762-2017 《机车车辆电气设备继电器》，但无相应系列详细规范，因此无对比性。

在国内军用继电器市场，外形和安装接口与F470一致的产品为JQX-4110M，执行标准为GIB2888A《有失效率等级的功率型电磁继电器通用规范》和GJB Z39.2《军用继电器系列型谱密封电磁继电器》第5.83详细要求，主要性能指标对比，见表1。

表1军用继电器JQX-4110M与Leach公司F470参数对比

项目	JQX-4110M系列		F470		符合性
线圈电压/Vd.c.	\	28	110	24	不覆盖
线圈电阻/Ω	\	290	5000	290	不覆盖
动作电压/Vd.c. @85℃	\	<18	<77	<18.5	不覆盖
保持电压/Vd.c.	\	>7	>35	>7.5	不覆盖
释放电压/Vd.c. @-40℃	\	>1.5	>5.5	>1.5	不覆盖
触点形式	4组转换		4组转换		符合
动作时间、释放时间/ms	＜15		＜16		符合
接触电阻/mΩ	≤10		≤15		符合
绝缘电阻/MΩ	≥100(500Vd.c.)		≥100(500Vd.c.)		符合
介电强度/Vac	触点间：1250；		触点间：1500；		不符合
电寿命/万次	10（28VDC,10A阻性）		100（72VDC,0.6A,L/R=30ms） （72VDC,1A,L/R=0ms）		不符合
机械耐久性/万次	40		500		不符合
强制导向触点	\		是		不符合
振动	5mm：10 Hz～30 Hz ； 30g：10 Hz～3 000 Hz		5mm：10 Hz～30 Hz ； 20g：30 Hz～3 000 Hz		优
冲击	100g,6 ms 30g，18ms		100g,6 ms 30g，18ms		符合
环境温度/℃	-70～＋125		-40～＋85		优

通过军、民领域用继电器的对比，目前国内没有与之对应的轨道用中间继电器，而现有军用继电器存在的主要差异为：

a、线圈电压规格不覆盖、电寿命和机械耐久性不符合；

b、可靠性（在置信度为90%条件下，按Y、W级定级）试验存在差异；

中间继电器电耐久性要求单个产品应具有至少2×106个工作循环。失效判据应符合GB/T15510-2008中5.5.1的规定，试验结束后，触点电路的接触电阻大于1Ω即认为该产品失效。严酷等级应符合GB/T21711.7—2018中4.30的规定A级（首次检测到瞬时故障被确定为失效）。军用继电器（JQX-4110M）要求单个产品应具有至少1×104个工作循环。失效判据应符合GJB2888，高电平试验结束后，触点电路的接触电阻大于0.125V即认为该产品失效。首次检测到瞬时故障被确定为失效。

通过对现有军用继电器在额定负载条件下寿命次数的统计，一般为（1.1～1.5）×104个工作循环，难满足中间继电器需单个产品应具有至少2×106个工作循环的要求。

c、安全性

军用继电器对安全性没有明确要求，而中间继电器需符合BS EN 61810-3-2015 《带强制引导(机械连接)触点的继电器》要求：

a、如果闭合一个常闭触点，则任一机械连接的常开触点均不可以闭合；如果闭合一个常开触点，则任一机械连接的常闭触点均不可以闭合。这些要求适用于继电器的整个使用寿命且在合理可预见的故障条件下。

b、继电器零件在可合理预见情况下的损坏和（或）磨损，不得影响强制引导（机械连接）功能的实现。

c、继电器寿命期内，单开路触点的触点间隙应大于0.5 mm，双开路触点的触点间隙应大于0.3 mm。

通过参数对比分析，现有军用继电器不能满足轨道交通用中间继电器的运用，需对电寿命、机械耐久性和安全性进行研究和提升。为实现继电器国产化的替代，在技术指标不降低、可互换的情况下，为更好的分析讨论，后续以R10-4C（对标国外进口F470，外形见图1）为典型产品进行研究分析。

a、R10-4C（H型安装）b、 F470（H型安装）

图1外形图及电路图

4R10-4C继电器总体设计技术路线

通过梳理产品外形、安装接口、负载类型、特殊环境及装车运用场景，对国产化技术路线、方案设计、技术设计、试验验证、零部件国产化等进行研究，形成国产化继电器研制技术路线，见图2。为实现R10-4C继电器能与F470互换，外形结构和尺寸按图1a进行设计。同时，为满足环境指标要求，整机结构采用抗振动、冲击能力较强的JQX-4110M平衡力式磁路结构为基础进行优化。该结构采用单线圈控制绕组，通过控制线圈吸合或释放衔铁组件，驱动接触系统完成受控电路的转换[4]。技术方案中主要通过关键技术攻关和试验验证实现装车应用，满足轨道交通用中间继电器的技术要求和国产化替代。

图2  R10-4C技术路线

4.1 整体结构设计

R10-4C继电器整体结构设计采用平衡力式磁路结构设计，如图3a、3b所示。产品由罩组合、磁路组合、接触系统三个部分组成。罩组合用以保证产品的安装尺寸；磁路组合用以实现输入信号的切换；接触系统用以切换和承受负载。

                  a 外形图                      b结构图              c动作原理图

图3  R10-4C结构及原理示意图

4.2产品动作原理

平衡力磁路结构，具有很高的负载体积比，可以在较小的空间实现多组触点的转换，可实现系列化的扩展，产品的动作原理如图3c所示：

当继电器线圈未加激励时，衔铁受到的合力矩M等于磁钢产生的力矩Mc、接触系统产生的力矩Mcy和小轴处的摩擦力矩Mf之和。此时磁钢产生的力矩Mc保证常闭触点的接通，当线圈加激励时，衔铁增加了一个由线圈产生的力矩Md，当Md大于M（注：M=Mc+Mcy+Mf）时，衔铁开始转动，并依靠新的电磁合力矩来保持触点的接通状态。

5R10-4C继电器关键技术攻关

根据技术指标和特性参数对比，需对110Vdc线圈规格的磁路电磁特性、电寿命、机械耐久性和安全性进行研究和攻关。攻关过程中充分对产品磁路结构、电寿命和机械耐久性能进行仿真优化与谐振分析，对可动件、易变形件进行限位、防变形设计，保证产品的电寿命、机械耐久性和安全性。下面重点介绍R10-4C继电器的技术研究和攻关。

5.1  电磁结构设计

产品磁路采用我公司典型继电器的平衡力式结构，主要由：轭铁1，轭铁2，轭铁3，磁钢，铁芯，线圈，衔铁组合等部件组成，具体见下图3b。

通过ANSYS公司继电器和接触器电磁性能仿真研发平台进行三维电磁场仿真，其主要思路是采用有限元分析软件Electronics Premium Maxwell及其子模块Maxwell3D和Maxwell2D对电磁体本体进行精确分析和设计，并通过高性能计算模块驱动的参数化和优化寻找最优方案，再通过瞬态协同仿真的方式，把有限元模型链接到系统仿真软件Simplorer中，精确设计驱动电路并模拟电磁继电器实际的负载，对系统进行全方位、多层次仿真优化分析，技术方案和设计流程如图4：

图4仿真设计流程

将继电器的磁路参数赋予模型，对磁路结构进行静态、动态电磁场数字仿真分析，根据磁力线分布和磁场饱和度情况，细化模型，通过反复仿真获得最优磁效率磁路结构，以确定产品的吸力特性满足动作可靠性要求。为保证仿真结果尽可能接近真实情况，将现有产品的磁路参数（线圈电压110Vdc，线圈电阻5000Ω条件下，线圈典型安匝值取308A·匝）赋予模型，见图7，具体设置及分析如下表2：

表2参数设置

性能指标	参数
磁钢特性	矫顽力	-256000A/M
	剩磁	190mT
线圈特性	308A·匝
扫描步进	1V
边界条件	1、网格剖分此时达到10级时；2、分析误差等于或小于1%

图5结构参数仿真模型图6磁感应强度B和B矢量分布图

图7衔铁吸力扭矩-电压曲线

图6为磁感应强度B和B矢量分布图，通过该图可以看出，在该结构下，磁力线分布均匀，回路无明显饱和处；图7为吸力扭矩-电压曲线，其中横坐标为线圈安匝值，纵坐标为扭矩值，扭矩中心为转轴，根据图5测量、计算R10-4c产品电参数如下：

产品动作电压：V=IW/308•110，其中IW为衔铁刚转换时的线圈安匝值，该点取值根据衔铁吸力扭矩值与触点扭矩值之和等于零，即图7中的M2（152.3,-25.7）（即：IW=152.3）点，动作电压V=IW/308•110=54.39V。

在+85℃条件下动作电压为66.64V，其储备系数Kcb=Ued/Uxh =110/54.39=2,满足继电器设计Kcb大于1.5的要求[5]。

5.2  电寿命设计

为满足单个产品至少2×106个工作循环，试验结束后，触点电路的接触电阻不大于1Ω的要求。该项目难点在于电磁机构和接触系统的动作可靠，而电磁机构的合理性已在5.1节进行分析，可满足要求。接触系统从以下方面进行优化：对触点材料的研究配对，采用抗浪涌、耐电磨损性能优异的触点材料，实现负载的可靠切换；减小接触电阻和快速灭弧设计。

5.2.1触点组材料选择与设计

本项目继电器静触点采用银氧化锡氧化铟AgSnO2In2O3合金材料，动触点采用银氧化锡AgSnO2合金材料。AgSnO2触点材料环保无毒，具有优良的抗熔焊及耐电弧侵蚀性能。在电流较大的条件下，AgSnO2比AgCdO在寿命过程中能够增加银熔池粘度，具有更好的耐电弧侵蚀能力；在灯或容性负载下，AgSnO2比AgCdO、AgNi表现出更强的抗电流冲击能力；在交流阻性负载下，AgSnO2比AgCdO的接触电阻稍高，但在直流灯或电机负载下，却表现出低而稳定的接触电阻；在直流条件下，与AgCdO相比，AgSnO2抗材料转移性能优异，从而实现良好的电性能和长寿命[6-11]。在直流负载试验条件下：电压110Vdc，电流2A，通断频率30次/min，闭合力0.98N，分断力0.75N，功率因数1.0。测定2种合金材料的抗蚀性、电寿命及熔焊性等电接触性能，具体结果见表3。

表3　直流负载下2种材料的电接触性能

材料	AgSnO2	AgCdO
触电损耗/mg	动点：-240 静点：+3	动点：-254 静点：+38
电寿命/次	142052	61000
可焊性	优良	中等

5.2.2减小接触系统电阻设计

为有效减小接触电阻，首先在材料方面选择体电阻较小的导电材料，其次，尽可能减小铆接或焊接处的接触电阻。

a、动簧片设计：目前继电器簧片类材料普遍采用QBe2（相当于国外C17200牌号），根据调研，可采用免时效和导电性能更高的铍铜合金7，现有材料与新型材料性能对比见表4，使用该材料可提高零件的导电率、导热率及抗疲劳强度等关键指标。

表4  QBe2与铍铜合金7材料性能

材料牌号	电导率(IACS%)	90折弯（r/t）	导热率(W/m·K)
QBe2	＞22%	1.3	83.7～130
铍铜合金7	＞50%	2	167～260

b、接线脚设计：目前继电器接线脚材料采用4J29，常规4J29材料电阻率为4.6×10-7Ω·m，该材料本身的体电阻较大、散热慢，为提升导电性，采用4J50/T2（电阻率为0.788×10-7Ω·m）材料替代4J29，更换材料后接线脚体电阻及长期通电发热量可降低至原有的20%。

5.2.3灭弧设计

为解决触点断开时产生的电弧，一般采取的灭弧措施主要有惰性气体保护、真空保护、磁吹灭弧和提升触点断开速度及间隙。该项目中由于产品采用密封结构、且内部零件紧密无多余空间放置强磁磁钢，因此磁吹灭弧措施不能实施，可采用惰性气体保护和缩短燃弧时间方面解决；其中，惰性气体灭弧工艺是目前密封继电器行业较为成熟工艺不再赘述，本节主要分析如何提高触点断开速度，缩短触点燃弧时间。

在该磁路结构中，动簧片组合是固定在衔铁上，因此衔铁运动时间可约等于触点运动时间，衔铁运动时间为：

（s）

式中：tyd-衔铁运动时间，δ-衔铁打开时的气隙（m），m-运动部分的质量（kg），Kcb-储备系数，Pw-线圈稳态时的消耗功率。

通过上式可以看出，在磁路结构、吸反力特性和线圈功率确定的条件下，触点运动时间只与运动部件（衔铁组合）的质量m有关，因此，衔铁组合设计应尽量减少其质量。

5.2.4  接触系统设计

为减少电弧对触点的烧蚀，产品动、静触点间设计引弧角，负载切换时，引弧角将电弧拉长，分散电弧能量有利于电弧的熄灭和提升产品寿命。同时，为了避免触点组间产生燃弧时的互相干扰，设计有隔弧装置，见图8。通过对触点材料优选和接触系统结构改进，可满足项目的电耐久性要求。

5.3机械耐久性设计

通过对产品结构分析：除骨架及隔弧罩材料外，其余零件均为金属材料，且在全寿命过程不受到应力影响，本产品的机械耐久性的薄弱环节在于触点转换过程，簧片受到的周期应力影响。通过仿真对产品结构进行分析，以确定产品的簧片是否满足机械耐久性要求。仿真时，对簧片的铆接孔进行固定，对触点侧施加周期性大小为0.8N的力（模拟触点压力），簧片寿命次数分布如图9，为无限寿命，可以认为整体寿命超过1×109次。

a、机械耐久性仿真载荷施加示意b、机械耐久性仿真结果图

图8  隔弧装置图9机械耐久性仿真

5.4安全性设计

5.4.1 强制导向设计

通过大连中车公司简统，中间继电器以安全继电器居多，占比达到40%。产品需符合IEC 61810-3:2015《基础机电继电器第3部分：强制导向（机械联动）触点继电器》标准中强制导向要求。

在总体结构（见图3）设计中，由于接触系统的常开/常闭端的动触点均采用跷跷板式结构，动簧部分通过轴固定片与衔铁刚性固定，常开/常闭侧触点间隙一致，通过转轴在衔铁的机械牵引下左右、上下运动，合理控制衔铁行程保证动合、动断触点间隙为0.75mm以上（大于0.5mm），可满足IEC 61810-3的强制导向功能设计；同时，动簧部分下方设计一W型托片结构，当动合、动断触点因故障导致粘接时，另一侧触点因W型托片对动簧部分的支撑作用，确保动合、动断触点无法同时闭合，实现触点强制导向功能。

图11触点强制导结构

5.4.2其它安全性

a）介质耐压和绝缘电阻设计

通过设计足够间隙保证产品的引出端与外壳间的绝缘电阻及介质耐压，保证引出端之间的排列有着充足的安全距离；产品基板与接线脚的绝缘密封材料为玻璃绝缘子，玻璃绝缘子的尺寸取决于其基板孔径与接线脚尺寸，其电气可靠性与玻璃绝缘子的尺寸有着密切的关系，玻璃绝缘子的绝缘电阻和介质耐压可用下列公式进行计算：

式中：R-绝缘电阻（MΩ)，V-击穿电压，ρ-玻璃材料的电阻率（Ω·cm）；h-基板厚度（mm）r1/r2-玻璃绝缘子内径、最小外径（mm），玻璃子的漏电流（mA），ω-交流频率（Hz），ε-玻璃子介电系数。

将R10-4c的基板组合参数代入上式中进行核算：U=3.25KV，R=6.78×107MΩ。

以上指标均大于产品设计要求（指标要求：绝缘电阻大于100MΩ，介质耐压大于1500V）。

b）防火性能

产品使用外壳采用金属材料，通过激光熔焊的工艺进行密封，可隔火隔烟，使产品的防护等级达到IP68；

c）防呆设计

H型安装形式，由于安装板设计有编码键，不同规格型号的产品具有唯一的编码号，与对应插座配合使用，可防止继电器安装时误插入其它规格的产品；同时，产品外壳顶部，标记有清晰详细的产品接线电路图。

6应用验证情况

通过以上设计优化后，进行R10-4c继电器实物加工和测试，电特性见表6，符合设计要求，并按QCRRC_J_20xx《轨道交通车辆_继电器（试用版）》，NF F62-002-1《铁路机车—有或无触点继电器和插座总则和试验》和NF F62-002-2-A1《铁路机车—有或无触点继电器和插座详细规范》规范进行试验，各项试验满足设计要求。同时，按用户要求将R10-4c继电器送至指定的试验单位西南交大与进口样机按规范要求进行对比试验，经对比验证，各项性能指标均与进口产品F470一致，满足设计要求。

目前，该型号R10-4c产品已在大连公司牵头承担的《轨道交通装备用继电器、接触器产业技术研究及应用》项目中进行装车应用验证，装车单位有大连中车、青岛四方、唐山公司等。

表6R10-4c继电器电特性

7结论

本文主要通过参数对比分析，现有军用继电器仍然不能满足轨道交通用中间继电器的运用，分别对不满足要求的磁路系统、耐电寿命、机械耐久性和安全性进行研究和优化。针对磁路系统、电寿命、机械耐久性和强制导向四个方面进行专项攻关，通过三维虚拟样机、磁路数字仿真和力学性能分析对关键设计进行验证和优化，保证产品的高性能指标与可靠性、安全性，对于轨道交通车辆继电器的设计有很大的帮助。

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