一种轨道交通车辆用新型微动开关设计优化方法

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(1. 北京京城地铁有限公司，北京，101312；2. 北京市地铁运营有限公司地铁运营技术研发中心，北京，102208；)

1 引言

目前，微动开关广泛用应用于电器电子设备、仪器仪表、控制系统等领域，在频繁换接电路的设备中起到自动控制及安全保护等作用。微动开关是一类体积小、操作间隔短、操作力小、参数精密、通断转换迅速的机械电气元件。微动开关主要由速动机构和电接触系统组成，微动开关在通断转换过程中，速动机构决定了微动开关的动态力学特性，包括超行程、开关动作力、触点接触力等参数。操作力的大小和曲线直接影响到开关的动态特性和操作舒适度，触点之间的接触力大小和产品稳定性有关，如果力过小，会出现接通不稳定甚至不能接通的现象，使设备功能失效。因此有必要在微动开关的设计方法上进行优化改进以满足工作要求。对微动开关的静、动态力学特性进行研究，评估产品的力学特性，这样既可以缩短产品开发周期、避免资源浪费，也有助于产品的创新设计。

本文设计开发了一种具有双向接通功能的微动开关。采用创新性的设计方法，主动介入到微动开关的设计优化过程中，研究了弹片预压和操作按钮位置对微动开关装配和操作过程的影响，得到不同参数组合工况的微动开关装配和操作过程的力学特性曲线，根据操作力的目标值确定了弹片预压和操作按钮位置的设计优化函数，并对进口的微动开关实物进行了测试对比。设计的微动开关为速动转换型，它具有体积小、重量轻、安装方便、速动、自净、强制断开模块等特点，两组动接点相互绝缘，可以不同级随意使用，接点为自净带有永磁灭弧功能，尤其适合接通小电流信号，如传送计算机信号，同时又有较强的分断能力，且接线时对极性无要求。现已广泛地应用于DF型内燃机车、电力机车、电动车组、地铁和城市轻轨车及出口机车的控制电路中。

2 微动开关结构设计和工作原理

2.1 微动开关结构设计

由于微动开关在使用过程中出现的问题主要反映在卡滞、接通不良、壳体装配过程中容易损坏、开裂，弹簧力度过大或者过小，开关的通断行程不在正常范围内等方面，下面选择两款用于轨道车辆的微动开关进行结构优化设计，以改进。

2.1.1 XS826微动开关的结构优化设计

XS826微动开关的设计是基于结构力学理论建立了微动开关的结构模型，微动开关XS826的结构设计图，如图1所示。

图1 XS826微动开关产品结构示意图

该微动开关主要由弹簧、滑块、动触头、片弹簧、滚轮组件、上接线柱、下接线柱、接线螺钉、挡片、外壳等结构组成。

施加外机械力(推动板键)触动微动开关的滚轮组件将传递的外机械力作用于片弹簧与圆柱弹簧上，当片簧片位移到临界点时产生瞬时动作，使滑块机构上安装的动触点与外壳上安装的静触点快速接通或断开。

当滚轮组件的外机械力(推回板键)移去后，片弹簧与圆柱弹簧产生反向动作力，当滚轮组件反向行程达到片弹簧的动作临界点后，瞬时完成反向动作。

XS826微动开关的触点间距小、动作行程短、按动力小、通断迅速。其动触点的动作速度与滚轮组件动作速度无关。

2.1.2 XS847微动开关的结构设计

XS847微动开关在XS826的基础上优化设计，依据结构力学理论建立了微动开关的结构模型，微动开关XS847的结构设计图，如图2所示。

图2 XS847微动开关产品结构示意图

该微动开关主要由滚轮组件、滑块组件、片弹簧、圆柱弹簧、接线螺钉、动触头、上接线柱、下接线柱、外壳等结构组成。

同样在施加外机械力(推动板键)时，可以触动微动开关的滚轮组件，其作用力将传递的外机械力作用于片弹簧与圆柱弹簧上面，当片簧片位移到临界点时将会产生瞬时的动作，使得滑块机构上安装的动触点与外壳上安装的静触点快速接通或断开。

当移去滚轮组件的外机械力(推回板键)后，圆柱弹簧与片弹簧产生了反向的动作力，使得滚轮组件的反向行程达到了片弹簧的动作临界点后，瞬时完成反向动作。

XS847微动开关的触点的间距较小、动作行程短、按动力小、通断迅速。其动触点的动作速度与滚轮组件动作速度没有关系。其防尘等级高于XS826微动开关壳体的整体密封度较高。

2.1.3 接触系统材料设计

接触系统材料主要包括开关触点与片弹簧两个部分的材料，材料的性能决定了微动开关的工作性能，因此，必须在材料方面进行严格的选用。

(1)开关触点材料设计

开关触点要求具有良好的导电性，较高的耐熔性，耐电弧、腐蚀等性能触点选用了银镍合金，具有较高的硬度、耐磨性、抗电弧烧损能力。

(2)片弹簧材料设计

片弹簧材料应具有良好的弹性、抗疲劳强度，选用较高弹性、韧性的铍青铜材料，材料厚度0.1mm，片弹簧成形后进行时效处理。

2.2 XS826与XS847的微动开关设计的技术性能要求与工作原理

XS826与XS847的微动开关在运用时，始终处于频繁通断动作的过程中，其在设计方面需要满足机械动作的次数要求和电寿命的技术要求。工作原理上要能够满足现场的运营需要。下面就技术指标要求和微动开关的工作原理进行说明。

2.2.1 XS826与XS847的微动开关设计的技术要求

XS826与XS847的微动开关的技术要求在额定工作电压、接点压力、机械寿命和电寿命的技术指标上十分接近，不同的部分主要在接点部分的防尘等级上，具体的对比内容如表1所示：

表1 XS826微动开关与XS847微动开关技术

由上表可见，微动开关的机械寿命和电寿命的要求是极高的，这也是现场使用的需要。

2.2.2 XS826与SX847微动开关的工作原理

XS826与SX847微动开关的工作原理主要从电路方面展示说明，XS826与XS847微动开关电路转换形式如图3所示：

图3 XS826与XS847微动开关电路转换形式

XS826与XS847微动开关的工作原理相同，两者的共同的工作原理为：

上接线柱与接线螺钉组成为引出端1和2；下接线柱与接线螺钉组成为引出端3和4；片弹簧、圆柱弹簧与滑块组件组成引出端5，作为公用接线端。

自由状态下片弹簧与滑块组件不受任何外力，内部的片弹簧与圆柱弹簧内应力使得动触头与下接线柱相接，行程一组(常闭)接点。

外机械力(推动板键)触动滚轮组件使得片弹簧位移到临界点时运动，断开(常闭)接点，接通上接线柱，完成一次动作转换。

当外力消除，片弹簧与圆柱弹簧产生反向动作力，回到(常闭)接点，完成开关的一次动作循环。

XS826与XS847微动开关行程及转换位置各值应满足图4和图5规定。

图4 XS826微动开关行程及转换位置

图5 XS847微动开关行程及转换位置

(1)初始位置：在该位置滚轮组件、片弹簧及圆柱弹簧滑块处于自由状态，不受任何外力。

(2)动作点：接触系统触发微动开关动作的行程中的某点。

(3)释放点：返回的接触系统释放动作装置使其可以回到正常位置的行程的某点。

(4)最终位置：传动机构行程最大的位置。

3 实验结果分析

3.1 XS826微动开关结果分析

XS826微动开关行程动作参数实际数见表2：

表2 XS826微动开关行程动作参数实际发生值

参数实际表中所有的测数据均需对照规定值，在规定值偏差范围内为合格产品，XS826规定值如下：

动作力规定参数：2.0N+0.2N；初始位置规定参数为：20.0mm±0.5；动作点规定参数为：16.8mm±0.3mm；释放点规定参数为18.5mm±0.3mm；最终位置规定值15.3mm±0.5mm；如不满足XS826规定值，则不合格。

XS826动作力曲线图6所示

图6 XS826动作力曲线

3.2 XS847微动开关结果分析

XS826微动开关行程动作参数实际数见表3：

表3 XS826微动开关行程动作参数实际发生值

图7 XS847动作力曲线

参数实际表中所有的测数据需对照规定值，在规定值偏差范围内为合格产品，XS847定值如下：

动作力规定参数：1.8N+0.2N；初始位置规定参数为：20.4mm±0.5；动作点规定参数为：17.0mm±0.3mm；释放点规定参数为19.1mm±0.3mm；最终位置规定值13.8mm±0.5mm；如不满足XS847规定值，则不合格。

可见国产的微动开关在动作力的数值都在微动开关的正常范围内，而且偏差的波动性范围较小，显示出产品质量的稳定性较好，可靠性较高。在初始位置方面、动作点、释放点和最终位置方面，微动开关的数据都表现出较低的波动范围，这表明微动开关的质量稳定性方面较好。

XS826与XS847微动开关在北京某地铁线路上运行半年，没有发生任何故障，相比同类进口的微动开关，性能更加优越，能够满足实际运营的需要。

4 结论

通过实测结果的分析和在地铁车辆上的运用，说明通过结构设计优化微动开关静、动态力学特性是可行的，验证了确定微动开关设计优化参数的方法的有效性。表明通过结构优化设计可以提高微动开关的工作效率，降低故障频率，减少维护成本。XS826与XS847微动开关设计合理，随整机考核试验合格，各性能参数均符合要求，获得用户的认可。