微动开关在电气控制应用中的故障分析及解决措施

刘太彪

青岛酒店管理职业技术学院酒店工程学院，山东 青岛 266000

微动开关广泛应用于轨道交通、船舶、航空等行业的电气控制系统当中，其具有使用寿命长、可靠性高等优点。以轨道交通为例，本文通过对微动开关在高海拔地区的使用过程中控制指令不能可靠传达的故障进行描述，分析确定了故障原因，最后提出了解决措施。

1 故障描述

在轨道交通领域，比如高铁，微动开关在云贵等高海拔地区的使用过程中，当在短时间内（如两天之内）由高海拔地区到低海拔地区时，轨道交通设备中的控制指令可能会失效，而且，该故障存在一定的随机性。

2 原因分析

2.1 指令传输示意

微动开关指令按照硬线电路逻辑传递给网络传输部，网络传输部进行数据备份采集，并通过光纤环网和自诊断线透传给网络显示器、数据记录装置和指令执行装置，整个执行过程如图1所示。

图1 微动开关指令传输、显示、记录逻辑

2.2 微动开关的技术性分析

2.2.1 设计理念分析

微动开关通过了轨道交通行业的常规试验，机械寿命达到200万次，获得相关认证，符合相关要求。微动开关在设备中的应用按照故障导向安全的理念来进行设计，如果设备中的某个微动开关出现故障，只会影响该线路的信号输出，并不会影响到其他线路[1]。

通过对设备的结构图纸、指令表及接线图等的仔细核实及相关试验验证，设备的工作原理不是引起该类故障的原因。

2.2.2 参数及控制负载分析

微动开关的主要关键参数如图2所示。

图2 微动开关电寿命曲线

微动开关在使用时的工作电压在直流77～110 V之间，根据电寿命曲线，微动开关触点回路电流不小于12.13 mA。

微动开关在运用中的工况模拟如图3所示。

图3 微动开关运行工况模拟

微动开关的工作电压一般在直流77～100 V之间，当继电器的线圈电阻为6.35 kΩ时，微动开关的输入回路电流如下：

输入回路电阻6.35 kΩ；

输入100 V时，输入电流为15.75 mA；

输入90 V时， 输入电流为14.17 mA；

输入77 V时， 输入电流为12.13 mA；

综上，负载工况与微动开关电气特性匹配，微动开关选型合适。

2.2.3 设计变更分析

微动开关（见图4）的壳体部分为PC类透明塑料材质，固定接线处、安装处、接缝处等均使用密封胶进行密封，整个腔体部分满足IP60的防护等级。开关的动作部分采用特种硅橡胶密封帽进行防护，保证密封功能，通过上述设计，形成一个相对密闭的空间，可以很好地满足密封的要求。同时，硅橡胶密封帽还要满足动作部分在Ω形速动簧（触点形状）和复位弹簧共同作用下，可以灵活动作。

图4 微动开关结构

通过检测发现，当周围环境气压在短时间内发生较大变化时，比如从低气压（高海拔）环境到高气压（低海拔）环境，根据气压随海拔高度的变化规律曲线：

式中，P0为海平面大气压；P0为101.325 kPa；H为海拔高度。

以昆明到贵阳两地来分析，通过查阅资料，昆明市海拔约为1895 m，气压约为811 hPa，贵阳市海拔约为1100 m，气压约为880 hPa。 带入上述公式进行验证，昆明气压计算结果为803 hPa，贵阳气压计算结果为886 hPa。计算结果基本与查阅资料结果相符合。

以已经开通的高铁线路为例来分析，昆明-贵阳的高铁行程为不到3 h，通过对整个线路的试验发现，当气压接近贵阳的气压时，发现微动开关的密封帽出现不同程度的压瘪状态，因为密封帽的压瘪，对动作部分产生一定的阻碍作用，由于本身动作部分的释放力值较小，介于0.2～0.5 N之间，故极有可能造成动作部分无法正常弹出，进而影响动作指令的有效发出，产生前述故障[2]。

除了气压因素，其他因素如温度或者湿度，在西南广大地区因无明显变化，故不再做进一步分析。

2.2.4 线路验证

首先，对整个昆明到贵阳的线路进行气压变化的验证，绘制曲线如图5所示。

图5 微动开关随气压变化

通过该曲线可以进一步验证，气压变化较明显时（两地压差超过8.5 hPa），微动开关会出现压瘪现象。

2.2.5 信号测量

在线路测试的基础上，为了进一步确定微动开关压瘪对输出指令的影响，考虑采用多通道示波器监控电平信号变化并对监控信号变化的时间，即为触点接通或者断开的时间。通过监测发现，能够正常动作的微动开关触点变化时间与压瘪后的微动开关触点变化时间无明显差异，均为0.007 s左右，然而对于因压瘪无法正常弹出的，则差异会非常明显（见图6）。

图6 示波器检测开关触点断开到闭合

2.3 故障结论

通过上述分析得出如下结论：如果在线路运行区间内海拔变化较大，即气压升高较快，则气密性较好，即防护等级高于IP60 的开关因与外界气压交换速度慢，内压小于外界大气压，微动开关复位弹簧无法克服气压差造成的阻力（密封帽压瘪对动作部分的阻碍作用），导致无法正常工作，进而造成指令输出异常，以及后续一系列的故障。

3 解决措施

3.1 密封性问题

可以采用对密封帽进行穿孔的方式进行解决，具体实施可以采用直径1mm左右的特种弯针，对微动开关的密封帽两侧进行对穿孔，确保不伤及其他部件（见图7）。这样通过四个孔能使内外气压达到快速平衡，同时，还能维持一定的防护等级。

图7 穿孔示意

穿孔后进行线路试验验证，发现再没有出现指令输出错误的问题，故该解决措施有效。

3.2 普适性问题

除了西南云贵地区，随着微动开关在航空、轨道交通、船舶等领域的广泛应用，中国自西向东的海拔高度变化极大，该类故障发生概率会非常普遍，在各领域使用过程当中的隐患也会越来越大。穿孔措施只能作为短期措施来执行，而且穿孔措施也会降低开关本身的防护等级，因此也会带来别的一些问题。故为了解决该类问题的普适性，从根本上杜绝该类问题，需从如下几方面来考虑。

3.2.1 动作耐久性的问题

微动开关在很多领域的使用寿命都是10～20年，需要选择穿孔后的开关进行动作耐久性的试验，通过一定的试验装置来模拟开关全寿命周期的动作次数，根据试验结果来确定耐久性是否满足[3]。

3.2.2 工艺改进

后续生产工艺，需要从该类典型问题出发，在保证满足防护等级的前提下，降低开关的密封性。

4 结语

在电气控制系统当中，很多故障问题都是与别的专业相关的。有些问题在该环境下长期使用均没有出现，然而换个别的环境则会出现，且该问题可能会多次出现，需要我们具体问题具体分析。某些问题还需要结合别的专业知识来考虑，整个过程中，技术人员对某些故障的认识也是随着故障的解决来加深的。这对于技术人员来说都是极为宝贵的经验。