動(dòng)車組電連接器接觸電阻變化研究

李智國(guó)，武繼將，唐辰杰，王治軍

（1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島 266111； 2.蘭州交通大學(xué)，蘭州 730070）

引言

目前我國(guó)高速鐵路動(dòng)車組檢修制度以狀態(tài)修為主[1]，當(dāng)運(yùn)營(yíng)公里數(shù)達(dá)到100萬(wàn)公里以上時(shí)，需要對(duì)動(dòng)車組進(jìn)行全面的解編[2]，對(duì)性能下降或偶發(fā)故障的零件進(jìn)行更換，為保證動(dòng)車組運(yùn)行安全。在實(shí)際操作中往往對(duì)部分剩余壽命長(zhǎng)的高可靠性零件也進(jìn)行了更新，對(duì)檢修工作量和檢修成本都是較大的負(fù)擔(dān)，動(dòng)車組檢修制度正在建立基于故障診斷、可靠度評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)的新模式，能夠有效避免由于不科學(xué)的檢修周期對(duì)設(shè)備和零部件帶來(lái)的影響，同時(shí)也能在確保設(shè)備和零部件可靠性的基礎(chǔ)上合理規(guī)劃?rùn)z修時(shí)間，避免維護(hù)過(guò)度或不足。在動(dòng)車組一個(gè)完整的運(yùn)營(yíng)周期內(nèi)，設(shè)備和零部件的狀態(tài)始終處于一個(gè)變化的過(guò)程，通過(guò)對(duì)狀態(tài)進(jìn)行跟蹤分析，利用數(shù)據(jù)分析其變化規(guī)律，從而進(jìn)行有效的壽命預(yù)測(cè)和可靠性分析至關(guān)重要。電連接器是高速動(dòng)車組用主要電氣零部件，其結(jié)構(gòu)性能及可靠性隨著動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)里程的增加而降低，電氣連接器的故障都有可能引起動(dòng)車組運(yùn)行和控制系統(tǒng)的故障，嚴(yán)重時(shí)甚至危及行車安全[3]。為了順應(yīng)鐵路發(fā)展的趨勢(shì)，同時(shí)為了在保障列車的安全運(yùn)行前提下減少維護(hù)檢修成本，通過(guò)進(jìn)行動(dòng)車組用電連接器接觸電阻實(shí)驗(yàn)，分析其經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)用后的性能變化，進(jìn)而為改進(jìn)動(dòng)車組檢修工作提供理論與實(shí)踐依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

根據(jù)GB/T 34119-2017《軌道交通 機(jī)車車輛用電連接器》在室內(nèi)對(duì)動(dòng)車組用電連接器進(jìn)行接觸電阻測(cè)試，室內(nèi)環(huán)境溫度應(yīng)保持在25±5 ℃，相對(duì)濕度應(yīng)保持在45～75 %。

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

在動(dòng)車組運(yùn)行中，電連接器長(zhǎng)期暴露在外部環(huán)境運(yùn)行，這勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致其各項(xiàng)性能出現(xiàn)下降，性能下降會(huì)給列車的運(yùn)行帶來(lái)極大的安全隱患[4]，為了判斷動(dòng)車組用電連接器在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)運(yùn)營(yíng)里程后的電性能變化，本文按照GB/T 5095.2-1997規(guī)定對(duì)不同運(yùn)營(yíng)里程下的動(dòng)車組用速度傳感器連接器、牽引變流器連接器、接地保護(hù)開(kāi)關(guān)連接器、牽引電機(jī)主連接器、接觸器箱連接器和車端電氣連接器進(jìn)行接觸電阻測(cè)試，上述六種電連接器實(shí)物圖如圖1所示。

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器

1）直流低電阻測(cè)試儀，型號(hào)TH2511，測(cè)試精度0.01 mΩ。

2）數(shù)字萬(wàn)用表，型號(hào)34401A，測(cè)試精度0.001 mΩ。

3）超高阻計(jì)電阻測(cè)試儀，型號(hào)CS9516，測(cè)試精度0.01 Ω。

1.4 實(shí)驗(yàn)方案及步驟

接觸電阻通過(guò)根據(jù)測(cè)量的電壓降計(jì)算得出，該實(shí)驗(yàn)中測(cè)量連接器引出端電壓降采用直流電阻電橋進(jìn)行測(cè)試。測(cè)量原理如圖2所示，測(cè)量點(diǎn)應(yīng)該處于兩端觸頭貼近絕緣或外罩的位置，當(dāng)這些測(cè)量點(diǎn)不能直接接近時(shí)，可以移到連接的導(dǎo)線上。在電連接器兩邊引出端加上電壓，分別正向與反向通過(guò)電流，測(cè)量電連接器引出端之間的電壓降，計(jì)算出接觸電阻[5]。需要注意為了避免擊穿接觸件絕緣薄膜，測(cè)試回路的電流、電壓不宜過(guò)大。

設(shè)置超高阻計(jì)電阻測(cè)試儀參數(shù)，采用R/Slow/On/Auto模式進(jìn)行測(cè)量，量程采用mΩ量程，然后將測(cè)試儀正確調(diào)零并與數(shù)字萬(wàn)用表配合使用，調(diào)零完成后更換新的設(shè)備保險(xiǎn)絲。對(duì)于線頭數(shù)大于或等于6的樣品隨機(jī)抽取6根線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；對(duì)于線頭數(shù)小于6的樣品，所有線均進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將超高阻計(jì)電阻測(cè)試儀兩測(cè)試夾正確夾到連接器同一電線的兩端，等待數(shù)值穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)測(cè)試所有樣品。

2 結(jié)果分析

對(duì)運(yùn)營(yíng)里程分別為240 km、360 km、480 km的速度傳感器連接器、牽引變流器連接器、接地保護(hù)開(kāi)關(guān)連接器、牽引電機(jī)主連接器、接觸器箱連接器和車端電氣連接器六種動(dòng)車組電連接器按照上述方法進(jìn)行接觸電阻檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，接觸電阻均滿足TB/T 3412-2015 《動(dòng)車組用電連接器》中規(guī)定。

圖1 動(dòng)車組用電連接器

圖2 測(cè)試原理圖

在對(duì)連接器的壽命預(yù)測(cè)分析中，首先對(duì)其失效形式進(jìn)行研究，這里只重點(diǎn)考慮了其軟失效形式，不考慮小概率突發(fā)故障對(duì)使用壽命的影響。電連接器的失效模式可分為接觸失效、機(jī)械失效、絕緣失效三類，其中電連接器失效的首要原因是接觸失效[6]。接觸失效最直接的表現(xiàn)方式為接觸電阻的增大，根據(jù)電接觸理論[7]，接觸電阻的大小與電連接器的溫升成正相關(guān)，由于接觸電阻的存在，電流流經(jīng)接觸件時(shí)，溫度會(huì)因?yàn)榻苟鸁岫撸?dāng)接觸電阻小時(shí)，溫升對(duì)電連接器影響較小，如果電連接器接觸電阻過(guò)大，過(guò)高的溫升引起電連接器失效。同時(shí)，若電連接器無(wú)法有效散發(fā)熱量，降低接觸體硬度從而加劇接觸體的磨耗和銹蝕。因此，對(duì)不同運(yùn)營(yíng)里程下電連接器接觸電阻變化率進(jìn)行分析，接觸電阻變化率如圖3表示。

從接觸電阻變化率大小的角度分析，車端電氣連接器變化率最大，牽引電機(jī)主連接器次之，牽引變流器連接器和速度傳感器連接器接觸電阻無(wú)明顯變化，這是由于車端電氣連接器和牽引電機(jī)主連接器工作環(huán)境更易收到額外的沖擊和振動(dòng)，同時(shí)二者的接觸件直徑較大，接觸電阻相較于其它類型電連接器相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，阻值的輕微變化也會(huì)導(dǎo)致變化率的激增。而通過(guò)對(duì)比兩次周期接觸電阻變化率的大小可知，車端電氣連接器和牽引電機(jī)主連接器在運(yùn)營(yíng)后期的變化率要大于前期，可見(jiàn)兩者隨著使用時(shí)長(zhǎng)的增加，接觸電阻的變化愈發(fā)顯著，而其他類型電連接器運(yùn)營(yíng)前期變化率大于后期且差值較小，接觸電阻可視為穩(wěn)定變化。根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)[8-11]，定義電連接器壽命預(yù)測(cè)函數(shù)為：

式中：

A1—初始值；

A2—終值；

x0—終值。

在電連接器偽失效壽命模型下[12]，可靠度模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

在正常工作應(yīng)力T＝308K的條件下，兩參數(shù)值為：

計(jì)算平均壽命為8.067 7×104h。將檢測(cè)數(shù)據(jù)代入壽命預(yù)測(cè)函數(shù)得到壽命預(yù)測(cè)函數(shù)曲線結(jié)果如圖4所示。

圖3 接觸電阻變化率圖

電連接器接觸電阻阻值變化近似呈“S”型曲線，隨著運(yùn)營(yíng)里程的增加，接觸電阻阻值呈增加趨勢(shì)，牽引變流器連接器接觸電阻達(dá)到失效值時(shí)的預(yù)測(cè)里程為1 056萬(wàn)公里，接觸器箱連接器接觸電阻達(dá)到失效值時(shí)的預(yù)測(cè)里程為1 100萬(wàn)公里，接地保護(hù)開(kāi)關(guān)連接器接觸電阻達(dá)到失效值時(shí)的預(yù)測(cè)里程為1 210萬(wàn)公里，速度傳感器連接器接觸電阻達(dá)到失效值時(shí)的預(yù)測(cè)里程為1 287萬(wàn)公里，牽引電機(jī)主連接器接觸電阻達(dá)到失效值時(shí)的預(yù)測(cè)里程為1 322萬(wàn)公里，車端電氣連接器接觸電阻達(dá)到失效值時(shí)的預(yù)測(cè)里程為1 461萬(wàn)公里。通過(guò)壽命預(yù)測(cè)函數(shù)得到的預(yù)測(cè)壽命大于在偽失效壽命模型下電連接器可靠度模型計(jì)算得出的平均壽命，可以認(rèn)為該壽命預(yù)測(cè)函數(shù)符合要求。通過(guò)壽命預(yù)測(cè)結(jié)果可知，牽引電機(jī)主連接器的預(yù)測(cè)壽命最大，而牽引變流器連接器預(yù)測(cè)壽命最小，不同類型電連接器的預(yù)測(cè)壽命基本與其接觸件直徑成正相關(guān)，接觸件直徑越大，接觸電阻越小，預(yù)測(cè)壽命也越高。通過(guò)壽命預(yù)測(cè)結(jié)果可知，連接器預(yù)測(cè)壽命超過(guò)下一輪五級(jí)修，在后續(xù)運(yùn)用過(guò)程中依然可以維持很高的可靠度。

圖4 壽命預(yù)測(cè)函數(shù)

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)動(dòng)車組電連接器，對(duì)不同運(yùn)營(yíng)里程的六種不同類型的電連接器進(jìn)行接觸電阻檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果得出，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)用的動(dòng)車組電連接器，其接觸電阻仍滿足規(guī)定要求；通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)，給出了連接器平均壽命范圍，分析結(jié)果也表明，電連接器的性能主要與接觸件的直徑有關(guān)，接觸件直徑大的電連接器，其接觸電阻變化率也越大。在動(dòng)車組電連接器接下來(lái)的維修策略中，針對(duì)車端電氣連接器和牽引電機(jī)主連接器，適當(dāng)增加中期檢測(cè)頻率，對(duì)于其他類型的電連接器，可以適當(dāng)?shù)販p少拆解檢修工作，從而達(dá)到減少檢修工作量和降低檢修成本的目的。