轉轍機接點組使用穩定性簡析

吳志明，黃 菊，周勝利

（中國鐵路上海局集團有限公司合肥電務段，合肥 230011）

鐵路大量應用的轉轍機主要有交、直流2種，其中以ZD6系列為代表的大多數為直流轉轍機，ZDJ9、ZYJ7、S700K-C大多為交流轉轍機。接點組是轉轍機內部重要組成部分，既接通道岔動作電路，又接通道岔表示電路。道岔動作產生的電弧，會導致接點表面產生金屬絡合物，使接點片受電腐蝕燒損；接點的使用壽命主要有兩方面影響因素，接點環與靜接點片之間的機械磨損和電腐蝕損傷。同時道岔頻繁使用以及過車產生的振動對接點組造成沖擊，加速機械磨損，其性能的好壞直接影響道岔實際應用，為此從轉轍機動態過程和靜態使用2種工作狀態對接點組使用穩定性進行研究分析，為設備改進和現場維修提出針對性意見。

1 轉轍機動態過程對接點組影響

根據實際情況，轉轍機動態過程分為轉轍機動作過程及過車振動兩方面,下面進行分析。

1.1 轉轍機動作過程產生接點電弧影響分析

接點組在道岔電路中等同于機械式開關設備，用觸頭來開斷電路電流。在大氣中開斷電路時，只要電壓超過12～20 V，被開斷的電流超過0.25～1 A，在觸頭間隙就會產生電?。浑娀〉漠a生會加速接點片的損傷以及老化，影響接點片的材料特性以及化學特性；ZD6型轉轍機在現場運用過程中，由于其電機使用直流電，其特性是負載部分越大，工作電流就越大?，F場使用的ZD6型直流轉轍機工作電流一般在2 A左右，此時電弧會灼傷接點表面，并在接點表面產生導電性能不良的絡合物。S700K-C型轉轍機接點組設計與ZD6轉轍機接點組不同，本文不納入分析。

1.1.1 接點電弧產生原理

正常情況下空氣不導電，但當空氣在足夠大的電壓以及足夠小的間隙之間，會產生電火花。因為兩端電壓在距離足夠的情況下會產生強電場，強電場會將空氣介質擊穿，產生氣體放電現象。

轉轍機動作過程中，當閉合的接點在剛分離時，動接點環與靜接點片之間有160 V電壓，并且剛分離時其間隙足夠小，轉轍機靜接點片（陰極）會出現高溫炙熱點，此時會導致節點片產生電子發射。由于此時動靜接點之間的間隙很小，使靜接點片與動接點環之間產生很強的電磁場，從靜接點片（陰極）表面逸出的電子，在強電磁場的作用下，向動接點環（陽極）運動，導致靜接點與動接點環間隙中帶電質點瞬間增多，接點間隙中溫度升高，同時在有外加電壓的作用下，接點之間的間隙被擊穿，形成開關電弧，如圖1所示。

圖1 電弧形成時節點片狀態Fig.1 Strip state when arc forms

日常中，空氣中導通電路開關，當接通電壓超過20 V，接通、斷開電流超過1 A，在電氣接點間就會產生電弧。如果在電弧產生時，電路中的最小電流小于某一特定值，此時只能產生電弧放電現象，轉轍機轉換過程中自動開閉器在動作時會出現肉眼可見的電火花。

在轉轍機轉換過程中，因為電弧會在動靜接點之間產生短時高溫，會促使動靜接點表面生成一層表面膜。而接點片之間的電弧，在一定條件下又會擊穿這層表面膜，同時因為接點之間溫度會逐漸下降，此時金屬—氣體的各種化合物都會獲得穩定區域，在穩定區域相互重疊時，會在動靜接點表面產生一層混合物，或者產生絕緣性能很強的絡合物。因此動靜接點表面的燒蝕及接點上產生的表面膜會間接影響轉轍機表示電路的接通，在表示系統中影響更大。

1.1.2 電弧以及絡合物的預防

接點系統在斷開瞬間，接點系統中動靜接點之間滿足電弧形成的電壓、電流條件。因為電弧的產生以及電弧會對接點系統的可靠性產生不利影響，電弧導致靜接點片上形成導電性能不良的絡合物，會影響轉轍機靜態下，表示電壓的變化。而接點電弧的形成與接點形狀和材質、轉轍機內部環境介質息息相關。

電弧產生的強度和接點材料直接相關，采用特殊合金金屬制作轉轍機接點系統。建議采用熔點高，導熱系數好且耐高溫金屬作為接點材料?？梢越档徒狱c間電弧產生的高溫環境，減少對接點片表面的灼傷，同時能夠減少電弧產生的強度。

改進接點系統與保持轉轍機內部環境。如果轉轍機內部濕氣較重，會增加接點片之間間隙的導電性能，導致電弧強度增強。同時改進接點系統，使接點接通斷開和溝通時間縮短，也能很好的預防電弧的產生。

1.2 過車振動對轉轍機接點組使用穩定性影響

ZD6型轉轍機接點為片彈簧結構。轉轍機在靜態情況下，接點靜載荷狀態工作，靜接點片發生斷裂失效的情況極少發生。廠家生產接點在成型加工、熱處理、強壓試驗等過程中會提前加入預應力保證接點使用質量，但是由于日常維護過程中接點調整不當會引入各種殘余應力，在頻繁過車振動狀態下，片彈簧不斷的受到沖擊載荷，在長期使用過程中彈性性能不斷釋放，片彈簧隨著使用周期的延長會發生彈力不足和變形現象。研究動靜接點的結構，以及通過材料力學分析，能夠更好掌握接點系統內部變化性質，為日常維護提供更好的指導。為方便研究接點系統，本文將單個動靜接點簡化為材料力學研究模型，簡化結構如圖2所示。

圖2 動接點環打入靜接點片過程量化分析Fig.2 Quantitative analysis of the process of moving contact ring driving into static contact strip

如圖2所示，假設動接點質量為m、重量為P的物體，以水平速度v打入靜接點片，靜接點片長l，彎曲剛度EI，計算接點片的最大沖擊載荷Fd以及最大撓度Δd。靜接點片的質量和動接點環打入時的變形忽略不計，根據能量守恒定律，動接點環的動能全部轉化為靜接點片的彈性應變能，由此可以計算出接點最大沖擊力以及最大位移。

根據能量守恒定律可得公式（1）、（2）、（3）：

其中Ek為動接點的沖擊動能，Vk為靜接點片彈性應變能。

其中最大擾度，自由端在集中載荷作用下擾度為：

由公式（4）分析可知，沖擊載荷與沖擊體質量與沖擊速度相關；當沖擊質量、與接點片長一定時，沖擊速度與沖擊載荷成線性相關；當沖擊速度v達到一定程度時，不論沖擊體的質量大小，都可能引起彈簧沖擊端的接觸點塑性變形。因此，接點彈簧理論剛度一般不超過其自身材料許用強度應力值的22%，以減小沖擊載荷對其影響。

此外，通常緊固螺栓的松動失效分兩個過程，材料松動期以及結構松動期，其中材料松動期內主要是由塑性變形引起，結構松動主要是由緊固螺栓與螺母直接發生相對運動。為避免轉轍機動接點沖擊載荷對靜接點片產生接觸點的塑性變形，以及對接點系統產生結構松動影響，所以日常緊固螺栓到位以后，還需要定期檢查螺栓松動情況，防止松動失效。

2 轉轍機靜態使用對接點組影響

ZD6型轉轍機的表示電路中，溝通道岔表示的電源電壓為交流110 V左右，靜態下溝通表示電路中的電流只有幾十毫安。對轉轍機靜態下接點系統的接觸狀態及接觸電阻的要求比較高。同時由于轉轍機接點系統在接通、開斷的過程中，動接點對靜接點存在一定的沖擊，該沖擊會直接造成動接點環、靜接點片的磨耗、損傷，間接情況下會改變靜接點片的材料學特性。接觸電阻變化是另外一個對靜態表示電壓影響較大的因素，接點表面清掃不良以及接點表面保護膜磨損會造成表示電壓波動。

2.1 接點接觸電阻

接觸電阻是電接點材料的基本性能指標之一，如果使用不當或者設計不合理，會造成接點接觸電阻不符合電路要求，造成無法使用。轉轍機接點系統在設計時希望接點的接觸電阻盡可能小并且能夠長期保持穩定。接點的接觸電阻除了與接點的壓力有直接關系，還與接點的材料、構成形狀、接通電流的性質、強度，以及接點使用頻率有關。

在材料及接點形狀等選定后，接觸壓力成為控制接觸電阻的主要因數，接觸電阻RC與接觸到壓力FC之間有如下關系：

公式（6）中，K為系數，與接點的電阻率、剛度、表面的粗糙度及表面膜構成等電性能相關；n為指數，主要與觸點接觸形式及表面膜厚度、機械性能相關。

如公式（6）所示，接點接觸電阻RC與接點壓力FC直接相關，所以接點調整首要對接點壓力進行調整，同時需要關注接點本身電特性以及材料學特性。日常維修中接點壓力FC主要與接點的調整相關；如上所述系數K與接點的電阻率、剛度、表面的粗糙度及表面膜構成等電性能相關，日常轉轍機內部環境以及機外振動都會對其相關電性能產生影響。

2.2 接點壓力調整不當

日常使用中接點接觸壓力小、動接點組曠動大、靜接點磨耗大、設備安裝處氣候潮濕、設備安裝處過車震動頻繁等情況都會導致接點接觸不良。

接點接觸不良常見有：靜接點片與動接點環部分接觸（點接觸）、靜接點片兩側壓力不均，長期使用會導致單邊靜接點片磨耗嚴重。現場實際作業中常見管內接點點接觸，導致直流電壓波動情況，如圖3、4所示。

圖3 接點點接觸 Fig.3 Point contact of contact

2.3 轉轍機內部環境導致的接觸電阻變化

轉轍機在室外受到天氣、環境以及安裝位置等影響，特別是氣溫影響，冬天的低溫結冰，以及夏天轉轍機內高溫等影響，對轉轍機接點系統的耐候性也是一個考驗，轉轍機接點系統主要是機內進潮氣以及機內氣溫影響導致動靜接點出現氧化；同時如果轉轍機操縱次數少，長期靜態貼合溝通表示電路，在電流以及機內環境下也會產生“電蝕”，導致接觸電阻的變化。

圖4 接點不良導致表示電壓波動 Fig.4 Voltage fluctuations due to poor contacts

當電流流過金屬導體，導體本身會發熱，導體材料表面會產生氧化反應。如果在轉轍機內部有水汽會加快反應的程度與速度。金屬的氧化過程為吸附、擴散、化合。這些化合物包括氮化物、硫化物、鹵化物、碳化物、氫氧化合物等。氧化物的形成會影響接點的電阻。

同時，金屬材料會在電接觸處形成表面膜，表面膜對電接觸電阻影響很大，日常一定要定期檢修清除。表面膜主要有幾種：塵埃膜、吸附膜、有機膜、無機膜。例如常見的銅暴露在空氣中，表面容易形成氧化銅無機表面膜，這種無機表面膜電導率很小，會直接導致接點接觸不良；其中塵埃膜及吸附膜都可以通過機械方法消除掉，所以單邊過車的轉轍機，也需定期操縱試驗。

3 轉轍機接點組優化建議

根據上文分析，為提高轉轍機在動態、靜態應用環境下接點組穩定性和可靠性，相關研究單位和廠家可在以下3方面開展優化工作。

1) 改進接點金屬材質。根據接點接觸壓力和接點機械壽命的要求，在用的轉轍機接點組中，接點材質主要采用單一金屬構成，或者采用單一金屬表面鍍金屬處理，可以使用更高材料特性的合金金屬來替代。

2) 減小電弧對轉轍機接點的影響。轉轍機接點可采用導電性好、熔點高、抗氧化能力強、耐高溫合金金屬作為接點材料。

3) 在轉轍機接點組中，優化接點組機械結構，使得動接點快速地與靜接點分離，抑制接點電弧形成的環境。

4 轉轍機接點組的日常維護要點

據本文分析，總結現場經驗，轉轍機接點組日常維護檢查要點如下：

1）加強對接點接觸壓力的檢查、動接點組曠動、靜接點磨耗等接點組狀態不良的日常檢查，按照標準，接點壓力在8～10 N之間，接點兩側壓力是否均勻等；

2）通過日常絕緣測試以及開蓋檢查，對機內進潮情況進行檢查，防止接點出現氧化變黑情況；

3）通過監測調閱及時發現表示電壓波動情況，及時對轉轍機機內接點組靜接點片進行排查處理；

4）定期檢查緊固螺栓松動情況，防止螺栓松動失效；

5）檢修所日常入所修加強對接點組整體性能進行評估，提高現場運用質量。

5 結束語

隨著中國鐵路里程的不斷增加，越來越多轉轍設備在現場運用，對現場轉轍機接點組使用穩定性及可靠性要求很高，現場維修精準性也有更高的要求。本文結合現場工作經驗，以及日常轉轍機接點組在動態過程以及靜態使用中的影響因素分別做出定性分析，為相關研究單位和廠家在轉轍機接點組優化方面提供相關建議。同時結合現場維護經驗，歸納出轉轍機接點組日常維護要點，以供現場人員參考使用。