鐵路信號AX系列繼電器的防塵優化

李慶詩，李耀嫚，劉 煒

(沈陽鐵路信號有限責任公司，沈陽 110025)

1 概述

信號繼電器是鐵路信號設備的主要器材之一，它在運用中的可靠、安全是保證鐵路運輸自動控制、遠程控制信號設備正常使用的必要條件[1]。當前，國內鐵路信號AX繼電器多為非防塵結構。繼電器在貯存、運輸和使用過程中，外界環境中的粉塵、有害氣體等污染物可能進入繼電器內部，吸附或聚集在通電接點的表面，造成接點的導電性能降低，從而導致在現場使用過程中，繼電器出現接觸電阻變大、不穩定等現象，直接影響行車。針對上述問題，簡要分析繼電器內部進入顆粒、粉塵等異物的原因，提出具體的防塵優化措施。

2 繼電器內部進入粉塵等異物原因及危害

2.1 進入異物原因

外部粉塵顆粒、異物、有害氣體進入罩內的主要原因為外罩、底座、防塵墊等零件結構本身以及組裝配合時存有空隙和槽口。以鐵路信號通用繼電器—JWXC-1700型為例，其外罩和絕緣座結構如圖1、2所示，接點組裝在防塵墊的結構如圖3所示。

圖1 底座Fig.1 Base

圖3 防塵墊組裝Fig.3 Assembly of dust-proof pad

圖2 外罩Fig.2 Outer cover

圖1～3顯示：繼電器底座上存在兩個槽口，外罩存有若干通風孔。電源片、托片、補助片等插片與防塵墊組裝后，厚度方向上有一定間隙。由于上述槽口、通風孔以及組裝配合后間隙的存在，繼電器在貯存、運輸和使用過程中，粉塵、顆粒狀異物、腐蝕性氣體均可能通過槽口進入繼電器內部，造成使用性能降低。

2.2 產生危害

鐵路信號繼電器產品作為一個電氣器材，對絕緣性能、接觸導通性能有較高要求。外界環境如高溫、高濕、多粉塵顆粒、腐蝕性氣體等條件，對接點接觸電阻的影響不容忽視[2]。器材進潮氣后在罩內形成高濕環境，易引發金屬部件銹蝕，影響部件的質量及強度，同時可造成整機絕緣性能下降；接點受顆粒、粉塵、腐蝕氣體的影響易導致接觸電阻增大或接觸不良，影響設備的正常運行。

3 鐵路信號AX繼電器防塵技術改進

針對以上問題，開展鐵路信號AX繼電器的防塵優化改進十分必要。根據繼電器的結構特點，在不影響其使用功能的前提下，考慮對既有繼電器結構進行防塵密封為較適合的技術手段。

3.1 繼電器防塵密封的可行性分析

3.1.1 繼電器密封的優越性

繼電器采用密封結構，是提高產品可靠性的一個很好的方法，這在國內外繼電器產品中得到印證。經統計，國內軍品繼電器及航天繼電器大多采用密封結構并在內部充入保護氣體以保護觸點。國外小功率繼電器應用上有密封結構的例子，如安川貝斯達系列繼電器、法國利奇繼電器等。

同一批次鐵路信號繼電器產品使用在不同地域同一類電路中，其接點狀態可能明顯不同，這與各地區繼電器的使用環境（如潮濕、風沙、油污、粉塵、硫化物）有極大相關性。對鐵路信號AX繼電器進行防塵改進，一方面可提高產品使用可靠性，降低鐵路信號電路故障率，保證正常的鐵路運輸生產秩序，減少經濟損失；另一方面可延長繼電器使用周期，降低器材的維護、檢驗成本。

3.1.2 繼電器密封后發熱分析

對繼電器進行防塵密封，需著重考慮密封后，罩內溫度是否對繼電器使用造成影響。一般而言，繼電器罩內溫度主要與外界環境溫度、自身線圈和接點通電情況下溫升、繼電器使用的電路條件關聯較大。

1）外界環境溫度

鐵路信號AX繼電器產品溫度要求：-40～+60 ℃(JWXC-H310型繼電器溫度為-25～+55 ℃)[3]，目前，主要在機械室（一般配有空調設備）內使用，機械室的環境溫度為20 ℃左右。

2）線圈溫升

線圈溫升與繼電器在額定條件下使用的功率有關。以JWXC-1700型繼電器為例，前、后圈串聯使用，串聯電阻為1 700 Ω，在24 V額定條件下工作時，消耗的功率較小，具體數值：24×24/1 700=0.34 W。同時，按照標準進行線圈溫升試驗，結果顯示：當周圍環境溫度為+60℃時，線圈通以額定值，溫升約為4℃～6℃。幾種典型的AX繼電器線圈溫升數據如表1所示。

表1 幾種常用繼電器的線圈溫升Tab.1 Coil temperature rise of several common relays ℃

從表1可以看出，JWJXC-480、JWJXCH125/80、JWJXC-H125/0.44、JYJXC-160/260等繼電器溫升較大，但需要說明的是表1中線圈溫升數據是《鐵路信號繼電器試驗方法》（GB/T 6902-2010）規定的繼電器在高溫60℃通電2 h后測試獲得。由于 JWJXC-480、JWJXC-H125/80、JWJXC-H125/0.44、JYJXC-160/260型繼電器主要用于道岔控制電路做啟動繼電器，在道岔控制電路中非長時間通電工作，一般認為線圈溫升較小，影響不大。

3）接點溫升

目前，按照標準規定進行接點溫升試驗[4]，試驗條件：“在環境溫度60℃時，普通接點通以直流2 A，加強接點通以直流10 A”。試驗統計的數據表明：在此試驗條件下，各型號鐵路信號繼電器的接點溫升一般在1～8℃。由于實際電路使用的負載一般比試驗負載小，因此實際使用的繼電器接點溫升范圍要更小。

綜上繼電器的線圈溫升、接點溫升等數據，采用防塵密封結構對繼電器的正常使用影響較小。

3.1.3 案例

上海地鐵運營有限公司作為國內較大的地鐵運營商之一，鑒于地鐵運營環境潮濕、粉塵多等復雜特點，為保證器材可靠使用，減少外界環境對繼電器的影響，要求器材制造廠商提供的JWXC-1700、JPXC-1000型等AX繼電器外罩取消通風孔。盡管外罩取消通風孔后，繼電器仍未達到完全防塵密封，但從多年的運行反饋效果分析，上海地鐵管內的產品故障率極低，一定程度佐證了繼電器采用防塵結構的有效性。

3.2 繼電器防塵密封的結構改進

如前所述，仍以JWXC-1700型繼電器為例，現有的底座和外罩結構不能保證防塵密封，為此，對底座、外罩進行改進。具體如圖4所示。

圖4顯示：改進后的底座和外罩無槽口和通風孔。同時為保證防塵密封，對底座和外罩結構進行優化，在外罩和底座間增加密封墊，確保繼電器組裝時無縫隙存在。

圖4 改進后的底座、 外罩結構Fig.4 Improved base and cover structure

為有效避免外界粉塵進入罩內，對現有防塵墊的結構尺寸進行優化改進。改進后的防塵墊與插片可實現緊密配合。改進后的防塵墊與接點組配合結構如圖5所示。

圖5 改進后的防塵墊組裝Fig.5 Assembly of improved dust-proof pad

除上述防塵密封結構優化外，對防塵墊和密封墊的材料選型也極其重要。除考慮達到基本的防護性能結構外，應充分考慮材料的耐高低溫、耐磨損、耐老化等優越性能。同時，材料應具有較長使用壽命以及使用中不析出影響觸點接觸性能的元素和離子等優點。

4 相關試驗、驗證

根據上文3.2節的改進方案，組裝若干臺優化改進的JWXC-1700型樣品分別進行外殼防護等級檢測以及硫化氫實驗。

4.1 外殼防護等級檢驗

外殼防護等級（IP代碼）[5]檢測是指按標準規定的檢驗方法，確定外殼對人接近危險部件、防止固體異物進入或水進入所提供的保護程度。目前，IP代碼一般由兩個數字所組成：第一個數字表示產品防塵、防止外物侵入的等級；第二個數字表示產品防濕氣、防水侵入的密閉程度。數字越大，表示其防護等級越高。

為確認優化改進后的JWXC-1700型繼電器的防塵程度，進行外殼防護等級檢驗，確認改進后的防護等級。本次檢驗取樣1臺優化改進后的JWXC-1700型繼電器樣品。

經第三方機構檢驗：優化改進后的JWXC-1700型繼電器外殼防護等級為IP55。IP55含義是防塵等級5（完全防止外物侵入，雖不能完全防止灰塵侵入，但灰塵的侵入量不會影響電器的正常運作），防水等級5（防持續至少3 min的低壓噴水）。

4.2 硫化氫試驗

硫化氫試驗是評價用于接觸點和連接件的銀和銀合金變色的一種加速試驗方法，尤其適用于做對比試驗[6]。試驗目的主要是確定硫化氫對銀或銀合金制成的接觸點和連接件的接觸特性的影響，并檢查用上述材料做成組件的緊密性和有效性。目前，試驗主要根據樣品在含有硫化氫的大氣中暴露所引起的接觸電阻的變化進行性能評價。

4.2.1 試驗內容

為確認優化改進后的JWXC-1700型繼電器的防護效果，開展硫化氫試驗。通過該試驗判定優化改進后的繼電器耐硫化氫的能力，以及防護措施的有效性。

本次試驗取樣2臺繼電器樣品（兩臺樣品均為新組裝而成），其中既有JWXC-1700型繼電器樣品1臺，優化改進的JWXC-1700型繼電器樣品1臺。

參照相關標準的試驗條件，搭建簡易容器進行硫化氫對比試驗。兩臺樣機放置在密閉的玻璃器皿內，施加一定濃度的硫化氫氣體，分別觀察、測試兩種繼電器初始狀態、實驗3 h、6 h后的外觀和接觸電阻數值。試驗條件如下。

1）溫度：20±2℃；

2）相對濕度：75%；

3）實驗容器：玻璃干燥容器；

4）硫化氫濃度：20 ppm；

5）試驗時間：6 h。

4.2.2 試驗結果

不同試驗時間后的繼電器接觸電阻數值如表2所示。

表2 不同試驗時間后的兩種繼電器接觸電阻值Tab. 2 Contact resistance values of two relays after diあ erent test time mΩ

由表2可知：在硫化氫試驗3 h、6 h后，優化改進的JWXC-1700型繼電器接觸電阻，其阻值變化一直比較穩定，全部接點均在標準合格范圍內；既有JWXC-1700型繼電器在硫化氫試驗3 h后，有4組接點接觸電阻值超過標準合格范圍，試驗6 h后，阻值超標的接點組數有增大的趨勢，共計9組接點。表明隨著試驗時間的延長，接點的耐腐蝕能力越差。一般而言，繼電器的觸點是最重要、最易被侵蝕破壞的部位，其故障率約占繼電器故障率的80%以上[7]。

不同試驗時間的繼電器外觀狀態如圖6、7所示。

圖6 試驗3 h后的繼電器外觀Fig.6 Relay appearance after 3 h test

圖7 試驗6 h后的繼電器外觀Fig.7 Relay appearance after 6 hour test

由圖6、7可知：試驗3 h后，既有繼電器(3 h)動觸頭、鉚釘已變成深咖啡色，銀觸頭發生輕微變色，接點片出現銹斑。優化改進的繼電器(3 h)動觸頭、銀觸頭、鉚釘、接點片等零件均無明顯變化。一般而言，銀和銀合金對微量硫化氫特別敏感，易產生變色現象，變色產物呈暗色，主要由β-硫化銀組成[8]。

試驗6 h后，既有繼電器（6 h）動觸頭、鉚釘、銀觸頭顏色繼續加深，動觸頭幾乎變成黑色，接點片銹蝕嚴重，銹斑面積進一步加大。優化改進的繼電器（6 h）的動觸頭顏色輕微加深，呈淡黃色，銀觸頭、鉚釘、接點片等金屬零件均無明顯變化。

綜合外觀和接觸電阻結果可以看出：與既有JWXC-1700型繼電器相比，優化改進的JWXC-1700型繼電器可以有效降低硫化氫對繼電器接點的腐蝕影響，起到較好防護作用。

5 結語

鐵路信號AX繼電器作為鐵路信號系統中重要的基礎器材，其安全性、可靠性是保證列車穩定、高效運行的必要條件。分析外界顆粒、粉塵等異物進入繼電器罩內的危害及原因，通過采用合理的防塵優化措施，證明可有效提高器材的防護效果。目前， JWXC-1700型繼電器的防塵優化改進已得到相關驗證、確認，取得了階段性的成果，后期需擴展到其他AX繼電器型號進行相關研究。同時，進一步提升整機的防護性能使其達到更高級別，是后續攻關研究方向。