转辙机接点组可靠性研究

转辙机接点组可靠性研究

朴盛斌   ,马朝阳

摘要：为了降低接点组在使用中偶发的接触不良不良故障率，提高转辙机接点组可靠性，通过对现有接点组使用效果比较，并根据导电材料特性、材料电导率、耐腐蚀性、表面处理和接触型式几方面的综合分析，可以证明铍青铜材料的冗余式接点组在真正使用中可以有效提高动、静接点组接触可靠性。且根据该材料特性可以适当选择固溶处理等热处理手段，进一步提高材料的综合特性，使其更加耐用。冗余式动、静接点组通过上、下接点片的布置可以将动接点环与静接点片受到拉弧的影响降到最低，相比传统接触型式的接点组，冗余式接点组理论上可以极大程度的降低接触不良故障率。

关键词：转辙机、接点组、拉弧、可靠性、材质、热处理、接触型式、故障率。

Study on Reliability of Contact Group of Switch Machine

Summary:In order to reduce the accidental failure rate of poor contact and improve the reliability of point machine contact group, through the comparison of existing contact groups and the comprehensive analysis of conductive material characteristics, material conductivity, corrosion resistance, surface treatment and contact type, it can be proved that the redundant contact group made of beryllium bronze can effectively improve the contact reliability of dynamic and static contact groups. And heat treatment means such as solution treatment can be appropriately selected according to the characteristics of the material, so as to further improve the comprehensive characteristics of the material and make it more durable. Redundant dynamic and static contact groups can minimize the influence of arcing on the dynamic contact ring and static contact plate through the arrangement of upper and lower contact plates. Compared with traditional contact groups, redundant contact groups can theoretically greatly reduce the failure rate of poor contact.

Key words: switch machine, contact group, arcing, reliability, material, heat treatment, contact type, failure rate.

一、引言

随着国家铁路近年来的高速发展，高铁和地铁线路不断建设，道岔转辙机的使用数量也日益增多。转辙机是一种铁路集中站场转换道岔、锁闭道岔并反馈道岔状态的主要机电产品，动接点组和静接点组是其内部的主要电气组件，其可靠性近年来引起了部分国铁用户和地铁用户一定程度的关注。通过与现场用户的沟通交流并结合多年来实际使用经验，现转辙机接点组接触不良故障在实际使用过程中偶有发生，且难以捕捉和故障再现，所以转辙机接点组可靠性提高已经成为各厂家和用户主要研究方向。

二、接点组使用现状分析

2.1接点接触型式分析

目前国内外常见的转辙机接点型式分为两种，包括扫程式接点组和触点式接点组。其中扫程式接点组由动接点组和静接点组共同组成，安装于转辙机自动开闭器上，通过与自动开闭器及其它机构的配合实现动接点环与静接点片的接通和断开，其动接点组运动轨迹会在静接点片内形成一段扫程，故称为扫程式接点。这种接点主要应用在ZD6型电动转辙机、ZD(J)9型电动转辙机及ZYJ7转辙机上，具体结构型式如图1。触点式接点组最早来源于德国沙尔特堡公司，其主要应用在原S700K转辙机上，其原理结构是靠微型连杆机构配合小弹簧的作用实现动接点触点上、下方向接通或断开相应接点，具体结构型式如图2。

图1 扫程式接点组                       图2 触点式接点组

2.2实际使用效果分析

两种型式的接点组在转辙机实际使用中均有一定数量的应用，扫程式接点组在实际使用中动接点组的速动是靠转辙机自动开闭器拉簧提供最初动力，在转换终了时实现速动。正常情况下空气不导电，但当空气在足够大的电压以及足够小的间隙之间会产生空气击穿放电现象。所以，转辙机接点在速动过程瞬间就产生了“拉弧”现象。触点式接点组虽然为相对密闭环境，但并非为真空环境，所以其动接点触点在小弹簧作用下速动过程中依然存在“拉弧”情况。根据其动接点接触型式为球面接触式，所以一旦拉弧严重就相对更容易出现虚接故障，且此类接点收到环境因素的影响较大，如振动因素的影响，特定极端环境下出现接点冰冻粘接故障。所以，触点式沙尔特堡型接点组目前已经陆续被扫程接点或改造升级型接点替代，所以在后续章节中不再进行论述。

三、扫程式接点组可靠性提高研究

3.1 材料特性分析

在电工领域内，到店材料通常指电阻率范围在（1.5~10)X10-8  Ω.m之间的材料。其主要用于电能和电信号的传输。常用的导电铜合金有锡磷青铜、铝青铜、铍青铜。锡磷青铜与普通紫铜、黄铜相比具有较高的强度、弹性模量和疲劳强度，其中硬态带材QSn6.5-0.4弹性模量为109.8GPa，具有较好的导电、耐腐蚀性能，弹性稳定性好等特点。因此，可在各种继电器中作为弹性触头（簧片）元件。铝青铜与黄铜相比具有更高的强度、硬度和冲击任性，以及抗大气、海水腐蚀的能力。此外，还有耐磨、耐热等性能。铍青铜是以铍为主加元素的铜合金，含铍量为1.6%-2.5%的铍青铜具有良好的导电、导热性能，并具有无磁性、耐寒、受冲击时不产生火花、耐腐蚀性优等特殊性能。铍青铜属于典型的失效强化铜合金，固溶状态下铍青铜具有良好的冷热加工性，而失效后的强度、硬度，特别是屈服强度急剧提高，无论在哪种状态下其弹性模量均可达到124-138GPa。

几种常用铜合金的电导率数据见表1

表1

从表1对比可以看出铍青铜作为导电材料的电导率数值为19.9-20.9%IACS，相对更高，所以其导电性能更好，兼顾其它和接点组使用相关的特性如：耐磨性、接点片弹性、冷、热加工性能、耐腐蚀性能在转辙机接点的使用环境中理论上更优。

3.2 表面处理分析

目前，铜合金相对成熟的表面处理方式有：电镀镍、电镀金、电镀银、电镀铬、电镀锡等，而电镀镍在接点领域最为常见。其中金和银均为贵金属，所以成本较高且硬度较低，不适合作为接点表面防护。镀铬处理虽然硬度较高，但容易产生电镀尖角效应，所以在接点环和接点片这类小零件上也不适用。镀锡由于表面相对较软，耐磨性差，所以也不推荐。

3.3 接点组接触型式可靠性优化

基于目前国内的各种转辙机使用的接点类型，并根据铍青铜本身良好的耐腐蚀特性，课题组对不电镀的铍青铜接点组样本和电镀镍接点组样本进行了试验比对。结合现场使用相关的指标，从接点组接触电阻、接触型式、接点压力及拉弧程度几个方面进行了比对分析。测试均在同等条件下，无维护条件下进行，相对现场实际使用工况更为恶劣。

首先选取试验样本为冗余铍青铜接点组和传统镀镍接点组，分别对接点压力进行测试，试验样本均符合铁标要求为6-12N。接点组在无人维护擦拭条件下12万次动作次数跟踪，低电阻测试仪测得冗余式铍青铜接点组试验周期内平均接触电阻值为18mΩ，传统镀镍接点组接触电阻平均值为58mΩ。

拉弧程度可以根据同等条件下照片进行比对，图3为传统接点拉弧痕迹，在试验过程中由于没有维护，可以看出接点环与接点片已经产生较为明显的灼伤痕迹。图4为拉弧接点环显微镜下形貌，可以看到在没有任何擦拭维护的条件下，接点环表面划伤较为严重，同时拉弧位置微观上产生了一些毛刺和凹凸痕迹。图5为冗余接触式接点组，虽然也存在一定的拉弧痕迹，但因其接触型式为上下布置的冗余接点片，只有下片存在拉弧痕迹，上片仅有机械磨损痕迹，所以下片的拉弧不会影响上片与接点环的可靠接触，从而理论上会极大程度的降低现场使用时接点接触不良的故障率。

图3 传统电镀接点拉弧痕迹      图4 拉弧接点环显微镜下形态

图5 冗余式接点

四、结语

通过对接点组使用现状分析，对扫程式接点组的材料选择、表面处理分析和接触型式的优化分析，并结合测试情况，可以证明冗余式铍青铜接点组无论从标准技术指标还是与实际使用相关的接点压力、接触电阻和最终受到拉弧程度的影响综合分析，都优于既有传统式单片电镀接点组。虽然传统接点组已经在铁路上应用数十年之久，但仍有改进优化的空间，理论上冗余型式的接点组可以极大程度的降低由于拉弧造成接点接触不良的概率。同时，随着材料和工艺水平的不断提高，也将会研究出可靠性更高，维护量更低的转辙机接点组。

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参考文献

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