地鐵動(dòng)車牽引電機(jī)溫度熔斷器故障分析與改進(jìn)*

趙巧妮 謝永超

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,412001,株洲//第一作者，副教授)

1 地鐵動(dòng)車牽引電機(jī)溫度熔斷器工作原理

1.1 牽引電機(jī)溫度報(bào)警系統(tǒng)電路原理

每節(jié)地鐵動(dòng)車底部有4個(gè)牽引電機(jī)。牽引電機(jī)上的溫度熔斷器采用串聯(lián)的方式連接，控制牽引電機(jī)溫度動(dòng)作繼電器。牽引電機(jī)正常運(yùn)行情況下，溫度熔斷器均處于導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)其中一臺(tái)或多臺(tái)牽引電機(jī)溫升超過設(shè)定的溫度閥值時(shí)，其溫度熔斷器斷開，動(dòng)作繼電器斷開，報(bào)警系統(tǒng)檢測(cè)到該繼電器斷開時(shí)即發(fā)出牽引電機(jī)溫升過高報(bào)警信號(hào)。牽引電機(jī)溫度報(bào)警系統(tǒng)電路如圖1所示。

圖1 牽引電機(jī)溫度報(bào)警系統(tǒng)電路

1.2 溫度熔斷器結(jié)構(gòu)及原理

溫度熔斷器主要由保護(hù)管、溫度保險(xiǎn)絲、安裝座、電纜鎖緊頭和電纜等配件組成，如圖2所示。核心元件溫度保險(xiǎn)絲與電線連接后通過導(dǎo)熱絕緣材料封裝在保護(hù)管中，用于溫度的監(jiān)控。為有效避免由單個(gè)元件誤動(dòng)作而引發(fā)的誤報(bào)警故障風(fēng)險(xiǎn)，溫度熔斷器采用了兩個(gè)溫度保險(xiǎn)絲并聯(lián)的冗余設(shè)計(jì)方案。

核心元件溫度保險(xiǎn)絲主要由星形觸點(diǎn)、壓縮彈簧、解扣彈簧、熱敏熔塊等構(gòu)成，如圖3所示。在正常的環(huán)境溫度下，電流從絕緣導(dǎo)線流向星形觸點(diǎn)，通過導(dǎo)線裝配外殼流向另一端。當(dāng)電機(jī)鐵心溫度達(dá)到設(shè)定的閥值時(shí)，熱敏熔塊熔融，壓縮彈簧和解扣彈簧為保持彈力平衡而移動(dòng)，推動(dòng)星形觸點(diǎn)與絕緣導(dǎo)線分離，回路被斷開，星形觸點(diǎn)與絕緣導(dǎo)線間電流被切斷，并且永不恢復(fù)，從而達(dá)到電機(jī)鐵心超溫報(bào)警的作用。

圖2 溫度熔斷器結(jié)構(gòu)圖

a) 熔斷前

2 溫度熔斷器故障原因分析

為了探究溫度熔斷器故障原因，對(duì)發(fā)生誤報(bào)警后拆下的4件溫度熔斷器進(jìn)行了相關(guān)性能檢測(cè)和拆解，并追溯其歷史數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析。

2.1 故障溫度熔斷器性能檢測(cè)

溫度熔斷器性能檢測(cè)結(jié)果見表1。

表1 溫度熔斷器性能檢測(cè)結(jié)果

2.2 故障排查

為了進(jìn)一步探究溫度熔斷器的故障原因，對(duì)4件溫度熔斷器逐步進(jìn)行外部接線檢測(cè)與內(nèi)部拆解檢測(cè)來確定故障點(diǎn)。

外部檢測(cè)：將溫度熔斷器外部接線拆開，發(fā)現(xiàn)4件溫度熔斷器的電纜壓接端子未見松動(dòng)，壓接端子電阻值正常，故排除溫度熔斷器外部連線故障。

內(nèi)部檢測(cè)：將4件溫度熔斷器的溫度保險(xiǎn)絲進(jìn)行內(nèi)部拆卸，對(duì)熱敏熔塊進(jìn)行高度檢測(cè)、部件拆檢、熱敏熔塊熔點(diǎn)檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果如下：

1) 熱敏熔塊的高度檢測(cè)結(jié)果見表2。

表2 熱敏熔塊高度

2) 溫度保險(xiǎn)絲拆解后觀察殼體、彈簧、觸點(diǎn)、銅圓片、星形觸點(diǎn)等配件未發(fā)現(xiàn)異常。

3) 在DSC熔點(diǎn)測(cè)試儀上對(duì)拆解出的熱敏熔塊進(jìn)行熔點(diǎn)測(cè)試，測(cè)試合格。

經(jīng)過上述對(duì)故障件的測(cè)試與拆解，排除了電纜、壓接端子、熱敏熔塊熔點(diǎn)失效的因素。但從故障元件的熱敏熔塊的高度可以看出，熱敏熔塊高度相對(duì)出廠值(不低于2.235 mm)已明顯降低。初步分析此類故障是由于熱敏熔塊的高度下降導(dǎo)致，故對(duì)其最小臨界高度值進(jìn)行計(jì)算。

3 熱敏熔塊最小臨界高度計(jì)算

3.1 溫度保險(xiǎn)絲關(guān)系尺寸

通過拆解實(shí)物及對(duì)各配件的測(cè)繪，得到溫度保險(xiǎn)絲關(guān)系尺寸如圖4所示。由此分析可知，絕緣導(dǎo)線通過陶瓷套管定位，當(dāng)溫度保險(xiǎn)絲保持正常導(dǎo)通時(shí)，在壓縮彈簧作用下，壓縮彈簧左側(cè)的銅圓片、星形觸點(diǎn)、移動(dòng)觸點(diǎn)和絕緣導(dǎo)線依次壓緊接觸。由于這些是剛性部件，因此對(duì)于每一件溫度保險(xiǎn)絲，這部分的配合尺寸相對(duì)固定。

圖4 溫度保險(xiǎn)絲關(guān)系尺寸圖

根據(jù)溫度保險(xiǎn)絲動(dòng)作原理可知，若熱敏熔塊高度減小，則壓縮彈簧釋緩，解扣彈簧與星形觸點(diǎn)及銅圓片受到的壓力降低，移動(dòng)觸點(diǎn)與絕緣導(dǎo)線接觸壓力也相應(yīng)的下降。當(dāng)熱敏熔塊的高度下降至最小臨界高度時(shí)，壓縮彈簧與解扣彈簧彈力大小相等，方向相反。此時(shí)絕緣導(dǎo)線與移動(dòng)觸點(diǎn)的接觸壓力為零。若熱敏熔塊的高度進(jìn)一步降低，解扣彈簧推動(dòng)移動(dòng)觸點(diǎn)，使其與絕緣導(dǎo)線分離，溫度保險(xiǎn)絲將由導(dǎo)通變?yōu)閿嚅_。

3.2 最小臨界高度計(jì)算

1) 移動(dòng)觸點(diǎn)受力分析。其主要受力來自壓縮彈簧壓力F2、解扣彈簧壓力F1和絕緣導(dǎo)線端支撐力(即壓緊力)F，如圖5所示。

圖5 移動(dòng)觸點(diǎn)受力狀態(tài)圖

2) 原始狀態(tài)彈簧壓縮量及絕緣導(dǎo)線支撐力計(jì)算。溫度保險(xiǎn)絲在原始狀態(tài)下，解扣彈簧和壓縮彈簧的長(zhǎng)度分別為2.05 mm和1.70 mm。分別對(duì)解扣彈簧和壓縮彈簧在不同長(zhǎng)度下進(jìn)行大量彈力值測(cè)試后，得出：F1=3.43 N，F(xiàn)2=18.25 N。由原始狀態(tài)彈簧彈力可計(jì)算出F=F2-F1=14.82 N。

3) 最小臨界值計(jì)算。由前面分析可知，當(dāng)熱敏熔塊高度下降至最小臨界值時(shí)，絕緣導(dǎo)線支撐力變?yōu)?，即F2=F1=3.43 N。分別對(duì)解扣彈簧和壓縮彈簧在不同長(zhǎng)度下進(jìn)行大量彈力值測(cè)試后，得出對(duì)應(yīng)壓縮彈簧的高度L2=2.57 mm。故壓縮彈簧臨界狀態(tài)較原始狀態(tài)伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度L=2.57 mm-1.70 mm=0.87 mm。

由于壓縮彈簧這部分伸長(zhǎng)的長(zhǎng)度即為熱敏熔塊高度下降值，按熱敏熔塊原始高度2.80 mm計(jì)算，其最小臨界高度值為Hmin=2.80 mm-0.87 mm=1.93 mm。

由此可見，4件溫度熔斷器中溫度保險(xiǎn)絲的熱敏熔塊高度均已接近或低于最小臨界高度值，在高溫或振動(dòng)環(huán)境下出現(xiàn)間斷性開路是引發(fā)誤報(bào)警事件的原因。

綜上，判定溫度熔斷器的故障原因是：由于溫度保險(xiǎn)絲熱敏熔塊的高度不足，引起溫度保險(xiǎn)絲移動(dòng)觸點(diǎn)處接觸壓力下降，溫度熔斷器處于導(dǎo)通、斷開的臨界狀態(tài)，當(dāng)所處環(huán)境溫度增高或振動(dòng)加強(qiáng)時(shí)，溫度熔斷器出現(xiàn)間斷性斷開，引發(fā)牽引電機(jī)的溫升報(bào)警。而溫度保險(xiǎn)絲熱敏熔塊的高度不足是由于該溫度保險(xiǎn)絲的工藝尺寸誤差，以及在篩選試驗(yàn)時(shí)監(jiān)測(cè)不到位造成的。

4 改進(jìn)措施

4.1 修改熱敏熔塊高度的控制標(biāo)準(zhǔn)

新造及檢修標(biāo)準(zhǔn)按老化篩選后，溫度保險(xiǎn)絲熱敏熔塊的高度控制標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整為2.300 mm。(溫度保險(xiǎn)絲熱敏熔塊出廠標(biāo)稱值為2.540 mm，最小保證值為2.235 mm。考慮到經(jīng)老化篩選試驗(yàn)后熱敏熔塊的高度還會(huì)有一定程度的下降，為確保產(chǎn)品可靠性冗余，將溫度熔斷器熔塊的高度調(diào)整為2.300 mm。)

4.2 改進(jìn)溫度保險(xiǎn)絲老化篩選試驗(yàn)

1) 增加老化篩選試驗(yàn)的溫度保險(xiǎn)絲放置專用工裝，規(guī)范溫度保險(xiǎn)絲篩選的定置定位，確保各元件受熱均勻，且便于元件的編號(hào)和追溯管理。

2) 試驗(yàn)溫箱添置溫度巡檢儀，對(duì)試驗(yàn)溫箱溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，以保證試驗(yàn)全過程的溫度記錄、可控和追溯。

3) 添置X光射線機(jī)，老化篩選試驗(yàn)前后增加溫度保險(xiǎn)絲熱敏熔塊高度檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn)。

4.3 增加出廠檢驗(yàn)項(xiàng)目

1) 增加振動(dòng)試驗(yàn)。溫度保險(xiǎn)絲采用冷壓接的方式與電纜線連接，為了考察冷壓接接點(diǎn)以及元件是否會(huì)因車體和牽引電機(jī)的振動(dòng)而出現(xiàn)瞬斷，溫度熔斷器出廠檢驗(yàn)項(xiàng)目中增加振動(dòng)試驗(yàn)，振動(dòng)幅值依據(jù)實(shí)際車體上測(cè)得振動(dòng)數(shù)據(jù)執(zhí)行。將溫度熔斷器進(jìn)行豎向和橫向振動(dòng)，時(shí)間各持續(xù)10 min，具體參數(shù)要求見表3。

表3 溫度熔斷器振動(dòng)頻率(5～250 Hz)試驗(yàn)參數(shù)

2) 增加高溫篩選試驗(yàn)。為了排除出廠溫度熔斷器存在高溫下斷開、常溫下恢復(fù)導(dǎo)通的現(xiàn)象，振動(dòng)試驗(yàn)后增加高溫(150 ℃，10 min)篩選試驗(yàn)。

4.4 溫度熔斷器可靠性及壽命研究

隨機(jī)抽取50件溫度保險(xiǎn)絲進(jìn)行155 ℃、5 000 h的壽命試驗(yàn)研究(155 ℃為目前列車正常運(yùn)行時(shí)，溫度熔斷器安裝部位監(jiān)測(cè)到的最高溫度)。試驗(yàn)期間在設(shè)定的不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)對(duì)溫度保險(xiǎn)絲進(jìn)行熱敏熔塊高度檢測(cè)，以觀察其整個(gè)過程的變化趨勢(shì)。目前已完成溫度保險(xiǎn)絲155 ℃、耗時(shí)3 000 h的壽命試驗(yàn)繪制了熱敏熔塊高度平均值曲線圖，如圖6所示。可見，熱敏熔塊高度變化較為穩(wěn)定，均在2.500 mm以上，遠(yuǎn)高于其最小臨界高度值1.930 mm，且滿足新制和檢修標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 熱敏熔塊高度平均值曲線圖

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)溫度熔斷器引發(fā)的牽引電機(jī)溫升誤報(bào)警故障的深入剖析，確認(rèn)了其主要原因，并在質(zhì)量管控方面提出了有效的優(yōu)化和改進(jìn)措施，通過長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了措施的有效性。目前，采取優(yōu)化和改進(jìn)措施后的新制溫度熔斷器已大批量投入運(yùn)營(yíng)，運(yùn)營(yíng)時(shí)間最長(zhǎng)的已超過16個(gè)月，至今運(yùn)行狀況良好。由此可見，該措施效果非常明顯。