地鐵動車牽引電機溫度熔斷器故障分析與改進*

趙巧妮 謝永超

(湖南鐵道職業技術學院,412001,株洲//第一作者，副教授)

1 地鐵動車牽引電機溫度熔斷器工作原理

1.1 牽引電機溫度報警系統電路原理

每節地鐵動車底部有4個牽引電機。牽引電機上的溫度熔斷器采用串聯的方式連接，控制牽引電機溫度動作繼電器。牽引電機正常運行情況下，溫度熔斷器均處于導通狀態，當其中一臺或多臺牽引電機溫升超過設定的溫度閥值時，其溫度熔斷器斷開，動作繼電器斷開，報警系統檢測到該繼電器斷開時即發出牽引電機溫升過高報警信號。牽引電機溫度報警系統電路如圖1所示。

圖1 牽引電機溫度報警系統電路

1.2 溫度熔斷器結構及原理

溫度熔斷器主要由保護管、溫度保險絲、安裝座、電纜鎖緊頭和電纜等配件組成，如圖2所示。核心元件溫度保險絲與電線連接后通過導熱絕緣材料封裝在保護管中，用于溫度的監控。為有效避免由單個元件誤動作而引發的誤報警故障風險，溫度熔斷器采用了兩個溫度保險絲并聯的冗余設計方案。

核心元件溫度保險絲主要由星形觸點、壓縮彈簧、解扣彈簧、熱敏熔塊等構成，如圖3所示。在正常的環境溫度下，電流從絕緣導線流向星形觸點，通過導線裝配外殼流向另一端。當電機鐵心溫度達到設定的閥值時，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，推動星形觸點與絕緣導線分離，回路被斷開，星形觸點與絕緣導線間電流被切斷，并且永不恢復，從而達到電機鐵心超溫報警的作用。

圖2 溫度熔斷器結構圖

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，對發生誤報警后拆下的4件溫度熔斷器進行了相關性能檢測和拆解，并追溯其歷史數據等進行分析。

2.1 故障溫度熔斷器性能檢測

溫度熔斷器性能檢測結果見表1。

表1 溫度熔斷器性能檢測結果

2.2 故障排查

為了進一步探究溫度熔斷器的故障原因，對4件溫度熔斷器逐步進行外部接線檢測與內部拆解檢測來確定故障點。

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

內部檢測：將4件溫度熔斷器的溫度保險絲進行內部拆卸，對熱敏熔塊進行高度檢測、部件拆檢、熱敏熔塊熔點檢測。檢測結果如下：

1) 熱敏熔塊的高度檢測結果見表2。

表2 熱敏熔塊高度

2) 溫度保險絲拆解后觀察殼體、彈簧、觸點、銅圓片、星形觸點等配件未發現異常。

3) 在DSC熔點測試儀上對拆解出的熱敏熔塊進行熔點測試，測試合格。

經過上述對故障件的測試與拆解，排除了電纜、壓接端子、熱敏熔塊熔點失效的因素。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致，故對其最小臨界高度值進行計算。

3 熱敏熔塊最小臨界高度計算

3.1 溫度保險絲關系尺寸

通過拆解實物及對各配件的測繪，得到溫度保險絲關系尺寸如圖4所示。由此分析可知，絕緣導線通過陶瓷套管定位，當溫度保險絲保持正常導通時，在壓縮彈簧作用下，壓縮彈簧左側的銅圓片、星形觸點、移動觸點和絕緣導線依次壓緊接觸。由于這些是剛性部件，因此對于每一件溫度保險絲，這部分的配合尺寸相對固定。

圖4 溫度保險絲關系尺寸圖

根據溫度保險絲動作原理可知，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及銅圓片受到的壓力降低，移動觸點與絕緣導線接觸壓力也相應的下降。當熱敏熔塊的高度下降至最小臨界高度時，壓縮彈簧與解扣彈簧彈力大小相等，方向相反。此時絕緣導線與移動觸點的接觸壓力為零。若熱敏熔塊的高度進一步降低，解扣彈簧推動移動觸點，使其與絕緣導線分離，溫度保險絲將由導通變為斷開。

3.2 最小臨界高度計算

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

圖5 移動觸點受力狀態圖

2) 原始狀態彈簧壓縮量及絕緣導線支撐力計算。溫度保險絲在原始狀態下，解扣彈簧和壓縮彈簧的長度分別為2.05 mm和1.70 mm。分別對解扣彈簧和壓縮彈簧在不同長度下進行大量彈力值測試后，得出：F1=3.43 N，F2=18.25 N。由原始狀態彈簧彈力可計算出F=F2-F1=14.82 N。

3) 最小臨界值計算。由前面分析可知，當熱敏熔塊高度下降至最小臨界值時，絕緣導線支撐力變為0，即F2=F1=3.43 N。分別對解扣彈簧和壓縮彈簧在不同長度下進行大量彈力值測試后，得出對應壓縮彈簧的高度L2=2.57 mm。故壓縮彈簧臨界狀態較原始狀態伸長的長度L=2.57 mm-1.70 mm=0.87 mm。

由于壓縮彈簧這部分伸長的長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，在高溫或振動環境下出現間斷性開路是引發誤報警事件的原因。

綜上，判定溫度熔斷器的故障原因是：由于溫度保險絲熱敏熔塊的高度不足，引起溫度保險絲移動觸點處接觸壓力下降，溫度熔斷器處于導通、斷開的臨界狀態，當所處環境溫度增高或振動加強時，溫度熔斷器出現間斷性斷開，引發牽引電機的溫升報警。而溫度保險絲熱敏熔塊的高度不足是由于該溫度保險絲的工藝尺寸誤差，以及在篩選試驗時監測不到位造成的。

4 改進措施

4.1 修改熱敏熔塊高度的控制標準

新造及檢修標準按老化篩選后，溫度保險絲熱敏熔塊的高度控制標準調整為2.300 mm。(溫度保險絲熱敏熔塊出廠標稱值為2.540 mm，最小保證值為2.235 mm。考慮到經老化篩選試驗后熱敏熔塊的高度還會有一定程度的下降，為確保產品可靠性冗余，將溫度熔斷器熔塊的高度調整為2.300 mm。)

4.2 改進溫度保險絲老化篩選試驗

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

2) 試驗溫箱添置溫度巡檢儀，對試驗溫箱溫度進行實時記錄，以保證試驗全過程的溫度記錄、可控和追溯。

3) 添置X光射線機，老化篩選試驗前后增加溫度保險絲熱敏熔塊高度檢測項點。

4.3 增加出廠檢驗項目

1) 增加振動試驗。溫度保險絲采用冷壓接的方式與電纜線連接，為了考察冷壓接接點以及元件是否會因車體和牽引電機的振動而出現瞬斷，溫度熔斷器出廠檢驗項目中增加振動試驗，振動幅值依據實際車體上測得振動數據執行。將溫度熔斷器進行豎向和橫向振動，時間各持續10 min，具體參數要求見表3。

表3 溫度熔斷器振動頻率(5～250 Hz)試驗參數

2) 增加高溫篩選試驗。為了排除出廠溫度熔斷器存在高溫下斷開、常溫下恢復導通的現象，振動試驗后增加高溫(150 ℃，10 min)篩選試驗。

4.4 溫度熔斷器可靠性及壽命研究

隨機抽取50件溫度保險絲進行155 ℃、5 000 h的壽命試驗研究(155 ℃為目前列車正常運行時，溫度熔斷器安裝部位監測到的最高溫度)。試驗期間在設定的不同時間節點對溫度保險絲進行熱敏熔塊高度檢測，以觀察其整個過程的變化趨勢。目前已完成溫度保險絲155 ℃、耗時3 000 h的壽命試驗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定，均在2.500 mm以上，遠高于其最小臨界高度值1.930 mm，且滿足新制和檢修標準要求。

圖6 熱敏熔塊高度平均值曲線圖

5 結語

通過對溫度熔斷器引發的牽引電機溫升誤報警故障的深入剖析，確認了其主要原因，并在質量管控方面提出了有效的優化和改進措施，通過長時間的運行試驗，進一步驗證了措施的有效性。目前，采取優化和改進措施后的新制溫度熔斷器已大批量投入運營，運營時間最長的已超過16個月，至今運行狀況良好。由此可見，該措施效果非常明顯。