鐵路信號(hào)AX系列繼電器的防塵優(yōu)化

李慶詩(shī)，李耀嫚，劉 煒

(沈陽(yáng)鐵路信號(hào)有限責(zé)任公司，沈陽(yáng) 110025)

1 概述

信號(hào)繼電器是鐵路信號(hào)設(shè)備的主要器材之一，它在運(yùn)用中的可靠、安全是保證鐵路運(yùn)輸自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制信號(hào)設(shè)備正常使用的必要條件[1]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)鐵路信號(hào)AX繼電器多為非防塵結(jié)構(gòu)。繼電器在貯存、運(yùn)輸和使用過(guò)程中，外界環(huán)境中的粉塵、有害氣體等污染物可能進(jìn)入繼電器內(nèi)部，吸附或聚集在通電接點(diǎn)的表面，造成接點(diǎn)的導(dǎo)電性能降低，從而導(dǎo)致在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，繼電器出現(xiàn)接觸電阻變大、不穩(wěn)定等現(xiàn)象，直接影響行車(chē)。針對(duì)上述問(wèn)題，簡(jiǎn)要分析繼電器內(nèi)部進(jìn)入顆粒、粉塵等異物的原因，提出具體的防塵優(yōu)化措施。

2 繼電器內(nèi)部進(jìn)入粉塵等異物原因及危害

2.1 進(jìn)入異物原因

外部粉塵顆粒、異物、有害氣體進(jìn)入罩內(nèi)的主要原因?yàn)橥庹帧⒌鬃⒎缐m墊等零件結(jié)構(gòu)本身以及組裝配合時(shí)存有空隙和槽口。以鐵路信號(hào)通用繼電器—JWXC-1700型為例，其外罩和絕緣座結(jié)構(gòu)如圖1、2所示，接點(diǎn)組裝在防塵墊的結(jié)構(gòu)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(gè)槽口，外罩存有若干通風(fēng)孔。電源片、托片、補(bǔ)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(fēng)孔以及組裝配合后間隙的存在，繼電器在貯存、運(yùn)輸和使用過(guò)程中，粉塵、顆粒狀異物、腐蝕性氣體均可能通過(guò)槽口進(jìn)入繼電器內(nèi)部，造成使用性能降低。

2.2 產(chǎn)生危害

鐵路信號(hào)繼電器產(chǎn)品作為一個(gè)電氣器材，對(duì)絕緣性能、接觸導(dǎo)通性能有較高要求。外界環(huán)境如高溫、高濕、多粉塵顆粒、腐蝕性氣體等條件，對(duì)接點(diǎn)接觸電阻的影響不容忽視[2]。器材進(jìn)潮氣后在罩內(nèi)形成高濕環(huán)境，易引發(fā)金屬部件銹蝕，影響部件的質(zhì)量及強(qiáng)度，同時(shí)可造成整機(jī)絕緣性能下降；接點(diǎn)受顆粒、粉塵、腐蝕氣體的影響易導(dǎo)致接觸電阻增大或接觸不良，影響設(shè)備的正常運(yùn)行。

3 鐵路信號(hào)AX繼電器防塵技術(shù)改進(jìn)

針對(duì)以上問(wèn)題，開(kāi)展鐵路信號(hào)AX繼電器的防塵優(yōu)化改進(jìn)十分必要。根據(jù)繼電器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在不影響其使用功能的前提下，考慮對(duì)既有繼電器結(jié)構(gòu)進(jìn)行防塵密封為較適合的技術(shù)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(yōu)越性

繼電器采用密封結(jié)構(gòu)，是提高產(chǎn)品可靠性的一個(gè)很好的方法，這在國(guó)內(nèi)外繼電器產(chǎn)品中得到印證。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)軍品繼電器及航天繼電器大多采用密封結(jié)構(gòu)并在內(nèi)部充入保護(hù)氣體以保護(hù)觸點(diǎn)。國(guó)外小功率繼電器應(yīng)用上有密封結(jié)構(gòu)的例子，如安川貝斯達(dá)系列繼電器、法國(guó)利奇繼電器等。

同一批次鐵路信號(hào)繼電器產(chǎn)品使用在不同地域同一類(lèi)電路中，其接點(diǎn)狀態(tài)可能明顯不同，這與各地區(qū)繼電器的使用環(huán)境（如潮濕、風(fēng)沙、油污、粉塵、硫化物）有極大相關(guān)性。對(duì)鐵路信號(hào)AX繼電器進(jìn)行防塵改進(jìn)，一方面可提高產(chǎn)品使用可靠性，降低鐵路信號(hào)電路故障率，保證正常的鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)秩序，減少經(jīng)濟(jì)損失；另一方面可延長(zhǎng)繼電器使用周期，降低器材的維護(hù)、檢驗(yàn)成本。

3.1.2 繼電器密封后發(fā)熱分析

對(duì)繼電器進(jìn)行防塵密封，需著重考慮密封后，罩內(nèi)溫度是否對(duì)繼電器使用造成影響。一般而言，繼電器罩內(nèi)溫度主要與外界環(huán)境溫度、自身線圈和接點(diǎn)通電情況下溫升、繼電器使用的電路條件關(guān)聯(lián)較大。

1）外界環(huán)境溫度

鐵路信號(hào)AX繼電器產(chǎn)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(jī)械室（一般配有空調(diào)設(shè)備）內(nèi)使用，機(jī)械室的環(huán)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(guān)。以JWXC-1700型繼電器為例，前、后圈串聯(lián)使用，串聯(lián)電阻為1 700 Ω，在24 V額定條件下工作時(shí)，消耗的功率較小，具體數(shù)值：24×24/1 700=0.34 W。同時(shí)，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行線圈溫升試驗(yàn)，結(jié)果顯示：當(dāng)周?chē)h(huán)境溫度為+60℃時(shí)，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(shù)據(jù)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(shuō)明的是表1中線圈溫升數(shù)據(jù)是《鐵路信號(hào)繼電器試驗(yàn)方法》（GB/T 6902-2010）規(guī)定的繼電器在高溫60℃通電2 h后測(cè)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(dòng)繼電器，在道岔控制電路中非長(zhǎng)時(shí)間通電工作，一般認(rèn)為線圈溫升較小，影響不大。

3）接點(diǎn)溫升

目前，按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行接點(diǎn)溫升試驗(yàn)[4]，試驗(yàn)條件：“在環(huán)境溫度60℃時(shí)，普通接點(diǎn)通以直流2 A，加強(qiáng)接點(diǎn)通以直流10 A”。試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)表明：在此試驗(yàn)條件下，各型號(hào)鐵路信號(hào)繼電器的接點(diǎn)溫升一般在1～8℃。由于實(shí)際電路使用的負(fù)載一般比試驗(yàn)負(fù)載小，因此實(shí)際使用的繼電器接點(diǎn)溫升范圍要更小。

綜上繼電器的線圈溫升、接點(diǎn)溫升等數(shù)據(jù)，采用防塵密封結(jié)構(gòu)對(duì)繼電器的正常使用影響較小。

3.1.3 案例

上海地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司作為國(guó)內(nèi)較大的地鐵運(yùn)營(yíng)商之一，鑒于地鐵運(yùn)營(yíng)環(huán)境潮濕、粉塵多等復(fù)雜特點(diǎn)，為保證器材可靠使用，減少外界環(huán)境對(duì)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(fēng)孔。盡管外罩取消通風(fēng)孔后，繼電器仍未達(dá)到完全防塵密封，但從多年的運(yùn)行反饋效果分析，上海地鐵管內(nèi)的產(chǎn)品故障率極低，一定程度佐證了繼電器采用防塵結(jié)構(gòu)的有效性。

3.2 繼電器防塵密封的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

如前所述，仍以JWXC-1700型繼電器為例，現(xiàn)有的底座和外罩結(jié)構(gòu)不能保證防塵密封，為此，對(duì)底座、外罩進(jìn)行改進(jìn)。具體如圖4所示。

圖4顯示：改進(jìn)后的底座和外罩無(wú)槽口和通風(fēng)孔。同時(shí)為保證防塵密封，對(duì)底座和外罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在外罩和底座間增加密封墊，確保繼電器組裝時(shí)無(wú)縫隙存在。

圖4 改進(jìn)后的底座、 外罩結(jié)構(gòu)Fig.4 Improved base and cover structure

為有效避免外界粉塵進(jìn)入罩內(nèi)，對(duì)現(xiàn)有防塵墊的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。改進(jìn)后的防塵墊與插片可實(shí)現(xiàn)緊密配合。改進(jìn)后的防塵墊與接點(diǎn)組配合結(jié)構(gòu)如圖5所示。

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

除上述防塵密封結(jié)構(gòu)優(yōu)化外，對(duì)防塵墊和密封墊的材料選型也極其重要。除考慮達(dá)到基本的防護(hù)性能結(jié)構(gòu)外，應(yīng)充分考慮材料的耐高低溫、耐磨損、耐老化等優(yōu)越性能。同時(shí)，材料應(yīng)具有較長(zhǎng)使用壽命以及使用中不析出影響觸點(diǎn)接觸性能的元素和離子等優(yōu)點(diǎn)。

4 相關(guān)試驗(yàn)、驗(yàn)證

根據(jù)上文3.2節(jié)的改進(jìn)方案，組裝若干臺(tái)優(yōu)化改進(jìn)的JWXC-1700型樣品分別進(jìn)行外殼防護(hù)等級(jí)檢測(cè)以及硫化氫實(shí)驗(yàn)。

4.1 外殼防護(hù)等級(jí)檢驗(yàn)

外殼防護(hù)等級(jí)（IP代碼）[5]檢測(cè)是指按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢驗(yàn)方法，確定外殼對(duì)人接近危險(xiǎn)部件、防止固體異物進(jìn)入或水進(jìn)入所提供的保護(hù)程度。目前，IP代碼一般由兩個(gè)數(shù)字所組成：第一個(gè)數(shù)字表示產(chǎn)品防塵、防止外物侵入的等級(jí)；第二個(gè)數(shù)字表示產(chǎn)品防濕氣、防水侵入的密閉程度。數(shù)字越大，表示其防護(hù)等級(jí)越高。

為確認(rèn)優(yōu)化改進(jìn)后的JWXC-1700型繼電器的防塵程度，進(jìn)行外殼防護(hù)等級(jí)檢驗(yàn)，確認(rèn)改進(jìn)后的防護(hù)等級(jí)。本次檢驗(yàn)取樣1臺(tái)優(yōu)化改進(jìn)后的JWXC-1700型繼電器樣品。

經(jīng)第三方機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)：優(yōu)化改進(jìn)后的JWXC-1700型繼電器外殼防護(hù)等級(jí)為IP55。IP55含義是防塵等級(jí)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(huì)影響電器的正常運(yùn)作），防水等級(jí)5（防持續(xù)至少3 min的低壓噴水）。

4.2 硫化氫試驗(yàn)

硫化氫試驗(yàn)是評(píng)價(jià)用于接觸點(diǎn)和連接件的銀和銀合金變色的一種加速試驗(yàn)方法，尤其適用于做對(duì)比試驗(yàn)[6]。試驗(yàn)?zāi)康闹饕谴_定硫化氫對(duì)銀或銀合金制成的接觸點(diǎn)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(yàn)主要根據(jù)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(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

4.2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

為確認(rèn)優(yōu)化改進(jìn)后的JWXC-1700型繼電器的防護(hù)效果，開(kāi)展硫化氫試驗(yàn)。通過(guò)該試驗(yàn)判定優(yōu)化改進(jìn)后的繼電器耐硫化氫的能力，以及防護(hù)措施的有效性。

本次試驗(yàn)取樣2臺(tái)繼電器樣品（兩臺(tái)樣品均為新組裝而成），其中既有JWXC-1700型繼電器樣品1臺(tái)，優(yōu)化改進(jìn)的JWXC-1700型繼電器樣品1臺(tái)。

參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)條件，搭建簡(jiǎn)易容器進(jìn)行硫化氫對(duì)比試驗(yàn)。兩臺(tái)樣機(jī)放置在密閉的玻璃器皿內(nèi)，施加一定濃度的硫化氫氣體，分別觀察、測(cè)試兩種繼電器初始狀態(tài)、實(shí)驗(yàn)3 h、6 h后的外觀和接觸電阻數(shù)值。試驗(yàn)條件如下。

1）溫度：20±2℃；

2）相對(duì)濕度：75%；

3）實(shí)驗(yàn)容器：玻璃干燥容器；

4）硫化氫濃度：20 ppm；

5）試驗(yàn)時(shí)間：6 h。

4.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

不同試驗(yàn)時(shí)間后的繼電器接觸電阻數(shù)值如表2所示。

表2 不同試驗(yàn)時(shí)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(yàn)3 h、6 h后，優(yōu)化改進(jìn)的JWXC-1700型繼電器接觸電阻，其阻值變化一直比較穩(wěn)定，全部接點(diǎn)均在標(biāo)準(zhǔn)合格范圍內(nèi)；既有JWXC-1700型繼電器在硫化氫試驗(yàn)3 h后，有4組接點(diǎn)接觸電阻值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)合格范圍，試驗(yàn)6 h后，阻值超標(biāo)的接點(diǎn)組數(shù)有增大的趨勢(shì)，共計(jì)9組接點(diǎn)。表明隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，接點(diǎn)的耐腐蝕能力越差。一般而言，繼電器的觸點(diǎn)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(yàn)時(shí)間的繼電器外觀狀態(tài)如圖6、7所示。

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

圖7 試驗(yàn)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(yàn)3 h后，既有繼電器(3 h)動(dòng)觸頭、鉚釘已變成深咖啡色，銀觸頭發(fā)生輕微變色，接點(diǎn)片出現(xiàn)銹斑。優(yōu)化改進(jìn)的繼電器(3 h)動(dòng)觸頭、銀觸頭、鉚釘、接點(diǎn)片等零件均無(wú)明顯變化。一般而言，銀和銀合金對(duì)微量硫化氫特別敏感，易產(chǎn)生變色現(xiàn)象，變色產(chǎn)物呈暗色，主要由β-硫化銀組成[8]。

試驗(yàn)6 h后，既有繼電器（6 h）動(dòng)觸頭、鉚釘、銀觸頭顏色繼續(xù)加深，動(dòng)觸頭幾乎變成黑色，接點(diǎn)片銹蝕嚴(yán)重，銹斑面積進(jìn)一步加大。優(yōu)化改進(jìn)的繼電器（6 h）的動(dòng)觸頭顏色輕微加深，呈淡黃色，銀觸頭、鉚釘、接點(diǎn)片等金屬零件均無(wú)明顯變化。

綜合外觀和接觸電阻結(jié)果可以看出：與既有JWXC-1700型繼電器相比，優(yōu)化改進(jìn)的JWXC-1700型繼電器可以有效降低硫化氫對(duì)繼電器接點(diǎn)的腐蝕影響，起到較好防護(hù)作用。

5 結(jié)語(yǔ)

鐵路信號(hào)AX繼電器作為鐵路信號(hào)系統(tǒng)中重要的基礎(chǔ)器材，其安全性、可靠性是保證列車(chē)穩(wěn)定、高效運(yùn)行的必要條件。分析外界顆粒、粉塵等異物進(jìn)入繼電器罩內(nèi)的危害及原因，通過(guò)采用合理的防塵優(yōu)化措施，證明可有效提高器材的防護(hù)效果。目前， JWXC-1700型繼電器的防塵優(yōu)化改進(jìn)已得到相關(guān)驗(yàn)證、確認(rèn)，取得了階段性的成果，后期需擴(kuò)展到其他AX繼電器型號(hào)進(jìn)行相關(guān)研究。同時(shí)，進(jìn)一步提升整機(jī)的防護(hù)性能使其達(dá)到更高級(jí)別，是后續(xù)攻關(guān)研究方向。