移位接觸器開裂故障分析與改進

梅積剛

（西安鐵路信號有限責任公司，西安 710100）

ZD6系列電動轉轍機廣泛應用于鐵路電氣集中站場，用于轉換、鎖閉道岔尖軌或心軌，改變道岔開通方向。移位接觸器是ZD6轉轍機中一個重要部件，其接點串聯于道岔控制系統的表示電路中，在轉轍機轉換到位并對道岔進行鎖閉后，表示電路接通，給出道岔位置狀態的指示。道岔表示與道岔的實際位置一致，如道岔可動部分的實際位置失位，導致轉轍機動作桿與齒條塊的相對位移量超過2.5 mm，將齒條塊中的頂桿頂起，將移位接觸器的常閉接點可靠斷開，從而斷開表示電路，且接點不經人工恢復不會再次接通表示電路，確保鐵路運輸的行車安全。

移位接觸器的接線螺柱緊固在開關盒上，開關盒為透明材質，便于觀察接點的狀態，以及對接點的維護檢查。近年來，在現場使用過程中，會發生移位接觸器開關盒“開裂”的現象，嚴重者會導致開關盒局部脫落，給線路的正常運營造成不良影響。通過對零件材料、制造工藝及零件結構的綜合試驗及分析，找到移位接觸器開關盒開裂的原因，并對移位接觸器結構及制造工藝進行改進，解決移位接觸器“開裂”的問題。

1 材料特性

移位接觸器安裝于ZD6轉轍機箱體內，受設備空間的限制，零件結構設計較為復雜。綜合零件功能及可加工性，選用聚碳酸酯作為移位接觸器開關盒材料，生產中采用注塑成型。聚碳酸酯英文名稱為Polycarbonate，簡稱PC塑料，其分子鏈中含有碳酸酯基的高分子聚合物，名稱源于其內部的碳酸酯基團。其分子結構如圖1所示。

圖1 聚碳酸酯分子結構Fig.1 Molecular structure of polycarbonate

由于其分子中包含碳酸酯鏈和苯環，碳酸酯鏈的存在，使得該材料具有較高的彈性系數，耐沖擊性好。而苯環的存在，又具備了高強度的特點，加之聚碳酸酯本身又是一種幾乎無色的玻璃態的無定形聚合物，有很好的光學性。因此采用聚碳酸酯加工的零件，具有優良的耐沖擊性、尺寸穩定性、高透光性、耐疲勞性，同時它又有良好的阻燃性和耐高、低溫性能，熱分解溫度在300℃以上，脆化溫度低達-100℃，可在-60℃～120℃下長期使用，滿足轉轍機使用環境溫度-40℃～70℃要求。聚碳酸酯具有良好的熱加工性能，聚碳酸酯熱熔后，流動性好，產品成型速度快，外觀光潔漂亮的特性，適合制造結構復雜的零件。

2 開裂原因分析

2.1 內應力的產生

在聚碳酸酯原材料熔融加工成型過程中，已排列好的晶粒在外力的作用下，需要沿外力的作用方向進行重新排列取向。聚碳酸酯分子鏈上具有苯環，導致重新取向困難，而被迫重新取向的分子鏈有恢復自然狀態的趨勢。在零件的逐漸固化過程中，有的分子鏈已先被凍結，就會導致重新取向的分子與先被凍結的分子相互作用，導致制品內部產生較大的殘余應力。殘余應力對聚碳酸酯零件的影響比較大，當外部環境溫度、濕度發生較大的變化，或有較大外力共同作用時，會誘發零件的開裂現象。

2.2 應力的檢測

在聚碳酸酯零件的生產過程中，需要對制品的內應力進行檢測。通常的檢測方法為化學試劑浸泡法或偏振光檢驗法。

化學試劑浸泡法一般采用苯、四氯化碳、環己烷、乙醇或甲醇，通過浸泡促使化學試劑滲透到成形零件的分子結構中，破壞聚合物鏈的內分子力，從而加快分子斷裂，通過記錄制品開裂的時間及裂紋的多少來判斷內應力的大小。

偏振光檢驗法利用聚碳酸酯零件的透明特性，把成品零件放置于偏振光鏡片之間，從鏡上觀察零件表面彩色光帶面積，以彩色光帶面積的大小來確定零件內應力大小，如果觀察到的彩包光帶面積大，說明制品內應力大。

根據移位接觸器開關盒零件結構及批量生產的檢測速度要求，零件的應力檢測采用四氯化碳浸泡法。如果浸漬15 s內就開裂，說明零件內應力很大，如果超過2 min未見裂紋，說明零件內應力很小。

2.3 零件結構

移位接觸器的固定螺釘及接線螺柱均安裝在開關盒上，在緊固過程中施加的預緊力直接作用到聚碳酸酯的開關盒上。轉轍機的機內使用油漆和油脂，其成分復雜，添加劑種類豐富。礦物或合成的潤滑劑會導致塑料彈性體隨著時間的推移而膨脹或破裂。膨脹、開裂甚至變色，雖然不是即時的，但轉轍機長期在戶外使用，這些潤滑脂的各種成分在高溫下揮發，匯集在轉轍機內。在高溫的催化下，這些物質容易導致聚碳酸酯零件在應力產生處發生滲透，吸收有機物質而加速應力開裂。應力開裂的裂紋一般都呈炸裂的形式，如圖2所示為現場使用過程中開關盒開裂的移位接觸器。對開裂處進行微觀觀察，開裂面光滑且平坦，呈明顯的脆性開裂特征，主裂紋前沿與銀紋擴展前沿交接，如圖3所示。

圖2 開關盒開裂的移位接觸器Fig.2 Shift contactor with cracked switch box

圖3 裂紋微觀形貌Fig.3 Microscopic appearance of crack

3 解決方法

通過對移位接觸器開關盒開裂的原因分析，解決移位接觸器開關盒開裂的問題，主要是解決聚碳酸酯開關盒的應力問題。

3.1 降低零件生產過程中的內應力

在移位接觸器開關盒生產過程中，采用聚碳酸酯熔融后注塑成型。聚碳酸酯在成型的過程中會產生取向應力，在零件成型后需進行熱處理消除取向應力，其方法是對成型制品進行退火處理。退火處理是指將制品凡在熱介質中靜置一定時間，使分子由不平衡向平衡緩慢轉變，先凍結的分子鏈獲得能量而進行熱松弛，使應力得到釋放。聚碳酸酯零件的退火溫度比零件的熱變形溫度低20℃左右，退火的溫度、時間與零件的壁厚和結構復雜程度有關。

采用科思創(Covestro)模克隆(Makrolon)PC 2558聚碳酸酯顆粒，中粘度材料，制作試驗樣件。樣件分別進行不退火處理及采用不同時間、不同溫度進行退火處理。用LZY-150數顯應力儀進行測試，不退火處理的樣件相對應力為53.81 nm，退火處理樣件的應力檢測數據如表1～3所示。

表1 聚碳酸酯樣件退火1 h應力檢測Tab.1 Stress table of polycarbonate sample annealed for 1 h

表2 聚碳酸酯樣件退火2 h應力檢測Tab.2 Stress table of polycarbonate sample annealed for 2 h

表3 聚碳酸酯樣件退火4 h應力檢測Tab.3 Stress table of polycarbonate sample annealed for 4 h

通過檢測數據可以看出，聚碳酸酯零件的退火工藝可顯著降低其內應力，在試驗的不同退火工藝下，降低率在15.4%～37.9%之間。從表中可以看出，退火溫度對零件的內應力的減小影響比較大，退火時長對零件內應力的減小影響不明顯。

移位接觸器開關盒壁厚約1.5 mm，結構較為復雜，120℃退火處理時，零件有微變形。結合壁厚和零件結構，開關盒零件退火工藝確定為在110℃左右保溫4 h，降低或基本消除內應力。

通過對熱處理前、后的聚碳酸酯開關盒浸泡對比測試，不進行熱處理的零件，2～3 s內就四散開裂。熱處理后的零件浸泡3 min，仍能保持原始狀態。

通過上述測試，退火處理可以顯著降低零件的內應力，但退火處理也只是將零件的內應力降低到一定范圍內，讓零件不至于在初期就出現開裂問題。但是，由于受移位接觸器開關盒的結構限制，固定螺釘及接線螺柱上的緊固預緊力無法消除，會在后期的使用過程中留下開裂誘因。已通過四氯化碳溶液檢測的零件，安裝成組件后，由于組裝過程中產生了較大的螺紋件預緊力，開關盒承受了一定的應力，在轉轍機箱體內的復雜環境中，承受環境的交變濕熱的循環，仍有產生裂紋的情況。

3.2 結構改進

原移位接觸器聚碳酸酯的開關盒零件結構如圖4所示。結構比較復雜，各處壁厚不均，厚度變化明顯。在熱塑成型時，不同的壁厚會導致熔融材料冷卻快慢不同，增加了內應力的產生。

圖4 原結構Fig.4 The original structure

在零件的安裝及使用過程中，開關盒還需承受螺紋緊固件的預緊力，致使零件產生額外應力。

改進設計的移位接觸器如圖5所示。通過改進移位接觸器結構，讓移位接觸器的聚碳酸酯零件在組裝緊固過程中不承受預緊力，避免產生額外應力。具體方法是將開關盒設計成分體式，其固定部分的固定座及接線柱安裝采用高強度的絕緣材料制成，接線螺柱的預緊處預留安裝凸臺，用以承受安裝緊固和接線產生的預緊力。聚碳酸酯的開關盒觀察罩設計為卡口式，罩在固定座上即可，其結構簡單，壁厚均勻，零件在冷卻時的速度一致，避免冷卻內應力及取向內應力的產生。

圖5 改進結構Fig.5 The improved structure

該設計優化不改變移位接觸器的功能和安裝接口，與既有設備可完全互換，且避免了聚碳酸酯開關盒承受預緊力。

4 結論

聚碳酸酯零件的應力開裂是比較常見的問題，需要從零件的結構、制作工藝及零件的檢測等多方面進行研究改善，以降低零件故障率，提高可靠性。

通過改進移位接觸器結構，加強工藝控制，消除移位接觸器開關盒的開裂隱患。改進后的移位接觸器經模擬環境的高、低溫試驗，開關盒未見開裂現象。在通過測試及驗證合格后，已在現場試用，使用情況良好，提高了鐵路安全運輸的可靠性。