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        彈性元件絕緣電阻的試驗研究

        2012-11-27 05:57:58羅能鳳馮里根劉國鈞譚帥霞姜其斌
        鐵道機(jī)車車輛 2012年4期

        羅能鳳,馮里根,劉國鈞,王 進(jìn),譚帥霞,姜其斌

        (株洲時代新材料科技股份有限公司 技術(shù)中心,湖南株洲412007)

        隨著我國鐵路運輸朝著高速、重載方向快速發(fā)展,機(jī)車車輛的振動和噪聲控制越來越重要,為了有效減少輪軌作用力和改善系統(tǒng)走行性能,大量的高品質(zhì)減振彈性元件被采用[1]。目前,科研工作者高度關(guān)注彈性元件的減振降噪效果及其疲勞性能。但是鐵路上普遍采用的諧振式無絕緣軌道電路傳輸系統(tǒng),是以鋼軌作為信號回流線,道床絕緣將大大降低渦流阻抗,減少回流電路的能量損失,保證信號的傳輸長度[2],從而防止列車追尾和沖突事故,確保行車安全,因此鐵路專用彈性元件的絕緣性能也十分重要。目前對無負(fù)載條件下彈性元件的絕緣性能已有諸多研究,但有負(fù)載條件下的研究卻鮮有報道。實際使用中彈性元件總承受一定負(fù)載,本文將重點研究彈性元件在有負(fù)載與無負(fù)載情況下的絕緣性能差異,并討論試驗電壓選擇對電阻試驗結(jié)果的影響。

        1 試驗

        1.1 主要儀器和試驗裝置

        ZC-46A型高阻計(上海精密科學(xué)儀器有限公司);6517B型高阻計(美國吉時利儀器公司);CSS-55100電子萬能試驗機(jī)(長春試驗機(jī)研究所);高絕緣同軸屏蔽電纜導(dǎo)線(上海精密科學(xué)儀器有限公司);彈性元件(株洲時代新材料科技股份有限責(zé)任公司);高阻絕緣硬制墊板(自備)。

        1.2 基本配方

        表1 彈性元件中橡膠基本配方(質(zhì)量份數(shù))

        1.3 試驗方法

        (1)不加載絕緣電阻試驗

        圖1為不加載絕緣電阻試驗現(xiàn)場測試照片,用高絕緣同軸屏蔽電纜導(dǎo)線將彈性元件接入高阻計的高壓端與低壓端。對于絕緣電阻值大于108Ω的產(chǎn)品,一般選擇500V或1 000V電壓進(jìn)行測試,對于絕緣電阻值小于108Ω的產(chǎn)品,一般選擇100V或50V電壓進(jìn)行測試。

        圖1 不加載絕緣電阻試驗(二系橡膠墊產(chǎn)品現(xiàn)場測試照片)

        (2)加載絕緣電阻試驗

        圖2為加載絕緣電阻試驗現(xiàn)場測試照片,用高絕緣同軸屏蔽電纜導(dǎo)線將彈性元件接入高阻計的高壓端與低壓端,在彈性元件上端和下端墊上高阻絕緣硬制墊板,通過CSS-55100電子萬能試驗機(jī)對彈性元件加載到產(chǎn)品規(guī)定的載荷,根據(jù)產(chǎn)品電阻值的高低,選擇適合的電壓。

        圖2 加載絕緣電阻試驗(二系橡膠墊產(chǎn)品現(xiàn)場測試照片)

        2 結(jié)果分析

        2.1 不加載絕緣試驗與加載絕緣試驗的比較

        圖3給出了兩種彈性元件在不同加載情況下的絕緣電阻變化趨勢。試驗所用彈性元件膠料主要成分均為表1中1#配方。從圖3可以看出,隨著電機(jī)墊所受載荷,從零開始逐漸增大,絕緣電阻也顯著增加,曲線單調(diào)上升,這是因為隨著加載力的增大,天然橡膠變形在微觀上表現(xiàn)為高分子鏈的相對滑移、扭轉(zhuǎn)及折疊等運動,使得部分導(dǎo)電通道被破壞,因而電阻率隨壓力增大而增大[3-4]。而在地鐵下電極墊加載末期,載荷達(dá)到40kN,絕緣阻值出現(xiàn)下降,這有可能是加載過程中樣品受到擠壓,使得樣品內(nèi)部導(dǎo)電粒子炭黑出現(xiàn)連續(xù)相[5],炭黑作為一種導(dǎo)電材料,導(dǎo)致了電阻的降低。而二系橡膠墊曲線中并沒有出現(xiàn)阻值下降的情況,原因在于不同產(chǎn)品所能承受的最大力不同,同一配方的產(chǎn)品有的承載力大,有的承載力小,這與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)有關(guān)(如圖4、圖5所示),二系橡膠墊的承載力較大,在所測范圍內(nèi)仍未達(dá)到最大值。

        圖3 某地鐵下電機(jī)墊(1#配方)與二系橡膠墊(1#配方)不同加載力下的絕緣電阻

        圖4 電機(jī)墊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實物圖

        圖6為軸箱轉(zhuǎn)臂節(jié)點材料在不同加載情況下的絕緣電阻變化趨勢,所用的膠料配方是表1中2#配方。從圖6可以看出,隨著樣品所受載荷,從零開始逐漸增加,絕緣電阻變化趨勢與圖3所示相反,隨著載荷增加,電阻值反而減小。這是由于圖6所用配方中炭黑含量明顯高于圖3,由于炭黑的含量高,隨著加載力的增加,樣品內(nèi)部炭黑導(dǎo)電粒子出現(xiàn)連續(xù)相的數(shù)量也增加,導(dǎo)致電阻下降。

        圖5 二系橡膠墊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實物圖

        通過圖3~圖6的比對,可以發(fā)現(xiàn)不同配方膠料在增加加載力的情況下,電阻的變化趨勢也不相同。高炭黑配方膠料在加載的情況下電阻變小,低炭黑配方膠料在加載的情況下電阻變大,但加載到一定值時,電阻值下降。同時這也表明膠料配方比加載力對彈性元件絕緣電阻的影響更大,即絕緣材料本身分子結(jié)構(gòu)較加載因素對彈性元件絕緣電阻的影響更顯著[6]。

        圖6 軸箱轉(zhuǎn)臂節(jié)點(2#配方)不同加載力下的絕緣電阻

        2.2 絕緣電阻試驗結(jié)果的影響因素

        2.2.1 測試電壓對彈性元件電阻試驗值的影響

        將某地鐵下電機(jī)墊作為研究對象,在不同加載力和不同測試電壓下進(jìn)行絕緣電阻試驗。由圖7可見,50V測試電壓條件下的曲線始終在100V測試電壓條件的曲線上方,這表明同樣的加載力條件下,50V電壓下的測試電阻較100V電壓下的測試電阻高。這是因為介質(zhì)材料的電阻值只能在一定電壓范圍內(nèi)保持不變。在常溫條件下,在較低的電壓范圍內(nèi),電導(dǎo)電流隨外加電壓的增加而線性增加,材料的電阻值保持不變。而超過一定電壓后,由于離子化運動加劇,電導(dǎo)電流的增加遠(yuǎn)比測試電壓增加得快,材料呈現(xiàn)的電阻值迅速降低[6]。由此可見,在一定條件下,外加測試電壓越高,材料的絕緣電阻值越低。

        圖7 測試電壓對測試電阻值的影響

        2.2.2 其他影響因素

        (1)環(huán)境溫濕度

        一般來說,材料的電阻值隨環(huán)境溫濕度的升高而減小。溫度升高,載流子的運動速率加快,介質(zhì)材料的吸收電流和電導(dǎo)電流會相應(yīng)增加,一般介質(zhì)在70℃時的電阻值僅有20℃時的10%。因此,測量材料的電阻時,必須指明試樣與環(huán)境達(dá)到平衡的溫濕度。

        (2)測試時間

        用一定的直流電壓對被測材料加電壓時,被測材料上的電流在達(dá)到穩(wěn)定值之前,會有一衰減過程。這一過程中,首先出現(xiàn)較大的充電電流,然后是持續(xù)時間長、緩慢減小的吸收電流,最后達(dá)到比較平穩(wěn)的電導(dǎo)電流。被測電阻值越高,達(dá)到平衡的時間則越長。因此,為了正確讀取被測電阻值,應(yīng)取電阻值穩(wěn)定后或加電壓1min后的讀數(shù)。另外,高絕緣材料的電阻值還與其所帶電荷有關(guān)。所以為了準(zhǔn)確評價材料的靜電性能,在進(jìn)行電阻測試時,應(yīng)首先對材料進(jìn)行去電處理,并放置調(diào)節(jié)一段時間,然后再按測量程序測試。

        (3)設(shè)備的泄漏

        在彈性元件絕緣電阻測試中,線路中絕緣電阻不高的連線,經(jīng)常會不恰當(dāng)?shù)嘏c被測試樣、取樣電阻等并聯(lián),對測量結(jié)果可能產(chǎn)生較大的影響。為此,為減小測量誤差,應(yīng)采用保護(hù)技術(shù),在漏電流大的線路上安裝保護(hù)導(dǎo)體,以消除雜散電流對測試結(jié)果的影響;高電壓線由于表面電離,對大地有一定泄漏,所以盡量采用高絕緣、大線徑的高壓導(dǎo)線作為高壓輸出線并盡量縮短連線,減少尖端,杜絕電暈放電;采用聚乙烯、聚四氟乙烯等絕緣材料制作測試臺和支撐體,可避免此類現(xiàn)象。

        (4)外界干擾

        在測試高絕緣材料時,通過試樣的電流是很微小的,因此極易受到外界干擾,造成較大的測試誤差。外界干擾主要是雜散電流的耦合或靜電感應(yīng)產(chǎn)生的電勢。因此,在測試電流小于10-10A或測量電阻超過1011歐姆時,被測試樣、測試電極和測試系統(tǒng)都應(yīng)采取嚴(yán)格的屏蔽措施,以消除外界干擾對試驗產(chǎn)生的影響。

        3 結(jié)論

        (1)對彈性元件絕緣電阻試驗的系統(tǒng)研究,明確了加載與不加載對彈性元件絕緣電阻值的影響,有的產(chǎn)品隨著加載力值的增加而增加,有的則相反,這與所使用的絕緣材料本身結(jié)構(gòu)有關(guān)。針對實際應(yīng)用,采用不同的試驗方式,進(jìn)行加載或不加載的絕緣電阻試驗,將更有利于指導(dǎo)產(chǎn)品的有效安全使用。

        (2)在測試彈性元件絕緣電阻試驗中,應(yīng)根據(jù)絕緣電阻情況選擇正確的測試電壓,以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性;控制好測量溫濕度、測試時間,防止測試設(shè)備的泄漏及外界的干擾,以確保測試結(jié)果的一致性。

        [1]楊 軍,陳忠海.現(xiàn)代軌道交通用彈性元件的開發(fā)和應(yīng)用[J].機(jī)車電傳動.2003,(z1):11-13.

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