楊軍

摘要： 繼電器是自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的電器，它用于接通和斷開(kāi)電路，用以發(fā)布控制命令和反映設(shè)備狀態(tài)，以構(gòu)成自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制電路。鐵路信號(hào)繼電器是將電信號(hào)從一個(gè)導(dǎo)體傳向另—個(gè)導(dǎo)體，在導(dǎo)體與導(dǎo)體的連接處就會(huì)產(chǎn)生電接觸。這種傳導(dǎo)是借助于繼電器接點(diǎn)完成的，接點(diǎn)直接承擔(dān)著接通和分?jǐn)噙@種傳導(dǎo)，它的性能是影響傳導(dǎo)工作可靠性、穩(wěn)定性和精確性的關(guān)鍵因素。

Abstract： A relay is a commonly used electrical appliance in an automatic control system. It is used to turn on and off a circuit to issue control commands and reflect the status of equipment to form an automatic control and remote control circuit. A railway signal relay relays electrical signals from one conductor to another， and electrical contact occurs between the conductor and the conductor. This conduction is accomplished by means of a relay contact， which is directly responsible for making and breaking such conduction. Its performance is a key factor that affects the reliability， stability and accuracy of the conduction operation.

關(guān)鍵詞： 信號(hào)繼電器；接點(diǎn)；材料；研究

Key words： signal relay；contact；material；research

中圖分類(lèi)號(hào)：U28 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）20-0274-02

0 引言

繼電器是鐵路信號(hào)設(shè)備中的主要器材之一，在全路安裝使用超過(guò)1000萬(wàn)臺(tái)。其工作的可靠及安全性是保證鐵路自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程控制信號(hào)設(shè)備正常工作的必要條件。隨著我國(guó)鐵路事業(yè)的發(fā)展，列車(chē)速度的不斷提高，不僅對(duì)信號(hào)繼電器耐環(huán)境條件、性能要求提高，而且對(duì)其安全性提出了更高的要求。接點(diǎn)是繼電器的關(guān)鍵部件之一，其性能的好壞直接影響信號(hào)系統(tǒng)的安全性及可靠性，從多年現(xiàn)場(chǎng)使用情況來(lái)看，繼電器接點(diǎn)在接點(diǎn)電阻、接點(diǎn)粘連等方面存在很多問(wèn)題，為了更好的提高系統(tǒng)可靠性，滿足鐵路高速發(fā)展的要求，有必要對(duì)繼電器接點(diǎn)進(jìn)行深入研究。

1 國(guó)產(chǎn)信號(hào)繼電器接點(diǎn)使用現(xiàn)狀

UIC標(biāo)準(zhǔn)要求“非熔焊性的動(dòng)合接點(diǎn)，采用適當(dāng)?shù)慕狱c(diǎn)材料”。即要求繼電器前接點(diǎn)采用非熔接性的材料。我國(guó)六十年代初研制成功的AX型繼電器，當(dāng)初設(shè)計(jì)的前接點(diǎn)是銀碳（含石墨20%）——銀。文化大革命期間改為銀——銀氧化鉻（Cd——20%）。銀氧化鉻是一種銀鉻合金，用金屬陶制法（既粉末冶金法）制成，基本物質(zhì)為銀（85%～88%）起導(dǎo)電作用，氧化鉻（12%～15%）則起導(dǎo)熱作用。Ag/CdO接點(diǎn)材料在金屬氧化物材料中具有高的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，低而穩(wěn)定的接觸電阻，在中等電流下的熔焊傾向和電侵蝕較小。這主要是因?yàn)檠趸t和其它金屬氧化物不同，氧化鉻的分解溫度低，在電弧的高溫作用下，它分解成鉻和氧的蒸汽（鉻在770℃就汽化），鉻的蒸汽在高溫下體積可膨脹1萬(wàn)倍，以此來(lái)起吸弧和消除電離的作用，故抗熔性較高。鐵路信號(hào)繼電器接點(diǎn)材料主要選用Ag/CdO觸頭，該材料在接通和斷開(kāi)都具有良好的電性能，所以，Ag/CdO材料十分適用于很多接觸應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是電流在5～50A范圍內(nèi)時(shí)。截至目前，觸頭材料領(lǐng)域Ag/CdO材料的應(yīng)用依然十分普遍。

2 國(guó)產(chǎn)信號(hào)繼電器接點(diǎn)使用中存在的問(wèn)題及原因分析

目前我國(guó)生產(chǎn)鐵路信號(hào)繼電器的廠家主要有西安鐵路信號(hào)有限責(zé)任公司和沈陽(yáng)鐵路信號(hào)有限責(zé)任公司。繼電器接點(diǎn)使用的材料都是Ag/CdO材料。在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中，各鐵路都存在繼電器接點(diǎn)發(fā)黑、接點(diǎn)接觸電阻大、甚至接點(diǎn)粘連現(xiàn)象。

2.1 繼電器接點(diǎn)發(fā)黑

①若長(zhǎng)時(shí)間放置繼電器，銀接點(diǎn)可能會(huì)變成黑色。這是由于大氣中的硫化燃?xì)夂豌y發(fā)生反應(yīng)，生成硫化銀。

②由于開(kāi)關(guān)負(fù)載時(shí)電弧放電，與空氣中有機(jī)燃?xì)馍闪颂迹ㄌ妓兀?、碳化銀及接點(diǎn)的飛散粉末。

2.2 繼電器接點(diǎn)接觸電阻增大

繼電器接點(diǎn)接觸電阻的大小，直接關(guān)系到電路的通斷。接點(diǎn)接觸電阻的構(gòu)成主要包括導(dǎo)體電阻、集中電阻、邊界電阻。導(dǎo)體電阻是根據(jù)接點(diǎn)端子、接點(diǎn)導(dǎo)體的導(dǎo)電率、長(zhǎng)度及截面面積求得的電阻；集中電阻是接點(diǎn)材質(zhì)、曲率半徑及接觸力求得接點(diǎn)接觸部的接觸面積，以非常微小的面積進(jìn)行接觸，由于電流集中在這個(gè)微小面積上，電流束被扭曲而產(chǎn)生的電阻；邊界電阻是接點(diǎn)表面產(chǎn)生硫化銀、積碳等物質(zhì)產(chǎn)生的電阻。造成繼電器接觸電阻增大的主要原因是集中電阻和邊界電阻。

①集中電阻。繼電器作為開(kāi)關(guān)負(fù)載，在接點(diǎn)觸頭分離而電路開(kāi)斷和閉合時(shí)都會(huì)發(fā)生電弧，這將引起觸頭材料的熔化或汽化，甚至?xí)挠|頭間隙中噴濺出來(lái)。電弧的放電就會(huì)引起接點(diǎn)材料的轉(zhuǎn)移。部分接點(diǎn)表面移動(dòng)到相對(duì)接點(diǎn)。移動(dòng)方向由負(fù)載的電壓、電流、接點(diǎn)材質(zhì)決定，由于直流負(fù)載（在交流負(fù)載中開(kāi)關(guān)相位一定的情況下也相同）中這些情況一定，因此一方的接點(diǎn)像富士山一樣突起，相對(duì)方向的接點(diǎn)上就產(chǎn)生了一個(gè)缺口。在電弧放電時(shí)，接點(diǎn)氧化燃燒空氣中的可燃性物質(zhì)，生成積碳，就會(huì)在附著在接點(diǎn)表面，甚至造成接點(diǎn)不通（如圖1、圖2）。

②邊界電阻。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)使用而言，接點(diǎn)的清潔度至關(guān)重要，若接點(diǎn)處存在附著物，形成不導(dǎo)通物質(zhì)，并生成不導(dǎo)通的保護(hù)膜，很容易出現(xiàn)接點(diǎn)接觸不良問(wèn)題。銀接點(diǎn)一般容易氧化、硫化。其中硫化保護(hù)膜對(duì)于接觸性有較大的影響，而氧化保護(hù)膜沒(méi)有較大的影響。當(dāng)接點(diǎn)在工作狀態(tài)時(shí)，電流通過(guò)接點(diǎn)表面產(chǎn)生焦耳熱，特別是兩個(gè)觸頭接觸或分離得瞬間會(huì)引起電弧并產(chǎn)生高溫，從而使觸頭表面所吸附的雜質(zhì)及氣體焦化，生成碳化保護(hù)膜。碳化保護(hù)膜不是完全的絕緣體，有時(shí)可達(dá)到數(shù)十至數(shù)百歐姆。

2.3 繼電器接點(diǎn)粘連

繼電器接點(diǎn)粘接主要是指接點(diǎn)動(dòng)熔焊。它是指繼電器正常工作的兩個(gè)接點(diǎn)突然不再斷開(kāi)，接點(diǎn)在承載電流時(shí)存在短暫的間隔（反跳）引起，在接點(diǎn)閉合過(guò)程中，接點(diǎn)的跳躍產(chǎn)生一連串的放電而使接點(diǎn)熔接。

Ag/CdO接點(diǎn)在電源有平滑電容情況下，控制電容負(fù)載時(shí)，容易粘連。負(fù)載為阻性負(fù)載時(shí)，在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的額定電流情況下是不會(huì)發(fā)生粘連的。Ag/CdO接點(diǎn)粘連與通過(guò)的電流極性有關(guān)，當(dāng)Ag接點(diǎn)接“正”時(shí)，Ag/CdO（動(dòng)接點(diǎn)）接“負(fù)”時(shí)容易發(fā)生粘連；接點(diǎn)粘連一般發(fā)生在接點(diǎn)閉合時(shí)，因?yàn)樵诮狱c(diǎn)閉合瞬間接點(diǎn)通過(guò)的電流很大，瞬間電流可達(dá)到85A以上。在接點(diǎn)閉合瞬間有很大的能量，當(dāng)接點(diǎn)閉合到間隙小于自由電子行程即10-5cm，電場(chǎng)強(qiáng)度為106V/cm時(shí)，就要發(fā)生電離，形成電弧，電子就能自由通過(guò)這一間隙轟擊到陽(yáng)極上，金屬由陽(yáng)極轉(zhuǎn)移到陰極上。當(dāng)Ag接點(diǎn)接“正”Ag/CdO（中接點(diǎn)）接“負(fù)”時(shí)，陽(yáng)極銀正離子向陰極轉(zhuǎn)移，與此同時(shí)，由于高溫作用，Ag/CdO接點(diǎn)中有CdO汽化、噴濺，使Ag/CdO接點(diǎn)表面銀增多。隨動(dòng)作次數(shù)增多，金屬轉(zhuǎn)移量增加，Ag/CdO接點(diǎn)表面Ag密集。同時(shí)由于接點(diǎn)對(duì)間能量足夠大產(chǎn)生的熱，使兩接點(diǎn)接觸表面的銀熔化，而產(chǎn)生熔焊。同時(shí)陽(yáng)極和陰極都嚴(yán)重侵蝕，陽(yáng)極的侵蝕比陰極更為嚴(yán)重。

為了防止接點(diǎn)粘接，在線圈并聯(lián)電容的控制電路中，可串聯(lián)大于1Ω的電阻及二極管。電阻的作用是減少接點(diǎn)閉合過(guò)程中的充電電流，電阻及二極管一起構(gòu)成續(xù)流電路，防止電壓電流突變，提供通路，起到平滑電流的作用。在直流電路中必須注意接點(diǎn)的電流方向，采用Ag接點(diǎn)（靜接點(diǎn)）接“負(fù)極”， Ag/CdO接點(diǎn)（動(dòng)接點(diǎn)）接“正極”，可以提高接點(diǎn)的耐熔性和減輕接點(diǎn)的侵蝕。

3 新接點(diǎn)材料的研究與發(fā)展前景

鑒于Ag—Ag/CdO接點(diǎn)使用中存在的問(wèn)題，我們必須尋找一種新的接點(diǎn)材料。國(guó)際公認(rèn)的鐵路信號(hào)繼電器標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際鐵路聯(lián)盟UIC736i標(biāo)準(zhǔn)，UIC標(biāo)準(zhǔn)要求“非熔焊性的動(dòng)合接點(diǎn)，采用適當(dāng)?shù)慕狱c(diǎn)材料（例如銀石墨，當(dāng)石墨的含量超過(guò)一定的百分比時(shí)，即無(wú)熔焊現(xiàn)象），為此，必須對(duì)繼電器銀碳接點(diǎn)的應(yīng)用、接點(diǎn)材料、接點(diǎn)的抗熔焊能力及試驗(yàn)方法等進(jìn)行研究，以提高繼電器接點(diǎn)接觸的可靠性，適應(yīng)我國(guó)鐵路事業(yè)的發(fā)展，滿足現(xiàn)場(chǎng)使用的要求。目前，國(guó)內(nèi)研制與生產(chǎn)的銀碳觸頭碳含量?jī)H為5%，在對(duì)AgC5與Ag、AgNi10、AgCdO12配對(duì)進(jìn)行抗熔焊試驗(yàn)，在特定情況下均出現(xiàn)熔焊現(xiàn)象，不滿足鐵路信號(hào)繼電器的使用要求。我們使用大電容充放電電路，產(chǎn)生脈沖電流通過(guò)測(cè)試接點(diǎn)，對(duì)含碳量不同的銀碳接點(diǎn)進(jìn)行了大量的抗熔焊試驗(yàn)，碳含量愈高，抗熔焊性愈好。銀碳接點(diǎn)采取燒結(jié)壓制工藝和燒結(jié)擠壓工藝生產(chǎn)普通型銀碳接點(diǎn)，不燒結(jié)壓制工藝受碳含量限制；燒結(jié)擠壓工藝生產(chǎn)纖維型銀碳接點(diǎn)，此工藝受碳含量的約束，一般認(rèn)為含量不大于10%。在碳含量相等的情況下，對(duì)于相同尺寸的接點(diǎn)來(lái)說(shuō)，普通型的電阻率較高，耐磨性較差；而纖維型的密度較高，電阻率較小，耐磨損較好。英國(guó)摩根公司生產(chǎn)的銀碳觸頭含碳量為55%，電阻較小，耐磨損較好，可以取代Ag/CdO材料，在安全型繼電器的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行新的設(shè)計(jì)，完成符合6502電路要求的新型繼電器。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合目前國(guó)內(nèi)鐵路信號(hào)繼電器使用情況，對(duì)接點(diǎn)使用中存在的問(wèn)題進(jìn)行了總結(jié)和分析，提出了對(duì)新型銀碳觸頭材料的研究和應(yīng)用，引進(jìn)國(guó)外銀碳接點(diǎn)，制造新型的銀碳接點(diǎn)國(guó)產(chǎn)信號(hào)電器，更加有效的保證鐵路運(yùn)輸安全。

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