武繼將,趙 敏,廖前華,佘鵬鵬,楚天罡,楊澤鋒,魏文賦

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,青島 266000； 2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,成都 611756)

1 概述

現(xiàn)代電氣化鐵路發(fā)展日新月異，要求高速列車在速度越來(lái)越高的同時(shí)也能保持更好的安全性，這就對(duì)鐵路安全報(bào)警裝置的性能提出了更高要求[1-4]。部分系列動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架及牽引電機(jī)主要采用熔斷式溫度繼電器，隨著動(dòng)車組服役時(shí)間的增長(zhǎng)，熔斷式溫度繼電器出現(xiàn)性能下降而導(dǎo)致誤動(dòng)作、誤報(bào)警故障[5-6]，因此，對(duì)熔斷式溫度繼電器性能及其隨運(yùn)用時(shí)間的變化規(guī)律、趨勢(shì)開展研究，對(duì)防止動(dòng)車組熔斷式溫度繼電器頻繁漏報(bào)、誤報(bào)故障，以及保證鐵路列車運(yùn)行安全具有重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者主要對(duì)轉(zhuǎn)向架、牽引電機(jī)彈片式溫度繼電器開展研究，從紅外溫度傳感器檢測(cè)裝置、處理器選型和溫度采集傳感器設(shè)計(jì)等溫度檢測(cè)系統(tǒng)方面進(jìn)行了不斷創(chuàng)新，并取得了一定的研究成果[7-8]。但對(duì)熔斷式溫度繼電器各部件性能隨服役時(shí)間的變化規(guī)律缺乏相關(guān)研究，尚未形成全壽命周期可靠性評(píng)估流程和評(píng)估方法[9-10]。

國(guó)內(nèi)對(duì)動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架、牽引電機(jī)溫度的研究，早期主要集中于彈片式溫度繼電器。其原理主要利用彈片式溫度繼電器中雙金屬片的熱膨脹系數(shù)不同，使得當(dāng)溫度升高至動(dòng)作溫度時(shí)觸點(diǎn)斷開，當(dāng)溫度降低到回復(fù)溫度時(shí)觸點(diǎn)重新閉合[11]。對(duì)于彈片式溫度繼電器的研究，主要圍繞動(dòng)作溫度和回復(fù)溫度這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)，以達(dá)到既要保證電機(jī)得到有效的保護(hù)，又必須留有一定裕度，同時(shí)裕度又不能過大，使動(dòng)車組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)不必要的過多報(bào)警，影響動(dòng)車組正常運(yùn)營(yíng)。

隨著彈片式溫度器的廣泛應(yīng)用，逐漸暴露出彈片式溫度繼電器的弊端，即存在絕緣擊穿、受到反復(fù)振動(dòng)沖擊后引線桿斷裂、密封不良等問題，進(jìn)而造成溫度繼電器頻繁誤報(bào)警問題[12]。因此，針對(duì)彈片式溫度繼電器絕緣擊穿、密封失效等情況發(fā)生，通過設(shè)計(jì)加強(qiáng)了溫度繼電器的絕緣和密封性能，進(jìn)而開發(fā)了高速列車熔斷式溫度繼電器[9]。國(guó)內(nèi)外專家把目光聚焦在熔斷式溫度繼電器性能隨溫度的變化規(guī)律探尋上，并取得了一定成果，同時(shí)創(chuàng)新性地提出了一些熔斷式溫度繼電器的設(shè)計(jì)選型方面建議[13-15]。但對(duì)熔斷式溫度繼電器性能及內(nèi)部關(guān)鍵器件性能隨服役時(shí)間的變化規(guī)律仍缺乏相關(guān)研究。

2 工作原理

如圖1所示，熔斷式溫度繼電器主要由陶瓷套管、溫度保險(xiǎn)絲、環(huán)氧樹脂套、電纜鎖緊頭等配件組成[6，8]。其中，熔斷式溫度繼電器中有2個(gè)溫度保險(xiǎn)絲并聯(lián)后直接與電纜導(dǎo)線連接，然后通過陶瓷套管和環(huán)氧樹脂套封裝在繼電器中來(lái)監(jiān)控設(shè)備的工作溫度，并在溫度超過警戒值時(shí)通過回路的蜂鳴器報(bào)警。

圖1 熔斷式溫度繼電器結(jié)構(gòu)示意

熔斷式溫度繼電器的核心元件溫度保險(xiǎn)絲內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示[11]，其核心元件主要由熱敏藥丸、壓縮彈簧、解扣彈簧及星形觸點(diǎn)等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，正常情況下電流從導(dǎo)線流向星形觸點(diǎn)經(jīng)過導(dǎo)線裝配外殼最終流出電纜，由此熔斷式溫度繼電器在正常情況是一個(gè)常閉開關(guān)。當(dāng)溫度異常時(shí)，保險(xiǎn)絲內(nèi)的熱敏藥丸發(fā)生氣化，導(dǎo)致解扣彈簧和壓縮彈簧在力的作用下發(fā)生動(dòng)作，最終致使星形觸點(diǎn)與絕緣導(dǎo)線發(fā)生分離，回路斷開，從而發(fā)出溫度警戒信號(hào)。

圖2 溫度保險(xiǎn)絲內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及設(shè)備

3.1 服役后熔斷式溫度繼電器性能參數(shù)測(cè)量

目前，熔斷式溫度繼電器的性能參數(shù)主要有引出線端子與外殼之間的絕緣電阻、兩引出線端子之間的接觸電阻和內(nèi)部熱敏藥丸高度，絕緣電阻、接觸電阻及熱敏藥丸高度測(cè)量方法如下。

由于動(dòng)車組熔斷式溫度繼電器工作回路電壓為110 V左右，根據(jù)絕緣電阻測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)采用500 V/1 000 MΩ絕緣電阻測(cè)試儀對(duì)熔斷式溫度繼電器接線端子與外殼之間的絕緣電阻，其測(cè)量設(shè)備如圖3所示。

圖3 絕緣電阻測(cè)試儀

針對(duì)輸出特性，使用LRC測(cè)試儀測(cè)量動(dòng)車組熔斷式溫度繼電器兩引線端子間的接觸電阻，觀察不同安裝位置、不同運(yùn)營(yíng)里程熔斷式溫度繼電器的接觸電阻變化，LRC測(cè)試儀如圖4所示。

利用X射線檢測(cè)系統(tǒng)獲得不同運(yùn)營(yíng)里程、不同安裝位置的熔斷式溫度繼電器中熱敏藥丸高度，每個(gè)熔斷式溫度繼電器中均包含2個(gè)熱敏藥丸，研究不同安裝位置處的熔斷式溫度繼電器熱敏藥丸高度隨運(yùn)營(yíng)里程的變化。X射線檢測(cè)系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 X射線檢測(cè)系統(tǒng)

3.2 鹽霧老化試驗(yàn)

對(duì)于不同安裝位置的熔斷式溫度繼電器新品，利用精密型鹽霧試驗(yàn)箱進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)，試驗(yàn)中鹽霧溶液NaCl濃度為(5±1)%(質(zhì)量比)，溶液pH值應(yīng)在6.5～7.2，溫度為(35±2) ℃，時(shí)間為96 h，并測(cè)量試驗(yàn)前后熔斷式溫度繼電器的絕緣電阻、接觸電阻、熱敏藥丸高度。圖6為精密型鹽霧試驗(yàn)箱，設(shè)備試驗(yàn)溫度范圍為35～55 ℃，鹽霧沉降量為1～2 mL/80 cm2·h，可進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)、乙酸鹽霧試驗(yàn)、銅加速乙酸鹽霧試驗(yàn)。

圖6 精密型鹽霧試驗(yàn)箱

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 服役前后熔斷式溫度繼電器性能劣化分析

熔斷式溫度繼電器主要安裝在列車的牽引電機(jī)、軸箱、齒輪箱3個(gè)部位。對(duì)于牽引電機(jī)，熔斷式溫度繼電器具體安裝在牽引電機(jī)的定子端、傳動(dòng)端和非傳動(dòng)端，通過這3個(gè)位置的溫度狀況來(lái)反映整個(gè)牽引電機(jī)的溫度狀況，通常只對(duì)牽引電機(jī)進(jìn)行編號(hào)。而在軸箱和齒輪箱處安裝熔斷式溫度繼電器則是對(duì)列車轉(zhuǎn)向架工作狀況進(jìn)行監(jiān)控。表1～表3是不同安裝位置的熔斷式溫度繼電器工作溫度、振動(dòng)情況檢測(cè)結(jié)果。

表1 牽引電機(jī)不同位置工作溫度

表2 牽引電機(jī)不同位置振動(dòng)情況

表3 軸箱和齒輪箱處工作溫度和振動(dòng)情況

從表1和表2可以看出，在牽引電機(jī)處，定子端、傳動(dòng)端、非傳動(dòng)端工作溫度分別為100～113 ℃、57～63 ℃、44～51 ℃，其中，定子端溫度最高、非傳動(dòng)端溫度最低。對(duì)于軸箱和齒輪箱，齒輪箱工作溫度為63～75 ℃、軸箱工作溫度為40～49 ℃，齒輪箱溫度明顯高于軸箱。對(duì)于不同安裝位置的振動(dòng)情況，一般用振動(dòng)加速度來(lái)表征。振動(dòng)加速度越大，該位置的振動(dòng)狀況越惡劣。根據(jù)表2、表3可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于牽引電機(jī)，傳動(dòng)端振動(dòng)最大、定子端振動(dòng)最小。對(duì)于軸箱和齒輪箱，軸箱處的振動(dòng)遠(yuǎn)大于齒輪箱處。利用絕緣電阻測(cè)試儀測(cè)量不同安裝位置、不同運(yùn)營(yíng)里程的熔斷式溫度繼電器絕緣電阻，測(cè)量裝置如圖3所示，測(cè)量結(jié)果顯示120，240，360，600萬(wàn)km運(yùn)營(yíng)里程下，熔斷式溫度繼電器接線端子與外殼之間的絕緣電阻值均大于500 MΩ，絕緣性能仍滿足工況要求，可見運(yùn)營(yíng)里程對(duì)絕緣電阻的影響不大。

圖7為120萬(wàn)km牽引電機(jī)用的熔斷式溫度繼電器接觸電阻測(cè)量結(jié)果，牽引電機(jī)用熔斷式溫度繼電器用在3個(gè)位置，主要是定子端、傳動(dòng)端以及非傳動(dòng)端，對(duì)不同樣品進(jìn)行隨機(jī)抽查檢測(cè)后的接觸電阻結(jié)果可以看出，牽引電機(jī)傳動(dòng)端用溫度繼電器的接觸電阻在58～62 mΩ內(nèi)變化，而定子端接觸電阻則在51～54 mΩ內(nèi)波動(dòng)，非傳動(dòng)端接觸電阻在45～48 mΩ內(nèi)變化。對(duì)比新品的牽引電機(jī)用定子端(53.021 mΩ)、傳動(dòng)端(62.634 mΩ)、非傳動(dòng)端(46.059 mΩ)接觸電阻分別變化6～8 mΩ、7～10 mΩ、5～6 mΩ，傳動(dòng)端接觸電阻變化高于定子端和非傳動(dòng)端的原因在于，牽引電機(jī)傳動(dòng)端處于頻繁振動(dòng)情況下，會(huì)導(dǎo)致熔斷式溫度繼電器核心元件溫度保險(xiǎn)絲中觸點(diǎn)發(fā)生松動(dòng)進(jìn)而導(dǎo)致接觸點(diǎn)面積減小，接觸電阻增大[16-17]；產(chǎn)生定子端的接觸電阻高于非傳動(dòng)端的原因在于，二者位置的運(yùn)行溫度有所差異，定子端運(yùn)行溫度較高。由于長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行溫度的差異，熔斷式溫度繼電器關(guān)鍵核心部件熱敏藥丸長(zhǎng)時(shí)運(yùn)行在高溫情況下，導(dǎo)致熱敏藥丸高度和表面狀態(tài)有細(xì)微的變化，致使星形觸點(diǎn)與觸頭接觸發(fā)生細(xì)微松動(dòng)從而導(dǎo)致接觸面積縮小，接觸電阻因此增大[18]；進(jìn)而通過對(duì)比定子端接觸電阻與傳動(dòng)端接觸電阻可以看出，振動(dòng)環(huán)境相較于高溫環(huán)境對(duì)接觸電阻的影響更大。

圖7 牽引電機(jī)用定子端、傳動(dòng)端、非傳動(dòng)端熔斷式溫度繼電器的接觸電阻

圖8為120，240，360萬(wàn)km軸箱用熔斷式溫度繼電器的接觸電阻變化圖，由圖8可以看出，對(duì)于120萬(wàn)km軸箱用熔斷式溫度繼電器為22～24 mΩ，240萬(wàn)km接觸電阻為24～27 mΩ，360萬(wàn)km接觸電阻為30～33 mΩ。考慮到接觸電阻隨里程數(shù)的增加其增長(zhǎng)率變大，對(duì)測(cè)得的接觸電阻值隨運(yùn)營(yíng)里程變化數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。由于指數(shù)函數(shù)的增長(zhǎng)速率最快，采用指數(shù)擬合來(lái)預(yù)測(cè)接觸電阻到達(dá)警戒值的運(yùn)營(yíng)里程數(shù)(工程上警戒值取100 mΩ)，可以起到提前預(yù)警的作用，擬合曲線如圖9所示。由圖9可以看出，接觸電阻隨運(yùn)營(yíng)里程的增加而呈現(xiàn)一種非線性增長(zhǎng)?？梢灶A(yù)測(cè)在運(yùn)營(yíng)里程1 040萬(wàn)km時(shí)接觸電阻達(dá)到100 mΩ警戒線。

圖8 不同運(yùn)營(yíng)里程下軸箱用熔斷式溫度繼電器的接觸電阻

圖9 軸箱用熔斷式溫度繼電器的接觸電阻隨運(yùn)營(yíng)里程的變化趨勢(shì)

圖10為120，240，360萬(wàn)km齒輪箱用熔斷式溫度繼電器的接觸電阻變化圖，由圖10可以看出，對(duì)于120萬(wàn)km齒輪箱用熔斷式溫度繼電器接觸電阻為24～26 mΩ，240萬(wàn)km接觸電阻為29～31 mΩ，360萬(wàn)km接觸電阻為29～31 mΩ。同樣考慮到接觸電阻隨運(yùn)營(yíng)里程的增加其變化率在變大，故對(duì)測(cè)得的接觸電阻隨運(yùn)營(yíng)里程的變化數(shù)據(jù)采取指數(shù)擬合，擬合曲線如圖11所示。從圖11可以看出，齒輪箱用熔斷式溫度繼電器的接觸電阻隨運(yùn)營(yíng)里程增加呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，根據(jù)擬合曲線可以推斷出，當(dāng)運(yùn)營(yíng)里程大于1 000萬(wàn)km時(shí)，齒輪箱用熔斷式溫度繼電器的接觸電阻將大于100 mΩ，繼電器可靠性降低。綜上可知，軸箱和齒輪箱用熔斷式溫度繼電器的接觸電阻隨運(yùn)營(yíng)里程變化趨勢(shì)相似。

圖10 不同運(yùn)營(yíng)里程下齒輪箱用熔斷式溫度繼電器的接觸電阻

圖11 齒輪箱用熔斷式溫度繼電器的接觸電阻隨運(yùn)營(yíng)里程的變化趨勢(shì)擬合曲線

無(wú)論是軸箱還是齒輪箱，單一來(lái)看，造成接觸電阻隨運(yùn)營(yíng)里程變化的原因主要是由于長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行致使長(zhǎng)時(shí)振動(dòng)，導(dǎo)致觸點(diǎn)松動(dòng)產(chǎn)生接觸面正壓力變化。通常來(lái)說(shuō)，接觸面正壓力是指兩個(gè)接觸物由于相互接觸而產(chǎn)生的垂直與接觸界面的力，由于接觸物體之間不可能完全接觸，真正接觸的部位是接觸表面上的接觸微點(diǎn)，所有接觸壓力均作用在接觸微點(diǎn)上。由于接觸正壓力的增加導(dǎo)致接觸微點(diǎn)發(fā)生彈性形變，使得接觸表面接觸微點(diǎn)的增加，當(dāng)回路中有電流流過時(shí)，在接觸界面微觀下有更多條支路進(jìn)行電流傳輸，因此，接觸電阻會(huì)減??；而造成軸箱用和齒輪箱用熔斷式溫度繼電器同運(yùn)營(yíng)里程接觸電阻差異的原因主要是由于安裝位置的不同，致使運(yùn)行溫度的差異，軸箱運(yùn)行溫度稍微低于齒輪箱的溫度。由于齒輪箱的運(yùn)行溫度高，導(dǎo)致熱敏藥丸高度或表面狀態(tài)變化，導(dǎo)致接觸狀態(tài)變化致使同里程下齒輪箱的接觸電阻略微高于軸箱接觸電阻[19]。

利用X射線檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量不同運(yùn)營(yíng)里程下熔斷式溫度繼電器的熱敏藥丸高度，檢測(cè)結(jié)果如圖12、圖13所示?？梢钥闯?，定子端處的熔斷式溫度繼電器熱敏藥丸高度變化最大，服役120萬(wàn)km后藥丸高度低于臨界高度(1.93 mm)，而牽引電機(jī)傳動(dòng)端和非傳動(dòng)端、軸箱、齒輪箱處熔斷溫度繼電器熱敏藥丸高度變化較小，在列車運(yùn)營(yíng)360萬(wàn)km后仍滿足要求。

圖12 不同運(yùn)營(yíng)里程下牽引電機(jī)用熔斷式溫度繼電器的熱敏藥丸高度

圖13 不同運(yùn)營(yíng)里程下軸箱和齒輪箱用熔斷式溫度繼電器的熱敏藥丸高度

4.2 鹽霧環(huán)境下熔斷式溫度繼電器性能劣化分析

從圖14可以看出，對(duì)新品牽引電機(jī)(定子端、傳動(dòng)端、非傳動(dòng)端)、軸箱、齒輪箱用熔斷式溫度繼電器進(jìn)行老化96 h鹽霧老化實(shí)驗(yàn)，隨著老化時(shí)間進(jìn)行，5種熔斷式溫度繼電器的接觸電阻呈現(xiàn)近似線性變化，且傳動(dòng)端接觸電阻在老化96 h后超過70 mΩ。鹽霧試驗(yàn)中導(dǎo)致熔斷式溫度繼電器，接觸電阻增大的原因主要是，由于在潮濕環(huán)境下NaCl中的氯離子跟溫度保險(xiǎn)絲中接觸界面中的氧化物發(fā)生反應(yīng)，使得接觸界面發(fā)生劣化，同時(shí)接觸界面接觸微點(diǎn)數(shù)目減少，當(dāng)回路中有電流流過時(shí)，在接觸界面微觀下電流支路減少，從而接觸電阻增大[20]。同時(shí)在圖14中也可以看出，牽引電機(jī)傳動(dòng)端處熔斷式溫度繼電器的接觸電阻變化最大，往后依次為定子端、非傳動(dòng)端、齒輪箱、軸箱，產(chǎn)生這種差異原因主要是繼電器形狀差異導(dǎo)致接觸鹽霧的表面差異[21]。

圖14 熔斷式溫度繼電器接觸電阻隨鹽霧老化時(shí)間的變化關(guān)系

表4是鹽霧試驗(yàn)前后不同型號(hào)熔斷式溫度繼電器保險(xiǎn)絲的熱敏藥丸高度，圖15是新品熔斷式溫度繼電器在鹽霧試驗(yàn)前后溫度保險(xiǎn)絲的X光檢查照片。由表4和圖15可以看出，對(duì)于新品熔斷式溫度繼電器的熱敏藥丸進(jìn)行X光檢查后發(fā)現(xiàn)，熔斷式溫度繼電器的熱敏藥丸高度變化范圍在0.07～0.08 mm，其中，定子端0.075 9 mm、傳動(dòng)端0.080 6 mm、非傳動(dòng)端0.070 1 mm、軸箱0.073 5 mm、齒輪箱0.081 2 mm，鹽霧老化試驗(yàn)96 h以后，其熱敏藥丸高度依然大于臨界高度(Hmin≈1.93 mm)，且變化范圍不大。同時(shí)，通過圖15中對(duì)于鹽霧老化試驗(yàn)后的電纜連接處進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)，并未出現(xiàn)斷股現(xiàn)象。

表4 鹽霧試驗(yàn)前后不同型號(hào)熔斷式溫度繼電器保險(xiǎn)絲的熱敏藥丸高度 mm

圖15 熔斷式溫度繼電器新品在鹽霧試驗(yàn)前后溫度保險(xiǎn)絲的X光檢查照片

5 結(jié)論

通過對(duì)不同安裝位置、不同運(yùn)營(yíng)里程下的熔斷式溫度繼電器進(jìn)行絕緣電阻測(cè)試、輸出特性測(cè)試，并對(duì)熔斷式溫度繼電器新品進(jìn)行了鹽霧試驗(yàn)，研究其性能參數(shù)的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論。

(1)隨著動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)里程增加，熔斷式溫度繼電器的絕緣電阻無(wú)明顯變化，而接觸電阻逐漸增大、熱敏藥丸高度減小。造成這一變化的主要原因是，高溫、振動(dòng)環(huán)境下熔斷式溫度繼電器內(nèi)部觸點(diǎn)表面劣化、結(jié)構(gòu)發(fā)生松動(dòng)，使得接觸電阻增大、熱敏藥丸高速下降。

(2)對(duì)于牽引電機(jī)處，傳動(dòng)端處熔斷式溫度繼電器的接觸電阻變化量大于定子端和非傳動(dòng)端。這是由于定子端、傳動(dòng)端和非傳動(dòng)端3處的工作溫度、振動(dòng)情況存在差異，其中，傳動(dòng)端的振動(dòng)狀況最為惡劣，其核心元件溫度保險(xiǎn)絲中觸點(diǎn)更容易發(fā)生松動(dòng)，使得觸點(diǎn)面積減小，導(dǎo)致接觸電阻較大。

(3)基于不同運(yùn)營(yíng)里程下的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)接觸電阻進(jìn)行預(yù)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在運(yùn)營(yíng)里程數(shù)分別達(dá)到1 040萬(wàn)km，1 000萬(wàn)km時(shí)，軸箱和齒輪箱用熔斷式溫度繼電器的接觸電阻分別達(dá)到警戒值。

(4)對(duì)于新品熔斷式溫度繼電器，在鹽霧環(huán)境下，隨著鹽霧老化時(shí)間增加，其內(nèi)部觸點(diǎn)受腐蝕、并逐漸劣化，導(dǎo)致其接觸電阻增大、熱敏藥丸高度下降。由于不同安裝位置的熔斷式溫度繼電器外形存在差異，導(dǎo)致鹽霧環(huán)境下牽引電機(jī)處熔斷式溫度繼電器的接觸電阻變化最大。