梅積剛

（西安鐵路信號有限責(zé)任公司，西安 710100）

ZD6系列電動轉(zhuǎn)轍機廣泛應(yīng)用于鐵路電氣集中站場，用于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)轍機中一個重要部件，其接點串聯(lián)于道岔控制系統(tǒng)的表示電路中，在轉(zhuǎn)轍機轉(zhuǎn)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(tài)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(dǎo)致轉(zhuǎn)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(jīng)人工恢復(fù)不會再次接通表示電路，確保鐵路運輸?shù)男熊嚢踩?/p>

移位接觸器的接線螺柱緊固在開關(guān)盒上，開關(guān)盒為透明材質(zhì)，便于觀察接點的狀態(tài)，以及對接點的維護檢查。近年來，在現(xiàn)場使用過程中，會發(fā)生移位接觸器開關(guān)盒“開裂”的現(xiàn)象，嚴重者會導(dǎo)致開關(guān)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(jié)構(gòu)的綜合試驗及分析，找到移位接觸器開關(guān)盒開裂的原因，并對移位接觸器結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)轍機箱體內(nèi)，受設(shè)備空間的限制，零件結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)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(guān)盒材料，生產(chǎn)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(nèi)部的碳酸酯基團。其分子結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 聚碳酸酯分子結(jié)構(gòu)Fig.1 Molecular structure of polycarbonate

由于其分子中包含碳酸酯鏈和苯環(huán)，碳酸酯鏈的存在，使得該材料具有較高的彈性系數(shù)，耐沖擊性好。而苯環(huán)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(tài)的無定形聚合物，有很好的光學(xué)性。因此采用聚碳酸酯加工的零件，具有優(yōu)良的耐沖擊性、尺寸穩(wěn)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(zhuǎn)轍機使用環(huán)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(chǎn)品成型速度快，外觀光潔漂亮的特性，適合制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件。

2 開裂原因分析

2.1 內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)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(huán)，導(dǎo)致重新取向困難，而被迫重新取向的分子鏈有恢復(fù)自然狀態(tài)的趨勢。在零件的逐漸固化過程中，有的分子鏈已先被凍結(jié)，就會導(dǎo)致重新取向的分子與先被凍結(jié)的分子相互作用，導(dǎo)致制品內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力對聚碳酸酯零件的影響比較大，當外部環(huán)境溫度、濕度發(fā)生較大的變化，或有較大外力共同作用時，會誘發(fā)零件的開裂現(xiàn)象。

2.2 應(yīng)力的檢測

在聚碳酸酯零件的生產(chǎn)過程中，需要對制品的內(nèi)應(yīng)力進行檢測。通常的檢測方法為化學(xué)試劑浸泡法或偏振光檢驗法。

化學(xué)試劑浸泡法一般采用苯、四氯化碳、環(huán)己烷、乙醇或甲醇，通過浸泡促使化學(xué)試劑滲透到成形零件的分子結(jié)構(gòu)中，破壞聚合物鏈的內(nèi)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(nèi)應(yīng)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(nèi)應(yīng)力大小，如果觀察到的彩包光帶面積大，說明制品內(nèi)應(yīng)力大。

根據(jù)移位接觸器開關(guān)盒零件結(jié)構(gòu)及批量生產(chǎn)的檢測速度要求，零件的應(yīng)力檢測采用四氯化碳浸泡法。如果浸漬15 s內(nèi)就開裂，說明零件內(nèi)應(yīng)力很大，如果超過2 min未見裂紋，說明零件內(nèi)應(yīng)力很小。

2.3 零件結(jié)構(gòu)

移位接觸器的固定螺釘及接線螺柱均安裝在開關(guān)盒上，在緊固過程中施加的預(yù)緊力直接作用到聚碳酸酯的開關(guān)盒上。轉(zhuǎn)轍機的機內(nèi)使用油漆和油脂，其成分復(fù)雜，添加劑種類豐富。礦物或合成的潤滑劑會導(dǎo)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(zhuǎn)轍機長期在戶外使用，這些潤滑脂的各種成分在高溫下?lián)]發(fā)，匯集在轉(zhuǎn)轍機內(nèi)。在高溫的催化下，這些物質(zhì)容易導(dǎo)致聚碳酸酯零件在應(yīng)力產(chǎn)生處發(fā)生滲透，吸收有機物質(zhì)而加速應(yīng)力開裂。應(yīng)力開裂的裂紋一般都呈炸裂的形式，如圖2所示為現(xiàn)場使用過程中開關(guān)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(guān)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(guān)盒開裂的原因分析，解決移位接觸器開關(guān)盒開裂的問題，主要是解決聚碳酸酯開關(guān)盒的應(yīng)力問題。

3.1 降低零件生產(chǎn)過程中的內(nèi)應(yīng)力

在移位接觸器開關(guān)盒生產(chǎn)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(chǎn)生取向應(yīng)力，在零件成型后需進行熱處理消除取向應(yīng)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(zhì)中靜置一定時間，使分子由不平衡向平衡緩慢轉(zhuǎn)變，先凍結(jié)的分子鏈獲得能量而進行熱松弛，使應(yīng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜程度有關(guān)。

采用科思創(chuàng)(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(shù)顯應(yīng)力儀進行測試，不退火處理的樣件相對應(yīng)力為53.81 nm，退火處理樣件的應(yīng)力檢測數(shù)據(jù)如表1～3所示。

表1 聚碳酸酯樣件退火1 h應(yīng)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(yīng)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(yīng)力檢測Tab.3 Stress table of polycarbonate sample annealed for 4 h

通過檢測數(shù)據(jù)可以看出，聚碳酸酯零件的退火工藝可顯著降低其內(nèi)應(yīng)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(nèi)應(yīng)力的減小影響比較大，退火時長對零件內(nèi)應(yīng)力的減小影響不明顯。

移位接觸器開關(guān)盒壁厚約1.5 mm，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，120℃退火處理時，零件有微變形。結(jié)合壁厚和零件結(jié)構(gòu)，開關(guān)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(nèi)應(yīng)力。

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

通過上述測試，退火處理可以顯著降低零件的內(nèi)應(yīng)力，但退火處理也只是將零件的內(nèi)應(yīng)力降低到一定范圍內(nèi)，讓零件不至于在初期就出現(xiàn)開裂問題。但是，由于受移位接觸器開關(guān)盒的結(jié)構(gòu)限制，固定螺釘及接線螺柱上的緊固預(yù)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(chǎn)生了較大的螺紋件預(yù)緊力，開關(guān)盒承受了一定的應(yīng)力，在轉(zhuǎn)轍機箱體內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境中，承受環(huán)境的交變濕熱的循環(huán)，仍有產(chǎn)生裂紋的情況。

3.2 結(jié)構(gòu)改進

原移位接觸器聚碳酸酯的開關(guān)盒零件結(jié)構(gòu)如圖4所示。結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(dǎo)致熔融材料冷卻快慢不同，增加了內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。

圖4 原結(jié)構(gòu)Fig.4 The original structure

在零件的安裝及使用過程中，開關(guān)盒還需承受螺紋緊固件的預(yù)緊力，致使零件產(chǎn)生額外應(yīng)力。

改進設(shè)計的移位接觸器如圖5所示。通過改進移位接觸器結(jié)構(gòu)，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(yù)緊力，避免產(chǎn)生額外應(yīng)力。具體方法是將開關(guān)盒設(shè)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(yù)緊處預(yù)留安裝凸臺，用以承受安裝緊固和接線產(chǎn)生的預(yù)緊力。聚碳酸酯的開關(guān)盒觀察罩設(shè)計為卡口式，罩在固定座上即可，其結(jié)構(gòu)簡單，壁厚均勻，零件在冷卻時的速度一致，避免冷卻內(nèi)應(yīng)力及取向內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生。

圖5 改進結(jié)構(gòu)Fig.5 The improved structure

該設(shè)計優(yōu)化不改變移位接觸器的功能和安裝接口，與既有設(shè)備可完全互換，且避免了聚碳酸酯開關(guān)盒承受預(yù)緊力。

4 結(jié)論

聚碳酸酯零件的應(yīng)力開裂是比較常見的問題，需要從零件的結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)，加強工藝控制，消除移位接觸器開關(guān)盒的開裂隱患。改進后的移位接觸器經(jīng)模擬環(huán)境的高、低溫試驗，開關(guān)盒未見開裂現(xiàn)象。在通過測試及驗證合格后，已在現(xiàn)場試用，使用情況良好，提高了鐵路安全運輸?shù)目煽啃浴?/p>