陳 磊，謝明軍，何建峰

（西安鐵路信號(hào)有限責(zé)任公司，西安 710100）

1 概述

國內(nèi)高速鐵路的發(fā)展，快速、便捷、高效、準(zhǔn)時(shí)成為了高鐵的代名詞，人們對(duì)高鐵出行的需求量不斷增加，乘坐高鐵出行逐漸成為主要的交通方式。但是隨著高鐵運(yùn)行速度的提升，對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備的可靠性提出更高的要求。

道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備是鐵路運(yùn)行的重要設(shè)備，是保障行車安全、提高運(yùn)輸效率的關(guān)鍵設(shè)施，是實(shí)現(xiàn)信號(hào)聯(lián)鎖關(guān)系的基礎(chǔ)設(shè)備。轉(zhuǎn)轍機(jī)作為道岔轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的安全設(shè)備，其可靠性直接影響到鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩托省?/p>

轉(zhuǎn)轍機(jī)內(nèi)部的表示機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)鐵路道岔轉(zhuǎn)換過程中確認(rèn)道岔是否按要求轉(zhuǎn)換到位并給出道岔狀態(tài)表示信息的核心機(jī)構(gòu)。接點(diǎn)作為表示機(jī)構(gòu)的重要組成部分，既是表示電路通斷的開關(guān)，又是給出表示信號(hào)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此，轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)通斷的可靠性對(duì)保障列車運(yùn)營有重要的作用。

2 轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)常見故障及原因

2.1 轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)常見故障

目前，國內(nèi)高鐵主用的電動(dòng)、電液轉(zhuǎn)轍機(jī)均采用排布式接點(diǎn)。該接點(diǎn)常見故障主要有兩個(gè)：一個(gè)是接點(diǎn)的緩動(dòng)和卡阻故障，主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)接點(diǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)，動(dòng)作緩慢或不動(dòng)作的現(xiàn)象；另一個(gè)是接點(diǎn)信號(hào)失表示故障，主要表現(xiàn)為接點(diǎn)表示電路不通或者閃斷的現(xiàn)象。

2.2 轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)常見故障原因

轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)主要由靜接點(diǎn)片、動(dòng)接點(diǎn)環(huán)和動(dòng)接點(diǎn)塊組成。由于接點(diǎn)無法密封，空氣中的沙土、灰塵、化學(xué)物質(zhì)及機(jī)車運(yùn)行時(shí)的機(jī)械振動(dòng)和沖擊等外部環(huán)境都會(huì)對(duì)接點(diǎn)的工作狀態(tài)帶來較大的影響。而靜接點(diǎn)與動(dòng)接點(diǎn)環(huán)之間為點(diǎn)線接觸，接觸面積小、不均勻磨損快以及工作狀態(tài)下的電腐蝕和拉弧氧化等內(nèi)部因素的存在導(dǎo)致接點(diǎn)故障原因非常復(fù)雜。由于接點(diǎn)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致接點(diǎn)接觸的位置不斷變化，造成故障復(fù)現(xiàn)困難，甚至無法復(fù)現(xiàn)，且測(cè)試數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動(dòng)大隨機(jī)性強(qiáng)的特點(diǎn)，這也是接點(diǎn)故障長(zhǎng)期存在偶發(fā)但無法徹底消除的主要原因。

隨著對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)故障的不斷研究發(fā)現(xiàn)，雖然接點(diǎn)故障原因非常復(fù)雜，但通常在擦拭清潔接點(diǎn)后，接點(diǎn)緩動(dòng)、卡阻和接點(diǎn)斷路等故障現(xiàn)象立即消失。這就表明轉(zhuǎn)轍機(jī)緩動(dòng)或卡阻故障主要與動(dòng)接點(diǎn)和靜動(dòng)接點(diǎn)接觸區(qū)域電腐蝕、氧化物堆積（CuO、NiO）、磨損顆粒的生成等因素引起的摩擦系數(shù)增加、阻力增大直接相關(guān)，如圖1所示。而接點(diǎn)電路斷路或閃斷故障則主要與轉(zhuǎn)轍機(jī)的動(dòng)靜接點(diǎn)接觸區(qū)域夾雜如NiO顆粒、灰塵、油脂等弱導(dǎo)電介質(zhì)引起的電阻增大直接相關(guān)。

圖1 轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)環(huán)表面狀態(tài)分析Fig.1 Surface state analysis of contact ring of switch machine

從上述分析可以看出，無論是轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)緩動(dòng)、卡阻故障還是接點(diǎn)斷路、閃斷故障均主要是動(dòng)接點(diǎn)和靜接點(diǎn)接觸區(qū)域夾雜的異物引起的，因此，如何對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)組件進(jìn)行清潔，對(duì)減少轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)故障有重要意義。

3 轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)維護(hù)裝置設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)維護(hù)現(xiàn)狀與需求

目前對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)的維護(hù)主要是在天窗點(diǎn)定期維修時(shí)進(jìn)行人為清潔，方法主要是電務(wù)維護(hù)人員將轉(zhuǎn)轍機(jī)機(jī)蓋打開，斷開轉(zhuǎn)轍機(jī)安全開關(guān)及機(jī)內(nèi)電路，用清潔布進(jìn)行擦拭。由于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)時(shí)間短、任務(wù)重，現(xiàn)場(chǎng)操作經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)掰、捏接點(diǎn)片的現(xiàn)象，反而造成接觸壓力及轉(zhuǎn)換阻力增大，轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)緩動(dòng)或卡阻故障概率增加。同時(shí)人工清潔轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)也給維護(hù)人員產(chǎn)生較大的工作量，因此如何通過高效的清潔接點(diǎn)來減少維護(hù)工作量是未來的研究發(fā)展趨勢(shì)。

3.2 接點(diǎn)維護(hù)裝置設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通過大量的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)動(dòng)靜接點(diǎn)之間的污染物主要附著于動(dòng)接點(diǎn)環(huán)的電腐蝕區(qū)上，所以清潔接點(diǎn)組主要工作是對(duì)動(dòng)接點(diǎn)環(huán)的電腐蝕區(qū)進(jìn)行清潔。因此，本文以ZDJ9轉(zhuǎn)轍機(jī)為例，結(jié)合排布式接點(diǎn)的工作原理，設(shè)計(jì)并制作了針對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)接點(diǎn)的維護(hù)裝置，如圖2所示，該裝置主要由調(diào)節(jié)器、接點(diǎn)罩、刷頭組成。其工作原理是當(dāng)接點(diǎn)罩固定在自動(dòng)開閉器上時(shí)，刷頭與動(dòng)接點(diǎn)組、靜接點(diǎn)組的位置相對(duì)固定，轉(zhuǎn)轍機(jī)轉(zhuǎn)換過程中動(dòng)接點(diǎn)擺動(dòng)掃程覆蓋刷頭部分區(qū)域，這樣使每次動(dòng)接點(diǎn)環(huán)觸碰刷頭即是對(duì)動(dòng)接點(diǎn)環(huán)的一次清潔，將動(dòng)接點(diǎn)環(huán)上吸附的污染物掃落，實(shí)現(xiàn)動(dòng)接點(diǎn)環(huán)的自動(dòng)清潔。

圖2 接點(diǎn)維護(hù)裝置Fig.2 Contact maintenance device

4 轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)維護(hù)裝置實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

4.1 清潔能力實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)維護(hù)裝置對(duì)油脂、灰塵及顆粒物的清潔能力，人為將動(dòng)接點(diǎn)環(huán)上均勻涂抹混合沙土、磨損物的TR-1油脂如圖3所示，將動(dòng)接點(diǎn)組安裝在接點(diǎn)壽命試驗(yàn)臺(tái)上快速動(dòng)作試驗(yàn)。在經(jīng)歷600次接點(diǎn)動(dòng)作后，接點(diǎn)環(huán)表面清潔效果如圖4所示，接點(diǎn)環(huán)露出金屬光澤，清潔效果明顯。

圖3 實(shí)驗(yàn)前Fig.3 Before experiment

圖4 實(shí)驗(yàn)后Fig.4 After experiment

4.2 接觸電阻對(duì)比實(shí)驗(yàn)

隨機(jī)對(duì)1臺(tái)已經(jīng)完成13萬次壽命實(shí)驗(yàn)，且實(shí)驗(yàn)期間沒有進(jìn)行任何維護(hù)的ZDJ9轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行接點(diǎn)接觸電阻測(cè)試。初始狀態(tài)下的接觸電阻如表1所示，3-4排接點(diǎn)的接觸電阻值相對(duì)較大。雖然31-32排點(diǎn)仍然導(dǎo)通，但是31-32接點(diǎn)的接觸電阻值已經(jīng)出現(xiàn)異常，接點(diǎn)故障隱患風(fēng)險(xiǎn)增加。因此，選擇在接點(diǎn)接觸電阻較大的一側(cè)（3-4排接點(diǎn)）安裝接點(diǎn)維護(hù)裝置（如圖5所示），另外一側(cè)（1-2排接點(diǎn)）不安裝接點(diǎn)維護(hù)裝置，繼續(xù)進(jìn)行壽命實(shí)驗(yàn)至23萬次，實(shí)驗(yàn)期間對(duì)所有接點(diǎn)不進(jìn)行任何的擦拭維護(hù)，每隔約1萬次壽命實(shí)驗(yàn)測(cè)試記錄一次各接點(diǎn)的接觸電阻值。測(cè)試10次的結(jié)果如表1所示。

表1 接觸電阻對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab. 1 Comparison experiment results of contact resistance電阻/Ω

圖5 接觸電阻對(duì)比實(shí)驗(yàn)Fig.5 Comparison experiment of contact resistance

由接點(diǎn)接觸電阻測(cè)試結(jié)果可以看出，接點(diǎn)接觸電阻在壽命實(shí)驗(yàn)過程中呈現(xiàn)不穩(wěn)定的波動(dòng)現(xiàn)象。接點(diǎn)接觸電阻的這種波動(dòng)現(xiàn)象主要是由于動(dòng)接點(diǎn)與靜接點(diǎn)的線接觸、污染物的生成和脫落以及動(dòng)接點(diǎn)環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)接觸共同作用造成的結(jié)果。對(duì)比1、2排和3、4排接點(diǎn)接觸電阻值的標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線如圖6所示，安裝接點(diǎn)維護(hù)裝置可以穩(wěn)定接點(diǎn)接觸電阻值在較小的區(qū)間內(nèi)波動(dòng)。

圖6 接觸電阻標(biāo)準(zhǔn)偏差曲線Fig.6 Standard deviation curve of contact resistance

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，沒有安裝接點(diǎn)維護(hù)裝置的1排和2排接點(diǎn)在壽命實(shí)驗(yàn)過程中，接點(diǎn)接觸電阻出現(xiàn)較大范圍波動(dòng)現(xiàn)象，最大接觸電阻達(dá)到7.68 Ω，而安裝接點(diǎn)維護(hù)裝置的3排和4排接點(diǎn)在壽命實(shí)驗(yàn)過程中，波動(dòng)范圍較小，最大接觸電阻為0.555 Ω。

4.3 接點(diǎn)脫出力實(shí)驗(yàn)

由于轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)緩動(dòng)和卡阻只發(fā)生在1排和4排動(dòng)接點(diǎn)分別向2排和3排轉(zhuǎn)化的過程中，因此本次接點(diǎn)脫出力也只測(cè)1排和4排接點(diǎn)。方法是在ZDJ9轉(zhuǎn)轍機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)轍機(jī)壽命實(shí)驗(yàn)23萬次，即對(duì)比實(shí)驗(yàn)完成10萬次動(dòng)作后進(jìn)行1排和4排的接點(diǎn)脫出力測(cè)試。首先，去除自動(dòng)開閉器拉簧；其次，利用專用工具從拉簧接頭處水平施加外力并通過數(shù)顯拉力計(jì)自動(dòng)記錄峰值，每排接點(diǎn)測(cè)試3次；最后，從動(dòng)接點(diǎn)柱處直接用數(shù)顯拉力計(jì)將動(dòng)接點(diǎn)拉出并自動(dòng)記錄峰值，每排接點(diǎn)測(cè)試3次。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)轍機(jī)脫出力測(cè)試數(shù)據(jù)Tab. 2 Test data of switch machine release force脫出力/N

由表2可以看出，轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)接點(diǎn)脫出力第1次較大，而后逐漸減小，最終趨于相對(duì)穩(wěn)定。安裝接點(diǎn)維護(hù)裝置的動(dòng)接點(diǎn)脫出力（第4排接點(diǎn)脫出力從拉簧接頭處測(cè)量）比沒有安裝接點(diǎn)維護(hù)裝置的動(dòng)接點(diǎn)脫出力（第1排接點(diǎn)脫出力從拉簧接頭處測(cè)量）平均值小15.1 N，占1排脫出力的28%；安裝接點(diǎn)維護(hù)裝置的動(dòng)接點(diǎn)脫出力（第4排接點(diǎn)脫出力從動(dòng)接點(diǎn)柱處測(cè)量）比沒有安裝接點(diǎn)維護(hù)裝置的動(dòng)接點(diǎn)脫出力（第4排接點(diǎn)脫出力從動(dòng)接點(diǎn)柱測(cè)量）平均值小1.2 N，占1排脫出力的9.4%。由此可見，安裝接點(diǎn)維護(hù)裝置的動(dòng)接點(diǎn)脫出力比不安裝接點(diǎn)維護(hù)裝置的動(dòng)接點(diǎn)脫出力小，更有利于減少接點(diǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)的阻力，降低動(dòng)接點(diǎn)緩動(dòng)和卡阻風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)論

本文介紹了轉(zhuǎn)轍機(jī)排布式接點(diǎn)的常見故障，分析故障原因和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作的難點(diǎn)，并對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)排布式接點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)方式進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)和制作針對(duì)動(dòng)接點(diǎn)環(huán)的清潔維護(hù)裝置，并進(jìn)行了10萬次的壽命實(shí)驗(yàn)，掌握了安裝接點(diǎn)維護(hù)裝置與不安裝該裝置的接點(diǎn)接觸電阻以及轉(zhuǎn)換阻力數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)對(duì)比與分析發(fā)現(xiàn)接點(diǎn)維護(hù)裝置能夠有效降低接點(diǎn)的接觸電阻值及其波動(dòng)范圍，并一定程度減少接點(diǎn)轉(zhuǎn)換阻力，為實(shí)現(xiàn)排布式轉(zhuǎn)轍機(jī)接點(diǎn)少維護(hù)、免維護(hù)目標(biāo)提供了可行、有效的解決方案。