吴志明，黄 菊，周胜利

（中国铁路上海局集团有限公司合肥电务段，合肥 230011）

铁路大量应用的转辙机主要有交、直流2种，其中以ZD6系列为代表的大多数为直流转辙机，ZDJ9、ZYJ7、S700K-C大多为交流转辙机。接点组是转辙机内部重要组成部分，既接通道岔动作电路，又接通道岔表示电路。道岔动作产生的电弧，会导致接点表面产生金属络合物，使接点片受电腐蚀烧损；接点的使用寿命主要有两方面影响因素，接点环与静接点片之间的机械磨损和电腐蚀损伤。同时道岔频繁使用以及过车产生的振动对接点组造成冲击，加速机械磨损，其性能的好坏直接影响道岔实际应用，为此从转辙机动态过程和静态使用2种工作状态对接点组使用稳定性进行研究分析，为设备改进和现场维修提出针对性意见。

1 转辙机动态过程对接点组影响

根据实际情况，转辙机动态过程分为转辙机动作过程及过车振动两方面,下面进行分析。

1.1 转辙机动作过程产生接点电弧影响分析

接点组在道岔电路中等同于机械式开关设备，用触头来开断电路电流。在大气中开断电路时，只要电压超过12～20 V，被开断的电流超过0.25～1 A，在触头间隙就会产生电弧；电弧的产生会加速接点片的损伤以及老化，影响接点片的材料特性以及化学特性；ZD6型转辙机在现场运用过程中，由于其电机使用直流电，其特性是负载部分越大，工作电流就越大。现场使用的ZD6型直流转辙机工作电流一般在2 A左右，此时电弧会灼伤接点表面，并在接点表面产生导电性能不良的络合物。S700K-C型转辙机接点组设计与ZD6转辙机接点组不同，本文不纳入分析。

1.1.1 接点电弧产生原理

正常情况下空气不导电，但当空气在足够大的电压以及足够小的间隙之间，会产生电火花。因为两端电压在距离足够的情况下会产生强电场，强电场会将空气介质击穿，产生气体放电现象。

转辙机动作过程中，当闭合的接点在刚分离时，动接点环与静接点片之间有160 V电压，并且刚分离时其间隙足够小，转辙机静接点片（阴极）会出现高温炙热点，此时会导致节点片产生电子发射。由于此时动静接点之间的间隙很小，使静接点片与动接点环之间产生很强的电磁场，从静接点片（阴极）表面逸出的电子，在强电磁场的作用下，向动接点环（阳极）运动，导致静接点与动接点环间隙中带电质点瞬间增多，接点间隙中温度升高，同时在有外加电压的作用下，接点之间的间隙被击穿，形成开关电弧，如图1所示。

图1 电弧形成时节点片状态Fig.1 Strip state when arc forms

日常中，空气中导通电路开关，当接通电压超过20 V，接通、断开电流超过1 A，在电气接点间就会产生电弧。如果在电弧产生时，电路中的最小电流小于某一特定值，此时只能产生电弧放电现象，转辙机转换过程中自动开闭器在动作时会出现肉眼可见的电火花。

在转辙机转换过程中，因为电弧会在动静接点之间产生短时高温，会促使动静接点表面生成一层表面膜。而接点片之间的电弧，在一定条件下又会击穿这层表面膜，同时因为接点之间温度会逐渐下降，此时金属—气体的各种化合物都会获得稳定区域，在稳定区域相互重叠时，会在动静接点表面产生一层混合物，或者产生绝缘性能很强的络合物。因此动静接点表面的烧蚀及接点上产生的表面膜会间接影响转辙机表示电路的接通，在表示系统中影响更大。

1.1.2 电弧以及络合物的预防

接点系统在断开瞬间，接点系统中动静接点之间满足电弧形成的电压、电流条件。因为电弧的产生以及电弧会对接点系统的可靠性产生不利影响，电弧导致静接点片上形成导电性能不良的络合物，会影响转辙机静态下，表示电压的变化。而接点电弧的形成与接点形状和材质、转辙机内部环境介质息息相关。

电弧产生的强度和接点材料直接相关，采用特殊合金金属制作转辙机接点系统。建议采用熔点高，导热系数好且耐高温金属作为接点材料。可以降低接点间电弧产生的高温环境，减少对接点片表面的灼伤，同时能够减少电弧产生的强度。

改进接点系统与保持转辙机内部环境。如果转辙机内部湿气较重，会增加接点片之间间隙的导电性能，导致电弧强度增强。同时改进接点系统，使接点接通断开和沟通时间缩短，也能很好的预防电弧的产生。

1.2 过车振动对转辙机接点组使用稳定性影响

ZD6型转辙机接点为片弹簧结构。转辙机在静态情况下，接点静载荷状态工作，静接点片发生断裂失效的情况极少发生。厂家生产接点在成型加工、热处理、强压试验等过程中会提前加入预应力保证接点使用质量，但是由于日常维护过程中接点调整不当会引入各种残余应力，在频繁过车振动状态下，片弹簧不断的受到冲击载荷，在长期使用过程中弹性性能不断释放，片弹簧随着使用周期的延长会发生弹力不足和变形现象。研究动静接点的结构，以及通过材料力学分析，能够更好掌握接点系统内部变化性质，为日常维护提供更好的指导。为方便研究接点系统，本文将单个动静接点简化为材料力学研究模型，简化结构如图2所示。

图2 动接点环打入静接点片过程量化分析Fig.2 Quantitative analysis of the process of moving contact ring driving into static contact strip

如图2所示，假设动接点质量为m、重量为P的物体，以水平速度v打入静接点片，静接点片长l，弯曲刚度EI，计算接点片的最大冲击载荷Fd以及最大挠度Δd。静接点片的质量和动接点环打入时的变形忽略不计，根据能量守恒定律，动接点环的动能全部转化为静接点片的弹性应变能，由此可以计算出接点最大冲击力以及最大位移。

根据能量守恒定律可得公式（1）、（2）、（3）：

其中Ek为动接点的冲击动能，Vk为静接点片弹性应变能。

其中最大扰度，自由端在集中载荷作用下扰度为：

由公式（4）分析可知，冲击载荷与冲击体质量与冲击速度相关；当冲击质量、与接点片长一定时，冲击速度与冲击载荷成线性相关；当冲击速度v达到一定程度时，不论冲击体的质量大小，都可能引起弹簧冲击端的接触点塑性变形。因此，接点弹簧理论刚度一般不超过其自身材料许用强度应力值的22%，以减小冲击载荷对其影响。

此外，通常紧固螺栓的松动失效分两个过程，材料松动期以及结构松动期，其中材料松动期内主要是由塑性变形引起，结构松动主要是由紧固螺栓与螺母直接发生相对运动。为避免转辙机动接点冲击载荷对静接点片产生接触点的塑性变形，以及对接点系统产生结构松动影响，所以日常紧固螺栓到位以后，还需要定期检查螺栓松动情况，防止松动失效。

2 转辙机静态使用对接点组影响

ZD6型转辙机的表示电路中，沟通道岔表示的电源电压为交流110 V左右，静态下沟通表示电路中的电流只有几十毫安。对转辙机静态下接点系统的接触状态及接触电阻的要求比较高。同时由于转辙机接点系统在接通、开断的过程中，动接点对静接点存在一定的冲击，该冲击会直接造成动接点环、静接点片的磨耗、损伤，间接情况下会改变静接点片的材料学特性。接触电阻变化是另外一个对静态表示电压影响较大的因素，接点表面清扫不良以及接点表面保护膜磨损会造成表示电压波动。

2.1 接点接触电阻

接触电阻是电接点材料的基本性能指标之一，如果使用不当或者设计不合理，会造成接点接触电阻不符合电路要求，造成无法使用。转辙机接点系统在设计时希望接点的接触电阻尽可能小并且能够长期保持稳定。接点的接触电阻除了与接点的压力有直接关系，还与接点的材料、构成形状、接通电流的性质、强度，以及接点使用频率有关。

在材料及接点形状等选定后，接触压力成为控制接触电阻的主要因数，接触电阻RC与接触到压力FC之间有如下关系：

公式（6）中，K为系数，与接点的电阻率、刚度、表面的粗糙度及表面膜构成等电性能相关；n为指数，主要与触点接触形式及表面膜厚度、机械性能相关。

如公式（6）所示，接点接触电阻RC与接点压力FC直接相关，所以接点调整首要对接点压力进行调整，同时需要关注接点本身电特性以及材料学特性。日常维修中接点压力FC主要与接点的调整相关；如上所述系数K与接点的电阻率、刚度、表面的粗糙度及表面膜构成等电性能相关，日常转辙机内部环境以及机外振动都会对其相关电性能产生影响。

2.2 接点压力调整不当

日常使用中接点接触压力小、动接点组旷动大、静接点磨耗大、设备安装处气候潮湿、设备安装处过车震动频繁等情况都会导致接点接触不良。

接点接触不良常见有：静接点片与动接点环部分接触（点接触）、静接点片两侧压力不均，长期使用会导致单边静接点片磨耗严重。现场实际作业中常见管内接点点接触，导致直流电压波动情况，如图3、4所示。

图3 接点点接触 Fig.3 Point contact of contact

2.3 转辙机内部环境导致的接触电阻变化

转辙机在室外受到天气、环境以及安装位置等影响，特别是气温影响，冬天的低温结冰，以及夏天转辙机内高温等影响，对转辙机接点系统的耐候性也是一个考验，转辙机接点系统主要是机内进潮气以及机内气温影响导致动静接点出现氧化；同时如果转辙机操纵次数少，长期静态贴合沟通表示电路，在电流以及机内环境下也会产生“电蚀”，导致接触电阻的变化。

图4 接点不良导致表示电压波动 Fig.4 Voltage fluctuations due to poor contacts

当电流流过金属导体，导体本身会发热，导体材料表面会产生氧化反应。如果在转辙机内部有水汽会加快反应的程度与速度。金属的氧化过程为吸附、扩散、化合。这些化合物包括氮化物、硫化物、卤化物、碳化物、氢氧化合物等。氧化物的形成会影响接点的电阻。

同时，金属材料会在电接触处形成表面膜，表面膜对电接触电阻影响很大，日常一定要定期检修清除。表面膜主要有几种：尘埃膜、吸附膜、有机膜、无机膜。例如常见的铜暴露在空气中，表面容易形成氧化铜无机表面膜，这种无机表面膜电导率很小，会直接导致接点接触不良；其中尘埃膜及吸附膜都可以通过机械方法消除掉，所以单边过车的转辙机，也需定期操纵试验。

3 转辙机接点组优化建议

根据上文分析，为提高转辙机在动态、静态应用环境下接点组稳定性和可靠性，相关研究单位和厂家可在以下3方面开展优化工作。

1) 改进接点金属材质。根据接点接触压力和接点机械寿命的要求，在用的转辙机接点组中，接点材质主要采用单一金属构成，或者采用单一金属表面镀金属处理，可以使用更高材料特性的合金金属来替代。

2) 减小电弧对转辙机接点的影响。转辙机接点可采用导电性好、熔点高、抗氧化能力强、耐高温合金金属作为接点材料。

3) 在转辙机接点组中，优化接点组机械结构，使得动接点快速地与静接点分离，抑制接点电弧形成的环境。

4 转辙机接点组的日常维护要点

据本文分析，总结现场经验，转辙机接点组日常维护检查要点如下：

1）加强对接点接触压力的检查、动接点组旷动、静接点磨耗等接点组状态不良的日常检查，按照标准，接点压力在8～10 N之间，接点两侧压力是否均匀等；

2）通过日常绝缘测试以及开盖检查，对机内进潮情况进行检查，防止接点出现氧化变黑情况；

3）通过监测调阅及时发现表示电压波动情况，及时对转辙机机内接点组静接点片进行排查处理；

4）定期检查紧固螺栓松动情况，防止螺栓松动失效；

5）检修所日常入所修加强对接点组整体性能进行评估，提高现场运用质量。

5 结束语

随着中国铁路里程的不断增加，越来越多转辙设备在现场运用，对现场转辙机接点组使用稳定性及可靠性要求很高，现场维修精准性也有更高的要求。本文结合现场工作经验，以及日常转辙机接点组在动态过程以及静态使用中的影响因素分别做出定性分析，为相关研究单位和厂家在转辙机接点组优化方面提供相关建议。同时结合现场维护经验，归纳出转辙机接点组日常维护要点，以供现场人员参考使用。