鐵路道岔轉(zhuǎn)轍機接點維護裝置研究

陳 磊，謝明軍，何建峰

（西安鐵路信號有限責(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、準時成為了高鐵的代名詞，人們對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。但是隨著高鐵運行速度的提升，對鐵路信號設(shè)備的可靠性提出更高的要求。

道岔轉(zhuǎn)換設(shè)備是鐵路運行的重要設(shè)備，是保障行車安全、提高運輸效率的關(guān)鍵設(shè)施，是實現(xiàn)信號聯(lián)鎖關(guān)系的基礎(chǔ)設(shè)備。轉(zhuǎn)轍機作為道岔轉(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輸?shù)陌踩托省?/p>

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

2 轉(zhuǎn)轍機接點常見故障及原因

2.1 轉(zhuǎn)轍機接點常見故障

目前，國內(nèi)高鐵主用的電動、電液轉(zhuǎn)轍機均采用排布式接點。該接點常見故障主要有兩個：一個是接點的緩動和卡阻故障，主要表現(xiàn)為轉(zhuǎn)轍機動接點轉(zhuǎn)換時，動作緩慢或不動作的現(xiàn)象；另一個是接點信號失表示故障，主要表現(xiàn)為接點表示電路不通或者閃斷的現(xiàn)象。

2.2 轉(zhuǎn)轍機接點常見故障原因

轉(zhuǎn)轍機接點主要由靜接點片、動接點環(huán)和動接點塊組成。由于接點無法密封，空氣中的沙土、灰塵、化學(xué)物質(zhì)及機車運行時的機械振動和沖擊等外部環(huán)境都會對接點的工作狀態(tài)帶來較大的影響。而靜接點與動接點環(huán)之間為點線接觸，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)致接點故障原因非常復(fù)雜。由于接點環(huán)轉(zhuǎn)動導(dǎo)致接點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)，且測試數(shù)據(jù)出現(xiàn)波動大隨機性強的特點，這也是接點故障長期存在偶發(fā)但無法徹底消除的主要原因。

隨著對轉(zhuǎn)轍機接點故障的不斷研究發(fā)現(xiàn)，雖然接點故障原因非常復(fù)雜，但通常在擦拭清潔接點后，接點緩動、卡阻和接點斷路等故障現(xiàn)象立即消失。這就表明轉(zhuǎn)轍機緩動或卡阻故障主要與動接點和靜動接點接觸區(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。而接點電路斷路或閃斷故障則主要與轉(zhuǎn)轍機的動靜接點接觸區(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)轍機接點環(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)轍機接點緩動、卡阻故障還是接點斷路、閃斷故障均主要是動接點和靜接點接觸區(qū)域夾雜的異物引起的，因此，如何對轉(zhuǎn)轍機接點組件進行清潔，對減少轉(zhuǎn)轍機接點故障有重要意義。

3 轉(zhuǎn)轍機接點維護裝置設(shè)計

3.1 轉(zhuǎn)轍機接點維護現(xiàn)狀與需求

目前對轉(zhuǎn)轍機接點的維護主要是在天窗點定期維修時進行人為清潔，方法主要是電務(wù)維護人員將轉(zhuǎn)轍機機蓋打開，斷開轉(zhuǎn)轍機安全開關(guān)及機內(nèi)電路，用清潔布進行擦拭。由于現(xiàn)場維護時間短、任務(wù)重，現(xiàn)場操作經(jīng)常會出現(xiàn)掰、捏接點片的現(xiàn)象，反而造成接觸壓力及轉(zhuǎn)換阻力增大，轉(zhuǎn)轍機接點緩動或卡阻故障概率增加。同時人工清潔轉(zhuǎn)轍機接點也給維護人員產(chǎn)生較大的工作量，因此如何通過高效的清潔接點來減少維護工作量是未來的研究發(fā)展趨勢。

3.2 接點維護裝置設(shè)計與實現(xiàn)

通過大量的試驗發(fā)現(xiàn)動靜接點之間的污染物主要附著于動接點環(huán)的電腐蝕區(qū)上，所以清潔接點組主要工作是對動接點環(huán)的電腐蝕區(qū)進行清潔。因此，本文以ZDJ9轉(zhuǎn)轍機為例，結(jié)合排布式接點的工作原理，設(shè)計并制作了針對轉(zhuǎn)轍機動接點的維護裝置，如圖2所示，該裝置主要由調(diào)節(jié)器、接點罩、刷頭組成。其工作原理是當(dāng)接點罩固定在自動開閉器上時，刷頭與動接點組、靜接點組的位置相對固定，轉(zhuǎn)轍機轉(zhuǎn)換過程中動接點擺動掃程覆蓋刷頭部分區(qū)域，這樣使每次動接點環(huán)觸碰刷頭即是對動接點環(huán)的一次清潔，將動接點環(huán)上吸附的污染物掃落，實現(xiàn)動接點環(huán)的自動清潔。

圖2 接點維護裝置Fig.2 Contact maintenance device

4 轉(zhuǎn)轍機接點維護裝置實驗與驗證

4.1 清潔能力實驗

為驗證轉(zhuǎn)轍機接點維護裝置對油脂、灰塵及顆粒物的清潔能力，人為將動接點環(huán)上均勻涂抹混合沙土、磨損物的TR-1油脂如圖3所示，將動接點組安裝在接點壽命試驗臺上快速動作試驗。在經(jīng)歷600次接點動作后，接點環(huán)表面清潔效果如圖4所示，接點環(huán)露出金屬光澤，清潔效果明顯。

圖3 實驗前Fig.3 Before experiment

圖4 實驗后Fig.4 After experiment

4.2 接觸電阻對比實驗

隨機對1臺已經(jīng)完成13萬次壽命實驗，且實驗期間沒有進行任何維護的ZDJ9轉(zhuǎn)轍機進行接點接觸電阻測試。初始狀態(tài)下的接觸電阻如表1所示，3-4排接點的接觸電阻值相對較大。雖然31-32排點仍然導(dǎo)通，但是31-32接點的接觸電阻值已經(jīng)出現(xiàn)異常，接點故障隱患風(fēng)險增加。因此，選擇在接點接觸電阻較大的一側(cè)（3-4排接點）安裝接點維護裝置（如圖5所示），另外一側(cè)（1-2排接點）不安裝接點維護裝置，繼續(xù)進行壽命實驗至23萬次，實驗期間對所有接點不進行任何的擦拭維護，每隔約1萬次壽命實驗測試記錄一次各接點的接觸電阻值。測試10次的結(jié)果如表1所示。

表1 接觸電阻對比實驗結(jié)果Tab. 1 Comparison experiment results of contact resistance電阻/Ω

圖5 接觸電阻對比實驗Fig.5 Comparison experiment of contact resistance

由接點接觸電阻測試結(jié)果可以看出，接點接觸電阻在壽命實驗過程中呈現(xiàn)不穩(wěn)定的波動現(xiàn)象。接點接觸電阻的這種波動現(xiàn)象主要是由于動接點與靜接點的線接觸、污染物的生成和脫落以及動接點環(huán)的轉(zhuǎn)動接觸共同作用造成的結(jié)果。對比1、2排和3、4排接點接觸電阻值的標(biāo)準偏差曲線如圖6所示，安裝接點維護裝置可以穩(wěn)定接點接觸電阻值在較小的區(qū)間內(nèi)波動。

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

通過實驗數(shù)據(jù)對比可以看出，沒有安裝接點維護裝置的1排和2排接點在壽命實驗過程中，接點接觸電阻出現(xiàn)較大范圍波動現(xiàn)象，最大接觸電阻達到7.68 Ω，而安裝接點維護裝置的3排和4排接點在壽命實驗過程中，波動范圍較小，最大接觸電阻為0.555 Ω。

4.3 接點脫出力實驗

由于轉(zhuǎn)轍機接點緩動和卡阻只發(fā)生在1排和4排動接點分別向2排和3排轉(zhuǎn)化的過程中，因此本次接點脫出力也只測1排和4排接點。方法是在ZDJ9轉(zhuǎn)轍機進行轉(zhuǎn)轍機壽命實驗23萬次，即對比實驗完成10萬次動作后進行1排和4排的接點脫出力測試。首先，去除自動開閉器拉簧；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)顯拉力計自動記錄峰值，每排接點測試3次；最后，從動接點柱處直接用數(shù)顯拉力計將動接點拉出并自動記錄峰值，每排接點測試3次。測試結(jié)果如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)轍機脫出力測試數(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)轍機動接點脫出力第1次較大，而后逐漸減小，最終趨于相對穩(wěn)定。安裝接點維護裝置的動接點脫出力（第4排接點脫出力從拉簧接頭處測量）比沒有安裝接點維護裝置的動接點脫出力（第1排接點脫出力從拉簧接頭處測量）平均值小15.1 N，占1排脫出力的28%；安裝接點維護裝置的動接點脫出力（第4排接點脫出力從動接點柱處測量）比沒有安裝接點維護裝置的動接點脫出力（第4排接點脫出力從動接點柱測量）平均值小1.2 N，占1排脫出力的9.4%。由此可見，安裝接點維護裝置的動接點脫出力比不安裝接點維護裝置的動接點脫出力小，更有利于減少接點轉(zhuǎn)換時的阻力，降低動接點緩動和卡阻風(fēng)險。

5 結(jié)論

本文介紹了轉(zhuǎn)轍機排布式接點的常見故障，分析故障原因和現(xiàn)場維護工作的難點，并對轉(zhuǎn)轍機排布式接點的現(xiàn)場維護方式進行研究。設(shè)計和制作針對動接點環(huán)的清潔維護裝置，并進行了10萬次的壽命實驗，掌握了安裝接點維護裝置與不安裝該裝置的接點接觸電阻以及轉(zhuǎn)換阻力數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)對比與分析發(fā)現(xiàn)接點維護裝置能夠有效降低接點的接觸電阻值及其波動范圍，并一定程度減少接點轉(zhuǎn)換阻力，為實現(xiàn)排布式轉(zhuǎn)轍機接點少維護、免維護目標(biāo)提供了可行、有效的解決方案。