橡膠軌道減震器電阻測(cè)試方法探討

劉國鈞 羅能鳳 陶 玲 于曉輝 程 璐

（1.株洲軌道交通高分子材料及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 2.株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司技術(shù)中心）

0 引言

隨著鐵路運(yùn)輸朝著高速、重載方向發(fā)展，對(duì)行車安全、振動(dòng)噪聲等的要求越來越高［1］。

軌道扣件系統(tǒng)被用于保證軌道結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)、安全和可靠［2］。其中，扣件系統(tǒng)用橡膠軌道減震器，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是利用橡膠將上層承軌板和下層底座硫化在一起，橡膠材料的應(yīng)用使扣件系統(tǒng)兼具良好的減振降噪性能和絕緣性能［3］。軌道電路可分為直流軌道電路和交流軌道電路。直流軌道電路已被淘汰，現(xiàn)已采用交流供電的軌道電路，稱為交流軌道電路。國內(nèi)用直流電測(cè)試軌道減震器絕緣電阻的方法較為成熟，而使用交流電測(cè)試的方法較少。在實(shí)際使用中，軌道減震器主要處于戶外使用，使用環(huán)境較為復(fù)雜，有干態(tài)、濕態(tài)和雨淋狀態(tài)等，針對(duì)這些環(huán)境下的研究相對(duì)較少。本文旨在探討如何在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)真實(shí)有效地測(cè)量軌道減震器的絕緣電阻，為今后該類產(chǎn)品絕緣電阻的測(cè)量提供參考依據(jù)，將有利于指導(dǎo)產(chǎn)品的有效安全使用。

1 測(cè)試裝置

6517B型高阻計(jì)，美國吉時(shí)利儀器公司；DV-AC交流電阻測(cè)試儀，桂林東木科技有限公司；ZX50-A寬頻阻抗測(cè)量儀，桂林彰信檢測(cè)設(shè)備有限公司；高絕緣同軸屏蔽電纜導(dǎo)線，上海精密科學(xué)儀器有限公司。

2 測(cè)試方法和結(jié)果探討

2.1 直流和交流電源及其電壓大小的影響

軌道減震器應(yīng)用于不同軌道上，首先需要根據(jù)實(shí)際使用的軌道電路情況選擇合適的測(cè)量電源。

直流電路測(cè)試電阻：用電纜導(dǎo)線連接6517B型高阻計(jì)的高壓端與低壓端，在軌頭上施加1min的直流電進(jìn)行測(cè)試。

交流電路測(cè)試電阻：50Hz工頻下的交流絕緣電阻測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示，電纜導(dǎo)線連接交流電阻計(jì)的高壓端與低壓端，在軌頭上施加1min的交流電。

圖1 交流絕緣電阻測(cè)試實(shí)物圖

實(shí)際測(cè)試中，直流電壓測(cè)試電阻依據(jù)TB／T 2626-1995《鐵道混凝土枕軌下用橡膠墊板技術(shù)條件》，一般測(cè)試電壓為100V、500V、1000V，測(cè)試結(jié)果見表1；交流電壓測(cè)試彈性元件阻抗依據(jù)TB／T 3396.5-2015《高速鐵路扣件系統(tǒng)試驗(yàn)方法第5部分》，一般測(cè)試電壓為30V，測(cè)試結(jié)果見表1。由表所知，正常測(cè)試情況下，采用交流和直流電源測(cè)試結(jié)果差異很大，直流電阻大于交流阻抗。因此，在測(cè)試彈性元件產(chǎn)品的電阻時(shí)，必須根據(jù)該產(chǎn)品的實(shí)際使用情況，選擇合適的電源進(jìn)行測(cè)試。使用直流和交流電源，隨著電壓的增大，測(cè)試得到的電阻／阻抗均減小。因此，在實(shí)際測(cè)試彈性元件產(chǎn)品電阻時(shí)，選擇合適的電壓。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般建議直流選擇500V，交流選擇30V、50Hz。

表1 直流電源和交流電源測(cè)試結(jié)果

軌道減震器在不同電壓下的絕緣電阻變化趨勢(shì)如圖2所示。

圖2 軌道減震器在不同交直流電壓下的絕緣電阻

從圖中可以看出，直流條件下的測(cè)試電阻較交流條件下的測(cè)試電阻高得多，且隨著測(cè)試電壓增大，直流電阻值仍在不斷增大，而交流電阻變化不大，稍有下降。軌道減震器接在電路中，相當(dāng)于在電路中串聯(lián)了一個(gè)電阻器和電容器的綜合體，而電容器的阻抗Xc表達(dá)式如下：

式中，f為測(cè)試頻率；C為電容量。

容抗Xc的概念反映了交流電可以通過電容器，電容器的電容越大，表明電容器儲(chǔ)存電荷的能力越大，在電壓一定的條件下，單位時(shí)間內(nèi)電路中充、放電移動(dòng)的電荷量越大，電流越大，所以電容對(duì)交變電流的阻礙作用越小，即容抗越小；當(dāng)電容器與直流電源相連接時(shí)，除了接通的瞬間因電容器充電而有電流外，一旦充電完畢，電路中就沒有電流了，其阻抗就相當(dāng)大，所以軌道減震器用直流電測(cè)試的總電阻比交流電測(cè)試的高。

2.2 交流電測(cè)試頻率的影響

用電纜導(dǎo)線連接ZX50-A寬頻阻抗測(cè)量儀，施加1min的50V交流電在軌頭上，測(cè)量頻率范圍為20～10000Hz，在20～100Hz內(nèi)每次增量為20Hz，在100～1000Hz內(nèi)每次增量為200Hz，在1000～10000Hz內(nèi)每次增量為2000Hz，計(jì)算每個(gè)頻率增量所對(duì)應(yīng)的阻抗。

軌道減震器在50V測(cè)試電壓下不同頻率時(shí)的絕緣電阻變化趨勢(shì)如圖3所示。從圖中可以看出，隨著軌道減震器測(cè)試頻率的增加，絕緣電阻先急劇減小，后漸漸趨于平緩。分析原因從，公式（1）可知，交流電頻率越高，容抗越小，即電容的阻礙作用越小。在交變電流的電壓一定時(shí)，交變電流的頻率越高，電路中充、放電越頻繁，單位時(shí)間內(nèi)電荷移動(dòng)速率越大，電流越大，電容對(duì)交變電流的阻礙作用越小，即容抗越小，從而使得軌道減震器的總電阻值隨著測(cè)試頻率的增加而減小。當(dāng)頻率達(dá)到2000Hz時(shí)，其電阻值趨于平緩，這是因?yàn)樵谝欢ǖ念l率時(shí)，電容器電阻值高時(shí)以分布電容影響為主，電阻值低時(shí)以其電感成分影響為主。隨著測(cè)試頻率升高，電阻串聯(lián)的電容導(dǎo)致阻抗減小，頻率再繼續(xù)升高到2000Hz時(shí)，則與電阻串聯(lián)的分布電感開始起作用，使阻抗減少的斜率也變小。

圖3 軌道減震器在不同頻率下交流的絕緣電阻

2.3 干態(tài)、濕態(tài)和噴淋對(duì)試樣的影響

（1）干態(tài)：將試樣在（23±2）℃、（50±2）%RH環(huán)境下調(diào)節(jié)24h后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；

（2）濕態(tài)：將試樣在去離子水中浸泡24h后，取出試樣擦干表面水分，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境（23±2）℃、（50±2）%RH下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；

（3）噴淋：參照標(biāo)準(zhǔn)TB／T3396和EN13146-5設(shè)計(jì)噴淋裝置，照片如圖4所示。

圖4 噴淋環(huán)境中交流絕緣電阻實(shí)驗(yàn)照片

不同狀態(tài)下的電阻測(cè)試結(jié)果見表2。通過結(jié)果可知，對(duì)于處于干態(tài)、濕態(tài)、噴淋狀態(tài)下的軌道減震器，干態(tài)電阻最大，濕態(tài)電阻次之，噴淋狀態(tài)下電阻最小。

表2 不同狀態(tài)下的電阻測(cè)試結(jié)果

圖5給出了表面噴油漆和表面沒有噴油漆的軌道減震器在水噴淋環(huán)境的絕緣電阻變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，在常溫常濕環(huán)境中其絕緣電阻有1.36×107Ω，而在2min的水噴淋過程中噴油漆的軌道減震器絕緣電阻下降到9.9×103Ω左右，未噴油漆的軌道減震器絕緣電阻下降到100Ω左右，隨著水噴淋的停止，電阻值又慢慢的隨著時(shí)間的增加而上升，直到10min時(shí)電阻趨于平穩(wěn)，表面噴油漆的絕緣電阻達(dá)到8.0×106Ω，遠(yuǎn)比未噴油漆的絕緣電阻3.4×106Ω高。這是由于軌道減震器表面涂油漆后，油漆為疏水材料，能迅速將噴在軌道減震器表面的水排開，使減震器表面的水膜厚度降低，電阻值變大［4-5］。

圖5 某地鐵下軌道減震器在水噴淋環(huán)境中的絕緣電阻

對(duì)于表面噴油漆和表面沒有噴油漆的軌道減震器產(chǎn)品，水噴淋時(shí)的電阻是最小的，因?yàn)樗畤娏軙r(shí)，在兩條鋼軌之間形成水膜，而水導(dǎo)電，使絕緣電阻變小。在列車高速運(yùn)行時(shí)，兩條鋼軌之間的阻抗由多個(gè)電阻的并聯(lián)值所決定，即主要取決于其中最小的電阻，因此在實(shí)際應(yīng)用中更要重視軌道減震器在水噴淋環(huán)境中的絕緣電阻值測(cè)試、減震材料的選擇及表面的處理。

3 結(jié)束語

對(duì)軌道減震器絕緣電阻實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)研究，明確了交流電與直流電對(duì)軌道減震器絕緣電阻值的影響，特別是高頻電壓、水噴淋環(huán)境對(duì)電阻值的影響。在交變電流電壓一定時(shí)，交變電流的頻率越高，電阻值越大，水噴淋環(huán)境會(huì)極大地降低電阻值，采用涂料防護(hù)可有效降低這種影響。

所提出的不同交流電阻實(shí)驗(yàn)方法同樣適用于其它軌道扣件的電阻性能測(cè)試，實(shí)際應(yīng)用中，建議采用實(shí)際的頻率、水噴淋環(huán)境，進(jìn)行絕緣電阻實(shí)驗(yàn)，將更有利于指導(dǎo)產(chǎn)品的有效安全使用。