浅析铁路信号继电器接点接触失效机理

浅析铁路信号继电器接点接触失效机理

谢艳红

中国神华能源股份有限公司神朔铁路分公司陕西神木719316

摘要：铁路信号继电器在运行的过程中经常会因为出现失效状况而导致为铁路正常运行造成影响。而在铁路信号继电器失效的形式中接点的解除失效是其中主要的一种失效模式。本文主要针对铁路信号继电器接点失效的机理进行了分析，并合理的利用了显微镜以及X射线能谱等一些针对器件表面的分析技术对不同状态下接点表面的形貌、材质成本等进行了探究，并探究了能够影响铁路继电器接点接触电阻的主要因素进行了分析，再次基础上提出了一个可行的解决措施。希望能对解决铁路继电器接点接触失效起到一定的帮助作用。

关键词：铁路信号继电器；接触失效；表面分析；电阻

引言

在所有的铁路信息设备中铁路信号继电器是其中主要的安全器件，铁路运行系统中各种不同的设备实现自动控制、远程控制的主要依赖于铁路信号继电器稳定、可靠运行。接点是铁路继电器中非常关键的一个部件，其运行的可靠性关系着铁路信号继电器运行的安全、稳定，接点接触的稳定性同时也是影响铁路继电器运行的主要因素之一。一旦铁路继电器的接点出现了故障必然会对铁路列车的安全运行造成严重的影响，列车停运是铁路继电器接点故障经常导致的铁路运行事故，铁路信号继电器接点故障严重的情况下可能会对铁路的运行效率造成严重的影响，甚至会导致铁路安全事故的发生。经过对铁路继电器多年运行情况的分析统计后发现，大约70%以上的铁路继电器故障都是有接点的接触不良或者接触失效导致的。

1接点接触电阻的组成

在铁路继电器的实际运行过程中，其主要的失效原因是因为继电器触点之间的解除电阻增大从而引起继电器接点接触电阻超标或者接点的接触失效造成的，通过霍尔姆的点接触理论我们知道，在肉眼可见的范围内，虽然一些金属的表面被磨的非常光滑，但是实际上其表面的是非常粗糙的，因此，在实际的金属表面接触的过程中，并不是整个接触点表面都进行了完全的解除，因为金属表面的粗糙程度不同，导致金属表面接触的时候往往只是一些相对比较突出的部分进行了真正的接触，也就是说在电路中，接点接触过程中只有有限的一些真正发生了接触的金属表面才形成了电流的通路[1]。因此，在电流通过实际接触面积非常小的接触面时，电流线就会相应的出现收缩的情况，因此实际的解除电阻就会相应的增加，由于电流线收缩而引起的附加电阻被称为收缩电阻，通常用Rs表示，金属的接触表面在长期的空气暴露过程中会在表面附着灰尘、纤维织物，一些介质中微小的杂质单元也会在金属的表面附着，从而在金属表面形成一层导电性比较差的薄膜，这些导电性比较差的薄膜也会在金属表面形成附加膜电阻，通常膜电阻会用Rm来表示。

铁路信号继电器的接头由静触头和动触头两侧组成，而静触头以及动触头在实际接触的过程中都会产生收缩电阻，因此其实际的接触电阻是由石油静触头端的收缩电阻Rs1以及动触头端的收缩电阻Rs2以及相应的膜电阻Rm共同组成，在结构上三个附加电阻是并联结构。

a）圆柱型触头b）球形触头

图1铁路信号继电器接点的接触形式

就目前铁路信号继电器的发展来看，其主要的接点材料是银--银氧化镉的组合形式构成，接点的实际接触方式主要有互相垂直的圆柱状触头以及球形触头两种形式。如图1中a）、b）所示。圆柱型触头在实际的接触过程中主要的接触时点接触或者面接触，因此实际的接触面积非常小，实际的到点斑点也比较小，在电流通过的时候产生的收缩电阻比较大。但是圆柱型接触由于实际解除面积较小的原因，点接触或者线接触的实际压强就会相应增大，从而使得圆柱型触头接触过程中自身的膜清除能力比较强，所以这种接触方式下，实际产生的膜电阻相对较小。而球形触的实际解除面积比较大，因此，当电流通过的时候，实际产生的收缩电阻比较小，而接触面积的增加使得，接触面实际的压强相对较小，膜清除的能力也相应较小，因此球形触头在实际的接触过程中产生的膜电阻较大，因而膜电阻是影响球形触头接触电阻的主要影响因素。

2铁路信号继电器接点接触失效机理的主要研究方法

在本文的铁路继电器接点接触失效机理研究过程中主要使用了电子显微镜以及X射线能谱等主要的表面分析方法。首先，我们在铁路继电器运行现场收集了5台接点接触失效的铁路信号继电器，并将其中失效的节点进行拆卸研究，5台铁路信号继电器分别在三种不同的状态下使用，因此我们针对这几种不同使用情况的铁路信号继电器接点触头表面金属进行了元素的组成分析并进行了对比研究[2]。

3铁路信号继电器接点接触失效研究基本原理

在针对现场回收的5台不同的铁路信号继电器展开的分析中主要使用的分析设备是扫描电子显微镜以及X射线能谱，其主要的作用是对铁路信号继电器表面的样貌进行观察，并对其主要的元素组成成分进行分析。整个过程使用的基本原理是利用了电子束与接点触头样品的相互作用，在分析过程中，接点失效样品会接受来自高能电子束的照射，这样在接点触头不同的部位发生相互作用后就会产生弹性散射以及非弹性的散射事件，从而会形成相应的背散射电子、二次电子、特征X射线以及连续能谱X射线等一些信号，然后通过合理的使用探测装置就能检测出散射信号以及射线的大小，通过对信号的分析就能确定样品接收电子束部位内部的物理以及相关的化学性质的信息，比如能够分析出样品的内部形貌以及相应的化学组成成分[3]。

4实验结果与分析

铁路信号继电器接点失效样品的表面形貌分析主要是通过扫描电子显微镜来实现的，在为扫描电子显微镜提供20kV的加速电压后，分别使用×100,×500,×1000的倍数放大针对失效样品拍摄其表面的形貌状况。同时使用X射线能谱仪对样品的成分展开能谱分析。

我们首先选取了×500放大倍数下的接点触头形貌以及成本能谱进行了作为了样品1的分析，如下图2所示。通过对×500放大倍数下拍摄的样片表面形貌以及相应的额能谱分析可以看出，在显微镜下能够清晰的观测到触头的表面形成了大面积的结晶状堆积物，并在一些区域内有非常明显硅元素物质堆积，而在自然界中硅元素常见的化合物形式为二氧化硅，而空气中灰尘的主要成分中也含有大量的二氧化硅，由此可见，在失效的节点触头表面有大量空气中的灰尘颗粒附着，并在触头的表面形成了一层导电性非常差的堆积物，这样触头银材质实际的在接触过程中的接触面积缩小，从而产生了较大时的解除电阻。

a）触头表面形貌b）触头能谱分析

图2样品1表面形貌与能谱分析

在同样的观测条件下，我们对样品2进行了观测分析，如下图3所示，用过样品2的形貌以及能谱可以看出，在接点触头接触区域的表面有非常明显的面状附着膜形成，而且在触头的表面出现了材料转移的现象，可见，在接点的动触头以及静触头接触的过程中附着物形成的膜遭到了破损，接触的中心位置转移到了静触头上。针对附着物进行分析后发现，在触头的一些区域有非常明显的磷和硫堆积物的存在，这就说明在接点触头表面也有大量的磷和硫的化合物存在。磷是土壤中非常常见的一种元素，由此可知，铁路继电器的触头在实际的运行过程中吸附了来自土壤中的灰尘。而S在大气中主要是以二氧化硫污染物的形式出现，这主要是由于我国工业生产以及汽车尾气向空气中排放了大量的二氧化硫，有资料表明我国在2016年向大气中排放了超过2068万吨的二氧化硫，使得我国一些地区空气中的二氧化硫浓度年均达到了45g/m3，二氧化碳污染情况非常严重。由于空气中含有二氧化硫，在空气湿度比较大的情况下，二氧化硫就会与水蒸气结合形成强腐蚀性的溶液，这样就会加速接点触头的腐蚀情况，另外，当空气的湿度达到一定程度的时候，空气中的水蒸汽会在触头表面形成一层薄水膜，这样大气中的一些具有腐蚀性的气体就会与被水膜吸附从而使水膜酸化，酸性的水膜会将触头表面形成的氧化膜分解从而形成了硫酸盐，触头的表面就会形成一个微电池，腐蚀后的氧化物在微电池中作为了阳极，并且表面还会被硫酸盐形成的电解质覆盖，这样过触头表面的金属就会加速腐蚀，出现溶剂的现象[4]。此外，二氧化硫气体在与金属表面发生直接接触的过程中产生硫化反应，生产金属硫化物。上述形成的不同化学反应使得触头表面的行程了大量的腐蚀物，这样就会形成一个较大的膜电阻，从而引起铁路继电器触头接触电阻出现增大。而样品2中接点触头为球形触头，因此其动触头跟静触头接触的过程中产生的压强脚下，因此相应的摩擦力也会小很多，触头在解除的过程中触电始终保持不变，这样就不能依靠触头的运行来清除腐蚀物质形成的膜，导致触头的膜电阻增加，从而引起接点的接触失效。

a）静触头表面样貌b）动触头表面样貌

c）能谱分析

图3样品2表面形貌和能谱分析

针对样品3和样品4我们分别应用了×100和×1000的放大倍数进行了样片表面形貌的观测和能谱分析，根据观测发现，样品3触头表面的出现了严重的烧蚀情况，并出现了比较明显的烧蚀凹陷现象。由此可见，在触头长期的运行过程中出现电弧放电情况从而导致了触头表面出现了溶蚀。而且溶蚀的凹陷坑中有大量的突起，通过能谱分析后发现，其中的硅元素含量比较高，因此，可以确定样品3表面的主要是收到了大气中灰尘吸附。如果在触头接触的过程中接触点正好处在灰尘堆集形成的绝缘颗粒上，那么就会引起接触面积的缩小，从而造成收缩电阻增加，灰尘堆集严重的情况下甚至会造成接触失效。

样品5在×1000放大倍数的显微镜下触头明显的呈现出了双层结构，仅仅能够看到很小一部分的银基底，而在其余的部分有非常明显的磷氧化物覆盖物。在几组触头的样品中都发现了磷氧化物，由此可以断定，铁路继电器触头表面的氧化物成分是从外界进入附着到触头表面的，那么该铁路继电器运行的周边可能会存在磷化工企业，化工生产产生的磷粉尘污染大气环境造成磷氧化物在接点触头表面堆集。

5铁路继电器接点触头失效的改善措施分析

根据上述分析，我们知道铁路继电器接点失效的主要因素就是触头表面出现了大量的污染附着物，因此，继电器接点失效可以从以下几个方面着手改善：

（1）首先要针对生产环节进行改善，要彻底的清理触头表面，避免继电器在出厂时被环境中的污染物附着；另外，要保证继电器生产车间的清洁度，逐步的建立起无尘化的生产车间，这样就能从根本上避免继电器接点在生产环节出现污染。

（2）加强对环境污染严重的铁路信号继电器的检修，及时发现运行不稳定的继电器并进行更换，这样就能充分的减少继电器在运行过程中出现接触时效的可能。

（3）加强继电器新型产品的研发，可以尝试在铁路继电器中实用真空密闭结构，这样就能彻底隔绝环境对接点触头的影响。

6结束语

综上所述，在本文的铁路继电器接点失效机理分析研究过程中，通过扫描电子显微镜以及能谱分析方法的使用，对铁路继电器接点触头表面的形貌以及表面出现的污染物的成本进行了分析，通过分析后发现造成铁路继电器接点失效的主要原因是接点表面附着物的堆集。针对这种情况，提出了清洁生产、加强检修、采用真空密闭结构等方法对铁路继电器运行的可靠性进行了改善。

参考文献

[1]王楠.振动条件下铁路信号继电器性能退化和寿命预测的研究[D].河北工业大学,2015.

[2]储依帆.铁路信号安全型继电器的可靠性评估方法研究[D].北京交通大学,2018.

[3]周百全.关于安全型继电器维修策略的研究[D].清华大学,2009.

[4]李文华,王立国,赵正元,高继辉.铁路继电器温度加速寿命试验方案设计与分析[J].铁道科学与工程学报,2018,15(04):1023-1029.