弹性元件绝缘电阻的试验研究

2012-11-27罗能凤冯里根刘国钧谭帅霞姜其斌

铁道机车车辆 2012年4期

罗能凤，冯里根，刘国钧，王进，谭帅霞，姜其斌

（株洲时代新材料科技股份有限公司技术中心，湖南株洲412007）

随着我国铁路运输朝着高速、重载方向快速发展，机车车辆的振动和噪声控制越来越重要，为了有效减少轮轨作用力和改善系统走行性能，大量的高品质减振弹性元件被采用［1］。目前，科研工作者高度关注弹性元件的减振降噪效果及其疲劳性能。但是铁路上普遍采用的谐振式无绝缘轨道电路传输系统，是以钢轨作为信号回流线，道床绝缘将大大降低涡流阻抗，减少回流电路的能量损失，保证信号的传输长度［2］，从而防止列车追尾和冲突事故，确保行车安全，因此铁路专用弹性元件的绝缘性能也十分重要。目前对无负载条件下弹性元件的绝缘性能已有诸多研究，但有负载条件下的研究却鲜有报道。实际使用中弹性元件总承受一定负载，本文将重点研究弹性元件在有负载与无负载情况下的绝缘性能差异，并讨论试验电压选择对电阻试验结果的影响。

1 试验

1.1 主要仪器和试验装置

ZC-46A型高阻计（上海精密科学仪器有限公司）；6517B型高阻计（美国吉时利仪器公司）；CSS-55100电子万能试验机（长春试验机研究所）；高绝缘同轴屏蔽电缆导线（上海精密科学仪器有限公司）；弹性元件（株洲时代新材料科技股份有限责任公司）；高阻绝缘硬制垫板（自备）。

1.2 基本配方

表1 弹性元件中橡胶基本配方（质量份数）

1.3 试验方法

（1）不加载绝缘电阻试验

图1为不加载绝缘电阻试验现场测试照片，用高绝缘同轴屏蔽电缆导线将弹性元件接入高阻计的高压端与低压端。对于绝缘电阻值大于108Ω的产品，一般选择500V或1 000V电压进行测试，对于绝缘电阻值小于108Ω的产品，一般选择100V或50V电压进行测试。

图1 不加载绝缘电阻试验（二系橡胶垫产品现场测试照片）

（2）加载绝缘电阻试验

图2为加载绝缘电阻试验现场测试照片，用高绝缘同轴屏蔽电缆导线将弹性元件接入高阻计的高压端与低压端，在弹性元件上端和下端垫上高阻绝缘硬制垫板，通过CSS-55100电子万能试验机对弹性元件加载到产品规定的载荷，根据产品电阻值的高低，选择适合的电压。

图2 加载绝缘电阻试验（二系橡胶垫产品现场测试照片）

2 结果分析

2.1 不加载绝缘试验与加载绝缘试验的比较

图3给出了两种弹性元件在不同加载情况下的绝缘电阻变化趋势。试验所用弹性元件胶料主要成分均为表1中1＃配方。从图3可以看出，随着电机垫所受载荷，从零开始逐渐增大，绝缘电阻也显著增加，曲线单调上升，这是因为随着加载力的增大，天然橡胶变形在微观上表现为高分子链的相对滑移、扭转及折叠等运动，使得部分导电通道被破坏，因而电阻率随压力增大而增大［3-4］。而在地铁下电极垫加载末期，载荷达到40kN，绝缘阻值出现下降，这有可能是加载过程中样品受到挤压，使得样品内部导电粒子炭黑出现连续相［5］，炭黑作为一种导电材料，导致了电阻的降低。而二系橡胶垫曲线中并没有出现阻值下降的情况，原因在于不同产品所能承受的最大力不同，同一配方的产品有的承载力大，有的承载力小，这与产品的结构有关（如图4、图5所示），二系橡胶垫的承载力较大，在所测范围内仍未达到最大值。

图3 某地铁下电机垫（1＃配方）与二系橡胶垫（1＃配方）不同加载力下的绝缘电阻

图4 电机垫产品结构实物图

图6为轴箱转臂节点材料在不同加载情况下的绝缘电阻变化趋势，所用的胶料配方是表1中2＃配方。从图6可以看出，随着样品所受载荷，从零开始逐渐增加，绝缘电阻变化趋势与图3所示相反，随着载荷增加，电阻值反而减小。这是由于图6所用配方中炭黑含量明显高于图3，由于炭黑的含量高，随着加载力的增加，样品内部炭黑导电粒子出现连续相的数量也增加，导致电阻下降。

图5 二系橡胶垫产品结构实物图

通过图3～图6的比对，可以发现不同配方胶料在增加加载力的情况下，电阻的变化趋势也不相同。高炭黑配方胶料在加载的情况下电阻变小，低炭黑配方胶料在加载的情况下电阻变大，但加载到一定值时，电阻值下降。同时这也表明胶料配方比加载力对弹性元件绝缘电阻的影响更大，即绝缘材料本身分子结构较加载因素对弹性元件绝缘电阻的影响更显著［6］。

图6 轴箱转臂节点（2＃配方）不同加载力下的绝缘电阻

2.2 绝缘电阻试验结果的影响因素

2.2.1 测试电压对弹性元件电阻试验值的影响

将某地铁下电机垫作为研究对象，在不同加载力和不同测试电压下进行绝缘电阻试验。由图7可见，50V测试电压条件下的曲线始终在100V测试电压条件的曲线上方，这表明同样的加载力条件下，50V电压下的测试电阻较100V电压下的测试电阻高。这是因为介质材料的电阻值只能在一定电压范围内保持不变。在常温条件下，在较低的电压范围内，电导电流随外加电压的增加而线性增加，材料的电阻值保持不变。而超过一定电压后，由于离子化运动加剧，电导电流的增加远比测试电压增加得快，材料呈现的电阻值迅速降低［6］。由此可见，在一定条件下，外加测试电压越高，材料的绝缘电阻值越低。

图7 测试电压对测试电阻值的影响

2.2.2 其他影响因素

（1）环境温湿度

一般来说，材料的电阻值随环境温湿度的升高而减小。温度升高，载流子的运动速率加快，介质材料的吸收电流和电导电流会相应增加，一般介质在70℃时的电阻值仅有20℃时的10%。因此，测量材料的电阻时，必须指明试样与环境达到平衡的温湿度。

（2）测试时间

用一定的直流电压对被测材料加电压时，被测材料上的电流在达到稳定值之前，会有一衰减过程。这一过程中，首先出现较大的充电电流，然后是持续时间长、缓慢减小的吸收电流，最后达到比较平稳的电导电流。被测电阻值越高，达到平衡的时间则越长。因此，为了正确读取被测电阻值，应取电阻值稳定后或加电压1min后的读数。另外，高绝缘材料的电阻值还与其所带电荷有关。所以为了准确评价材料的静电性能，在进行电阻测试时，应首先对材料进行去电处理，并放置调节一段时间，然后再按测量程序测试。

（3）设备的泄漏

在弹性元件绝缘电阻测试中，线路中绝缘电阻不高的连线，经常会不恰当地与被测试样、取样电阻等并联，对测量结果可能产生较大的影响。为此，为减小测量误差，应采用保护技术，在漏电流大的线路上安装保护导体，以消除杂散电流对测试结果的影响；高电压线由于表面电离，对大地有一定泄漏，所以尽量采用高绝缘、大线径的高压导线作为高压输出线并尽量缩短连线，减少尖端，杜绝电晕放电；采用聚乙烯、聚四氟乙烯等绝缘材料制作测试台和支撑体，可避免此类现象。

（4）外界干扰

在测试高绝缘材料时，通过试样的电流是很微小的，因此极易受到外界干扰，造成较大的测试误差。外界干扰主要是杂散电流的耦合或静电感应产生的电势。因此，在测试电流小于10-10A或测量电阻超过1011欧姆时，被测试样、测试电极和测试系统都应采取严格的屏蔽措施，以消除外界干扰对试验产生的影响。