铁路信号AX系列继电器的防尘优化

李庆诗，李耀嫚，刘 炜

(沈阳铁路信号有限责任公司，沈阳 110025)

1 概述

信号继电器是铁路信号设备的主要器材之一，它在运用中的可靠、安全是保证铁路运输自动控制、远程控制信号设备正常使用的必要条件[1]。当前，国内铁路信号AX继电器多为非防尘结构。继电器在贮存、运输和使用过程中，外界环境中的粉尘、有害气体等污染物可能进入继电器内部，吸附或聚集在通电接点的表面，造成接点的导电性能降低，从而导致在现场使用过程中，继电器出现接触电阻变大、不稳定等现象，直接影响行车。针对上述问题，简要分析继电器内部进入颗粒、粉尘等异物的原因，提出具体的防尘优化措施。

2 继电器内部进入粉尘等异物原因及危害

2.1 进入异物原因

外部粉尘颗粒、异物、有害气体进入罩内的主要原因为外罩、底座、防尘垫等零件结构本身以及组装配合时存有空隙和槽口。以铁路信号通用继电器—JWXC-1700型为例，其外罩和绝缘座结构如图1、2所示，接点组装在防尘垫的结构如图3所示。

图1 底座Fig.1 Base

图3 防尘垫组装Fig.3 Assembly of dust-proof pad

图2 外罩Fig.2 Outer cover

图1～3显示：继电器底座上存在两个槽口，外罩存有若干通风孔。电源片、托片、补助片等插片与防尘垫组装后，厚度方向上有一定间隙。由于上述槽口、通风孔以及组装配合后间隙的存在，继电器在贮存、运输和使用过程中，粉尘、颗粒状异物、腐蚀性气体均可能通过槽口进入继电器内部，造成使用性能降低。

2.2 产生危害

铁路信号继电器产品作为一个电气器材，对绝缘性能、接触导通性能有较高要求。外界环境如高温、高湿、多粉尘颗粒、腐蚀性气体等条件，对接点接触电阻的影响不容忽视[2]。器材进潮气后在罩内形成高湿环境，易引发金属部件锈蚀，影响部件的质量及强度，同时可造成整机绝缘性能下降；接点受颗粒、粉尘、腐蚀气体的影响易导致接触电阻增大或接触不良，影响设备的正常运行。

3 铁路信号AX继电器防尘技术改进

针对以上问题，开展铁路信号AX继电器的防尘优化改进十分必要。根据继电器的结构特点，在不影响其使用功能的前提下，考虑对既有继电器结构进行防尘密封为较适合的技术手段。

3.1 继电器防尘密封的可行性分析

3.1.1 继电器密封的优越性

继电器采用密封结构，是提高产品可靠性的一个很好的方法，这在国内外继电器产品中得到印证。经统计，国内军品继电器及航天继电器大多采用密封结构并在内部充入保护气体以保护触点。国外小功率继电器应用上有密封结构的例子，如安川贝斯达系列继电器、法国利奇继电器等。

同一批次铁路信号继电器产品使用在不同地域同一类电路中，其接点状态可能明显不同，这与各地区继电器的使用环境（如潮湿、风沙、油污、粉尘、硫化物）有极大相关性。对铁路信号AX继电器进行防尘改进，一方面可提高产品使用可靠性，降低铁路信号电路故障率，保证正常的铁路运输生产秩序，减少经济损失；另一方面可延长继电器使用周期，降低器材的维护、检验成本。

3.1.2 继电器密封后发热分析

对继电器进行防尘密封，需着重考虑密封后，罩内温度是否对继电器使用造成影响。一般而言，继电器罩内温度主要与外界环境温度、自身线圈和接点通电情况下温升、继电器使用的电路条件关联较大。

1）外界环境温度

铁路信号AX继电器产品温度要求：-40～+60 ℃(JWXC-H310型继电器温度为-25～+55 ℃)[3]，目前，主要在机械室（一般配有空调设备）内使用，机械室的环境温度为20 ℃左右。

2）线圈温升

线圈温升与继电器在额定条件下使用的功率有关。以JWXC-1700型继电器为例，前、后圈串联使用，串联电阻为1 700 Ω，在24 V额定条件下工作时，消耗的功率较小，具体数值：24×24/1 700=0.34 W。同时，按照标准进行线圈温升试验，结果显示：当周围环境温度为+60℃时，线圈通以额定值，温升约为4℃～6℃。几种典型的AX继电器线圈温升数据如表1所示。

表1 几种常用继电器的线圈温升Tab.1 Coil temperature rise of several common relays ℃

从表1可以看出，JWJXC-480、JWJXCH125/80、JWJXC-H125/0.44、JYJXC-160/260等继电器温升较大，但需要说明的是表1中线圈温升数据是《铁路信号继电器试验方法》（GB/T 6902-2010）规定的继电器在高温60℃通电2 h后测试获得。由于 JWJXC-480、JWJXC-H125/80、JWJXC-H125/0.44、JYJXC-160/260型继电器主要用于道岔控制电路做启动继电器，在道岔控制电路中非长时间通电工作，一般认为线圈温升较小，影响不大。

3）接点温升

目前，按照标准规定进行接点温升试验[4]，试验条件：“在环境温度60℃时，普通接点通以直流2 A，加强接点通以直流10 A”。试验统计的数据表明：在此试验条件下，各型号铁路信号继电器的接点温升一般在1～8℃。由于实际电路使用的负载一般比试验负载小，因此实际使用的继电器接点温升范围要更小。

综上继电器的线圈温升、接点温升等数据，采用防尘密封结构对继电器的正常使用影响较小。

3.1.3 案例

上海地铁运营有限公司作为国内较大的地铁运营商之一，鉴于地铁运营环境潮湿、粉尘多等复杂特点，为保证器材可靠使用，减少外界环境对继电器的影响，要求器材制造厂商提供的JWXC-1700、JPXC-1000型等AX继电器外罩取消通风孔。尽管外罩取消通风孔后，继电器仍未达到完全防尘密封，但从多年的运行反馈效果分析，上海地铁管内的产品故障率极低，一定程度佐证了继电器采用防尘结构的有效性。

3.2 继电器防尘密封的结构改进

如前所述，仍以JWXC-1700型继电器为例，现有的底座和外罩结构不能保证防尘密封，为此，对底座、外罩进行改进。具体如图4所示。

图4显示：改进后的底座和外罩无槽口和通风孔。同时为保证防尘密封，对底座和外罩结构进行优化，在外罩和底座间增加密封垫，确保继电器组装时无缝隙存在。

图4 改进后的底座、 外罩结构Fig.4 Improved base and cover structure

为有效避免外界粉尘进入罩内，对现有防尘垫的结构尺寸进行优化改进。改进后的防尘垫与插片可实现紧密配合。改进后的防尘垫与接点组配合结构如图5所示。

图5 改进后的防尘垫组装Fig.5 Assembly of improved dust-proof pad

除上述防尘密封结构优化外，对防尘垫和密封垫的材料选型也极其重要。除考虑达到基本的防护性能结构外，应充分考虑材料的耐高低温、耐磨损、耐老化等优越性能。同时，材料应具有较长使用寿命以及使用中不析出影响触点接触性能的元素和离子等优点。

4 相关试验、验证

根据上文3.2节的改进方案，组装若干台优化改进的JWXC-1700型样品分别进行外壳防护等级检测以及硫化氢实验。

4.1 外壳防护等级检验

外壳防护等级（IP代码）[5]检测是指按标准规定的检验方法，确定外壳对人接近危险部件、防止固体异物进入或水进入所提供的保护程度。目前，IP代码一般由两个数字所组成：第一个数字表示产品防尘、防止外物侵入的等级；第二个数字表示产品防湿气、防水侵入的密闭程度。数字越大，表示其防护等级越高。

为确认优化改进后的JWXC-1700型继电器的防尘程度，进行外壳防护等级检验，确认改进后的防护等级。本次检验取样1台优化改进后的JWXC-1700型继电器样品。

经第三方机构检验：优化改进后的JWXC-1700型继电器外壳防护等级为IP55。IP55含义是防尘等级5（完全防止外物侵入，虽不能完全防止灰尘侵入，但灰尘的侵入量不会影响电器的正常运作），防水等级5（防持续至少3 min的低压喷水）。

4.2 硫化氢试验

硫化氢试验是评价用于接触点和连接件的银和银合金变色的一种加速试验方法，尤其适用于做对比试验[6]。试验目的主要是确定硫化氢对银或银合金制成的接触点和连接件的接触特性的影响，并检查用上述材料做成组件的紧密性和有效性。目前，试验主要根据样品在含有硫化氢的大气中暴露所引起的接触电阻的变化进行性能评价。

4.2.1 试验内容

为确认优化改进后的JWXC-1700型继电器的防护效果，开展硫化氢试验。通过该试验判定优化改进后的继电器耐硫化氢的能力，以及防护措施的有效性。

本次试验取样2台继电器样品（两台样品均为新组装而成），其中既有JWXC-1700型继电器样品1台，优化改进的JWXC-1700型继电器样品1台。

参照相关标准的试验条件，搭建简易容器进行硫化氢对比试验。两台样机放置在密闭的玻璃器皿内，施加一定浓度的硫化氢气体，分别观察、测试两种继电器初始状态、实验3 h、6 h后的外观和接触电阻数值。试验条件如下。

1）温度：20±2℃；

2）相对湿度：75%；

3）实验容器：玻璃干燥容器；

4）硫化氢浓度：20 ppm；

5）试验时间：6 h。

4.2.2 试验结果

不同试验时间后的继电器接触电阻数值如表2所示。

表2 不同试验时间后的两种继电器接触电阻值Tab. 2 Contact resistance values of two relays after diあ erent test time mΩ

由表2可知：在硫化氢试验3 h、6 h后，优化改进的JWXC-1700型继电器接触电阻，其阻值变化一直比较稳定，全部接点均在标准合格范围内；既有JWXC-1700型继电器在硫化氢试验3 h后，有4组接点接触电阻值超过标准合格范围，试验6 h后，阻值超标的接点组数有增大的趋势，共计9组接点。表明随着试验时间的延长，接点的耐腐蚀能力越差。一般而言，继电器的触点是最重要、最易被侵蚀破坏的部位，其故障率约占继电器故障率的80%以上[7]。

不同试验时间的继电器外观状态如图6、7所示。

图6 试验3 h后的继电器外观Fig.6 Relay appearance after 3 h test

图7 试验6 h后的继电器外观Fig.7 Relay appearance after 6 hour test

由图6、7可知：试验3 h后，既有继电器(3 h)动触头、铆钉已变成深咖啡色，银触头发生轻微变色，接点片出现锈斑。优化改进的继电器(3 h)动触头、银触头、铆钉、接点片等零件均无明显变化。一般而言，银和银合金对微量硫化氢特别敏感，易产生变色现象，变色产物呈暗色，主要由β-硫化银组成[8]。

试验6 h后，既有继电器（6 h）动触头、铆钉、银触头颜色继续加深，动触头几乎变成黑色，接点片锈蚀严重，锈斑面积进一步加大。优化改进的继电器（6 h）的动触头颜色轻微加深，呈淡黄色，银触头、铆钉、接点片等金属零件均无明显变化。

综合外观和接触电阻结果可以看出：与既有JWXC-1700型继电器相比，优化改进的JWXC-1700型继电器可以有效降低硫化氢对继电器接点的腐蚀影响，起到较好防护作用。

5 结语

铁路信号AX继电器作为铁路信号系统中重要的基础器材，其安全性、可靠性是保证列车稳定、高效运行的必要条件。分析外界颗粒、粉尘等异物进入继电器罩内的危害及原因，通过采用合理的防尘优化措施，证明可有效提高器材的防护效果。目前， JWXC-1700型继电器的防尘优化改进已得到相关验证、确认，取得了阶段性的成果，后期需扩展到其他AX继电器型号进行相关研究。同时，进一步提升整机的防护性能使其达到更高级别，是后续攻关研究方向。