梅积刚
（西安铁路信号有限责任公司，西安 710100）
ZD6系列电动转辙机广泛应用于铁路电气集中站场，用于转换、锁闭道岔尖轨或心轨，改变道岔开通方向。移位接触器是ZD6转辙机中一个重要部件，其接点串联于道岔控制系统的表示电路中，在转辙机转换到位并对道岔进行锁闭后，表示电路接通，给出道岔位置状态的指示。道岔表示与道岔的实际位置一致，如道岔可动部分的实际位置失位，导致转辙机动作杆与齿条块的相对位移量超过2.5 mm，将齿条块中的顶杆顶起，将移位接触器的常闭接点可靠断开，从而断开表示电路，且接点不经人工恢复不会再次接通表示电路，确保铁路运输的行车安全。
移位接触器的接线螺柱紧固在开关盒上，开关盒为透明材质，便于观察接点的状态，以及对接点的维护检查。近年来，在现场使用过程中，会发生移位接触器开关盒“开裂”的现象，严重者会导致开关盒局部脱落，给线路的正常运营造成不良影响。通过对零件材料、制造工艺及零件结构的综合试验及分析，找到移位接触器开关盒开裂的原因，并对移位接触器结构及制造工艺进行改进，解决移位接触器“开裂”的问题。
移位接触器安装于ZD6转辙机箱体内，受设备空间的限制，零件结构设计较为复杂。综合零件功能及可加工性，选用聚碳酸酯作为移位接触器开关盒材料，生产中采用注塑成型。聚碳酸酯英文名称为Polycarbonate，简称PC塑料，其分子链中含有碳酸酯基的高分子聚合物，名称源于其内部的碳酸酯基团。其分子结构如图1所示。
图1 聚碳酸酯分子结构Fig.1 Molecular structure of polycarbonate
由于其分子中包含碳酸酯链和苯环，碳酸酯链的存在，使得该材料具有较高的弹性系数，耐冲击性好。而苯环的存在，又具备了高强度的特点，加之聚碳酸酯本身又是一种几乎无色的玻璃态的无定形聚合物，有很好的光学性。因此采用聚碳酸酯加工的零件，具有优良的耐冲击性、尺寸稳定性、高透光性、耐疲劳性，同时它又有良好的阻燃性和耐高、低温性能，热分解温度在300℃以上，脆化温度低达-100℃，可在-60℃～120℃下长期使用，满足转辙机使用环境温度-40℃～70℃要求。聚碳酸酯具有良好的热加工性能，聚碳酸酯热熔后，流动性好，产品成型速度快，外观光洁漂亮的特性，适合制造结构复杂的零件。
2.1 内应力的产生
在聚碳酸酯原材料熔融加工成型过程中，已排列好的晶粒在外力的作用下，需要沿外力的作用方向进行重新排列取向。聚碳酸酯分子链上具有苯环，导致重新取向困难，而被迫重新取向的分子链有恢复自然状态的趋势。在零件的逐渐固化过程中，有的分子链已先被冻结，就会导致重新取向的分子与先被冻结的分子相互作用，导致制品内部产生较大的残余应力。残余应力对聚碳酸酯零件的影响比较大，当外部环境温度、湿度发生较大的变化，或有较大外力共同作用时，会诱发零件的开裂现象。
2.2 应力的检测
在聚碳酸酯零件的生产过程中，需要对制品的内应力进行检测。通常的检测方法为化学试剂浸泡法或偏振光检验法。
化学试剂浸泡法一般采用苯、四氯化碳、环己烷、乙醇或甲醇，通过浸泡促使化学试剂渗透到成形零件的分子结构中，破坏聚合物链的内分子力，从而加快分子断裂，通过记录制品开裂的时间及裂纹的多少来判断内应力的大小。
偏振光检验法利用聚碳酸酯零件的透明特性，把成品零件放置于偏振光镜片之间，从镜上观察零件表面彩色光带面积，以彩色光带面积的大小来确定零件内应力大小，如果观察到的彩包光带面积大，说明制品内应力大。
根据移位接触器开关盒零件结构及批量生产的检测速度要求，零件的应力检测采用四氯化碳浸泡法。如果浸渍15 s内就开裂，说明零件内应力很大，如果超过2 min未见裂纹，说明零件内应力很小。
2.3 零件结构
移位接触器的固定螺钉及接线螺柱均安装在开关盒上，在紧固过程中施加的预紧力直接作用到聚碳酸酯的开关盒上。转辙机的机内使用油漆和油脂，其成分复杂，添加剂种类丰富。矿物或合成的润滑剂会导致塑料弹性体随着时间的推移而膨胀或破裂。膨胀、开裂甚至变色，虽然不是即时的，但转辙机长期在户外使用，这些润滑脂的各种成分在高温下挥发，汇集在转辙机内。在高温的催化下，这些物质容易导致聚碳酸酯零件在应力产生处发生渗透，吸收有机物质而加速应力开裂。应力开裂的裂纹一般都呈炸裂的形式，如图2所示为现场使用过程中开关盒开裂的移位接触器。对开裂处进行微观观察，开裂面光滑且平坦，呈明显的脆性开裂特征，主裂纹前沿与银纹扩展前沿交接，如图3所示。
图2 开关盒开裂的移位接触器Fig.2 Shift contactor with cracked switch box
图3 裂纹微观形貌Fig.3 Microscopic appearance of crack
通过对移位接触器开关盒开裂的原因分析，解决移位接触器开关盒开裂的问题，主要是解决聚碳酸酯开关盒的应力问题。
3.1 降低零件生产过程中的内应力
在移位接触器开关盒生产过程中，采用聚碳酸酯熔融后注塑成型。聚碳酸酯在成型的过程中会产生取向应力，在零件成型后需进行热处理消除取向应力，其方法是对成型制品进行退火处理。退火处理是指将制品凡在热介质中静置一定时间，使分子由不平衡向平衡缓慢转变，先冻结的分子链获得能量而进行热松弛，使应力得到释放。聚碳酸酯零件的退火温度比零件的热变形温度低20℃左右，退火的温度、时间与零件的壁厚和结构复杂程度有关。
采用科思创(Covestro)模克隆(Makrolon)PC 2558聚碳酸酯颗粒，中粘度材料，制作试验样件。样件分别进行不退火处理及采用不同时间、不同温度进行退火处理。用LZY-150数显应力仪进行测试，不退火处理的样件相对应力为53.81 nm，退火处理样件的应力检测数据如表1～3所示。
表1 聚碳酸酯样件退火1 h应力检测Tab.1 Stress table of polycarbonate sample annealed for 1 h
表2 聚碳酸酯样件退火2 h应力检测Tab.2 Stress table of polycarbonate sample annealed for 2 h
表3 聚碳酸酯样件退火4 h应力检测Tab.3 Stress table of polycarbonate sample annealed for 4 h
通过检测数据可以看出，聚碳酸酯零件的退火工艺可显著降低其内应力，在试验的不同退火工艺下，降低率在15.4%～37.9%之间。从表中可以看出，退火温度对零件的内应力的减小影响比较大，退火时长对零件内应力的减小影响不明显。
移位接触器开关盒壁厚约1.5 mm，结构较为复杂，120℃退火处理时，零件有微变形。结合壁厚和零件结构，开关盒零件退火工艺确定为在110℃左右保温4 h，降低或基本消除内应力。
通过对热处理前、后的聚碳酸酯开关盒浸泡对比测试，不进行热处理的零件，2～3 s内就四散开裂。热处理后的零件浸泡3 min，仍能保持原始状态。
通过上述测试，退火处理可以显著降低零件的内应力，但退火处理也只是将零件的内应力降低到一定范围内，让零件不至于在初期就出现开裂问题。但是，由于受移位接触器开关盒的结构限制，固定螺钉及接线螺柱上的紧固预紧力无法消除，会在后期的使用过程中留下开裂诱因。已通过四氯化碳溶液检测的零件，安装成组件后，由于组装过程中产生了较大的螺纹件预紧力，开关盒承受了一定的应力，在转辙机箱体内的复杂环境中，承受环境的交变湿热的循环，仍有产生裂纹的情况。
3.2 结构改进
原移位接触器聚碳酸酯的开关盒零件结构如图4所示。结构比较复杂，各处壁厚不均，厚度变化明显。在热塑成型时，不同的壁厚会导致熔融材料冷却快慢不同，增加了内应力的产生。
图4 原结构Fig.4 The original structure
在零件的安装及使用过程中，开关盒还需承受螺纹紧固件的预紧力，致使零件产生额外应力。
改进设计的移位接触器如图5所示。通过改进移位接触器结构，让移位接触器的聚碳酸酯零件在组装紧固过程中不承受预紧力，避免产生额外应力。具体方法是将开关盒设计成分体式，其固定部分的固定座及接线柱安装采用高强度的绝缘材料制成，接线螺柱的预紧处预留安装凸台，用以承受安装紧固和接线产生的预紧力。聚碳酸酯的开关盒观察罩设计为卡口式，罩在固定座上即可，其结构简单，壁厚均匀，零件在冷却时的速度一致，避免冷却内应力及取向内应力的产生。
图5 改进结构Fig.5 The improved structure
该设计优化不改变移位接触器的功能和安装接口，与既有设备可完全互换，且避免了聚碳酸酯开关盒承受预紧力。
聚碳酸酯零件的应力开裂是比较常见的问题，需要从零件的结构、制作工艺及零件的检测等多方面进行研究改善，以降低零件故障率，提高可靠性。
通过改进移位接触器结构，加强工艺控制，消除移位接触器开关盒的开裂隐患。改进后的移位接触器经模拟环境的高、低温试验，开关盒未见开裂现象。在通过测试及验证合格后，已在现场试用，使用情况良好，提高了铁路安全运输的可靠性。
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