彈性元件絕緣電阻的試驗(yàn)研究

羅能鳳，馮里根，劉國鈞，王 進(jìn)，譚帥霞，姜其斌

（株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司 技術(shù)中心，湖南株洲412007）

隨著我國鐵路運(yùn)輸朝著高速、重載方向快速發(fā)展，機(jī)車車輛的振動和噪聲控制越來越重要，為了有效減少輪軌作用力和改善系統(tǒng)走行性能，大量的高品質(zhì)減振彈性元件被采用［1］。目前，科研工作者高度關(guān)注彈性元件的減振降噪效果及其疲勞性能。但是鐵路上普遍采用的諧振式無絕緣軌道電路傳輸系統(tǒng)，是以鋼軌作為信號回流線，道床絕緣將大大降低渦流阻抗，減少回流電路的能量損失，保證信號的傳輸長度［2］，從而防止列車追尾和沖突事故，確保行車安全，因此鐵路專用彈性元件的絕緣性能也十分重要。目前對無負(fù)載條件下彈性元件的絕緣性能已有諸多研究，但有負(fù)載條件下的研究卻鮮有報(bào)道。實(shí)際使用中彈性元件總承受一定負(fù)載，本文將重點(diǎn)研究彈性元件在有負(fù)載與無負(fù)載情況下的絕緣性能差異，并討論試驗(yàn)電壓選擇對電阻試驗(yàn)結(jié)果的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 主要儀器和試驗(yàn)裝置

ZC-46A型高阻計(jì)（上海精密科學(xué)儀器有限公司）；6517B型高阻計(jì)（美國吉時(shí)利儀器公司）；CSS-55100電子萬能試驗(yàn)機(jī)（長春試驗(yàn)機(jī)研究所）；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）；彈性元件（株洲時(shí)代新材料科技股份有限責(zé)任公司）；高阻絕緣硬制墊板（自備）。

1.2 基本配方

表1 彈性元件中橡膠基本配方（質(zhì)量份數(shù)）

1.3 試驗(yàn)方法

（1）不加載絕緣電阻試驗(yàn)

圖1為不加載絕緣電阻試驗(yàn)現(xiàn)場測試照片，用高絕緣同軸屏蔽電纜導(dǎo)線將彈性元件接入高阻計(jì)的高壓端與低壓端。對于絕緣電阻值大于108Ω的產(chǎn)品，一般選擇500V或1 000V電壓進(jìn)行測試，對于絕緣電阻值小于108Ω的產(chǎn)品，一般選擇100V或50V電壓進(jìn)行測試。

圖1 不加載絕緣電阻試驗(yàn)（二系橡膠墊產(chǎn)品現(xiàn)場測試照片）

（2）加載絕緣電阻試驗(yàn)

圖2為加載絕緣電阻試驗(yàn)現(xiàn)場測試照片，用高絕緣同軸屏蔽電纜導(dǎo)線將彈性元件接入高阻計(jì)的高壓端與低壓端，在彈性元件上端和下端墊上高阻絕緣硬制墊板，通過CSS-55100電子萬能試驗(yàn)機(jī)對彈性元件加載到產(chǎn)品規(guī)定的載荷，根據(jù)產(chǎn)品電阻值的高低，選擇適合的電壓。

圖2 加載絕緣電阻試驗(yàn)（二系橡膠墊產(chǎn)品現(xiàn)場測試照片）

2 結(jié)果分析

2.1 不加載絕緣試驗(yàn)與加載絕緣試驗(yàn)的比較

圖3給出了兩種彈性元件在不同加載情況下的絕緣電阻變化趨勢。試驗(yàn)所用彈性元件膠料主要成分均為表1中1＃配方。從圖3可以看出，隨著電機(jī)墊所受載荷，從零開始逐漸增大，絕緣電阻也顯著增加，曲線單調(diào)上升，這是因?yàn)殡S著加載力的增大，天然橡膠變形在微觀上表現(xiàn)為高分子鏈的相對滑移、扭轉(zhuǎn)及折疊等運(yùn)動，使得部分導(dǎo)電通道被破壞，因而電阻率隨壓力增大而增大［3-4］。而在地鐵下電極墊加載末期，載荷達(dá)到40kN，絕緣阻值出現(xiàn)下降，這有可能是加載過程中樣品受到擠壓，使得樣品內(nèi)部導(dǎo)電粒子炭黑出現(xiàn)連續(xù)相［5］，炭黑作為一種導(dǎo)電材料，導(dǎo)致了電阻的降低。而二系橡膠墊曲線中并沒有出現(xiàn)阻值下降的情況，原因在于不同產(chǎn)品所能承受的最大力不同，同一配方的產(chǎn)品有的承載力大，有的承載力小，這與產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)有關(guān)（如圖4、圖5所示），二系橡膠墊的承載力較大，在所測范圍內(nèi)仍未達(dá)到最大值。

圖3 某地鐵下電機(jī)墊（1＃配方）與二系橡膠墊（1＃配方）不同加載力下的絕緣電阻

圖4 電機(jī)墊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

圖6為軸箱轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)材料在不同加載情況下的絕緣電阻變化趨勢，所用的膠料配方是表1中2＃配方。從圖6可以看出，隨著樣品所受載荷，從零開始逐漸增加，絕緣電阻變化趨勢與圖3所示相反，隨著載荷增加，電阻值反而減小。這是由于圖6所用配方中炭黑含量明顯高于圖3，由于炭黑的含量高，隨著加載力的增加，樣品內(nèi)部炭黑導(dǎo)電粒子出現(xiàn)連續(xù)相的數(shù)量也增加，導(dǎo)致電阻下降。

圖5 二系橡膠墊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

通過圖3～圖6的比對，可以發(fā)現(xiàn)不同配方膠料在增加加載力的情況下，電阻的變化趨勢也不相同。高炭黑配方膠料在加載的情況下電阻變小，低炭黑配方膠料在加載的情況下電阻變大，但加載到一定值時(shí)，電阻值下降。同時(shí)這也表明膠料配方比加載力對彈性元件絕緣電阻的影響更大，即絕緣材料本身分子結(jié)構(gòu)較加載因素對彈性元件絕緣電阻的影響更顯著［6］。

圖6 軸箱轉(zhuǎn)臂節(jié)點(diǎn)（2＃配方）不同加載力下的絕緣電阻

2.2 絕緣電阻試驗(yàn)結(jié)果的影響因素

2.2.1 測試電壓對彈性元件電阻試驗(yàn)值的影響

將某地鐵下電機(jī)墊作為研究對象，在不同加載力和不同測試電壓下進(jìn)行絕緣電阻試驗(yàn)。由圖7可見，50V測試電壓條件下的曲線始終在100V測試電壓條件的曲線上方，這表明同樣的加載力條件下，50V電壓下的測試電阻較100V電壓下的測試電阻高。這是因?yàn)榻橘|(zhì)材料的電阻值只能在一定電壓范圍內(nèi)保持不變。在常溫條件下，在較低的電壓范圍內(nèi)，電導(dǎo)電流隨外加電壓的增加而線性增加，材料的電阻值保持不變。而超過一定電壓后，由于離子化運(yùn)動加劇，電導(dǎo)電流的增加遠(yuǎn)比測試電壓增加得快，材料呈現(xiàn)的電阻值迅速降低［6］。由此可見，在一定條件下，外加測試電壓越高，材料的絕緣電阻值越低。

圖7 測試電壓對測試電阻值的影響

2.2.2 其他影響因素

（1）環(huán)境溫濕度

一般來說，材料的電阻值隨環(huán)境溫濕度的升高而減小。溫度升高，載流子的運(yùn)動速率加快，介質(zhì)材料的吸收電流和電導(dǎo)電流會相應(yīng)增加，一般介質(zhì)在70℃時(shí)的電阻值僅有20℃時(shí)的10%。因此，測量材料的電阻時(shí)，必須指明試樣與環(huán)境達(dá)到平衡的溫濕度。

（2）測試時(shí)間

用一定的直流電壓對被測材料加電壓時(shí)，被測材料上的電流在達(dá)到穩(wěn)定值之前，會有一衰減過程。這一過程中，首先出現(xiàn)較大的充電電流，然后是持續(xù)時(shí)間長、緩慢減小的吸收電流，最后達(dá)到比較平穩(wěn)的電導(dǎo)電流。被測電阻值越高，達(dá)到平衡的時(shí)間則越長。因此，為了正確讀取被測電阻值，應(yīng)取電阻值穩(wěn)定后或加電壓1min后的讀數(shù)。另外，高絕緣材料的電阻值還與其所帶電荷有關(guān)。所以為了準(zhǔn)確評價(jià)材料的靜電性能，在進(jìn)行電阻測試時(shí)，應(yīng)首先對材料進(jìn)行去電處理，并放置調(diào)節(jié)一段時(shí)間，然后再按測量程序測試。

（3）設(shè)備的泄漏

在彈性元件絕緣電阻測試中，線路中絕緣電阻不高的連線，經(jīng)常會不恰當(dāng)?shù)嘏c被測試樣、取樣電阻等并聯(lián)，對測量結(jié)果可能產(chǎn)生較大的影響。為此，為減小測量誤差，應(yīng)采用保護(hù)技術(shù)，在漏電流大的線路上安裝保護(hù)導(dǎo)體，以消除雜散電流對測試結(jié)果的影響；高電壓線由于表面電離，對大地有一定泄漏，所以盡量采用高絕緣、大線徑的高壓導(dǎo)線作為高壓輸出線并盡量縮短連線，減少尖端，杜絕電暈放電；采用聚乙烯、聚四氟乙烯等絕緣材料制作測試臺和支撐體，可避免此類現(xiàn)象。

（4）外界干擾

在測試高絕緣材料時(shí)，通過試樣的電流是很微小的，因此極易受到外界干擾，造成較大的測試誤差。外界干擾主要是雜散電流的耦合或靜電感應(yīng)產(chǎn)生的電勢。因此，在測試電流小于10-10A或測量電阻超過1011歐姆時(shí)，被測試樣、測試電極和測試系統(tǒng)都應(yīng)采取嚴(yán)格的屏蔽措施，以消除外界干擾對試驗(yàn)產(chǎn)生的影響。

3 結(jié)論

（1）對彈性元件絕緣電阻試驗(yàn)的系統(tǒng)研究，明確了加載與不加載對彈性元件絕緣電阻值的影響，有的產(chǎn)品隨著加載力值的增加而增加，有的則相反，這與所使用的絕緣材料本身結(jié)構(gòu)有關(guān)。針對實(shí)際應(yīng)用，采用不同的試驗(yàn)方式，進(jìn)行加載或不加載的絕緣電阻試驗(yàn)，將更有利于指導(dǎo)產(chǎn)品的有效安全使用。

（2）在測試彈性元件絕緣電阻試驗(yàn)中，應(yīng)根據(jù)絕緣電阻情況選擇正確的測試電壓，以確保測試結(jié)果的準(zhǔn)確性；控制好測量溫濕度、測試時(shí)間，防止測試設(shè)備的泄漏及外界的干擾，以確保測試結(jié)果的一致性。

［1］楊 軍，陳忠海.現(xiàn)代軌道交通用彈性元件的開發(fā)和應(yīng)用［J］.機(jī)車電傳動.2003，（z1）：11-13.

［2］吳 衛(wèi)，劉紅燕.諧振式軌道電路電氣絕緣節(jié)在無碴軌道中損耗的研究［J］.石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào).2007，20（3）：93-95.

［3］趙麗瓊，李 斌，丁紹煥.炭黑填充導(dǎo)電硅橡膠導(dǎo)電特性研究概況［J］.有機(jī)硅材料.2011，25（2）：117-120.

［4］張豐導(dǎo).電橡膠的電阻-壓力性能研究［D］.北京：北京工業(yè)大學(xué).2004.

［5］鐘志有，楊玲玲，周 金，等.CB／PP復(fù)合材料的導(dǎo)電性能和PTC效應(yīng)研究［J］.中南民族大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，29（2）31-34.

［6］盧艷華，王 鈞，徐任信，等.溫度對碳纖維／乙烯基酯樹脂導(dǎo)電復(fù)合材料電性能的影響［J］.高科絲纖維與應(yīng)用，2007，32（5）：18-20，24.