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行业新闻

电力机车受电弓滑板

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电力机车受电弓滑板潘连明,张国荣,钱中良,于鹰,盛伟,杨永吉,游庆(戚墅堰机车车辆工艺研究所,江苏常州213011)及应用,展望了我国电力机车受电弓滑板的发展方向。 3:A l前言铁路的电力机车化程度是发达国家交通的一个重要标志,大力发展电气化铁路是提高运输能力、提高铁路参与市场竞争能力的*有效方法我国现有电气化铁路1.46万km,占营业里程的21.47%主要采用铜钢铝和铝合金三种接触网导线,其中铜接触网导线占62%,钢铝接触网导线占36%,其余为铝合金导线新建电气化铁道将大部分采用铜接触网导线接触网导线在使用过程中磨耗严重,甚至发生断线事故,究其原因,有多方面影响因素,其中受电弓滑板的材质是主要影响因素2弓网关系对滑板的要求受电弓滑板是机车供电系统中的重要集电元件。通过受电弓滑板与输电网线的接触,将输电网上的电流引导下来,传输给机车供电系统,来维持电力机车正常运行。高速运行的电力机车上的滑板一旦失效,将严重危及行车安全。因此要求它的使用必须经济安全,既对接触网导线磨耗小,自身有足够的使业于大连铁道学院金属材料专业,硕士,现主要从事铝合金材料及其铸造工艺的研究用寿命,又不影响弓网关系一般说来,好的受电弓滑板需具备如下特性:足够的机械强度;小的电阻率和接触电阻;良好的减磨性和自润滑性能;一定的耐磨性;良好的耐热、耐电弧性能;(6较好的耐候性;(7便于实现轻量化和标准化。 3影响滑板寿命和磨耗的主要因素滑板的实际使用寿命取决于滑板本身材质和机车运行的工况其主要的失效形式就是磨耗到限对于碳滑板,还可能因折断、脱落掉块而必须更换滑板磨耗可分为机械磨耗和电气磨耗机械磨耗指弓线间通过机械接触产生的磨耗电气磨耗是指运行中滑板离线产生电弧而引起的磨耗影响滑板磨耗的主要因素有:接触压力、受电电流和走行速度,此外,还与线路状态接触网悬挂类型受电弓性能滑板材质及运行条件等因素有关3.1接触压力的影响滑板的电气磨耗随着接触压力的加而减小。这是因为随接触压力的加,离线现象减少。滑板的机械磨耗随接触压力的大而大在滑板材质、润滑条件、速度一定的情况下,由摩擦产生的纯机械磨耗量可近似地认为与接触压力成正比滑板离线产生的电弧放电也会使滑板表面变形变质而大机械磨损量滑板和导线间的接触压力须控制适宜,过大可导致弓线间产生粘着磨损,过小会加滑板离线率滑板和导线间接触压力一般控制在70N左右3.2受电电流的影响滑板的电气磨耗随受电电流大而大受电电流还影响滑板表面温度滑板表面在导电时产生的热量与电流的平方成正比受电电流越大,滑板表面温度越高,使滑板接触面工况恶化,导致机械磨耗加剧因此,在大负荷受电、离线又多的情况下,滑板的寿命变得极短3.3走行速度的影响走行速度对滑板磨耗的影响主要反映在两个方面一是高速走行加了离线次数,滑板磨耗量与离线率成正比其次是高速走行加了滑板面摩擦产生的热量,导致滑板表面升温,引起滑板表面状况恶化因此,磨耗量随走行速度的提高而大此外,滑板的磨耗还受周围环境的影响机车在粉尘风沙大的地方运行,粉尘、砂粒等落在滑板与导线之间,产生磨粒磨损,也会加滑板和导线的磨掼在有冰霜的季节、雨季,碳滑板的寿命会缩短因为适量的水分能加石墨的润滑性能,降低摩擦因数,但过多的水分容易造成火花和打弧现象,其结果使滑板的磨损加4电力机车受电弓滑板用材料电力机车受电弓滑板按材料分类,主要有金属滑板和碳素滑板两大类表1是国内外主要滑板的类型及其性能表1国内外主要滑板类型及其性能国家、地区种类密度表面硬度/HS强度/MPa电阻率主要成分抗折抗压日本MC(浸金属碳)碳、锡、铅(纯碳)碳BC(烧结合金)铜、铁、锡、镇欧美MY7D(浸金属碳)碳、铜、锡、铅碳中国纯碳滑板碳粉末冶金滑板铜或铁钢滑板钢浸金属碳滑板浸金属4.1纯金属滑板钢、铜等纯金属滑板是我国20世纪60年代早期的电力机车受电弓滑板产品该类型滑板机械强度高,集电容量大,耐磨性和导电性都较好。由于滑板和导线材质相近,与接触网导线亲和力强,加之无自润滑性能,所以对接触网导线磨耗十分严重,与之接触的钢铝导线寿命一般仅有3a由于对导线磨耗严重,该类型滑板现在己不能适应电气化铁路发展的需要。 4.2粉末冶金滑板粉末冶金滑板分为铁基和铜基两类铁基的适用于钢铝导线,铜基的适用于铜导线。粉末冶金滑板机械强度高,抗冲击性好,有较好的导电性耐电弧性以及较低的固有电阻,耐热性高,热传导性良好,耐磨性和减磨性好,有一定的自润滑性能,电腐蚀性较小,使用寿命较长,一般为3.5万~7万km我国的20多个电力机务段中,粉末冶金滑板己被15个电力机务段或厂家应用,进口8K和6K机车也先后使用。日本的新干线也使用过粉末冶金滑板。 粉末冶金滑板制造方法如下:以金属(铁、铜)粉末为基本成分,添加一些润滑成分(如碳、铅和二硫化钼等硫化物),通过机械混合,使各种成分均匀化,利用液压机将混料模压成型,然后将毛坯高温烧结,烧结后浸入润滑油,*后机加工成型由于粉末冶金滑板材料是金属体,和导线材质差不多,而导线是静态,滑板是动态,所以粉末冶金滑板对导线磨耗较大加之其自润滑性能的局限性,粉末冶金滑板对铜接触网导线的磨耗比较严重我国在20世纪80年代末京秦线、大秦线的铜导线上使用粉末冶金滑板,仅运行2a,铜导线就严重磨损,期间分相绝缘器中性区及两端接头处的接触网导线更换了十几次,并发生了数起断线事故。受电弓滑板不断被接触网的硬点所打断,刮弓事故也不断出现。 为了改善弓网间的摩擦条件,可在粉末冶金滑板上添加润滑剂润滑剂有润滑油(脂)和固体润滑剂两种。由于润滑油(脂)易硬化,易被水冲掉,易高温挥发和失效,飞散的黄油会污染车顶设备和降低车顶电气的绝缘强度,所以多选择在粉末冶金滑板上加装固体润滑剂(如石墨、石蜡)现己有一种受电弓滑板用固体润滑材料的专利产品,它是用石蜡树脂作粘结剂,熔融并加入石墨和某些金属粉末微粒,用浇注成型的方法制得的4.3纯碳滑板碳滑板本身就是很好的润滑剂,自润滑性能和减磨性能好,对接触网导线磨损小,滑动时电磁噪声小,且耐高温,不易和接触网导线发生焊附现象碳滑板在与铜接触网导线摩擦时可以在导线上形成一层碳膜,大大改善了导线的磨耗状况但是碳滑板机械强度低,耐冲击性差,运行中遇到导线硬点容易造成滑板折断和破裂,使用寿命低,特别是在雨季和潮湿地区,易局部拉沟,常出现弓网事故。另外,碳滑板固有电阻大,集电容量小,接触温度高,有可能引起导线过热氧化,烧成连续麻坑,加速导线磨耗碳滑板粉末还会污染机车绝缘子和接触网绝缘子,造成绝缘子发生放电现象,引起击穿碳滑板可用如下方法制造:将一定比例的沥青焦、石油焦、石墨粉、炭黑或硬碳在混料机中混合均匀;然后加入一定量的煤焦油沥青,搅拌成炭糊状;然后将炭糊挤压成型;成型坯料在高温保护性气氛烧结炉内焙烧;向焙烧制品中浸渍高温煤油焦沥青;浸渍后进行固化处理制得滑板坯料;*后对所制取的坯料进行机加工整形。向滑板中浸渍高温沥青既可以降低滑板的孔隙率,使滑板吸水率低于%,达到封孔和防水的目的,加阴雨潮湿天气下的使用寿命,还可以提高滑板的综合机械性能国内生产碳滑板的厂家主要有哈尔滨碳素厂和东兴碳素厂;国外生产碳滑板的厂家有英国的摩根公司和德国逊克公司国内碳滑板与国外碳滑板均由碳、石墨和沥青组成,二者物理和机械性能相当但是二者使用寿命相差较大哈尔滨碳素厂的C23系列碳滑板用于我国20世纪六七十年代电力机车上,其使用寿命仅1万km左右摩根碳滑板用于广深线准高速电力机车上,逊克碳滑板用于九广公司的KTT机车上,它们的使用寿命均达7万~ 8万km这可能与进口滑板安装有铝合金托架有关。在碳滑板下面安装铝合金托架,可大大提高碳滑板的整体机械性能4.4浸金属碳滑板浸金属碳滑板既具有粉末冶金滑板机械强度高电阻率小的特点,又具有纯碳滑板对导线磨耗小在导线摩擦表面易形成润滑膜和熄弧性强的优良性能,是目前被认为对线适应能力较强的滑板类型经每万弓次统计,浸金属碳滑板对铜导线的磨耗比碳滑板的高1~ 20%,仅为粉末冶金滑板的1/6~1/4;滑板自身磨耗量是粉末冶金滑板的2 2倍,是纯碳滑板的1/今1/3该滑板是铜导线区段较为理想的受电弓滑板浸金属碳滑板基本制造方法如下:先制成碳滑板坯料,然后向坯料中浸渍熔融金属,形成坚硬的网状骨架,达到提高滑板强度、耐冲击性、耐磨性和延长使用寿命的目的用于浸渍的金属必须具有机械强度高耐磨导热率高、耐腐蚀,在熔融状态下粘度小,流动性好的特点。一般选用锡锑铜铅合金或巴氏合金为了达到好的浸渍效果,针对金属对碳石墨浸润性差的问题,一方面可采用真空高压浸渍设备,另一方面可采取措施改善合金和碳石墨的浸润性,如用浸渍金属的盐熔液煮沸坯料,在还原性气氛下使坯料空隙表面形成金属层,或者向合金中添加促进浸润的物质(如BOiSi2TiCrMn等)4.5复合材料滑板复合材料滑板是近几年随着复合材料的兴旺发展而出现的,国内目前尚处于试验开发阶段,还没有产品投入实际应甩4.5.1碳一金属纤维复合材料滑板以金属纤维、金属粉末金属丝网或它们的混合物强碳基体,采用适当的混料方式使强剂均匀地分布于基体之中,然后进行冷压或热压,再经过高温烧结即得到该复合材料。这种材料的机械性能和导电性能都比较妊但如果出现强剂的损伤,复合材料的导电性能会严重恶化由于金属在碳基体中以较大的尺寸分布,该复合材料滑板对铜导线的磨损也较严重20世纪90年代初国外生产了一种碳基体分布着钢纤维的复合材料。该方法用焦炭粉混合钢纤维(体积分数为30%),以沥青作粘结剂,经500*C热压成型,然后于1 000*C碳化处理,经800*C热处理后水淬而成由于在碳化和热处理过程中,钢纤维表面会发生过度渗碳,降低复合材料的抗弯强度,因此需对钢纤维进行表面预处理,主要是化学镀铜。钢纤维表面经化学处理后,抑制了金属纤维的碳化趋势,保证了金属纤维本身的强度不被削弱,从而提高了碳素复合材料的整体强度这种复合材料的密度约为3.7g/cm3,硬度在75HS左右,抗弯强度在160MPa左右,冲击韧性约为1. 0J/cm2,电阻率约为4.5.2碳一碳复合材料滑板上海交通大学和宝钢(集团)公司针对碳滑板的不足,联合开发了一种新型的碳纤维强碳基复合材料的受电弓滑板。该滑板以镀铜石墨粉和镀铜焦碳粉末为基体材料,采用短碳纤维作为强剂,并用热固性树脂作为粘结剂,将原料充分混合后,进行冷压或热压成型该滑板材料可根据需要,通过调整镀铜粉末的铜含量来调节该材料的电阻率。冷压成型后,还可根据用户的使用要求,对材料进行浸渍树脂处理和烧结处理,以进一步提高复合材料的致密性和机械性t能用该复合材料制得的滑板不仅具有优良的摩擦磨损性能,而且具有良好的机械性能和导电性能,是一种综合性能十分优秀的受电弓滑板但该滑板生产周期长,成本高目前虽己申请专利,尚未投入应用。如果在降低制作成本方面能有所突破,该滑板无疑具有广阔的应用前景。 5我国受电弓滑板的发展方向(1今后我国电力机车干线将采用铜合金导线,与之相匹配的受电弓滑板应以碳结构为主浸金属碳滑板和碳基复合材料是今后的主要发展方向整体式滑板在使用可靠性方面优于分段式的开发新型滑板,需以整体式弧线型滑板为主国外受电弓滑板上安装有快速降弓系统,以便在接触网位置异常或有异物、滑板磨耗到限或损坏时实现快速降弓,避免弓网事故的发生我国也应开展带有故障自检装置的受电弓滑板的研究,实现紧急情况下自动快速降弓。

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