鐵路受電弓平滑肌磨損的原因分析

鐵路受電弓平滑肌磨損的原因分析

1鐵路運(yùn)輸高速化對(duì)受電弓滑動(dòng)的影響隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和交通運(yùn)輸市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，提高鐵路運(yùn)營(yíng)速度已成為一個(gè)緊迫的問(wèn)題。目前我國(guó)的鐵路提速是通過(guò)修建電氣化鐵路和對(duì)既有線路的改造實(shí)現(xiàn)的。自1961年我國(guó)第一條電氣化鐵路開(kāi)通后,經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,有了巨大的進(jìn)步,中國(guó)已建成電氣化鐵路1.3萬(wàn)多公里,電氣化鐵路占全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程的24%,承擔(dān)運(yùn)量占鐵路總運(yùn)量的1/4以上。到2002年底,中國(guó)電氣化鐵路建設(shè)里程已經(jīng)名列世界第三位。預(yù)計(jì)到2005年,中國(guó)電氣化鐵路建設(shè)里程將達(dá)到2萬(wàn)公里,到2010年將達(dá)到2.6萬(wàn)公里。鐵路的電氣化和高速化已成為世界鐵路運(yùn)輸發(fā)展趨勢(shì),只有實(shí)現(xiàn)電氣化,才能實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸高速化目標(biāo)。受電弓滑板是電力機(jī)車(chē)的關(guān)鍵部件,滑板質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)機(jī)車(chē)受流狀況有重要影響。受電弓滑板直接與接觸網(wǎng)導(dǎo)線接觸,在靜止或滑動(dòng)狀態(tài)下從接觸網(wǎng)獲取電能為機(jī)車(chē)供電,長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境下工作,且在運(yùn)行中由于離線等因素與接觸網(wǎng)導(dǎo)線不斷產(chǎn)生電的燒蝕、機(jī)械磨損,因此對(duì)其材料性能有著十分苛刻的要求。在接觸網(wǎng)既定的前提下,滑板一般應(yīng)滿(mǎn)足以下性能:良好的導(dǎo)電性;抑制離線電弧的產(chǎn)生和抗電弧燒傷性;良好的減磨耐磨性;足夠的強(qiáng)度;對(duì)自然環(huán)境強(qiáng)的適應(yīng)性;小的電阻率和接觸電阻;便于實(shí)現(xiàn)輕量化和標(biāo)準(zhǔn)化,對(duì)接觸網(wǎng)導(dǎo)線損傷小,價(jià)格低等。2機(jī)械與電氣耦合摩擦與磨損是在壓力作用下相互接觸的兩物體在其接觸面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所引起的現(xiàn)象?；逶诨瑒?dòng)中從接觸網(wǎng)導(dǎo)線上獲得電流,與接觸網(wǎng)導(dǎo)線構(gòu)成了一對(duì)機(jī)械與電氣耦合的特殊摩擦副,這種摩擦副中主要存在著兩種性質(zhì)的磨損——機(jī)械磨損與電氣磨損?；迥p率與接觸表面產(chǎn)生的熱有關(guān),這些熱主要由摩擦力、接觸電阻、離線電弧產(chǎn)生。2.1粘連、剪斷和磨損引起的磨損機(jī)械磨損是滑板在接觸網(wǎng)導(dǎo)線上滑動(dòng)時(shí)由于二者之間發(fā)生摩擦或沖擊而引起的磨損。摩擦是一種能量轉(zhuǎn)換過(guò)程,有物理、化學(xué)、電化學(xué)等復(fù)雜現(xiàn)象。其中包括摩擦副材料及周?chē)橘|(zhì)之間的相互作用,表層材料的轉(zhuǎn)移等,摩擦結(jié)果導(dǎo)致磨損。在壓力作用下,相互接觸的兩物體表面因?yàn)槟Σ?接觸點(diǎn)產(chǎn)生瞬時(shí)高溫,引起兩物體發(fā)生粘著,相互移動(dòng)時(shí)又將被剪切斷開(kāi),使兩物體發(fā)生滑溜。摩擦就是粘著與剪斷交替進(jìn)行的躍動(dòng)式過(guò)程。摩擦?xí)r粘著點(diǎn)的形成和破壞導(dǎo)致磨損。摩擦表面有磨粒磨損痕跡,出現(xiàn)薄片狀磨屑,在磨擦過(guò)程中加劇磨損。由于滑板沿導(dǎo)線高速滑行,有時(shí)速度可達(dá)20～50m/s,其高溫粘著,沖擊碎裂傾向十分嚴(yán)重,由此造成的磨損在滑板總磨損中占有相當(dāng)比重,可見(jiàn)提高抗粘著性和機(jī)械強(qiáng)度是減小滑板磨損的有效途徑。2.2導(dǎo)線和帶血管磨損受電弓滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線的工作特性在本質(zhì)上屬于電接觸范疇。其磨損情況也突出地表現(xiàn)出電磨損的特點(diǎn)?；迮c導(dǎo)線因某種原因接觸不良或離線等將產(chǎn)生火花或電弧,引起電氣磨損,并且會(huì)產(chǎn)生小雨滴狀的磨屑。在接觸受流時(shí)由于電流通過(guò)引起溫升,據(jù)實(shí)際測(cè)定,滑板摩擦面上的溫度可達(dá)250～600℃,導(dǎo)致接觸表面物理狀態(tài)發(fā)生變化,如氧化等,造成附加機(jī)械磨損,從而加大了總磨損。電氣磨損的特點(diǎn)是磨損隨受流量、離線時(shí)間及離線頻率的增加而增加,因此接觸導(dǎo)線電氣磨損較為嚴(yán)重的情況一般在容易發(fā)生離線、導(dǎo)線與滑板接觸質(zhì)量較差等處發(fā)生。此外,導(dǎo)線及滑板的缺陷處也往往是電氣磨損嚴(yán)重的部位。磨耗與滑板的材料密切相關(guān),還受到霜露雪等水分環(huán)境的氧化、腐蝕磨損。若要提高滑板、接觸導(dǎo)線在高速條件下的壽命和動(dòng)態(tài)受流性能,就必須研制新型滑板。3由于電弓架的材料分類(lèi)和性能特點(diǎn)，電力機(jī)車(chē)受電弓滑板是一種滑動(dòng)摩擦集電材料,其種類(lèi)有純金屬滑板,粉末冶金滑板,碳滑板,浸金屬碳滑板,復(fù)合材料滑板等。3.1電弓滑動(dòng)產(chǎn)品鋼、銅等純金屬滑板是我國(guó)20世紀(jì)60年代早期的電力機(jī)車(chē)受電弓滑板產(chǎn)品。機(jī)械強(qiáng)度高,取材方便,使用壽命長(zhǎng),成本低,引發(fā)弓網(wǎng)事故障礙概率小,但對(duì)接觸導(dǎo)線磨耗大,特別對(duì)銅接觸導(dǎo)線磨耗嚴(yán)重。國(guó)內(nèi)早期電力機(jī)車(chē)采用,現(xiàn)限制使用。3.2鐵基粉末螺釘粉末冶金滑板分為銅基和鐵基兩類(lèi)。銅基粉末冶金滑板:機(jī)械強(qiáng)度較好,表面硬度適中,滑板和導(dǎo)線的磨耗比較匹配。針對(duì)粉末冶金滑板材質(zhì)潤(rùn)滑較少、含油較低的缺點(diǎn),北京粉末冶金廠、鐵道部科學(xué)研究院金屬與化學(xué)研究所相繼推出了機(jī)械復(fù)合式銅基粉末冶金滑板。這種滑板可隨時(shí)提供潤(rùn)滑,大大地降低了對(duì)接觸導(dǎo)線的磨耗,同時(shí)其自身的耐磨性也比較好。鐵基粉末冶金滑板:鐵基滑板目前已得到廣泛應(yīng)用,特別是在鋼鋁導(dǎo)線區(qū)段,運(yùn)用效果相當(dāng)好。此類(lèi)滑板機(jī)械強(qiáng)度較好,表面硬度稍高,不易出現(xiàn)斷裂、不均勻磨損等現(xiàn)象,自身含有潤(rùn)滑材料,能減輕對(duì)導(dǎo)線的磨耗;但由于其表面硬度遠(yuǎn)高于銅線硬度,即使在潤(rùn)滑作用較好的前提下,對(duì)銅導(dǎo)線的磨耗也是比較大的。不少電力機(jī)務(wù)段在銅導(dǎo)線區(qū)段仍采用這種滑板,主要是為避免弓網(wǎng)故障的發(fā)生。3.3碳基材料的使用對(duì)導(dǎo)線磨耗低,可延長(zhǎng)導(dǎo)線使用壽命,但機(jī)械強(qiáng)度低,易出現(xiàn)斷裂、掉塊,引發(fā)弓網(wǎng)障礙概率大,使用壽命短,適用范圍受限制。哈大線和廣深線是我國(guó)已投人運(yùn)營(yíng)的速度最快的準(zhǔn)高速電氣化線路。這兩條線路上使用的碳滑板均從德國(guó)進(jìn)口。我國(guó)廣深線機(jī)車(chē)上使用過(guò)的由西門(mén)子公司制造的整體滑板和國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的整體式滑板,由碳條和鋁托兩部分粘接而成。因?yàn)樘紬l的強(qiáng)度較低,其主要機(jī)械支撐受力都由鋁托承擔(dān),使用壽命達(dá)幾十萬(wàn)公里。產(chǎn)品中還帶有安全氣管,以確保在碳條發(fā)生斷裂時(shí)受電弓能自行降落,從而保護(hù)電網(wǎng)。但這類(lèi)整體式滑板目前仍然存在高速通過(guò)彎道時(shí)易掛弓和打弓、碳?jí)K斷裂、與鋁托粘接質(zhì)量不穩(wěn)定、價(jià)格偏高等問(wèn)題。鋁包碳滑板:重慶西機(jī)務(wù)段1993～1995年在川黔線和成渝線運(yùn)行試驗(yàn)。該滑板具有受流好、抗沖擊能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),鐵路部門(mén)認(rèn)為在銅接觸導(dǎo)線,以及銅鋁接觸導(dǎo)線和銅接觸導(dǎo)線混架區(qū)段,鋁包碳滑板是一種較理想的滑板。3.4碳基材料的利用分為整體式和組裝式兩類(lèi),具有較好的電學(xué)性能,基本解決了碳滑板機(jī)械強(qiáng)度低的問(wèn)題,耐磨性能大為提高,能根本解決導(dǎo)線磨耗過(guò)快的問(wèn)題;但抗沖擊力不足,易出現(xiàn)掉塊,使用過(guò)程中需要整形,價(jià)格過(guò)高,維護(hù)成本高,給機(jī)務(wù)部門(mén)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)壓力。哈爾濱電碳廠自主開(kāi)發(fā)、研制的浸金屬碳滑板,已經(jīng)批量生產(chǎn),在廣州鐵路局、北京鐵路局和部分工礦電氣化鐵路上應(yīng)用。對(duì)銅接觸導(dǎo)線磨耗為粉末冶金滑板的1/5,使用壽命達(dá)到(8～10)×104km,經(jīng)鐵科院抽樣測(cè)試,靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能均達(dá)到鐵道部部頒標(biāo)準(zhǔn),被確定為定點(diǎn)生產(chǎn)單位。隨著干線電氣化鐵路和城市輕軌建設(shè)的快速發(fā)展及國(guó)際市場(chǎng)的變化,浸金屬碳滑板的需求量將會(huì)不斷增大。3.5增強(qiáng)劑的影響這種材料在強(qiáng)度、電阻率方面優(yōu)于浸金屬碳滑板。但如果出現(xiàn)增強(qiáng)劑的損傷,復(fù)合材料的導(dǎo)電性能便會(huì)嚴(yán)重惡化。由于金屬在碳基體中的分布范圍較大,該復(fù)合材料滑板對(duì)銅導(dǎo)線的磨耗也較嚴(yán)重。3.6碳-銅復(fù)合材料是以鍍銅石墨粉、鐵粉、鉻粉及鉬鐵合金中至少一種制成的硬質(zhì)金屬粉作為碳增強(qiáng)體;加以銅粉、錫粉組成的混合料經(jīng)混合均勻壓制成形;最后采用加壓或常壓的方式進(jìn)行燒結(jié)而制成的。制備具有優(yōu)良物理、力學(xué)性能的碳-銅復(fù)合材料的關(guān)鍵是改善銅基體與碳增強(qiáng)體的潤(rùn)濕性,最有效的途徑是基體合金化與碳增強(qiáng)體的表面處理。碳粉表面依次進(jìn)行化學(xué)鍍、電鍍銅的方法,使碳粉粒子具有良好的導(dǎo)電性,且可通過(guò)控制電鍍時(shí)間來(lái)控制鍍層厚度,使碳粉在作復(fù)合填料方面有了更廣泛的應(yīng)用前景。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的金永平,郭斌等人進(jìn)行了有益的探索。日本鐵路技術(shù)研究所的訪問(wèn)學(xué)者DaHaiHe等用粉末冶金方法制備了一種新型的碳-銅復(fù)合材料滑板,它的導(dǎo)電性和摩擦特性都有很大提高,具有自潤(rùn)滑功能,導(dǎo)電率達(dá)到60%IACS。3.7導(dǎo)電材料在受電弓面板上的應(yīng)用江蘇溢洋集團(tuán)生產(chǎn)的用于高速列車(chē)的受電弓,具有低磨耗、導(dǎo)電率高、耐高溫、強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。JM-1型碳纖維增強(qiáng)碳滑板與鋁包浸金屬碳SAC滑板和浸金屬碳C3070滑板相比,可以延長(zhǎng)導(dǎo)線壽命2倍、滑板壽命1倍,導(dǎo)線磨耗率為每萬(wàn)弓架次0.0077mm2,滑板使用壽命可達(dá)(8～10)×104km,沖擊強(qiáng)度為3.8J/cm2。上海交通大學(xué)和寶鋼集團(tuán)開(kāi)發(fā)了一種新型的碳纖維增強(qiáng)碳基復(fù)合材料滑板。該滑板以鍍銅石墨粉和鍍銅焦碳粉為基體材料,短切碳纖維為增強(qiáng)劑,熱固性樹(shù)脂為粘結(jié)劑,將原料充分混合后,進(jìn)行冷壓或熱壓成形。該滑板材料可根據(jù)需要,通過(guò)調(diào)整鍍銅粉末的銅含量來(lái)調(diào)節(jié)材料的電阻率。冷壓成形后,還可根據(jù)用戶(hù)使用要求,進(jìn)行浸漬樹(shù)脂處理和燒結(jié)處理,以進(jìn)一步提高材料的致密度和機(jī)械性能。用該復(fù)合材料制成的滑板具有優(yōu)良的摩擦磨損性能、機(jī)械性能和導(dǎo)電性能。但該滑板的生產(chǎn)周期長(zhǎng),成本高,如果在降低制造成本方面有所突破,將具有廣闊的應(yīng)用前景。添加納米粒子的金屬石墨材料制成的電力機(jī)車(chē)受電弓滑板:該滑板的接觸導(dǎo)線磨耗率為每萬(wàn)弓架次0.0125mm2,滑板尺寸的磨耗率為每萬(wàn)機(jī)車(chē)千米7.96mm,滑板重量磨耗率為每萬(wàn)機(jī)車(chē)千米133.0g,獲得了良好減摩性能。材料承載能力提高,有利于防止疲勞裂紋產(chǎn)生,并對(duì)摩擦副具有拋光作用,進(jìn)一步改善摩擦條件。國(guó)防科技大學(xué)針對(duì)高速電力機(jī)車(chē)受電弓滑板的材料問(wèn)題,開(kāi)發(fā)了輕質(zhì)高碳——石墨/鋁復(fù)合新材料,所謂復(fù)合就是把碳條和鋁托合為一體,一次工藝成形。由于復(fù)合材料的強(qiáng)度主要由鋁承擔(dān),因此所含碳-石墨顆粒就可完全按滑動(dòng)電接觸材料的需要來(lái)設(shè)計(jì),以較大比例提高石墨的含量,提高了材料潤(rùn)滑性能,降低了導(dǎo)線的磨耗。北方交通大學(xué)的翟洪祥和清華大學(xué)的汪長(zhǎng)安進(jìn)行了鈦硅碳材料在受電弓滑板中的應(yīng)用研究。鈦硅碳(Ti3SiC2)材料是結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電和自潤(rùn)滑多功能合一的新型材料體系。其優(yōu)異的導(dǎo)電、自潤(rùn)滑、耐高溫性能和抗氧化性能,對(duì)于解決高速機(jī)車(chē)受電弓滑板的摩擦與電弧灼蝕耦合損傷問(wèn)題有重要的意義。20世紀(jì)90年代初國(guó)外生產(chǎn)了一種碳基體分布著鋼纖維的復(fù)合材料。由于在碳化和熱處理過(guò)程中,鋼纖維表面會(huì)發(fā)生過(guò)度滲碳,降低了復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度,因此需對(duì)鋼纖維進(jìn)行表面預(yù)處理,主要是化學(xué)鍍銅。鋼纖維表面經(jīng)化學(xué)處理后,抑制了金屬纖維的碳化趨勢(shì),保證了金屬纖維本身的強(qiáng)度不被削弱,從而提高了碳素復(fù)合材料的整體強(qiáng)度。4碳基復(fù)合材料的研究受電弓滑板既是一種電接觸材料,又是一種耐磨減磨材料;既要有良好的導(dǎo)電性和集電能力,又要有適中的綜合機(jī)械性能;所研制的滑板材料既要與弓網(wǎng)系統(tǒng)相匹配,又要研究接觸網(wǎng)導(dǎo)線,滑板的材料、形狀、尺寸應(yīng)適應(yīng)高速的要求