電氣化鐵路受電弓用碳銅基碳滑板的研究

電氣化鐵路受電弓用碳銅基碳滑板的研究

鐵路的電氣化和快速化是世界鐵路運輸?shù)陌l(fā)展趨勢。隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，中國鐵路電氣化建設(shè)也進入一個嶄新的發(fā)展時期，對弓網(wǎng)系統(tǒng)提出了更高的要求。在受流過程中，接觸網(wǎng)和受電弓在機械和電氣上密切相關(guān)，只要其中之一出現(xiàn)問題，都會破壞正常的受流特性。受電弓和接觸網(wǎng)一旦發(fā)生事故，將會帶來十分嚴重的后果，直接造成很大的經(jīng)濟損失。為此，高速電氣化鐵路必須解決好接觸網(wǎng)與受電弓高速受流這一關(guān)鍵問題?；宀牧系氖芰髂Σ聊p性能研究已成為發(fā)展我國電氣化鐵路的關(guān)鍵課題之一。1電弓架的發(fā)展、分類和性能特點1.1電弓滑架材料的開發(fā)1.1.1碳基帶金屬基滑動材料1964年日本東海道新干線開通了世界上第一條高速鐵路，時速210km。而在歐洲高速列車的發(fā)展中最具有代表性的是法國的TGV(最高速度300km/h)和德國的ICE(最高速度250km/h)。受電弓滑板以前一直采用純銅，這種材料機械強度高，取材方便，使用壽命長，成本低，引發(fā)弓網(wǎng)事故障礙概率小，但該種材料容易引起粘著磨損，導致接觸網(wǎng)導線滑動面損壞及滑板劇烈磨損。1950年左右日本推出了銅系燒結(jié)合金滑板，新干線主要使用粉末冶金滑板，但該類滑板對導線磨耗大，從20世紀80年代中期開始研究碳基滑板，目前粉末冶金滑板已經(jīng)開始被浸金屬碳滑板逐步取代。法國TGV東南線曾用過鋼滑板，TGV大西洋線用鋼和碳兩種滑板，現(xiàn)在普遍使用碳滑板。德國ICE一直使用純碳素滑板。目前，歐洲一些國家運行速度超過200km/h的高速鐵路，滑板材料基本上還是碳滑板，如：英國主要使用金屬化石墨滑板，澳大利亞主要使用碳/銅復合材料滑板和銅滑板。前蘇聯(lián)1969年開始使用粉末冶金滑板。1.1.2銅基金屬碳螺釘1961年我國第一條電氣化鐵路從寶雞到鳳州段開通，使用軟鋼滑板，鋼滑板和接觸導線的親和力較強，只能在采取了潤滑措施的鋼鋁導線區(qū)段使用，1964年開始使用碳滑板。當時的碳滑板對導線磨耗低，可延長導線使用壽命，但機械強度低，易出現(xiàn)斷裂、掉塊現(xiàn)象，引發(fā)弓網(wǎng)故障概率大，使用壽命短，所以很多區(qū)段使用粉末冶金滑板。為減少金屬滑板和燒結(jié)合金滑板對導線的磨耗，20世紀60年代中后期開始研制浸金屬碳滑板；80年代以來，銅基粉末冶金滑板在國內(nèi)得到廣泛應(yīng)用；90年代以后，浸金屬碳滑板在大秦線上應(yīng)用，該滑板既具有粉末冶金滑板機械強度高、電阻率小的特點，又具有純碳滑板對導線磨耗小、在導線摩擦表面易形成潤滑膜和耐弧性強的優(yōu)良性能，是銅導線區(qū)段較為理想的受電弓滑板。目前，浸金屬碳滑板主要用于貨運。哈大線和廣深線使用從德國進口的碳滑板，廣深線還使用整體浸金屬碳滑板。1.2復合材料滑動的發(fā)展過程受電弓滑板材料在研究和應(yīng)用方面，主要經(jīng)歷了金屬滑板、純碳滑板、粉末冶金滑板、浸金屬碳滑板以及碳纖維復合材料滑板的發(fā)展過程。表1是各種滑板材料的性能特點。2滑粉材料的主要研究領(lǐng)域2.1影響磨損率的電流、負荷和速度的影響2.1.1不同滑動材料的流變學特性在載流條件下，摩擦副接觸表面會形成收縮電阻，實際接觸面積很小，局部接觸區(qū)域溫度升高，不利于保持潤滑膜的均勻性和完整性。因此，在通電條件下的摩擦系數(shù)比機械磨損條件下的摩擦系數(shù)略高，同時摩擦系數(shù)和接觸電阻上下波動的主要原因是電流加速了滑動接觸表面的氧化，并且電流也是摩擦副由輕微磨損轉(zhuǎn)向嚴重磨損的一個重要因素，隨電流的增大，載流磨損量增加，這是一個普遍規(guī)律。對不同的滑板材料，電流的影響程度不同，碳系滑板材料受電流影響變化較為平緩，而金屬系滑板材料隨電流的增加變化趨勢顯著[12,13,14,15,16,17,18]。浸金屬碳滑板由于材料致密，氧化速度較慢，同時強度相對也高，因而具有良好的耐受流磨損性能，而銅基粉末冶金滑板材料受流摩擦時的接觸點溫升低于其氧化溫度，所以引起其高受流磨損量的主要因素不是接觸點溫升，而是電弧侵蝕引起的摩擦表面嚴重破壞以及蠟基潤滑劑的失效所致。隨著接觸速度的增加，電流對磨損率的影響也增大。一定實驗條件下，摩擦副的磨損率與電流的大小基本上呈線性關(guān)系。戴利民等分析了各種滑板材料在受流摩擦時的磨損行為。研究表明，在試驗參數(shù)(壓力70N、電流200A以及滑動速度80km·h-1)的條件下，電流是引起碳系滑板材料接觸點溫升的主要因素，并造成純碳滑板接觸區(qū)亞表層的高溫氧化現(xiàn)象。總體來說，金屬含量較大的復合材料的磨損率會隨電流的增大而增加，而對于金屬含量較小的電刷材料，由于電流的潤滑作用，電流強度增加時反而使磨損率減小。2.1.2載流條件下的摩擦學行為滑板和接觸導線分別屬于兩個彈性系統(tǒng)———受電弓系統(tǒng)與接觸網(wǎng)系統(tǒng)，兩個彈性系統(tǒng)相互接觸提供了滑板和接觸導線之間的接觸壓力?；搴徒佑|導線間法向壓力存在一個最佳值。接觸壓力太低時增加了離線率，從而使電弧的發(fā)生率大大增加，并使弓網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生振動，結(jié)果造成電磨損過大。相反，壓力太大時機械磨損增大。總體來說，集電材料的磨損率與接觸表面產(chǎn)生的熱有關(guān)，載流條件下摩擦副在摩擦過程中的熱主要來自電弧熱、摩擦熱和電流產(chǎn)生的熱。載流條件下摩擦表面在電流、電弧的影響下溫度較高，使摩擦表面的材料軟化。合理的接觸壓力有利于減小各種熱效應(yīng)，降低磨損率。國外學者進行載流摩擦磨損試驗，發(fā)現(xiàn)當Cu材料與其他材料組成摩擦副時，載荷在小于0.27MPa時，磨損率與載荷成正比，而大于0.27MPa時，磨損率隨載荷的增加反而減小。而在無電流下，磨損率始終隨載荷的增加而增加。國內(nèi)學者，李鵬、侯明、張曉娟，研究發(fā)現(xiàn)，在實驗條件下純銅、黃銅、銅基粉末冶金材料磨損率隨著載荷的增加而增加。而趙彥文證實，浸金屬碳滑板的摩擦系數(shù)和磨損率均隨著載荷的增加而下降，C/C復合材料的摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而增大，但磨損率卻不斷減小。2.1.3高速走行導致成磨損量速度對滑板磨耗的影響主要反映在幾個方面。一是高速走行增加了離線次數(shù)，滑板磨耗量與離線率成正比。其次是高速走行增加了滑板面摩擦產(chǎn)生的熱量，導致滑板表面升溫，進而影響到摩擦副的摩擦磨損性能，引起滑板表面狀況惡化。另一方面粘著磨損過程存在原子由一方向另一方物質(zhì)擴散移動的過程(稱為熱活性化過程，要達到這個狀態(tài)必須經(jīng)過一定的時間)，摩擦速度加快，摩擦副微凸部分相互接觸的時間縮短，較難起到粘結(jié)作用，即出現(xiàn)高速摩擦時磨損量減少的情況。同時，速度對不同滑板材料的磨損情況各不相同，金屬系滑板在低速時磨損量大，且導線的摩擦面也受損嚴重，這主要是因為低速時粘著嚴重。實際線路上各種滑板在提速后存在磨損增大的傾向，其主要原因可能是由于高速走行增加了滑板面摩擦產(chǎn)生的熱量，導致滑板表面升溫，而且高速走行增加了離線次數(shù)，離線率增大導致電弧侵蝕加劇。除此之外，隨速度的提高，受電弓滑板高速運行經(jīng)過接觸網(wǎng)上硬點或缺陷處，受到?jīng)_擊力作用，滑板材料崩裂或以脆性剝落為特征的沖擊磨損有時也是十分嚴重的。2.2水促進了作用力在水霧條件下，由于水的潤滑和冷卻作用，有效抑制粘著磨損，并能將摩擦產(chǎn)生的熱量及時帶走，這一瞬間降低了摩擦力。此外，水在電流作用下極易發(fā)生電解而產(chǎn)生氧離子，促進摩擦表面的氧化而形成氧化膜，進一步降低摩擦力。因此其平均摩擦因數(shù)和平均磨損率均較純載流時要低，并且平均摩擦因數(shù)隨電流的變化不明顯。2.3合成纖維及耐久性DaHaiHe等對石墨含量不同的三種銅-石墨復合材料(CGCMs)進行了研究。結(jié)果表明，隨石墨含量的增加，銅-石墨復合材料的摩擦系數(shù)逐漸減小，磨損率逐漸增大。哈爾濱工業(yè)大學的金永平等研究了石墨粒度和鍍銅石墨對受電弓滑板材料性能的影響。結(jié)果表明，石墨粒度越大，電阻率越低，減磨性和耐磨性越差；鍍銅石墨能夠改善銅基受電弓滑板材料的燒結(jié)過程，降低其孔隙度和電阻率，提高其耐磨性和減磨性，但不改變材料的磨損機理。2.4電弧強表面活性劑的載流強度和電弧燃充隨電氣列車速度的增加，離線電弧次數(shù)也增加。電弧侵蝕下的機理及其定量研究已成為載流摩擦磨損中的一個重要研究領(lǐng)域。引起其高受流磨損量的主要因素不是接觸點溫升，而是電弧侵蝕引起的摩擦表面嚴重破壞以及蠟基潤滑劑的失效所致。Kubo等從電弧能量角度考查了其對電弧侵蝕量的影響，認為二者之間存在如下關(guān)系：式中：WS為材料的侵蝕量；E為電弧能量；a、b為與材料有關(guān)的系數(shù)。王其平根據(jù)試驗結(jié)果得出電弧侵蝕量與電流和電弧燃熾時間關(guān)系的數(shù)值表達式為：WS=k·I·ta其中：WS為材料的侵蝕量；I為電流有效值；ta為電弧燃熾時間；k為與材料有關(guān)的系數(shù)。戴利民認為，電流強度和電弧燃熾時間對電弧侵蝕起決定作用。胡道春通過研究電弧能量對浸金屬碳滑板材料載流摩擦磨損性能。認為電弧能量嚴重影響摩擦副的載流摩擦磨損性能；電弧熱效應(yīng)使得局部接觸表面溫度超過熔點，浸滲金屬熔融滲出摩擦表面，并使基體碳氣化沉積于摩擦盤上，使得電弧侵蝕機理表現(xiàn)為材料轉(zhuǎn)移和熔融噴濺。當然，由于不同材料的起弧電壓及電弧侵蝕率都不相同，其電弧侵蝕量及機理也不同。戴利民指出，對于碳以及鋁合金材料的電弧侵蝕過程主要以陰極蒸發(fā)為主，而銅基粉末冶金材料的電弧侵蝕過程主要以陽極過程為主。3測試結(jié)果和分析有必要在最大限度模擬實際工況的條件下對載流摩擦磨損機理做更深入的探討，建立摩擦集電材料高速載流摩擦磨損的理論模型，以指導摩擦集電材料的進一步研究。受電弓滑板材料的研究工作應(yīng)主要從以下幾個方面：(1)實際運行中滑板與導線摩擦副的接觸壓力不是固定不變的，而是呈現(xiàn)周期性變化的，同時承受導線“硬點”的高速沖擊作用。而且滑板材料和導線材質(zhì)匹配對載流能力也有影響。改進試驗設(shè)備，使其更接近實際工況。(2)高速滑動狀態(tài)下的局部高溫將造成材料失效。由于受電弓滑板和導線的非穩(wěn)態(tài)接觸，