电力机车受电弓滑板的现状_侯明

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粉末冶金技术
2006 年 6 月
损。滑板磨损率与接触表面产生的热有关, 这些热 主要由摩擦力、接触电阻、离线电弧产生[ 6] 。 2 1 机械磨损
机械磨损是滑板在接触网导线上滑动时由于二 者之间发生摩擦或冲击而引起的磨损。摩擦是一种 能量转换过程, 有物理、化学、电化学等复杂现象。 其中包括摩擦副材料及周围介质之间的相互作用, 表层材料的转移等, 摩擦结果导致磨损。在压力作 用下, 相互接触的两物体表面因为摩擦, 接触点产生 瞬时高温, 引起两物体发生粘着, 相互移动时又将被 剪切断开, 使两物体发生滑溜。摩擦就是粘着与剪 断交替进行的跃动式过程。摩擦时粘着点的形成和 破坏导致磨损。摩擦表面有磨粒磨损痕迹, 出现薄 片状磨屑[ 7] , 在磨擦过程中加剧磨损。由于滑板沿 导线高速滑行, 有时速度可达 20~ 50m/ s, 其高温粘 着, 冲击碎裂倾向十分严重, 由此造成的磨损在滑板 总磨损中占有相当比重, 可见提高抗粘着性和机械 强度是减小滑板磨损的有效途径[ 4] 。 2 2 电气磨损
或滑动状态下从接触网获取电能为机车供电, 长期 暴露在自然环境下工作, 且在运行中由于离线等因 素与接触网导线不断产生电的烧蚀、机械磨损, 因此 对其材料性能有着十分苛刻的要求。在接触网既定 的前提下, 滑板一般应满足以 下性能: 良好的导电 性; 抑制离线电弧的产生和抗电弧烧伤性; 良好的减 磨耐磨性; 足够的强度; 对自然环境强的适应性; 小 的电阻率和接触 电阻; 便 于实现轻量化和 标准化, 对接触网导线损伤小, 价格低等[ 3- 5] 。
第 24 卷第 3 期 2006 年 6 月
粉末冶金技术
Powder Metallurgy Technology
Vol 24, No 3 Jun 2006
文献综述 电力机车受电弓滑板的现状*
侯 明* * 孙乐民 李爱娜
( 河南科技大学材料科学与工程学院, 河南洛阳 471003)
摘 要: 概述了影响电力机车受电弓滑板寿命的主要原因, 阐述了国内一些不同材质滑板的特点和应用, 分 析了受电弓滑板的发展趋势, 指出碳基复合材料是今后电力机车滑动集电材料的主要发展方向。 关键词: 电力机车; 受电弓滑板; 综述; 高速受流; 材料
滨工业 大学的 金永平, 郭 斌等 人进行 了有 益的 探 索[ 15] 。日本铁路技术研究所的访问学者 Da Hai H e 等用粉末冶金方法制备了一种新型的碳- 铜复合材 料滑板, 它的导电性和摩擦特性都有很大提高, 具有 自润滑功能, 导电率达到 60% IA CS[ 16] 。 3 7 碳纤维增强碳滑板
粉末冶金滑板分为铜基和铁基两类。 铜基粉末冶金滑板: 机械强度较好, 表面硬度适 中, 滑板和导线的磨耗比较匹配。针对粉末冶金滑 板材质润滑较少、含油较低的 缺点, 北 京粉末冶金 厂、铁道部科学研究院金属与化学研究所相继推出 了机械复合式铜基粉末冶金滑板。这种滑板可随时 提供润滑, 大大地降低了对接触导线的磨耗, 同时其 自身的耐磨性也比较好[ 10] 。 铁基粉末冶金滑板: 铁基滑板目前已得到广泛 应用, 特别是在钢铝导线区段, 运用效果相当好。此 类滑板机械强度较 好, 表面硬 度稍高, 不易出现断 裂、不均匀磨损等现象, 自身含有润滑材料, 能减轻 对导线的磨耗; 但由于其表面硬度远高于铜线硬度, 即使在润滑作用较好的前提下, 对铜导线的磨耗也 是比较大的。不少电力机务段在铜导线区段仍采用 这种滑板, 主要是为避免弓网故障的发生[ 11] 。 3 3 碳滑板 对导线磨耗低, 可延长导线使用寿命, 但机械强 度低, 易出现断裂、掉块, 引发弓网障碍概率大, 使用 寿命短, 适用范围受限制。哈大线和广深线是我国 已投人运营的速度最快的准高速电气化线路。这两 条线路上使用的碳滑板均从德国进口[ 12] 。我国广 深线机车上使用过的由西门子公司制造的整体滑板 和国内生产的整体式滑板, 由碳条和铝托两部分粘 接而成。因为碳条的强度较低, 其主要机械支撑受 力都由铝托承担, 使用寿命达几十万公里。产品中 还带有安全气管, 以确保在碳条发生断裂时受电弓 能自行降落, 从而保护电网。但这类整体式滑板目 前仍然存在高速通过弯道时易挂弓和打弓、碳块断 裂、与铝托粘接质量不稳定、价格偏高等问题[ 13] 。 铝包碳滑板: 重庆西机务段 1993~ 1995 年在川 黔线和成渝线运行试验。该滑板具有受流好、抗冲 击能力较强等优点, 铁路部门认为在铜接触导线, 以 及铜铝接触导线和铜接触导线混架区段, 铝包碳滑 板是一种较理想的滑板[ 10] 。 3 4 浸金属碳滑板
1 前言
随着国民经济发展和交通运输市场竞争加剧, 提高铁路运营速度已成为一个 急待解决的重 要课
题。目前我国的铁路提速是通过修建电气化铁路和 对既有线路的改造实现的。自 1961 年我国第一条 电气化铁路开通后, 经过多年的发展, 有了巨大的进 步, 中国已建成电气化铁路 1 3 万多公里, 电气化铁 路占全国铁路营业里程的 24% , 承担运量占铁路总 运量的 1/ 4 以上。到 2002 年底, 中国电气化铁路建 设里程已经名列世界第三位。预计到 2005 年, 中国 电气化铁路建设里程将达到 2 万公里, 到 2010 年将 达到 2 6 万公里[ 1] 。铁路的电气化和高速化已成为 世界铁路运输发展趋势, 只有实现电气化, 才能实现 铁路运输高速化目标。受电弓滑板是电力机车的关 键部件, 滑板质量的优劣对机车受流状况有重要影 响[ 2] 。受电弓滑板直接与接触网导线接触, 在静止
Abstract: T he main factors affecting the service life of pantog raph slide plates of electric locomotive are reviewed T he character istics and application of some domestic slide plates made of different materials are outlined, and t he dev elopment t rend of the pantograph slide plates is also analyzed. It is po inted out that carbon composites are the main development tr end of the pantogr aph slide plates. Key words: electric locomotive; pantograph slide plate; summarize; current collection at high speed; materi力机车受电弓滑板是一种滑动摩擦 集电材 料, 其种类有纯金属滑板, 粉末冶金滑板, 碳滑板, 浸 金属碳滑板, 复合材料滑板等。 3 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。机械强度高, 取材 方便, 使用寿命长, 成本低, 引发弓网事故障碍概率 小, 但对接触导线磨耗大, 特别对铜接触导线磨耗严 重。国内早期电力机车采用, 现限制使用。 3 2 粉末冶金滑板
第 24 卷第 3 期
侯明等: 电力机车受电弓滑板的现状
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分为整体式和组装式两类, 具有较好的电学性 能, 基本解决了碳滑板机械强度低的问题, 耐磨性能 大为提高, 能根本解决导线磨耗过快的问题; 但抗冲 击力不足, 易出现掉块, 使用过程中需要整形, 价格 过高, 维护成本高, 给机务部门 带来较大的经 济压 力[ 14] 。哈尔滨电碳厂自主开发、研制的浸金属碳滑 板, 已经批量生产, 在广州铁路局、北京铁路局和部 分工矿电气化铁路上应用。对铜接触导线磨耗为粉 末冶金滑板的 1/ 5, 使用寿命达到( 8~ 10) 104km, 经铁科院抽样测试, 静态性能和动态性能均达到铁 道部部颁标准, 被确定为定点生产单位。随着干线 电气化铁路和城市轻轨建设的快速发展及国际市场
受电弓滑板与接触网导线的工作特性在本质上 属于电接触范畴。其磨损情况也突出地表现出电磨 损的特点。滑板与导线因某种原因接触不良或离线 等将产生火花或电弧, 引起电气磨损, 并且会产生小 雨滴状的磨屑[ 7] 。在接触受流 时由于电流通 过引 起温升, 据实际测定, 滑板摩擦面上的温度可达 250 ~ 600 [ 8] , 导致接触表面物理状态发生变化, 如氧 化等, 造成附加机械磨损, 从而加大了总磨损。
104km, 冲击强度为 3 8J/ cm2。上海交通 大学和
宝钢集团开发了一种新型的碳纤维增强碳基复合材 料滑板。该滑板以镀铜石墨粉和镀铜焦碳粉为基体 材料, 短切碳纤维为增强剂, 热固性树脂为粘结剂, 将原料充分混合后, 进行冷压或热压成形。该滑板 材料可根据需要, 通过调整镀铜粉末的铜含量来调 节材料的电阻率。冷压成形后, 还可根据用户使用 要求, 进行浸渍树脂处理和烧结处理, 以进一步提高 材料的致密度和机械性能。用该复合材料制成的滑 板具有优良的摩擦磨损性能、机械性能和导电性能。 但该滑板的生产周期长, 成本高, 如果在降低制造成 本方面有所突破, 将具有广阔的应用前景[ 17] 。
一种制成的硬质金属粉作为碳增强体; 加以铜粉、锡 粉组成的混合料经混合均匀压制成形; 最后采用加 压或常压的方式进行烧结而制成的[ 12] 。制备具有
优良物理、力学性能的碳- 铜复合材料的关键是改 善铜基体与碳增强体的润湿性, 最有效的途径是基 体合金化与碳增强体的表面处理。碳粉表面依次进
行化学镀、电镀铜的方法, 使碳粉粒子具有良好的导 电性, 且可通过控制电镀时间来控制镀层厚度, 使碳 粉在作复合填料方面有了更广泛的应用前景。哈尔
Pantograph slide plates for electric locomotive and their recent development
Hou Ming, Sun Lemin, Li Aina ( Material Science Eng ineering College, Henan University of Science and Technology , L uoyang Henan 471003, China)
江苏溢洋集团生产的用于高速列车的受电弓, 具有低磨耗、导电率高、耐高温、强度高、使用寿命长
的优点。JM - 1 型碳纤维增强 碳滑板与铝包 浸金 属碳 SAC 滑板和浸金属碳 C3070 滑板相比, 可以延 长导线寿命 2 倍、滑板寿命 1 倍, 导线磨耗率为每 万弓架次 0 007 7m m2, 滑板使用寿命可达( 8~ 10)
2 滑板主要磨耗形式
摩擦与磨损是在压力作用下相互接触的两物体 在其接触面相对运动时所引起的现象。滑板在滑动 中从接触网导线上获得电流, 与接触网导线构成了 一对机械与电气耦合的特殊摩擦副, 这种摩擦副中 主要存在着两种性质的磨损 机械磨损与电气磨
* 国家重点自然科学基金( 50432020) 资 助项目; 河南省杰出青年基金( 0412002100) 资助项目 * * 侯明( 1976- ) , 男, 硕士, 主要从事材料的干摩擦研究。E- mail: caoteen2002@ 163. com 收稿日期: 2005- 01- 13
的变化, 浸金属碳滑板的需求量将会不断增大。 3 5 碳- 金属纤维复合材料滑板
这种材料在强度、电阻率方面优于浸金属碳滑
板。但如果出现增强剂的损伤, 复合材料的导电性 能便会严重恶化。由于金属在碳基体中的分布范围 较大, 该复合材料滑板对铜导线的磨耗也较严重。 3 6 碳- 铜复合材料滑板
是以镀铜石墨粉、铁粉、铬粉及钼铁合金中至少
电气磨损的特点是磨损随受流量、离线时间及 离线频率的增加而增加, 因此接触导线电气磨损较 为严重的情况一般在容易发生离线、导线与滑板接 触质量较差等处发生。此外, 导线及滑板的缺陷处 也往往是电气磨损严重的部位。
磨耗与滑板的材料密切相关, 还受到霜露雪等 水分环境的氧化、腐蚀磨损。若要提高滑板、接触导 线在高速条件下的寿命和动态受流性能, 就必须研 制新型滑板[ 9] 。