DSA250受电弓滑板的材料改进方案

摘要世界上第一条高速铁路是1964年开通的日本东海岛新干线，发展至今已有53年。

近年来国内高速铁路飞快发展，随着列车速度的提高，受电弓与接触网关系的问题日益突出。

动车组是通过受电弓从接触网上获取电能，所以良好的弓网接触是保证列车取流的必要条件，受电弓的滑板成了重中之重，列车运行时如何减少受电弓滑板的损耗，提高受电弓滑板质量已经成为高速铁路技术的重要问题。

动车组受电弓滑板材料如今各国都在加紧研发，它所涉及的材料学问题是其解决受电弓滑板损耗的基础，早期接触网线多采用纯铜或铜合金材料，而在受电弓滑板方面，其材料经历了纯金属滑板、粉末冶金滑板、纯碳滑板、浸金属碳滑板邓发展过程。

本毕业设计通过对国内和国外高速动车组受电弓的分析、介绍，对DSA250型高速动车组受电弓结构、作用方面做出论述，对比国外先进的材料学技术，提出自己的优化、改良方案。

关键词：DSA250型受电弓；石墨烯；改良型石墨烯受电弓目录摘要...................................................................................................................... 第 1 章绪论. (1)1.1 研究背景 (1)1.2国内外高速动车组受电弓滑板材料发展 (1)1.3 国内外受电弓材料研究现状 (2)1.4 本毕业设计的主要工作 (2)第2章基础理论 (3)2.1 DSA250型受电弓原理 (3)2.2 DSA250型受电弓滑板材料学研究 (3)2.3 滑板材质电阻 (4)2.3.1 磨粒磨损 (4)2.3.2 电磨损 (4)第3章 DSA250受电弓介绍 (6)3.1 DSA250型受电弓 (6)3.2 受电弓模型的种类 (6)第4章新型材料石墨烯 (7)4.1 石墨烯的概述 (7)4.2 石墨烯的发现历史 (7)4.3 石墨烯的各种功能特性 (8)4.4 石墨烯新材料的结构特点 (8)第5章 DSA250型受电弓滑板材料工艺 (12)5.1 DSA250受电弓的发展历程 (12)5.2 DSA250型受电弓的优缺点 (12)第6章优化改进后的DSA250型受电弓滑板 (14)6.1 受电弓碳滑条检修的正常标准 (14)6.2 改进建议 (14)6.2.1.快速降弓阀的改进建议 (14)6.2.2 改变DSA250型受电弓滑板 (15)参考文献： (16)致谢 (17)DSA250型受电弓滑板的材料改进方案第 1 章绪论1.1 研究背景1897年，第一台电力机车在柏林世博会上问世，相比于内燃机车，电力机车节约能量、绿色环保、牵引力大、过载能力强而且维修量少，在许多发达国家得到了广泛应用。

一个多世纪以来，世界各国的电气化铁路取得了突飞猛进的发展。

时至今日，全世界的高速电气列车毫无例外采用弓网系统获取电能。

动车组受电弓需要在高速运行的条件下从接触网获取电能，并确保良好的受流特性，以保证列车安全平稳运行。

只有保持受电弓滑板与接触网间的可靠接触，才能保证弓网系统良好的受流特性。

否则，可能发生离线现象，产生严重后果。

众所周知，列车通过与接触网接触获取电能，受电弓滑板一旦与接触网不能充分接触，首先会对列车的通讯线路造成影响，其次影响动车组列车的正常供电，甚至可能导致车内产生过电压，影响行车安全。

弓网离线瞬间可能发生燃弧，造成受电弓滑板烧蚀，缩短其使用寿命。

受电弓滑板材料学作为高速列车弓网关系的研究核心，是影响弓网受流质量的关键因素。

良好的弓网受流特性，要求受电弓滑板具有较好的导电性与耐磨性。

我国在受电弓滑板材料方面的研究起步较晚，目前我国动车组使用的受电弓大多是引进于德国、法国的。

研究动车组受电弓滑板材料是很有必要的。

1.2国内外高速动车组受电弓滑板材料发展在1964年日本新干线的开通之后，在列车的高速行驶中，含铜量多的铜系滑板材料和铜接触导线间亲和力较强，接触线磨损严重；而石墨滑板材料的抗冲击能力较差。

这时，铁系滑板材料应用而生，铁系滑板材料在高速滑动时形成的铁氧化物减少了磨损，从而使滑板材料磨损减轻。

进入20世纪80年代，高速列车运行速度达到210-240km/h，铁系材料磨耗值也达到新高，不得已又开发了浸金属碳滑板材料。

继日本之后，20世纪70年代欧洲各国也发展了高速铁路，法国的TGV，德国的ICE和西班牙的AVE都具有代表性的高速铁路。

起初他们使用的受电弓滑板材料为铜合金和纯碳滑板，由于铜合金滑板材料对接触网导线的亲和力大，现在也由于磨损逐渐受到限制。

20世纪90年代欧洲也发明了浸金属碳滑板材料，其电阻率低、强度高、磨耗率小，得到广泛应用。

国内方面，1961年第一条电气化铁路选用铜质导线，滑板材料为软钢滑板。

在1967年改用碳滑板材料，但由于碳滑板材料的机械强度较低，冲击韧性差，很快被淘汰。

20世纪80年代初，铜基粉末冶金滑板材料在国内得到广泛运用，20世纪90年代开始采用组织致密的浸金属碳滑板材料，近几年，我国高速电气化铁路使用的滑板材料基本上都是浸金属碳滑板材料。

1.3 国内外受电弓材料研究现状首先是Ti3SiC2材料。

它是一种结构、导电和自润滑多功能混一的新型材料。

其强度、电阻率和自润滑性能指标皆优于碳基材料和其他受电弓滑板材料，其耐高温性、抗氧化性及可加工性是现用受电弓滑板材料无法相比的。

另一种潜在应用材料是碳-金属纤维滑板。

它是以金属纤维、金属粉末、金属丝网或它们的混合物增强碳基体，采用适当的混料方式均匀的分布在基体中，然后进行冷压或热压，再经过高温烧结得到的复合材料。

再一种应用材料就是C/C符合材料。

C/C复合材料是碳纤维强化的碳复合材料，它将碳纤维重叠起来，经过压缩成型和烧结而制备的碳系复合材料。

C/C 复合材料与现用的碳系滑板相比，电阻率稍高一些，但其密度小，而且质量轻，弯曲强度和耐冲击强度均是现用碳系滑板的2倍，从而展现了良好的应用前景。

1.4 本毕业设计的主要工作在分析论证的基础上，着重对高速动车组受电弓滑板进行分析，分析其滑板材料的导电性以及耐磨性等方面。

分析以DSA250型高速受电弓为例，主要完成以下内容，分析DSA250型受电弓的组成结构，提出新型材料石墨烯，并对材料进行说明阐述，对目前DSA250型受电弓进行分析，对其优缺点加以说明，提出优化改良后的新型受电弓滑板材料。

第2章基础理论2.1 DSA250型受电弓原理目前采用的DSA250型受电弓，能适应中国既有线路和客运专线接触网。

单列动车组采用单弓受流方式，每台受电弓具有为全列车供电的能力。

表1受电弓参数工作原理：受电弓配备了一个压缩空气驱动的自动升降装置，当接触带破裂时驱动装置将降低受电弓。

在接触带的摩擦块中央有一条沟槽里面充满来自驱动装置的压缩空气，如果摩擦块断裂压缩空气就会泄露，底部驱动装置就会通过一个快速排气阀将受电弓降低，同时主断路器被触发以免由于电弧引起损坏。

同样的方式当绝缘舵杆损坏时以相同的方式进行控制，该自动升降装置通过塞门在运行状态时进行隔离。

受电弓所有功能以及监控是通过各自的阀控制模块实现。

受电弓升起是通过一个安装在控制阀模块输入电缆中的电磁阀实现。

升弓时间通过输入电缆中的电抗装置。

降弓时间以及静态接触力以及自动升降装置中的压力开关的压力通过阀控制面板设置。

阀控制模块所需的压缩空气由MR管提供，当列车准备时辅助空气压缩就会被使用。

2.2 DSA250型受电弓滑板材料学研究分析设计合理的受电弓参受电弓材料学研究的主要任务是建立受电弓滑板新材料的数学模型，通过对新型材料的结构组数，在保证受电弓轻量化的前提下改善受电弓的滑板性能，确保受电弓的平稳受流，为高速受电弓的主动控制及弓网的结构选型匹配和参数优化提供理论基础。

对于受电弓碳滑板材料学的研究主要采用以下方法：研究与计算机模拟结合；实验比列模型进行材料学实验；现场新材料学实验。

三种方法各有其特点，需要合理选择与运用才能在保证经济性的前提下得到比较准确的结果。

2.3 滑板材质电阻路网导线是铜质材料制成的，具有良好的导电性能，作为摩擦副的另一方滑板材料的不同材质，具有不同的电阻率，将不同程度地影响集电性能。

路网导线电压25kv，电流400A以上。

这么高的电流将在滑板上形成不同的电压降，滑板材质电阻越大，电压降越高，滑板温度升高，再加上高速摩擦生热，将破坏了滑板和导线的表面特性，使摩擦接触面磨损增加。

滑板电阻高，将造成电阻率比较低。

全国7000多台电力机车由此带来的电损耗比较严重。

高速列车总功率9600kw，要求大电流提供强劲动力，如果滑板电阻高，会使有效功率降低，对列车高速行驶带来不利的影响。

2.3.1 磨粒磨损外界硬颗粒或者对表面上的硬突起物或粗糙峰在摩擦过程中引起表面材料的脱落的现象，称为磨粒磨损。

分为二元磨损和三元磨损，二元磨损是指摩擦副各自的凸部相互切削作用引起的磨损，三元磨损是指在摩擦副之间存在某种之类第三种硬质粒子引起的磨损。

滑板磨粒磨损与其材料材质有很大关系，与金属难起粘结作用的碳基滑板的磨损，主要是硬粒磨损。

碳基滑板由不同粒径的颗粒组成，颗粒之间由粘结剂结合。

粘结剂形成的碳，较易氧化，将使碳颗粒之间的结合力减弱，造成颗粒磨损。

2.3.2 电磨损高速列车在高速行驶过程中，滑板与网线之间的相对磨损以机械磨损为主，但是在大电流的作用下，所造成的电磨损不可忽视。

高速列车功率强劲，需要网线与滑板之间大电流传输。

集电材料的磨损率与接触表面产生的热有关，载流条件下摩擦副在摩擦过程中的热主要来自3个方面：电弧热、摩擦热和电流产生的热。

载流条件下摩擦表面在电流、电弧的影响下温度较高，会使摩擦表面的材料软化。

在真正接触处受到软化的宽阔范围内容易引起粘结，因为受到粘结部的剪切而使材料强度下降，磨损就会增加。

列车高速行驶过程中，弓网关系变得复杂，离线频率增高，在网线与滑板之间产生电弧，电弧产生时在电弧放电周围温度极高，会引起滑板与网线中低熔点元素产生融化与蒸发，在随后的凝固过程中形成微粒子，造成摩擦副之间的三元磨损，进一步加剧磨粒磨损。

摩擦副接触面会因电弧放电而产生电蚀坑，表面氧化膜和气孔等，破坏了材料表面特性。

第3章 DSA250受电弓介绍3.1 DSA250型受电弓DSA250型受电弓由赛德公司在2001年就从德国STEMMANN公司技术引进，并且于2002年完成了国产化工作，该弓广泛运用于和谐号动车组，其设计时速为250km/h，最大实验速度为275km/h。

该受电弓由底座架、升弓装置、框架、弓头等部分组成。

气动升弓装置安装在底架上，通过钢丝绳作用于位于下臂杆下部的线导板，实现升弓动作。

图1 DSA250型受电弓结构3.2 受电弓模型的种类受电弓的数学模型应能关注频率范围内的受电弓动力学特征，可以是离散的归算质量模型，也可以是多刚体模型，有限元模型，或者是受电弓的传递函数。