受電弓平滑肌與接觸導線材料的特征變遷

受電弓平滑肌與接觸導線材料的特征變遷

適當構件的選擇在電氣化路上，電力接收裝置（高速接收通道）處于邊界條件下，接收電子弓和接觸線。這里要討論的是,通過分別選擇適當?shù)牟牧?保持滑板與接觸導線之間良好的摩擦狀態(tài),一方面盡量做到各構件沒有磨損,另一方面可靠地進行受流,以供給電力機車或電動車輛運行所需的足夠電能。從受流的觀點來看,保證受電弓與架空線合理的結構及適當?shù)倪\動是首要課題。不過,從受電弓及接觸導線的維護的觀點來看,摩擦部分中使用材料的選擇具有重要意義。1帶有電子磚緩沖板的材料1.1作為消耗品的材料特性可分為4個外科學指標和5.對受電弓滑板要求具有以下的性能:(1)具備作為電路元件的高導電性(即較低電阻率);(2)具備作為車輛零部件的高強度;(3)作為摩擦材料,具有自身無磨損,也不磨損配對(摩擦副)的性質;(4)具備作為消耗品的經(jīng)濟性(價格便宜)及可再生利用性。關于導電性與強度,日本鐵道車輛相關部門根據(jù)日本鐵道車輛工業(yè)協(xié)會的標準制定了基準值。該標準中,如機械強度,按照材質不同而確定了不同的強度值(見表1)。通常,對作為同一構件使用的材料,確定單一的標準值,但滑板材料是按材質確定不同的標準值。這是本來的標準值并不是根據(jù)使用條件推導出來的,而是參考作為實用材料有應用實績的材料特性而確定的?？梢哉f反映了鐵道技術中工學的一個側面。1.2潤滑成分及其使用特點目前滑板使用的材料,大體上可分為燒結合金材料與碳系材料。燒結合金是混合并成形各種金屬粉末,在低于熔點的溫度下燒制,進而結合金屬粉末制成的材料。通過調整混合粉末的種類及用量,能夠調控所得到的合金的特性,以使其適合滑板這類要求多種特性的材料的制造。通常,摩擦材料是在母材中,彌散具備耐摩性的硬質物質以及具備潤滑性的物質而構成的,其典型實例有制動閘瓦及閘片,滑板也具有同樣的結構。在作為母材的鐵粉及銅粉中,混合作為耐摩耗成分的鉻、鉬鐵合金、鈦鐵合金等硬質金屬粒子,并添加二硫化鉬、石墨等稱為“固體潤滑劑”的粉末作為潤滑成分。除了可改變成為母材的粉末的粒子直徑及形態(tài)之外,通過改變硬質金屬粒子及固體潤滑劑的種類及用量,同時根據(jù)制造時的成形壓力及熱處理方式的不同,制造的燒結合金的摩擦特性有各種變化。所謂滑板的改進與開發(fā),不外乎是從這些各種各樣條件下的大量組合中找出最佳匹配方案。最近,正在嘗試使用鎢等高熔點金屬作硬質金屬粒子,使用鉍等低熔點金屬作為潤滑成分。圖1是典型的燒結合金滑板的金相組織,圖中圓形白色部分是硬質金屬粒子;黑色部分則為母材。另一種材料是碳系材料(碳素系)。新干線及電力機車以外的多數(shù)電動車組,近年來,其滑板材料已從燒結合金轉換為碳系材料了。作為滑板使用的碳系材料是成形焦炭等碳系粉末,是在1000℃～1500℃下燒制而成的(見圖2)。燒成的碳系單體材料也可使用,但為了提高導電性與機械強度,開發(fā)了在碳粉末中,混合金屬粉、金屬纖維、碳纖維,燒成的碳中浸漬了熔化的金屬材料,稱為“碳系滑板”,并已投入使用。圖3是典型的碳系滑板的組織。圖中暗色部分是碳;明亮部分則是碳中浸滲的金屬。碳系材料原本比燒結合金的強度小、導電性差些。因此,為在直流電動車上使用,必須提高導電性(降低電阻率),因而在碳中混合、浸漬了金屬。圖4為在5m左右架設的接觸導線與實際滑板間通電時,在接觸點附近的接觸導線的溫升測定實例。為確保接觸導線拉伸強度,務必使其溫度保持在90℃以下。因此,通電時的溫升,包含氣溫的影響等,必須保持在47℃以下。根據(jù)電阻率不同的滑板測定值可知,每塊滑板的集電電流為100A,如果滑板的電阻率在3μΩ·m以下,則接觸導線的溫升值就可以抑制在47℃以下。1.3碳系材料在碳滑動材料上的開發(fā)目前使用的滑板材料,如上所述。但隨著時代的發(fā)展,對材料所要求特性的優(yōu)先性發(fā)生了變化,使用的材料也已改變了(見圖5)。電氣化鐵路發(fā)明的當初,使用了銅材做滑板。然后,19世紀80年代,人們提出使用碳電極的方案,20世紀20年代,碳滑板已普及了。以后在歐美國家,碳成了最普通的滑板材料。日本當初使用了銅制滑板,不過,部分運行區(qū)間與歐洲國家一樣,轉換成了碳滑板。在二戰(zhàn)時時期,由于銅是軍需物質,購買困難,從海外進口碳滑板也不容易。因此,日本自行開發(fā)了碳滑板,但因使用中的裂紋、破損問題而難以使用。二戰(zhàn)后不久,日本開發(fā)了以銅粉為母材的銅系燒結合金滑板,到1950年左右日本國鐵的全部電動車輛的滑板,都采用銅系燒結合金。在此后的日本,燒結合金成為最普通的滑板材料。至于新干線,從開業(yè)時起,就使用了以鐵粉為母材的鐵系燒結合金滑板。國鐵轉為民營后,因迫切要求減輕接觸導線的磨損,此外,也了解到歐洲國家使用碳系材料減輕了接觸導線磨損的優(yōu)越性,碳系材料再度得到了重新認識。其結果是,日本開發(fā)出了碳系滑板,它比歐洲使用的碳系材料導電性能更高,所以JR公司的2/3以上的電動車組都使用了這種碳系滑板。最近,由于列車高速化及削減滑板數(shù)量,導致在滑板上通過的集電電流(受流)呈增大趨勢。一旦受流增大,滑板脫離接觸導線(離線),進而產(chǎn)生電弧放電時,就會產(chǎn)生滑板摩擦面損傷,摩擦表面上的金屬熔化或脫落等不利影響,導致電阻率上升。因此,已開發(fā)了新的材料,即通過提高滑板材料的耐熱性,增加金屬含量,使電阻率降低的材料。另一方面,脫穎而出的碳系新材料——C/C復合材料引起人們關注,也開始作為滑板材料使用。所謂C/C復合材料是將以碳纖維紡織的布層疊并壓縮成形,進而燒結成“碳纖維強化復合材料”,它是一種輕量化、耐熱性好的應用于飛機制動等方面的材料。如上所述,材料的變遷,可以說是由各時代所要求的特性以及為滿足這些要求開展的技術革新而得以實現(xiàn)的。2接觸導線的材料2.1張力鋪設界面要求對于接觸導線有如下性能要求:(1)作為電路元件要求有高導電性;(2)作為電氣設備構件,要求有高強度(特別是拉伸強度)、耐蝕性、耐疲勞性、耐熱性;(3)具備作為摩擦材料的耐磨性;(4)作為消耗件,要求考慮經(jīng)濟性(價格低)以及可再生性。與對滑板所要求的性能相似,但大不相同之處是,在對接觸導線施加張力架設情形下,在滿足拉伸強度要求以及作為設備長期使用情況下,要求接觸導線具備耐蝕性及耐疲勞性。對于后述的硬銅接觸導線,制定了日本工業(yè)標準(JIS),除了導電性以外,也規(guī)定了拉伸強度等機械性能。2.2復合接觸導線對接觸導線所要求的性能較多,不過,作為滿足這類要求的材料,歷來被廣為使用的是銅材。戰(zhàn)爭年代,為節(jié)省銅資源,當時使用鐵及鋁合金代替。即便是目前,基本上為純銅(含微量雜質,但并不有意添加合金成分)的硬銅接觸導線占主流。除純銅之外,有提供給長大隧道區(qū)間等使用而加入銀的提高了耐熱性的接觸導線(含銀0.12%以上);還有添加了錫以提高硬度及耐磨性為目標的加錫接觸導線(含錫0.3±0.05%),其中加錫接觸導線使用較多。在新干線上以提速為目標時,由于接觸導線的波動傳遞速度對集電性能的影響,需要比強度(材料的強度與質量之比,即單位長度的質量與拉伸載荷之比)大的材料。復合接觸導線是利用其鋼芯確保強度(承擔張力),用鋁合金及銅材來補償導電性而開發(fā)的高速線路用復合材料。不過,與強度相反,其導電性降低了些。開發(fā)了稱為TA接觸導線(TA是鐵、鋁的簡稱),它是鋼與鋁合金的復合材料;稱為CS接觸導線的銅包覆鋼芯的復合接觸導線(見圖6)。TA鋁合金由于輕量化,比強度較其他材料突出。鋼芯一旦顯露在摩擦面上,則磨損就難以發(fā)展下去。不過,從防止由于異種金屬接觸引起的腐蝕的觀點來看,不能原封不動地使用架設銅接觸導線時用的吊架吊具,此外,鋁合金由于隧道內的堿性漏水容易引起腐蝕,設有隧道的區(qū)間,也難以統(tǒng)一地全線架設TA接觸導線。因此,目前TA接觸導線尚未正式投入運用。銅包覆鋼芯的復合線材即CS接觸導線,(CS是CopperSteel的縮寫),由于其表面為銅材,無需擔心類似TA接觸導線那樣遇堿性漏水引起腐蝕,反復并充分地確認架設試驗的結果后,在北陸新干線(高崎～長野)、東北新干線(盛岡～八戶)、九州新干線上已被全面采用。另外,也有使用增大銅的截面積比率,提高了導電性的CSD接觸導線。這樣導線已在東海道新干線上應用。另一方面,有稱為PHC的接觸導線,它是必須同時實現(xiàn)高導電性與高強度,該導線是在銅中添加了微量的鉻與鋯的合金而開發(fā)成功的。所謂PHC是PrecipitationHardenedCopperAlloy析出強化銅合金的縮寫形式,雖然是銅合金,但其一方面具有與軟鋼同樣的強度,另一方面具有高于加錫的接觸導線的導電率,而且,也具有在高溫下難以軟化的特點。PHC接觸導線以今后實用化為目標,正在進行試驗性架設。3影響車輛運行速度因素耐磨性是作為消耗件的滑板的最重要的特性,也是接觸導線的必要條件之一。至于固體之間的摩擦,對材料的磨損產(chǎn)生影響的重要因素如下:(1)材料的組合;(2)壓緊載荷(接觸力):除了受電弓的靜態(tài)壓力之外,也包含運行中的速度變化;(3)摩擦速度:相當于車輛運行速度;(4)摩擦環(huán)境:介于摩擦面之間的雨水、油脂及塵埃等?；迮c接觸導線的摩擦,除了這些因素之外,通電也是最重要的因素。在考慮滑板與接觸導線的磨損時,除了考慮通常的固體之間的摩擦磨損之外,還必須考慮通電的影響。3.1電弧放電的影響在燒結合金滑板與銅接觸導線間形成的是金屬之間的摩擦磨損。金屬之間的摩擦是受膠合磨損的磨損形態(tài)支配的。固體之間接觸時,實際上是小面積的點接觸,施加載荷后,就會形成相互膠粘的狀態(tài),在這種狀態(tài)下相互運動,即形成摩擦。隨著在接觸點膠粘的部分被帶走而形成磨損,這就是所謂的膠合磨損。至于燒結合金不通電時,隨著壓緊載荷的改變,磨損也增加。摩擦速度越高,磨損越少。圖7為銅系燒結合金滑板與鐵系燒結合金滑板,在不予通電條件下進行磨損試驗時,磨損率的速度特性。通電的影響可分為2種:由于接觸點的接觸電阻引起的焦耳熱;以及滑板脫離接觸導線時(離線時)產(chǎn)生的電弧放電。由于焦耳熱,接觸點附近的溫度一旦上升,則眾多情形下,材料會被軟化,進而磨損向增大的方向發(fā)展。另一方面,由于電弧放電的電弧熱,溫度急劇上升,在多數(shù)情況下,電弧附近的材料會被蒸發(fā)、熔化、軟化,進而磨損向增大的方向發(fā)展。由試驗結果可知,如比較焦耳熱與電弧熱的影響,則電弧熱的影響顯著大一些,在電弧放電頻繁發(fā)生的條件下,如形成摩擦,滑板的磨損率與電弧放電的電量成正比地增大(見圖8)。因此,作為通電的影響,關鍵是掌握產(chǎn)生電弧放電時的影響。碳系滑板,碳與銅材之間幾乎不引起膠粘。由于碳本身的潤滑性較好,故與燒結合金滑板相比,滑板、接觸導線的磨損都小。關于碳的磨損機理,雖說一直都在研究,但并非已經(jīng)明確,不過,主要可考慮為幾個方面的磨損:由于摩擦熱等導致碳的氧化消耗而產(chǎn)生的氧化磨損;由于接觸導線的摩擦面的微小粗糙面被削去,進而形成磨損,即磨料磨損。隨著壓緊載荷的增加,摩擦速度的增加,碳的磨損即隨之增加。而含金屬的碳系滑板,與燒結合金滑板一樣,如果摩擦速度降低,磨損就會呈現(xiàn)加大的趨勢。圖9為不含金屬的純碳滑板與浸漬了銅合金的碳系滑板在不予通電的磨損試驗中,滑板磨損的速度特性。通電的影響與燒結合金滑板的一樣,可大致分為接觸點的焦耳熱與離線時的電弧熱。碳系滑板由于熱量會加劇碳的氧化消耗,所以,由于通電而產(chǎn)生的焦耳熱、電弧熱導致磨損呈增大趨勢。含有金屬的碳系滑板,由于電弧熱引起急劇的溫升,滑板內部的金屬粒子會被蒸發(fā)、熔化、脫落,導致碳急劇的氧化消耗,磨損即向增大方向發(fā)展。由此可知碳系滑板也與燒結合金滑板一樣,在電弧放電頻繁發(fā)生的情況下,滑板的磨損率與電弧放電的電量成正比增加(見圖8)。通電(集電)的影響在此也是受到由于電弧放電引起的磨損支配的。可認為,通電的影響,在于掌握發(fā)生電弧放電時的狀況。3.2試驗條件的影響接觸導線,其磨損特性的含義與滑板并不相同。就滑板作為消耗件而言,由于頻繁地更換,工作壽命,也就是每一運行距離的磨損率是重要的參數(shù)。并且,如上所述,由于發(fā)生電弧放電時引起滑板的磨損最大,所以,電弧放電時的磨損率是重要的。而接觸導線除了在車站內以及高速運行區(qū)間等之外,隨著接觸導線的架設高度不同,特別是高度的不規(guī)則,以及是否有架設用吊具(配件如吊鉤)等條件不同,摩擦條件也會發(fā)生改變。因此,摩擦條件的不同,對于磨損的影響是重要因素。在各種摩擦條件中,著眼于滑板與接觸導線接觸點的表面壓力,以及在接觸點產(chǎn)生的熱量與摩擦速度的比,整理出了接觸導線的磨損率(見圖10)。圖10是對于PHC接觸導線與鐵系燒結合金滑板的組合(即摩擦副)的研究結果。由圖可知,即使是在同樣的速度及電流條件下,也會由于受電弓的運動及接觸導線的架設用吊具等不同,使滑板與接觸導線的接觸壓力增加,導致接觸導線的磨損率加大。另一方面,即使是同樣的接觸壓力、同樣的速度下,如果集電電流增加,接觸