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从电力机车受电弓滑板标准看滑板材料的发展现状

来源:UC论文网2020-09-03 11:37

摘要:

  摘要:受电弓滑板是电力牵引机车的关键零部件和主要消耗件,关系到列车的运行安全与成本。做为铁路专用产品,受电弓滑板有严格的产品技术条件与标准。随着电气化铁路高速化发展,受电弓滑板经历了不同的发展阶段,本文从我国受电弓滑板标准出发,系统阐述了受电弓滑板材料的发展现状,展望了未来高端受电弓滑板发展方向。  关键词:受电弓滑板;滑板材料;技术条件与标准  0引言  现代轨道交通,包括高铁动车组、城轨地...

  摘要:受电弓滑板是电力牵引机车的关键零部件和主要消耗件,关系到列车的运行安全与成本。做为铁路专用产品,受电弓滑板有严格的产品技术条件与标准。随着电气化铁路高速化发展,受电弓滑板经历了不同的发展阶段,本文从我国受电弓滑板标准出发,系统阐述了受电弓滑板材料的发展现状,展望了未来高端受电弓滑板发展方向。


  关键词:受电弓滑板;滑板材料;技术条件与标准


  0引言


  现代轨道交通,包括高铁动车组、城轨地铁、普通旅客列车和货运列车,都是电力牵引的,即通过电力牵引机车上的弓网关系来获得牵引动力。弓网关系是由架在列车上空的接触网导线、列车顶上的受电弓及受电弓顶部的受电弓滑板三部分组成。见图1。


  列车运行时,受电弓滑板与接触网导线形成一个载流的滑动摩擦副,通过滑动载流摩擦,将外部电流由滑板引入机车内,从而实现列車的牵引动力。受电弓滑板除了受到机械磨损外,还要受到频繁的电弧烧蚀,是列车的关键零部件和重要消耗件,关系到列车的运行安全与成本。要求滑板[1]:一是电组率小、导电性好。以提高弓网受流性能,抑制离线电弧产生,减少滑板电弧烧蚀;二是减磨性、耐磨性好。以减少滑板对接触网导线的磨损,同时保持滑板本身的磨耗寿命;三是强度、韧性适当高。以保证滑板不异常破坏,同时在弓网受到异常冲击时,能通过滑板损裂而释放冲击,实现气道自动降弓保护(受电弓和接触网导线)功能;四是密度小、质量轻。以减少滑板对受电弓的重量负载损耗;五是价格适中。以保证滑板的性价比。


  随着列车运行速度的不断提升和运行负载电流的不断增加,受电弓滑板材料也在不断的发展进步[2][3]。第一代金属材料滑板已被淘汰,第二代粉末冶金材料滑板也用得越来越少,正面临淘汰。目前普遍使用的是第三代纯碳材料滑板和第四代浸金属碳材料滑板。第五代MCC多元碳化物材料滑板、碳纤维材料滑板处在开发试用阶段。本文从我国电力机车用受电弓滑板的产品技术条件与标准出发,系统阐述了受电弓滑板材料的发展现状,展望了未来高端受电弓滑板的发展方向。


  1电力机车受电弓滑板技术标准


  受电弓滑板做为铁路专用有产品有严格的产品技术标准,并遵循严格的产品认证规范。主要包括高铁动车组、普速电力机车、城轨地铁用受电弓滑板三方面技术标准,具体包括以下六项:


  ①原铁道部TB/T1842.1-2002《电力机车受电弓滑板粉末冶金滑板》;


  ②国家铁路局TB/T1842.2-2016《受电弓滑板第2部分:碳基复合材料滑板》,包括浸金属碳材料滑板、碳纤维材料滑板和MCC材料滑板三类;


  ③国家铁路局TB/T1842.3-2016《受电弓滑板第3部分:碳滑板》;


  ④原铁道部TJ/JW029-2014《交流传动电机受电弓碳滑板暂行技术条件》;


  ⑤原铁道部TJ/JW054-2014《交流传动电机受电弓浸金属碳滑板暂行技术条件》;


  ⑥铁路总公司TJ/CL328-2014《动车组碳滑板暂行技术条件》,包括纯碳材料滑板、浸金属碳材料滑板和MCC材料滑板三类。


  中铁检验认证中心(CRCC)是实施受电弓滑板产品认证的独立第三方机构,有《CRCC产品认证实施规则——铁路产品认证通用要求》指导文件,并配有受电弓滑板认证实施规则。见表1。从表1可知,目前我国电力机车用受电弓滑板包括粉末冶金滑板、纯碳滑板、浸金属碳滑板、MCC滑板、碳纤维材料滑板等五种。


  2电力机车受电弓滑板材料现状分析


  2.1粉末冶金滑板[4][5]


  包括铜基、铁基二类。分别是以铜、铁为基体,加上相应的合金化组元,通过混料、压制、烧结而成。粉末冶金滑板的优势是导电性能好、强度高,但与路网导线亲和力较强,在载流条件下磨损较严重,同时对导线的磨损大。


  TB/T1842.1-2002《粉末冶金滑板》对铜基、铁基粉末冶金滑板的材料性能规定如表2。


  2.2纯碳滑板[6][7]


  以沥青焦、石油焦、针状焦等为基体组元,加上导电、耐磨成分,先制成骨料粉末,然后加沥青做为黏结剂进行混料,经模压、挤压或等静压成型后焙烧成坯料,再对坯料进行沥青浸渍、焙烧而成。图2为纯碳滑板生产工艺流程。纯碳滑板对路网导线磨耗低,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。


  TB/T1842.3-2016《碳滑板》、TJ/JW029-2014《交流传动电机受电弓碳滑板暂行技术条件》、TJ/CL328-2014《动车组碳滑板暂行技术条件》对纯碳滑板的材料性能规定如表3。


  2.3浸金属碳滑板[8][9]


  采用类似纯碳滑板的工艺先制得多孔碳坯料,然后通过压力浸渗将铜或铜合金浸入碳坯中,制得铜在碳坯中呈网状分布的浸金属碳材料。图3为浸金属碳滑板生产工艺流程。浸金属碳滑板兼有纯碳滑板润滑性能好与铜系合金烧结滑板强度高、导电性好的优点,基本解决了纯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,容易出现掉块,使用过程中需要整形,维护成本较高。


  TJ/CL328-2014《动车组碳滑板暂行技术条件》、TJ/JW054-2014《交流传动电机受电弓浸金属碳滑板暂行技术条件》、TB/T1842.2-2016《碳基复合材料滑板》对浸金属碳滑板的材料性能规定如表4。


  2.4MCC滑板[10][11]


  MCC滑板是基于三元层状MAX相陶瓷的一种多元碳化物基复合材料滑板。MAX相陶瓷以Ti3SiC2、Ti3AlC2为代表,导电率比石墨高一个数量级,强度、韧性、硬度等力学性能指标比石墨好得多,更重要的是MAX相陶瓷在1300℃时还具有很好的抗氧化能力、远高于石墨,且摩擦系数也低。因此,MAX相陶瓷对于铜来说是一种很好的弥散强化和摩擦润滑相。


  图4为MCC滑板生产工艺流程。先以Ti、Si、C粉为原料,经混合、压制、烧结、破碎制得Ti3SiC2粉末,然后以Ti3SiC2粉末与Cu粉为原料,掺入粘结剂,经混合,压制,烧结而成由Ti3SiC2与Cu相结合的多元碳化物基MCC滑板材料。MCC滑板具有导电率高、耐冲击、耐磨耗、耐电弧烧蚀、对接触网线磨耗小等显著特点,能有效地解决国内外目前使用的碳基滑板以及粉末冶金滑板磨耗快、易破损、对接触网线损伤大等问题。但MCC滑板保持的陶瓷材料的本质使其性能稳定性有待提高,另外是材料密度要比碳滑板高,增加了受电弓的载荷损耗。


  TJ/CL328-2014《动车组碳滑板暂行技术条件》、TB/T1842.2-2016《碳基复合材料滑板》对MCC滑板的材料性能规定如表5。


  2.5碳纤维材料滑板[12]~[17]


  为解决纯碳滑板材料、浸金属碳滑板材料存在的不足,碳纤维增強复合材料滑板获得开发,以降低电阻率、提高强韧性、增强耐磨性。碳纤维增强复合材料,一部分以镀铜石墨为导电基料或者改性组分,分别以短切碳纤维、连续长碳纤维和镀铜碳纤维作为增强材料来改善既有碳/铜材料性能,即:通过碳表面镀铜来增强碳与铜的结合;通过加入碳纤维来提高强度和韧性。另一部分则以连续碳纤维预制体制成坯料,如,三维针刺体或编织体及二维层间叠压体坯料,通过化学气相沉积(CVI)、树脂或沥青浸渍碳化等方式将基体碳引入到坯料中进行增密增强,获得C/C复合材料坯体,对坯体再进一步进行浸铜或铜合金获得C/C-Cu复合材料滑板。


  图5是专利CN105150857A“一种受电弓滑板用C/C-Cu复合材料及制备方法”提出的碳纤维增强复合材料滑板制备工艺,先将预浸炭布与铜网逐层依次叠置热压成型,获得低密度C/C-Cu坯体,然后在树脂中对坯体进行多道次浸渍、碳化后而制得C/C-Cu复合材料滑板。


  碳纤维增强复合材料滑板既有高的强韧性、耐磨性,又有较低电阻率和良好导电性,但其工艺周期长,原料成本也高,影响了实用化。而且,层间叠压增强方式会因层间剪切强度不够而影响到滑板使用。针刺体或编织体增强方式又会因强韧性太高,造成滑板在异常大冲击情况下不断裂,影响了受电弓自动降弓功能的可靠性。


  TB/T1842.2-2016《碳基复合材料滑板》对碳纤维材料滑板的材料性能规定如表6。


  3电力机车受电弓滑板应用现状及展望


  目前,轨道交通电力牵引机车主要使用纯碳材料滑板和浸金属碳材料滑板,其中以浸金属碳材料滑板居多。国内生产纯碳滑板、浸金属碳滑板的企业通常都是电碳产品企业,有碳、石墨、碳/铜(C/Cu)材料的研发生产基础,后来大都转向生产轨道交通电力机车用受电弓滑板。但国产纯碳滑板、浸金属碳滑板目前只能用在120km/h和160km/h普速列车上,250km/h和350km/h高铁动车组列车和城轨地铁列车受电弓上用的基本为进口的碳滑板和浸金属碳材料滑板,如:德国霍夫曼和攀帅克滑板、英国摩根滑板、法国美尔森滑板等。表7为国产受电弓滑板与进口受电弓滑板的材料性能对比。


  可见,国内哈尔滨电碳厂的纯碳滑板、浸金属碳滑板的材料性能已接近进口纯碳滑板、浸金属碳滑板。但实际使用中滑板的磨耗率及寿命稳定性还有待提高。国内MCC滑板、碳纤物材料滑板的导电性、强度和冲击韧性都表现不错,未来很有发展潜力。国内MCC滑板和碳纤维材料滑板正处于开发试用阶段,都具有自主知识产权,有望替代进口滑板用到高铁动车组和城轨地铁上。国内应充分发挥产、学、研、用协同创新资源,利用高铁和城铁的快速发展平台,借助国家对高端受电弓滑板国产化的实际需求机会,加快MCC滑板和碳纤维材料滑板的开发,推进产业化应用,培育高性能受电弓滑板品牌,实现高端受电弓滑板的自主化生产供应,从根本上解决高铁动车组列车和城轨地铁用受电弓滑板的“卡脖子”问题。

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