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集电装置材料的演变_受电弓滑板和接触网导线

鏃ユ湡;2019-06-27  鏉ユ簮锛毼粗  浣滆咃細admin

  动态综述 文章编号: 1007-6077( 2003) 03-0001-08 受电弓滑板和接触网导线年电车投入使用以来 集电装置便成了其提速的关键问题。从电接触的角度来看 铜基合金被用于接触导线和受电弓滑板的制造。然而 ,与相同材料进行 匹配会引起严重的粘着磨损。 因此 ,对于尺寸小且摩擦性能容易被检测的受电弓滑 如石墨、铁类合金、 含固体润滑剂的铜基烧结合金 而接触导线则必须用纯铜或高铜合金来制造。文中简要介绍了日本集电装置材 料的演变 同时对现有滑板、接触导线及刚性架线作了详细介绍。 关键词: 铁道车辆 ;电车 材料中图分类号: Abstract:Si nce electriccar came onstage in1850, current co llection has been criti cal pro blem tsspeedup. From iewpoint electric co ntact, co pper base alloys hav beenappli ed contact wi res pantograph sliders. How ev er, mating hesame material tribologically nducessev ere cohesiv ear.So pantog raph sliders smallsize rictional propert ies, va ri- ous raphite,ferrous alloys, copper base sint ered alloy contain- ing so lid lubricant ried hilepure highcopper contact article, histo ry currentcoll ection presentsliders, co ntact rigid co nductor li ne described.Key words: rail ehicle;electric ca currentco llection; co ntact wire; pantog raph slider; ma terial 引言铁路运行的实质是摩擦学原理。这就是车轮 轨或轴承、齿轮等的滚动接触,制动器或接触网导线 /受电弓滑板等的滑动接触。滚动接触决定了疲劳寿 ,滑动接触支配着磨损寿命。滑动接触的零件一般寿命较短 根据用途有多种多样。东洋电机公司多年来从事受电弓的制造 ,由于 滑板为易损件 ,多为顾客单独购买使用。 因此 ,滑板 和接触网导线的摩擦学特性左右着受电弓的性能。 对此 ,根据材料间的相容性 ,决定了接触网导线应是 以高铜合金材料为主的长大件 ,无更多的选择。而滑 板因尺寸较小 试验也容易,实际上可以频繁地进行 试制、淘汰和选用。 初期初期的集电装置采用集电靴 /接触轨方式 这种方式以减小隧道断面,节省建设成本为目 现在在地铁上 仍有 应用。 国国营铁路公 BR)东南线 km 地面电车由于架线安全、容易,通常采用架空线 方式。 日本的电车始于 1895 年的京都电铁 ,此后迅 速向各地普及。使用的集电装置为触轮式集电杆。而 今天将受电弓滑动架线称之为接触网。 架空电线最初用直接悬垂方式 ,从吊架点到中 间部位因接触网导线下垂 ,所以平行度很差 ,不适合 高速行驶。随着车速的提高逐渐向链式悬挂方式 钢绞索的悬挂线下,用吊钩将接触网导线悬吊起来 初期的触轮式集电杆的缺点是分支线挂换和方向变换难以有效操作。 为触轮的结构。在电流 回路上有 个可动接触部位,其一是由架线到触轮 的滚动接触部位 ,其二是压紧在圆周速度小的触轮 中部 ,即轮毂两侧的磷青铜板的滑动接触部位。来自 这些部位的电流经两半式可锻铸铁触轮支架、 流入电机。触轮材料是铜锡合金 Cu=88% Sn=10% Zn=2% ,相当于旧 标准 JI 滚动接触的集电方式,由于接触 面电弧造成的损伤与氧化很严重 ,所以工作寿命仅 000~10 000 km。 架线 /架线间的电压降随着车速和集电电流的增大而增大。 压紧力78~ 98 那样,随着车速的增加而降低。 触轮在加速的同时 ,在硬点上的离线脱弓现象 也将加剧 ,逐渐趋向不能使用。 但是 ,由于无轨电车 的电车线是复线 ,有时不能采用集电弓或受电弓 slider)的电杆集电器。这种集电器的活动球面座上装有高硬度 70HS)的石墨和铜锡 合金滑板。 滑板。 滑板使用铝合金铸件 (滑板单面磨损后 可翻过来使用 ,但后来逐渐改成采用电弧发生少、架线容易的石墨。由于没有脱轨架线 所以压紧力和受电弓一样 ,均为 49 另外,由于集电弓和集电杆的高度不同 ,压紧力 改变时对架线的跟随性差 ,所以又开发了 的结构。最近 ,逐渐在地面电车的受电弓上推 受电弓受电弓在 1914 年开始用于院电、 现在的京浜东北线 的电气化铁路。最初接触部 位是用滚子 (即使到现在 起重机集电器仍有采用铜制滚子的实例 才确定为滑板式。起始虽受到挫折 ,但却是高速化不可缺少的技术。在 市郊电车中 ,受电弓于大正末年 1912~1926 和连接器的自动化一起被广泛采用。受电弓的滑板材料一 这种材料相对于硬铜的接触网导线来说 容易引起粘着磨损,会导致接触网导线滑动面损坏 及滑板剧烈磨损。 二战中 以前的碳素类材料很脆、容易出现滑板破损和电弧。 1949~1951 铁道电气化协会 )适时推出了替代石墨的铜系烧结合金 滑板。 示出了采用不同滑板材料时的接触网导线磨损概况。 石墨使接触网导线具有耐磨性好、滑动噪 声小等突出的优点 现在仍在私营铁路中应用。为了克服京浜高速铁路中的断线问题 ,此后又对接触网 导线进行了强化 ,将硬铜导线拧合成复合电车线 ,时至今日,石墨滑板仍在继续使用。 1951年各种滑板的磨损比较 滑板种类 石墨铜系烧结合金 接触网导线 接触网导线的材质逐渐普及的电车集电装置是利用摩擦力自动进 行方向变换的集电弓。 最初使用的集电弓是由德国 进口的。 这时采用的是和受电弓一样的滑动接触的 对接触网导线有如下一些性能要求: 1)导电率大:为了降低远距离架线 带槽硬铜导线 触轮式集电杆集电容量与列车速度的关系铜、高铜合金 Cu96% )、铜基复合材料为主体。 所示,即采用 对导电性没有影响的低含量也能使强度提高 (析出 时效硬化 那样,由于冷加工后的再结晶 化温度上升,所以耐热性也提高。表 列出迄今仍在 使用和正在开发的接触网导线)耐磨性好:要求滑动集电的耐磨性高、寿命 3)耐热性好:在冷却设备停止运转期间 4)强度高:由于高速化 ,当接近波动传递速度 ,离线率增大。在这里 ,因为 5)疲劳强度高:由于压紧力越大 ,离线)卷筒卷取方法的缺点,不能影响导线年制定的 BS 规范中 ,接触网导线规 采用带槽的硬铜线,曾获得各国的认同。 此后 发了反射炉精制铜冷拔材料。最近,也有应用 合金系的。在JIS ,则规定使用带槽硬铜接触网导 E2101)。二战中 除了石墨之外,也有使用软钢丝的 就发现了异种金属的接触腐蚀问题,所以战后又恢 复使用硬铜。 除了北美有采用铝合金线 ,中国、 日本 有采用铝包覆钢线的之外 ,接触网导线都以采用纯 时效处理后的高导电强度铜合金的高温硬度硅铜线的优点是较硬铜线耐磨 ,但导电率低、 弧和耐短路电流特性也差,加上成本也高 ,因而使用 不多。 镉铜线在意大利国铁和日本的新干线上有作为 悬挂线使用的。 但由于镉是有害金属 ,一般很少应 镉锡铜线在文献中很少有使用情况的介绍。银铜线在北陆隧道内发生列车火灾事故之后 曾作为隧道内接触网导线使用,除此之外 ,也在营团 的地铁、 东急电铁、 阪神电铁及海外德国国铁 现在的德国铁道 )上应用。 合金成分 种类 (质量分数 接触网导线特性表抗拉强度 Pa导电率 IACS 参考文献硬铜线 硅铜线 反射炉精炼铜 Sn 9765~ 40 JIS E2101 12, 13 镉铜线 镉锡铜线 锡铜线)80 14 铝合金线 铝包覆钢线 TA)Al SWRH67 14铜包覆钢线 CS)OFC SWRC H25K 181)用总截面积 150mm 110mm )除以断裂载荷值2)用总截面积求出的值 锡铜线 年开发 ,很快在国铁常规线上 ,其磨损率比硬铜线% 利已将其用作国铁的悬挂线。铍青铜线在美国的 AM RAK上有应用 其使用寿命长达30~ 40 镁铜线在文献上很少有记载,实际使用条件不 但导电率低的缘故。PHC IC芯片引 线框材料 转变开发 曾在JR 入口处进行敷设试验,结果表明 ,磨损率是锡铜 50%左右。 铝合金线在北美有应用的 但详情不明。对于这些一体式铜线 ,开发了用钢芯承担张力 来提高波动传递速度 ,而用铜或铝来补偿导电性的 高速用复合线材。钢—— 铝复合 ,起初曾在SS400 等处试用 ,可成为 高强度高 硬度线材被实际应用。 现已在东海道新干线的部分 高速区段试运行。铝 /钢复合的接触网导线在中国也 有应用。 假如用铝包覆 ,可以实现轻量化 ,对提高上 述波动传递速度是有利的。但是如果和铜接触 ,则会 引起异种金属的接触腐蚀及吊架吊具 (如吊环等 持力减弱等问题。对此 CS)接触网导线和硬铜有互换性。虽然不能轻量化 ,但有利于提高波 动传递速度。 硬铜接触网导线 km CS接触网导线已应用在长野新干线上。 CS接触网导线断面形状和制造工序。 接触网导线截面接触轨采用含碳量极低的碳钢 ,用与钢轨截面 刚性架线作为最初的接触轨有装在隧道上部和 新交通系统侧壁的刚性架线等方式。 它和链式悬挂 线不同 ,兼有轨道电线 (来自变电所的供给电线 作用,具有通过的电流大 ,无断线危险 ,耐磨性好及 维修量少等优点。 相同的孔型轧辊轧制而成 ,对强度方面没有特别要 NKK规格 日本的接触轨截面形状和铁道 钢轨相同 ,长度为 15 ,利用电弧焊焊接成规定的 长度。考虑到热胀冷缩 ,最大连续长度由各公司自行 决定。对营团的地铁 ,确定地下为 800 ,地上为300 接触轨材质(质量分数 cm)Nort Eastern RR 0812. etropolit District 05911. South estern 05511. LondonElectric Railway 0511. NewYork Subw ay 0312. 近年来,隧道利用封闭施工法建成圆形截面 于上部空间比下方两侧有更多的空余,所以采用刚 性架线结构可以减小隧道直径。 另外 ,根据 1956 接触轨方式就没有再铺设。刚性架线如图 那样,有用铝合金吊环将硬铜 接触网导线或银铜接触网导线合抱在 为兼作接触轨导线,所以使用耐腐蚀铝合金 A5083、 A6063 15kg 的接触轨)上等。 由于 这些 结构都是异种金属接触 ,容易因漏水引起电 化学腐 为此,一方面设法在 型材和接触网之间进行 涂装 ,另一方面通过对接触网导线镀锡来 防腐蚀。即 便是所谓刚体 ,假如不能将接触网导 线连续地固定 ,那么接触网导线 就会 发生局部 各种刚体架线地铁区间没有像隧道外那样大的温度变化 是铝材因热膨胀系数较大,故需要注意其热胀冷缩 的变化。 形型材的加长采用氩弧焊,按照标准 这种不连续的部位设置了称之为末端导电引轨的集 引入过渡部分,但仍然不能有效避免对集电 在胶轮式新交通系统和单轨铁路中,一般是利 用直流、 三相交流形成 线的侧面集电方式。因为线路几乎都是隧道外明路段 A6063)座架部分的 AL- SUS 轨道。 滑板材料滑板材料有如下一些特性要求: 1)接触电阻小(防止发热 2)磨损小(减少维修量、节约经费 3)润滑性能优良(耐磨 防止缺损、破裂 对上述要求,要根据用户和不同区段予以满足。 列出了日本现在使用的主要滑板材料。如上所述 ,日本国铁在战时使用的石墨滑板不 ,而且导电性差,因此 ,导致停车中的接触网 导线过热而断线等事故接连不断。 因此必须开发既 具有铜那样的良好导电性 ,又有石墨那样导线磨损 小的材料。通过成分组配 ,试制了能自由添加润滑成 分的铜系烧结合金滑板。这种滑板在 1947 年前后 行了现车试验。就在此时 ,由于楼木町电车发生由架线事故引 发的火灾 ,所以迫切地将石墨滑板改换成烧结合金 滑板。 西武、南海系列 主要金属滑板的成分制造 主要成分 方法Cu Fe Ni Cr 其他 Sn Pb oS2C.石墨 39烧结 17~27 54X烧结 10~20 BF31 烧结 10~16 DM烧结 10其余 BC30烧结 其余 17~ 25 BC16烧结 其余 10~13 16烧结 其余 10~13 BB烧结 其余 CS103烧结 其余 BC烧结 其余 10~ 15 R1烧结 其余 R2烧结 其余 BEM烧结 93 Cu-Fe BE11烧结 90 Cu-FeS= 铸造57~ 63 Zn=33~ 37, Al= 铸造62~ 66 Zn=其余 NG10 合金 铸造 75 铸造83 主要金属滑板的特性及主要用户系列 物理性能 机械性能 商品名密度 电阻率硬度 cmHB 抗拉强度 kgf/cm 3065~ 95 20)98( JRS(新干线( JRS新干线)98( JRS(新干线( JRS(新干线( JRS(新干线 JRSJR CSIO 3060~ 60 18)49( JRSJR 3455~ 65 JRSJR 3085 15)69( JRSJR 3085 15)69( JRSJR 38~50 13)98( 2350~ 65 16)98( 3040~ 50 20HS18~ 21 18)98( NGIO合金 1330~ 35 RS规定的值 触网导线温升的关系。在烧结合金滑板实用化之后 国铁就没有再使用石墨滑板,但仍有部分私 营铁路 在应用。 由于铜系烧结合金与硬铜接触网导 一组织金属,所以磨损大。 因此 ,还开发了 铁系烧结 合金。电化协会的研究会以国铁为主 直从事新干线用高速滑板的开发。 新干线用滑板 的性能在东京 000km 以上,接触 网导线 为目标。在投入运用前的试 ,从许多试制合金中选择了铜系、铁系烧结合金 和铅青铜系铸造合金各一种 进行试验。 其中的铁系 烧结合金能满足 10 的目标寿命要求,所以在投入 运行时就在全部列车上安装了铁系烧结合金滑板。 但是 ,由于发生像切削接触网导线那样的异常磨损 因此不得不另外进行了上层为铜的滑板的试验。 ,接触网的磨损增大,但如果滑板采用铁与铜按 比例混合的材料时,结果磨损寿命延长到单 因此,在此后的长时间内 ,都一直 使用 这种滑板。 各种滑板在停车时的集电电流和接触网导线 系高速列车中 ,为了 除离线,大量减少受电弓的数量 16辆编组列 板就不能适应,因此现在以使用铁系滑板为 在原有线中,滑板材料从石墨改为铜系烧结合 ,但是,由于接触网导线磨损增加 ,所以许多用户 就将润滑脂或称为减磨剂的固态润滑剂加注在 滑板之间。各种润滑剂见表 主要润滑剂主要成分 名称 形态 oS2聚四氟 乙烯 强化剂、 改良剂 CS 溶液20 60 20 PW固态润滑剂 DT 形成品其余 50 30 33固态润滑剂 梯形成品50 20 30 白色固态润滑剂 梯形成品 50 40润滑脂随着离充填地点距离的增加 ,在接触网 上的附着量逐渐减少 ,其润滑作用在 20 km 以内有 另外,假如下雨 ,润滑脂流失并和磨耗粉末混合 等会减少润滑效果 ,也会带来维修保养问题。为消除 这些缺点 ,现在几乎都改用固态润滑剂。在润滑脂有 效范围内 ,滑板的磨损量是不用润滑脂的 以下。而采用固态润滑剂 ,由于有效范围大 ,磨损量更小 铜系烧结合金中的CR1、 CR2 能满足寒冷地区 使用。 在寒冷地区 ,霜附着在接触网导线上 ,由于离 线作用 ,往往触发电弧。因此 示出寒冷地区用滑板的磨损试验结果。 寒冷地区用滑板的磨损率滑板不仅承受磨擦热而且还有接触电阻产生的 焦耳热和电弧热 ,故导致凹凸状的浅表层软化 ,加之 低熔点金属熔化 ,从而使摩擦因数降低。 因此 ,一般 速度越高 ,磨损越少。 但是 ,铁系合金在某速度区有 磨损增大的趋向。这是因为速度增加 ,促成氧化铁的 生成而减少了粘着磨损 ,从而使磨损从严重磨损 着磨损的磨损率10 /N)转向软磨损(磨损 另一方面,速度越高 ,离线越严 ,电弧熔损也越严重。在新干线中 ,因为没有使用 润滑剂 ,所以在低速区有机械磨损增大 ,电弧磨损增 多的情况。 作为润滑剂 Sn、Pb 等低熔点金属是有效的。但 Pb 产生的磨耗粉末会造成环境污染。因此要尽可能 采用 Sn。 CuS2 作为固态润滑剂用得相当普及。假如在粉 末烧结或铸造过程中高温时间过长 ,则容易发生氧 oO3也有润滑性 ,只是电阻比石墨大 铸造合金中的黄铜系、铅青铜系、 铝青铜系都已 实用化 ,但现在前两系只在民营铁路的几个公司中 有应用。 石墨滑板在 JR 中应用相当普及。 特性和用户。假如和 金属 滑板 混用 ,由于金属滑板会使接触网导线粗糙 ,从而缩短 石墨滑板的寿命。 在混用情况下 ,如遇下雨 ,其寿命 会更短。 这是因为附着在接触网导线上的石墨随雨 水流失的缘故。 全部列车采用石墨滑板 ,在和接触网导线跑合 ,雨水的影响不会像混用时那样大。最近 石墨滑板曾采用金属喷涂法 (将细铜丝屑和粉末等混合 降低电阻和提高韧性。这样 ,构成一个能抑制电弧、 降低电磁波噪声和滑动噪声的完整结构 ,但却有使 车体污染成脏黑的缺点。 铝系滑板如用陶瓷强化 具有与铁系滑板相同的耐磨性。 因其电阻小、 质量也小 而能减小受电弓滑板体的悬挂质量,适合高速应用。 但在下雨时 ,存在因产生电弧使磨损剧增的问题。 主要碳系滑板成分和特性及主要用户主要成分 导电成分 润滑成分 名称 CuPb Sn 密度 电阻率硬度 cmHS 抗弯强度 主要用户SW 100 300085 39( 400) Y7D其余 28 12 100092 102( 1040) 028)JR YX258 其余 32 14 30094 101( 1025) 04)JR PC58其余 60 18080 118( 1200) 04)JR PC78其余 39~ 50 23095 118( 1200) 042)JR 辅助滑板(配置在主滑板的两外侧 )用铝合金。 改用陶瓷强化滑板后耐磨性好 ,但更换主滑板时有 台阶状变形问题。 铝系主滑板曾经有过这方面的运 经历(例如瑞典国家铁 路公司用的 10% Cu- Al 合金 在欧洲,高速车辆最近采用石墨滑板的也很普 遍。德国铁路公司 DB)历来就将石墨和铝合金的滑板体做成整体滑板使用 ICE列车上的使用寿 km)。在法国国营铁路公司 SNCF)的TGV 个受电弓600A)使 钢滑板(寿命为 12 但最近改成石墨滑板。另外 ,有关滑板损坏时附设 的受电弓降落 装置 ,以及日本新干线石墨滑板的 使用和缺陷检测 方法等课题 都还有待进一步探讨。译自日本《 东洋电机技报》 2000, 106, 10~ 18 收稿日期:2002- 11- 12 Hougen Manuf act ring 公司推出了 rak-Star rak-Blade 砂轮片 ,这是专门为钢轨锯设计的砂轮 片。标准 41 cm 砂轮片为氧化铝混合结构 48000 ak-Blade砂轮片能降 低砂轮片成本达 30% 根据每个砂轮片的切割次数和切割速度测定 ,采用这种砂轮片有成本低、性能好 的优点。 已经证实 90s。在同一型钢轨上 次切割操作,从两侧切割 ,则可以完 次切割。译自美国《 Railw ay Age》 2002,


 
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