Admin

Какие накладки полозов токоприемников нам нужны?

Использование для токосъема монолитных медных контактных пластин как на постоянном, так и переменном токе с нанесением на полоза внешней смазки не позволяло обеспечивать длительный срок службы контактного медного провода и необходимые пробеги полозов токоприемников. Наличие в сильноточном скользящем контакте пар трения из одного и того же металла — меди — вызывало схватывание поверхностей трения контактного провода и пластин полозов токоприемников.

Все это послужило основанием для замены медных монолитных контактных пластин на самосмазывающиеся материалы, способные бесперебойно подавать смазку на поверхности трения сильноточного скользящего контакта и таким образом снизить износ. Определяющей характеристикой токосъемного материала является его удельное электрическое сопротивление, так как от его величины зависит нагрев контактного провода при взаимодействии с токосъемным элементом полоза.

Для электроподвижного состава переменного тока с напряжением 25 кВ приемлемым материалом токосъемных элементов является углерод. Высокое напряжение в контактной сети переменного тока дает возможность при использовании необходимой мощности для электроподвижного состава снимать с контактного провода небольшие по величине токи. При низкой электропроводности углерода они не вызывают перегрев контактного провода и падение его прочностных свойств.

По своей природе трибосистема сильно-точного скользящего контакта, состоящая из металла и металлолоида — медный провод и углеродный токосъемный элемент является совместимой парой трения, так как исключает процесс схватывания, а, следовательно, обеспечивает малые износы.
Опыт эксплуатации угольных вставок марки «А» на коксовой основе и марки «Б» на графитовой основе с удельными электрическими сопротивлениями, соответственно, 30 и 15 мкОм-м показал, что при снятии малых токов на напряжении 25 кВ износ контактного провода низкий. В контактной сети переменного тока удельный износ контактного провода составил 0,133 мм2 на 104 проходов токоприемника.

Для определения области применения угольных вставок при токосъеме были проведены стендовые испытания по определению нагрузочной способности полозов с ними по току. Испытания проводились в ВЭлНИИ г. Новочеркасска на натурном контактном проводе с угольными вставками, смонтированными на серийном трехрядном полозе. Допустимые токи полозов определяли на стоянке, когда температура контактного провода в летний период не должна превышать 75 °С, а в зимний — 125°С,в движении токосъемный элемент полоза не должен нагреваться выше 185 °С. Результаты испытаний показали, что угольные вставки марки «А» на стоянке летом и зимой могут снимать, соответственно, 110 и 73 А, марки «Б» — 150 и 95 А. В движении они, соответственно, могут снимать ток 900 и 1100 А.

При таких возможностях в случае применения угольных вставок на постоянном токе с напряжением 3 кВ, когда приходится снимать токи выше допустимых, наступают осложнения, связанные с высоким нагревом самих вставок (марки «Б» до 420 °С, марки «А» до 500 °С при токах выше 2000 А). В этом случае полностью разупрочняется поверхность слоев контактного провода на глубину более 1 мм и менее интенсивно наблюдается разупрочнение на глубину до 3 мм и более, повышается износ контактного провода до 0,6 — 0,9 мм2 на 104 проходов токоприемника.
В связи со сложившимся положением были разработаны токосъемные элементы на металлической основе с удельным электрическим сопротивлением на порядок и более низкой величиной, чем у угольных вставок. Для снижения износа контактного провода создавались токосъемные элементы из композиционных материалов на металлической основе с самосмазы-вающимися свойствами. Используя приемы технологии порошковой металлургии, создавались композиты с многофазной структурой и твердыми смазками в своем составе.

Первое поколение токосъемных элементов на металлической основе в виде порошковых контактных пластин на железной основе с самосмазывающимися свойствами марки ВЖЗП работает на всех дорогах постоянного тока вот уже 40 лет. Они позволили при замене монолитных медных контактных пластин снизить износ контактного провода более чем в 2 раза, увеличить пробеги полозов токоприемников в 2 — 2,5 раза. На стоянке летом они снимают ток 385 А, а зимой 510 А, в движении без искровых разрядов снимают 2400 А. При работе с ними поверхностные слои контактного провода упрочняются за счет нагартовки и не повреждаются задирами.

Износ провода на постоянном токе при их использовании составил 0,34 мм2 на 104 проходов токоприемника, что в 2 — 3 раза меньше, чем при угольных вставках. Несмотря на достигнутые результаты в связи с повышением мощности локомотивов, переходом на скоростное и высокоСкоростное движение традиционно используемые токосъемные элементы не могут обеспечить качественный и надежный токосъем.

Решение задачи по эффективной эксплуатации контактной сети и подвижного состава выдвигает требования к дальнейшему уменьшению износа контактного провода и случаев его разрушения, повышению ресурса работы полозов токоприемников, снижению потерь электроэнергии при токосъеме.

Последние достижения науки и техники в области разработки новых видов материалов для токосъемных элементов дают возможность решать многие проблемы, появившиеся на железнодорожном транспорте.

Давно назрел вопрос о повышении свойств токосъемных элементов на углеродной основе. Европейские фирмы «Hoffmann», «Morgant», «Shunk» вот уже 50 лет производят металлоуглеродные вставки, которые превосходят по своим электро-контактным характеристикам отечественные угольные вставки. Они используются для токосъема не только в Европе, но и в Китае, Индии. Металлоуглеродные вставки зарубежных фирм подвергались эксплуатационным испытаниям на Октябрьской и Московской дорогах и стендовыми испытаниями в ВЭлНИИ.

В результате было установлено, что при дуговом токосъеме они превосходят угольные вставки марки «Б» в 2,5 — 3 раза, позволяют на стоянке летом снимать ток 148 А, а в движении 1600 А, при удельном электрическом сопротивлении в 2 — 3 раза меньшем (6 — 8 мкОм*м), чем у угольных вставок. По разработанной во ВНИИЖТе технологии были изготовлены образцы металлоуглеродных вставок, которые показали при эксплуатационных и стендовых испытаниях лучшие результаты.

Технико-экономический расчет, учитывающий снижение по сравнению с угольными вставками износа и повреждаемости контактных проводов, уменьшение потерь электроэнергии при токосъеме, увеличение пробегов полозов при использовании металлоуглеродных вставок, показал, что замена углеродных вставок позволит получать значительную экономию.

С использованием наукоемких технологических приемов и нанотехнологий в разработке композиционных материалов на медной основе как металла, обладающего большей электропроводностью и пластичностью, чем железо, были созданы токосъемные элементы нового поколения со самосмазывающимися свойствами. При их изготовлении применялись не чистые металлические порошки, а легированные, что позволяло с использованием технологии порошковой металлургии получать матрицу композита токосъемного элемента с высокой прочностью и термостойкостью. Использование в качестве твердой смазки графита позволяло обеспечить высокую экологичность контактных пластин. Исключив в технологии порошковой металлургии процесс спекания и используя высокотемпературную динамическую обработку давлением, можно получить порошковый материал контактных пластин с практически 100 %-ной плотностью.

По отработанной технологии были изготовлены опытно-промышленные партии контактных пластин на медной основе. Исследованы их свойства, разработаны технологические условия на изготовление, проведены эксплуатационные и стендовые испытания. По своим антифрикционным свойствам они значительно превосходят серийные порошковые контактные пластины на железной основе, позволяют снизить износ контактного провода, по крайней мере, в 2 раза. Они дают возможность снимать на стоянке летом ток 520 А, зимой 600 А, а в движении 2800 А. Технико-экономический расчет показал, что при замене в парке локомотивов сети порошковых контактных пластин первого поколения на вновь разработанные с медной основой, годовой эффект в ОАО «РЖД» составит 746 млн. руб.

Разработаны для токосъемных элементов дисперсно-упрочненные композиты на медной основе с использованием в технологии порошковой металлургии механического легирования медных порошков элементами с большим сродством к кислороду, чем медь. Полученный таким образом материал упрочняется супермелкими включениями оксидов и карбидов алюминия (20 — 50 нм), сохраняя электропроводность на уровне 90 % от электропроводности меди с предельной температурой разупрочнения 860 °С при температуре разупрочнения меди 200 — 250 °С.

Конструкция токосъемных элементов из дисперсно-упрочненного композита на медной основе предусматривает ротапринтную систему подачи смазки в скользящий контакт. Выполненные таким способом составные токосъемные элементы исключают схватывание с медью провода. На данные токосъемные элементы разработаны технические условия изготовления, выпущены опытные партии, проведены эксплутационные и стендовые испытания. Ресурс работы полозов токоприемников при этом составил 200 — 300 тыс. км, на стоянке полоз с ними позволяет летом снимать ток 600 А, а зимой более 800 А, в движении — до 3000 А.


На железных дорогах России наблюдается большое разнообразие условий токосъема: это и различный климат по территории страны, электрификация железных дорог на постоянном и переменном токе, различная мощность электропод-вижного состава и скорость их движения. На рисунке для сравнения представлены зависимости превышения температуры контактного провода от величины снимаемого тока на стоянке двухрядным полозом с металлоуглеродными вставками, с угольными вставками марок А и Б на трехрядном серийном полозе и металлоуглеродными экспериментальными вставками ВНИИЖТ с пропиткой медью графита МПГ-7 и ниппельного графита на том же полозе. Из приведенных данных видно преимущество по снимаемым токам металлоуглеродных вставок перед чисто углеродными. Допустимый ток для полоза со вставками А летом — 73 А и зимой — 95 А.

Малые значения падения напряжения 1,8 В в контакте с проводом при токе 800 А у металлоуглеродных вставок (по сравнению с угольными серийными вставками марки А — 4,64 В и Б — 3,04 В) позволяют снизить потери электроэнергии при токосъеме, что в соответствии с расчетами приведет к экономии до 603 руб. на 1 км контактной сети в год.

Токосъемные элементы на углеродной основе имеют ограниченные свойства и поэтому не могут обеспечить надежный токосъем в различных условиях эксплуатации. Согласно своим электрическим характеристикам они нормально обеспечивают токосъем на переменном токе, но при снятии больших токов в контактной сети постоянного тока вынуждены уступить свои позиции накладкам на металлической основе.

В связи с создавшейся обстановкой нерационально использовать угольные вставки марки «О» на электровозах ЭП10 двойного питания в контактных сетях переменного тока напряжением 25 кВ и постоянного тока с напряжением 3 кВ из-за низкого ресурса их работы. Эксплуатационниками было предложено заменить их на токосъемные элементы из порошкового материала на медной основе с высоким содержанием твердой смазки в виде графита. Материал таких контактных пластин при сухом режиме трения с медным контактом не повреждает его задирами, поверхность обоих пар трения полируется.

Высокие самосмазывающиеся свойства порошковых контактных пластин на медной основе не повлияют на уровень износа контактного провода в сети переменного тока. Благодаря более низким, практически на порядок, значениям удельного электрического сопротивления у металлических контактных пластин по сравнению с углеродными вставками потери электроэнергии при токосъеме значительно снизятся. Пробеги полозов токоприемников увеличатся, так как аналогичные контактные пластины на медной основе имеют ресурс работы на постоянном токе 50 — 100 тыс. км, а у угольных вставок марки «О» он не превышает 10 — 15 тыс. км.

В связи с этим при разработке стандарта на токосъемные элементы необходимо предусмотреть все их виды — как на углеродной основе, так и на металлической основе.

Д-р техн. наук В.Я. БЕРЕНТ, канд. эконом, наук А.Г. СУЧКОВ, г. Москва

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК

Если у вас возникли вопросы по работе сайте - пишите на почту admin@scbist.com

СЦБот

Эта тема была перенесена из раздела Журнал "Локомотив".

Перенес: Admin