ГЛАВА 14

ИЗНАШИВАНИЕ КОНТАКТНЫХ ПРОВОДОВ,

ТОКОПРОВОДОВ, ПЛАСТИН

ТОКОПРИЕМНИКОВ И ДРУГИХ УЗЛОВ

КОНТАКТНЫХ СЕТЕЙ

 

14.1. Виды изнашивания

 

Под изнашиванием подразумевается процесс разрушения и отделе­ния материала с поверхности твердого тела и (или) накопления его ос­таточной деформации при трении, проявляющегося в постепенном изме­нении размеров и (или) формы тела. Износ является результатом изна­шивания, определяемого в установленных единицах. В соответствии с ГОСТ 23.002—78 различают следующие виды изнашивания (рис. 14.1):

1) механическое — происходит в результате механических воздействий:

2) коррозионно-механическое — механические воздействия, со­провождаемые химическим взаимодействием материала со средой:

3) абразивное — механические воздействия твердых частиц, нахо­дящихся в свободном или закрепленном состоянии режущего или ца­рапающего характера;

4) эрозионное — механические воздействия потока жидкости и (или) газа;

5)  гидроэрозионное (газоэрозионное) — эрозионные воздей­ствия потока жидкости(газа);

6) гидроабразивное (абразивное) — эрозионные воздействия по­тока жидкости и абразивных частиц;

7) усталостное — механическое изнашивание в результате уста­лостных разрушений при повторных деформациях микрообъемов материала поверхностного слоя;

8)  кавитационное — гидроэрозионное изнашивание при дви­жении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырь­ки газа захлопываются вблизи поверхности тела, что создает по­вышение давления или температуры;

9) при заедании — изнашивание в результате схватывания, глубинно­го вырывания материала, переноса его с одной поверхности на другую к воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность;

10) окислительное — коррозионно-механическое изнашивание вследствие химической реакции материала с кислородом или окисляющей окружающей средой;

11) изнашивание  при  фретинге — механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных и относительных перемещениях;

12) изнашивание при фретинг-коррозии;

13) электроэрозионное — эрозионные воздействия разрядов на поверхность тела при прохождении электрического тока.

Основные виды изнашивания контактных проводов при взаи­модействии с токоприемниками приведены на рис. 14.1 с детали­зацией электроэрозионных процессов.

 

Рис. 14.1. Основные виды изнашивания контактных проводов при взаимодей­ствии с токоприемниками

 

14.2 Требования к контактным материалам. Динамический

коэффициент использования вставок.

 

К контактным материалам, используемым при токосъеме на электрическом транспорте, следует отнести комплекс: контактные провода, контактные пластины (вставки) и смазки для проводов и полозов токоприемников. Требования к конструкции контактных проводов были рассмотрены в третьей главе.

Контактные вставки (пластины) токоприемников — изнаши­вающиеся элементы токоприемников, непосредственно прижима­ющиеся к контактным проводам (рельсам) при токосъеме. Кон­тактные вставки разделяют (рис. 14.2): на монолитные самонесу­щие (например, на некоторых токоприемниках трамваев), в том числе неразборные с несущим элементом, и наборные из отдель­ных вставок и пластин. Вставки крепят к коробам и рогам поло­зов токоприемников болтами, планками, проводящим клеем, пай­кой, обжатием.

Вставки могут быть самосмазывающимися или требующими внешней смазки (несамосмазывающимися). Изготавливают их из меди и ее сплавов, алюминиевых сплавов, стали низкоуглеродис­той, графитизированной, порошковых материалов на железной и медной основах, из углеродных (угольных) и металлоуглеродных композиций. От материалов вставок требуется сочетание высоких механических и антифрикционных свойств, низкое удельное и пе­реходное сопротивление, высокая теплопроводность. Наименьшее электросопротивление имеют вставки из металлов, связанных формальальдегидной смолой и обожженых при 1000 С, наибольшую износостойкость — угольные из порошков на базе кокса (А) и гра­фита (Б) и улучшенные (С).

Наиболее приемлемыми вставками являются: угольные электрогра-фитизированные (с добавкой меди), металлокерамические на медной МКм) и железной (МКж) основах с добавлением графита и особенно металлоуглеродные (ВЖЗП). При изготовлении последних формирует­ся графитовый корпус с пористостью 20 %, который пропитывается ме­таллом, обеспечивающим высокую электропроводность (5 Ом-мм ~ /м).

Контактные смазки применяют при скольжении медных пластин по медным проводам, которое часто приводит к схватыванию, т. е. катастро­фическому износу, а также при токосъеме алюминиевыми вставками трамвая по стальной или медной поверхности контактного провода.

Жирно-графитовая смазка (солидол с порошком графита) дает оп­ределенный эффект. Однако при движении по удлиненным тяговым плечам смазка истощается, что приводит к сухому трению и усиленно­му износу контактных проводов.

 

Рис. 14.2. Классификация вставок (пластин) токоприемников

 

 Сухую графитовую смазку (СГС-О), представляющую собой смесь графита и кумароновой смолы, наносят в горячем состоянии на полоз, заполняя пространство между контактными пластинами, где она застывает. Растворенная на дихлорэтане (СГС-Д), она ис­пользуется для подмазки выкрошившихся участков. При движе­нии по проводу происходит графитация его контактной поверх­ности и уменьшение коэффициента трения, что приводит к умень­шению изнашивания. При вымывании графитации в дождливое время провода подмазывают.

Технические характеристики контактных материалов должны обеспечивать надежный, экономичный и экологичный токосъем в любых реальных условиях эксплуатации. К ним относят: электропро­водность, прочность, коэффициент температурного удлинения, мо­дуль упругости, пластичность, коррозионную стойкость, способность генерирования шума, а также радио- и телепомех. Такими же важны­ми свойствами являются дугостойкость, твердость, коэффициент тре­ния, износостойкость. Для вставок (пластин) токоприемников важны еще их масса и способность нагрева контактных проводов.

Большинство параметров, характеризующих свойства контактных материалов, могут быть получены при испытании каждого из них по отдельности, а некоторых — только вместе, только для конкретных контактных пар, например, коэффициент трения для пар: медь/медь, медь/уголь, медь/металлокерамика, сталь/алюминий. Часть свойств та­ких материалов нельзя определить в линейных условиях и лишь в лабо­ратории можно поставить «чистый» эксперимент, исключив ряд эксплу­атационных факторов, которые однако могут исказить результаты. Од­ной из важнейших задач таких исследований является получение зависи­мости износа материалов от нажатия и величины тока — U-образную кривую, необходимую для анализа коэффициента экономичности.

Стенд (рис. 14.3) для испытаний содержит: контактную вставку, кон­тактный провод с термо­парой, источник постоян­ного тока, нагружающее устройство, приборы, ре­гистрирующие ток и тем­пературу, часы для изме­рения времени, за кото­рое нагревается провод под нагрузкой. Нажатие одной вставки должно быть равно статическому нажатию рам токоприем­ника, поделенному на число вставок полоза.

При проведении испытаний нагрузочный ток постепенно уве­личивают до установившейся температуры вставки. При темпера­туре 200°С фиксируют максимальный длительно допускаемый ток испытуемой вставки. По данным В. Я. Берента, в этом случае рек­ристаллизации медных проводов не будет.

Динамический коэффициент использования контактных материалов токоприемника. Обеспечение скоростей движения до 300—350 км/ч по­требовало введения новых качественных характеристик контакт­ных материалов. Это связано с тем, что для обеспечения надежно­го токосъема при таких скоростях необходим токоприемник с ми­нимальной массой полоза, которая определяется массами контак­тных вставок и каркаса полоза.

Для оценки и снижения массы полоза в ОмГУПСе был предложен новый качественный параметр—динамический коэффициент исполь­зования вставок, представляющий отношение длительного тока, сни­маемого ей при движении, к погонной массе неизношенной вставки. Применение этого коэффициента позволило оценить и по возможно­сти снизить полную массу полоза, однако дальнейшее уменьшение его массы стало возможно только за счет увеличения тока и уменьше­ния массы вставок. Для наиболее тяжелого режима, дающего наимень­ший допустимый ток вставки, необходимо учитывать, что величина тока при движении, по которой следует проводить испытания конк­ретного типа вставки, в семь раз больше силы тока на стоянке и что кроме тока тяговых двигателей надо иметь в виду токи, идущие на собственные нужды и отопление пассажирских вагонов.

 

Рис. 14.3. Схема стенда для испытания контак­тных вставок: 1 — контактная вставка; 2—кон­тактный провод с термопарой; 3—источник по­стоянного тока; 4 — нагружающее устройство; 5 — прибор, регистрирующий ток; 6—прибор, регистрирующий температуру

 

14.3. Изнашивание при передаче электрической энергии

через статический, разрывной и скользящий контакт

«провод — токоприемник»

 

Процесс перехода электрического тока из одного проводящего твердого тела в другое представляет собой сложное физико-химичес­кое явление. Его можно последовательно рассматривать для разных видов контакта: статического, разрывного и наиболее сложного — скользящего с отрывами, где электроискровые и электродуговые про­цессы совмещаются с процессами внешнего трения. При этом в каж­дый момент времени действует сочетание большого количества пере­менных параметров. Особенно сложен процесс «токоприемник — провода контактной подвески».

Статический электрический контакт используется в токопроводящих деталях и узлах контактных сетей и ЛЭП. Статические контакты могут быть: безарматурными, соединяемыми холодной или аргоновой сваркой, а также сваркой взрывом; неразборными. соединяемыми обжимом или опрессовкой овальных соединителей; разборными — болтовыми, клиновыми, цанговыми.

Качество статического контакта зависит от чистоты соединяемых поверхностей, достаточности площади и давления при соединении деталей. При снижении давления может возникнуть электровзрывная эрозия. Считается, что в каждый момент времени касание поверхнос­тей в статическом контакте может быть не более, чем в трех точках.

Разрывной электрический контакт может быть искровым или ду­говым в зависимости от потенциальных условий, которые, в свою оче­редь, влияют на последствия разрывов — радио- и телепомехи или отжиг (пережог) проводов.

Разрывной контакт характеризуется сухо- и мокроразрядным или пробивным напряжением, а также градиентом напряжения в воздушном промежутке между контактами токосъемных устройств, зависящим от величины зазора, который, в свою очередь, опреде­ляется динамикой взаимодействия, вибрациями контактной пары или наличием гололеда. Величина разрываемого тока определяет­ся мощностью ЭПС с учетом индуктивностей в схеме ЭПС и вре­менем (продолжительностями отрывов). Процесс изнашивания кон­тактов при разрывах электрического тока аналогичен электроиск­ровой или анодно-механической обработке металлов.

Скользящий контакт при токосъеме «токопровод—токоприемник» определяется как механическими воздействиями, так и процессами, связанными с прохождением тока.

Процесс токосъема осуществляется при одновременном перемеще­нии токоприемников, оборудованных, как правило, угольными или (реже) металлокерамическими вставками, работающими с использо­ванием сухой графитовой смазки. При таком механизме токосъема об­разуется высокое переходное сопротивление, что определяет повышен­ный уровень нагрева поверхностей проводов, иногда приводящий к рекристаллизации меди. Изнашивание в этом случае сопровождается более интенсивным отделением частиц металла за счет взаимодействия одной из поверхностей с расплавленными микроучастками другой.

Процесс, происходящий в скользящем контакте между кон­тактным проводом и токоприемником, весьма сложен, причем его физические параметры (площадь, давление, ток и пр.) меняются в значительных пределах и зависят от многих факторов.

Теория износа проводов и вставок при взаимодействии токоприем­ников с контактными подвесками включает в себя как анализ специфи­ки токосъема с гибких контактных подвесок токоприемниками с раз­личными контактными материалами при заданных скоростях движе­ния, так и определение одного из критериев токосъема—коэффициен­та экономичности. Для понимания возможностей его использования целесообразно иметь представление о виде сбоку и расположении в плане контактного провода анализируемого пролета (рис. 14.4, а,б)и виде спереди полоза токоприемника (рис. 14.4, в).

Определение коэффициента экономичности для пролета компенси­рованной подвески (с неизменными в течение года стрелами провеса) возможно, если имеются в качестве исходных данных нанесенные на схему (рис. 14.4, г): 1) зависимость интенсивности износа от величин нажатия и тока j(Р_Э,1_Э) для рассматриваемой скользящей контактной пары (U-образная кривая); 2) кривые контактного нажатия в рассмат­риваемом пролете (при заданных скорости движения, длине пролета, высотном положении, жесткости, сухом и вязком трении, массе контак­тной подвески) для обеих пластин Р’_к и Р"_к. По этим кривым, получен­ным теоретическим или экспериментальным путем, следует рассчи­тать две гистограммы n’(Р’_к), n”(Р"_к), показывающие количество слу­чаев для каждого интервала нажатия, имеющего конкретную величину износа. Износ в пролете получится как сумма при перемножении коли­чества случаев на значения износов.

Это можно сделать графически, разделив пролет с контактными на­жатиями вертикальными линиями на множество интервалов, в каждом из которых среднее значение кривой заменив прямой. Нажатие конк­ретного интервала следует горизонтальной линией снести влево до пе­ресечения с U-образной кривой износа. Полученное значение износа снести вниз до оси абсцисс и затем циркулем перенести его на верти­кальную ось шкалы износа в пролете и далее до конкретного интерва­ла. Полученный ограниченный интервалом прямоугольник пропорци­онален прогнозируемой площади износа в данном месте пролета и полоза токоприемника (в соответствии с твердостями их материалов). Износ в пролете получается как сумма площадей износа для всех интервалов. Поделив эту сумму на длину пролета, определяют сред­ний износ, поделив его на токоприемнико-проходы — коэффици­ент экономичности (ориентировочно — удельный износ).

Коэффициент экономичности может быть получен в весовом (на­туральном) и денежном выражении. Весовой коэффициент эконо­мичности к_э приближенно характеризует размер потерь площади се­чения (массы, объема) 1 км контактного провода при проходе под ним токоприемника и потери площади сечения (объема, массы) кон­тактными пластинами токоприемника при его движении по прово­ду такой же длины. Обычно берутся потери, вызываемые 1000 про­ходами токоприемников, а сам коэффициент измеряется в кг/1000 токоприемником (под токоприемником подразумевается число проходов единицы ЭПС по участку длиной 1 км).

Можно определить потери массы провода и пластин для участ­ка сети, равного длине пролета (так как именно для него имеются кривые контактного нажатия). Количество рассматриваемых в про­лете интервалов (число случаев выборки) n=Σn_i.

 

 

 

Рис. 14.4. К определению коэффициента экономичности при токосъеме: вид про­стой контактной подвески сбоку (а), сверху (б), полоз токоприемника (в), определе­ние износа (г): l — длина пролета; х — координата пути; Ъ — зигзаг; ОП — ось пути; Р_т — контактное нажатие; j — износ в точке;  S_Х — износ в интервале пролета или полоза

Участок пролета, на котором будет действовать нажатие с разрядным числом P_Ki, получим как  n_i l/n.

Тогда потеря П массы провода или пластин в пролете при про­ходе одного токоприемника

                                                                                        (14.1)

Весовой коэффициент экономичности К_э, характеризующий по­терю массы на участке 1 км при проходе 1000 токоприемников (при износе j в кг/км) равен

                                                                               (14.2)

 

14.4. Общий и местный износ контактных проводов

 и вставок токоприемников

 

Срок службы контактных проводов мог быть больше, если бы они изнашивались равномерно во всех пролетах всех анкерных уча­стков. В действительности приходится заменять контактные про­вода, когда общий износ еще не достиг максимально допустимого, а местный уже превысил нормы. Так же происходит при эксплуа­тации контактных вставок токоприемников. Местный износ не только снижает экономичность токосъема, но и ухудшает его экологичность и надежность, особенно на участках железных дорог, электрифицированных на постоянном токе.

Причины появления местного износа кроются как в конструк­ции подвесок (например, переменный угол износа проводов), так и тщательности их монтажа и эксплуатации (например, постоян­ный угол износа).

Переменный угол износа возникает вблизи фиксаторного держа­теля в случае применения рессорной струны в полукомпенсирован­ной подвеске. При изменении температуры у контактных прово­дов под опорой меняется высота подвеса. Это вызывает периоди­ческий разворот проводов фиксатором.

Постоянный угол износа вносит погрешность в измерения изно­са, создает опасность задевания за зажим токоприемником и появ­ляется там, где провода повернуты при монтаже (постоянно).

Расположение контактных проводов подвески в плане (тип подвески), сказывается на форме и интенсивности износа вста­вок (пластин) токоприемника. Согласно методике определения влияния типа подвески, предложенной Э. Швайгером, критери­ем износа является тангенс угла τ между проводом и осью пути. Равномерный износ накладок связан с постоянным перемеще­нием провода по полозу поперек пути. Время, на которое про­вод задерживается в каждой точке, должно быть одинаково. Должна быть постоянной и поперечная составляющая скорос­ти, которая зависит от угла τ между проводом и осью пути. По­этому tg τ можно принять за критерий износа. Провод с любой кривизной можно представить в виде значительного количества интервалов простых зигзагообразных участков, к каждому из которых можно провести касательные, т.е. выполнить графичес­кое дифференцирование.

С помощью описанной методики проанализирован износ плас­тин токоприемников (рис. 14.5, а, б) при вертикальных (КС-200) и полукосых (ТЭЛПа) подвесках с разными зигзагами. На рисунке представлены контактные провода с различными зигзагами и на­несены значения износа для соответствующих частей полоза то­коприемника. Между величиной зигзага и tg τ (износом вставки) установлена обратно пропорциональная зависимость. Если при­нять износ вставок, получающийся при нормальном зигзаге вели­чиной 0,3 м, за единицу и выразить через него износы при других зигзагах, то оказывается, что вставки при зигзаге в 0,1 м износятся в три раза скорее, чем при нормальном зигзаге.

Рис. 14.5 Темпы местного износа пластин токоприемников при разном зигзаге проводов вертикальных (а) и полукосых (б) подвесок, полученные графическим дифференцированием (е); у — зигзаг; х — расстояние от середины пролета; b — расположение провода в плане; j — износ пластин