a b s t r a c t e l e c t r i cc o n t a c tt h e o r yi st h es u b j e c tt h a tr e s e a r c h e s p h y s i c a l c h e m i c a lp r o c e s so nb o u n d a r i e sb e t w e e nc o n d u c t o r sa n d c o n d u c t o r sq fc o n d u c t o r sa n di o n s ，d u r i n gw h i c ht h ee l e c t r i c c o n t a c t so c c u r ，m a i n t a i na n de l i m i n a t e t h e s t u d yo f t h i s t h e s i si so nt h ep a n t o g r a p hs l i d e ro fl o c o m o t i v e ，w h i c hi sa t y p i c a le x a m p l eo ft h es l i d i n ge l e c t r i cc o n t a c tt h e o r y b a s e do nt h e a n a l y s i so ft h er e g u l a t i o n so ft h e i n t e r a c ti o n sb e t w e e nc u r r e n t r e c e i v i n gb o wa n dc o n t a c t n e t w i r e s ，a n dc o m b i n e dw i t hd e m o n s t r a t i o n sa n de c o n o m i c a lc o s t an e wt y p eo fd u a l l u b r i c a t i n gc o p p e rb a s ep o w d e rm e t a l l u r g i c s l i d e ri sd e s i g n e di nt h i st h e s i s t h ea l l o y i n ge l e m e n t ss u c h a st i n ，g r a p h i t ea n dl e a de t c a r ea d d e di n t ot h ei n t e r i o ro f c o p p e rb a s ep o w d e rm e t a l l u r g i cs l i d e r ，i nw h i c hg r a p h i t ea n d l e a d h a v et h es e l f l u b r i c a t i n gf u n c t i o n ，f u r t h e r m o r e ，a l u m i n u m s h e a t hd u a l l u b r i c a t i n gs t r u c t u r et h a tc a ni m p r o v ef u r t h e rt h e e f f e c to fl u b r i c a t i o n b yc o m b i n gh i g h s t r e n g t hg r a p h i t e l u b r i c a t i n gm a t e r i a l sw i t ht h ew h o l eo fm e t a l l u r g i cs li d e ri s a d o p t e do u t s i d eo ft h ec o p p e rb a s ep o w e rm e t a l l u r g i cs l i d e r t h ed e s i g n so ft h en e ws l i d e rm a i n l yi n c l u d e ：s t r u c t u r eo ft h e s 1 i d e r ，m a n u f a c t u r i n gm e t h o d ，i n g r e d i e n t s ，h a r d n e s so ft h e s l i d e r ，l u b r i c a t i n gp i e c e s ，a n ds i z e so ft h es l i d e re t c i nt h e e n d ，t h ef u n c t i o n so ft h ed u a l l u b r i c a t i n gc o p p e rb a s ep o w d e r m e t a l l u r g ys l i d e ra r et e s t e da n dt h er e s u l t sp r o v et h a tt h e d e s i g na i m sc a nb er e a c h e d k e y w o r d s ：p a n t o g r a p hs l i d e r ，w e a r ，c o n t a c tp r e s s u r e ，p o w d e r m e t a l l u r g y ，d u a ll u b r i c a t i o n ( s u p p o r t e db ys h e n h u ag r o o pz h u n g e e re n e r g yc o m p a n yl i m i t e d ， s u p p o r t e db yl i a o n i n gt e c h n i c a lu n i v e r s i t y ) 創(chuàng)新點(diǎn)聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的 研究工作及取得的研究成果：讒詩(shī)羞砑融工。= 魏瓤型爨瀾遢銅。 基粉裹迨全滑振 蔥王馕迥振耐磨。耐熱 耐地面黑熊減麈， 在媳攮感筮史攮筑他比趔越工照。迥立磊墨簦槌料；巍工覷 強(qiáng)黜；：| i ：撬的處部泡滑 減塵摁扳復(fù)昱臻鮑魔趣 。在縫掏上鰣?jiān)?蛙地采履工題蜊瀾溫j 此處 運(yùn)混撼在沮摁捷 處衰 一墼體鼠 盒矗遺握屋立箋贏面瓠照氯i 傀他臻鹽品 盡我所知，到目前國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)未見報(bào)道。 作者：盞生 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 1緒論 電接觸技術(shù)在電力系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和信息傳遞系統(tǒng)等領(lǐng)域的應(yīng)用同益廣 泛。由于使用場(chǎng)合和條件的不同，對(duì)電接觸的要求存在較大差異。因此，電接觸 現(xiàn)象是一紛繁復(fù)雜的物理化學(xué)過程。電接觸理論是研究電接觸產(chǎn)生、維持和消除 過程當(dāng)中，兩導(dǎo)體接觸界面或?qū)w與等離子體界面受機(jī)械、環(huán)境、氣體放電作用 所發(fā)生的各種現(xiàn)象的專門學(xué)科。 1 1 電接觸與電接觸材料概論 1 1 1電接觸的概念及電接觸學(xué)科的發(fā)展 1 1 1 1 電接觸的概念 電接觸是指兩個(gè)導(dǎo)體之間相互接觸并通過接觸面實(shí)現(xiàn)電流傳遞或信號(hào)傳輸 的一種物理、化學(xué)現(xiàn)象。如果電接觸是靠?jī)蓚€(gè)導(dǎo)體固定接觸而維持，稱之為固定 電接觸；如果電接觸靠?jī)蓚€(gè)導(dǎo)體滑動(dòng)接觸而維持，稱為滑動(dòng)電接觸；如果電接觸 的產(chǎn)生和消除導(dǎo)致兩導(dǎo)體所處電路電流的接通和分?jǐn)?，則稱為可分離電接觸【l j 。 傳遞電流或輸送信號(hào)的兩導(dǎo)體稱為觸點(diǎn)或觸頭，根據(jù)一定的電流方向，也 可稱為陽(yáng)極和陰極。在電力系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和信息傳遞系統(tǒng)中，電接觸現(xiàn)象 隨處可見。大量使用的各類開關(guān)電器中的觸頭直接執(zhí)行接通和切斷各種電路并承 載正常工作電流的職能，屬于典型的可分離電接觸；各種電連接器及母線的連接 等屬于固定電接觸；集電環(huán)、電刷、電力機(jī)車的受電弓與饋電線等屬于滑動(dòng)電接 觸。固定電接觸和滑動(dòng)電接觸只有電接觸的維持過程，而可分離電接觸還有電接 觸的產(chǎn)生和消除過程( 伴隨電路的接通和分?jǐn)噙^程) 。電接觸的產(chǎn)生、維持和消 除過程是一紛繁的物理、化學(xué)過程，在兩導(dǎo)體的接觸界面或?qū)w與等離子體界面 發(fā)生的過程是電、磁、熱、力及材料冶金效應(yīng)相互作用的綜合結(jié)果。 電接觸理論正是研究電接觸產(chǎn)生、維持和消除過程當(dāng)中，兩導(dǎo)體接觸界面或 導(dǎo)體與等離子體界面發(fā)生的物理化學(xué)過程的學(xué)科。這一學(xué)科涉及電弧物理、電磁 場(chǎng)理論、計(jì)算機(jī)仿真、微觀測(cè)試技術(shù)、電磁機(jī)構(gòu)、電工材料與制造等等。其研究 的最終目的是在滿足一定的經(jīng)濟(jì)效益的前提，提高電接觸的工作可靠性和工作壽 命【”。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 固定電接觸在工作中出現(xiàn)的主要現(xiàn)象和問題是：接觸電阻、接觸溫升和熔 焊；滑動(dòng)電接觸除上述問題外，還有接觸元件之間的摩擦、潤(rùn)滑和磨損；可分離 電接觸在工作期間常出現(xiàn)電弧，電弧與接觸元件相互作用，會(huì)帶來(lái)很多復(fù)雜的問 題。因此，在三類形式的電接觸中，接觸電阻、溫升和熔焊是電接觸普遍存在的 共同問題，摩擦、潤(rùn)滑和磨損是滑動(dòng)電接觸的特殊問題，電弧放電引起的溫升、 熔焊和侵蝕在可分離電接觸中是最重要的問題。在本論文中所研究的電力機(jī)車受 電弓滑板的工作是滑動(dòng)電接觸的典型例子。 1 1 _ 1 2 電接觸學(xué)科的形成與發(fā)展 電接觸現(xiàn)象的研究已經(jīng)有一百多年的歷史。1 9 5 8 年，電接觸學(xué)科的奠基人 r h o l m 出版著作電接觸手冊(cè)，標(biāo)志著電接觸作為門獨(dú)立的學(xué)科已形成。 5 0 年代在美國(guó)成立h o l m 電接觸年會(huì)，8 0 年代由i e e e 第一技術(shù)委員會(huì)t c 一1 管 理，現(xiàn)己歷4 9 屆，6 4 年開始成立國(guó)際電接觸委員會(huì)負(fù)責(zé)每?jī)赡暌淮蔚膰?guó)際電接 觸會(huì)議( i c e c ) ，現(xiàn)歷2 0 屆。日本原由東北大學(xué)倡導(dǎo)后由真野國(guó)夫教授領(lǐng)導(dǎo)的日 本機(jī)電元件研究會(huì)每月召開一次學(xué)術(shù)會(huì)議，到現(xiàn)在已5 0 0 多次。電接觸科學(xué)盡管 是一門交叉學(xué)科但卻是一門獨(dú)立學(xué)科。它有獨(dú)立的理論和特殊的研究方法，有獨(dú) 自的工業(yè)和研究、教育體系，以及獨(dú)立的學(xué)術(shù)組織。電接觸科學(xué)是隨電子學(xué)的發(fā) 展而發(fā)展的，它一直是i e e e 學(xué)會(huì)中最活躍的分支學(xué)科之一。此外，其它許多國(guó)際 性學(xué)術(shù)會(huì)議也都涉及到電接觸問題，如每?jī)赡暝谑澜绺鞯剌喠髋e行的國(guó)際氣體放 電會(huì)議( i n t e r n a tio n a lc o n f e r e n c eo ng a sd is c h a r g e ) ，每?jī)赡暝谑澜绺鞯剌喠?舉行的國(guó)際游離化氣體會(huì)議( i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo np h e n o m e n ai n i o n i z e dg a s e s ) ，每四年固定在波蘭召開的開關(guān)電弧國(guó)際會(huì)議( i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c eo ns w i t c h i n ga r c s ) ，及于美國(guó)召開的繼電器年會(huì)( a n n u a ln a t i o n a l r e l a yc o n f e r e n c e ) 等等。 我國(guó)從5 0 年代起，已開始電接觸方面的研究工作。1 9 7 9 年5 月，在西安交 通大學(xué)王其平教授和華中理工大學(xué)程禮椿教授倡議下，正式成立了全國(guó)電接觸及 電弧研究會(huì)，并定期舉行學(xué)術(shù)交流。此外，西安交通大學(xué)己舉辦了三屆國(guó)際電接 觸、電弧、電器及其應(yīng)用國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，北京郵電大學(xué)也舉辦過電接觸方面的國(guó) 際會(huì)議。從1 9 8 1 年開始，在重要的國(guó)際電接觸會(huì)議上，均有我國(guó)電接觸方面的 論文宣讀或發(fā)表。1 9 8 8 年，華中理工大學(xué)程禮椿教授出版了中國(guó)第一部關(guān)于電 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 接觸理論及應(yīng)用方面的著作。 隨著研究工作的不斷深入，電接觸學(xué)科也有了很大發(fā)展。首先從研究的角度 來(lái)看，六十年代以前，主要從宏觀上研究電路參數(shù)和弧隙參數(shù)對(duì)觸頭材料電弧侵 蝕的影響，而現(xiàn)在是從微觀上研究觸頭材料本身的組織結(jié)構(gòu)特性與電弧的相互作 用關(guān)系且取得了大量的研究成果。西安交通大學(xué)王其平教授和榮命哲博士近年來(lái) 提出從表面動(dòng)力學(xué)特性入手研究觸頭材料電弧侵蝕并揭示了二者之間的一般關(guān) 系，為觸頭材料電弧侵蝕的研究提供了一條新的思路。華中理工大學(xué)程禮椿，大 連理工大學(xué)鄒積巖，福州大學(xué)張冠生，河北工業(yè)大學(xué)陸儉國(guó)，北京郵電大學(xué)章繼 高等教授在電接觸理論和應(yīng)用方面都做出了顯著貢獻(xiàn)。從研究的內(nèi)容來(lái)看，已涉 及電接觸材料、電弧、環(huán)境、觸點(diǎn)表面鍍層、潤(rùn)滑劑、電接觸可靠性、電連接器 等眾多研究領(lǐng)域且已取得了豐碩的研究成果。 1 1 2 電接觸材料簡(jiǎn)介 1 1 2 1 電接觸材料的分類 制作相互接觸傳導(dǎo)電流( 電信號(hào)、電能) 元件的材料稱為電接觸材料。電接觸 發(fā)生在材料接觸表面的過渡區(qū)中，承受機(jī)械、電、熱和環(huán)境氣氛等作用的物理化 學(xué)過程。 電接觸材料的種類很多，常用的有純金屬、合金、碳素等，如表l 一1 所示嘲。 表卜l 常用電觸頭材料分類表 類別材料品種 復(fù)合觸頭材料 銀一氧化鎘、銀一鎢、銅一鎢、銀一鐵、 強(qiáng)電用 銀一鎳、銅一石墨、銀一碳化鎢 銅鉍鈰、銅鉍銀、銅碲硒、鎢一銅鉍、銅 真空開關(guān)觸頭材料 鐵鎳鈷鉍 鉑族合金鉑銥、鈀銀、鈀銅、鈀銥 金基合金金鎳、金銀、金鋯 弱電用 銀及其合金銀、銀銅 鎢及其合金鎢、鎢鉬 1 1 2 2 電接觸材料的制造方法 觸頭材料的制造方法將直接影響其電接觸性能。電接觸材料的制造方法主 要有如下幾種： 1 、熔煉法 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 普通的電觸頭材料( 例如a g 、a g p d 合金、a g e d 合金、c u 等) 采用熔煉法制造。 熔煉是金屬和合金觸頭材料制造的首道工序，如首道工序處理不當(dāng)，即使在以后 的鑄造和加工上狠下功夫，也不可能提高材質(zhì)。為此，熔煉是觸頭材料制造過程中 的最重要的環(huán)節(jié)之一。 2 、粉末冶金( 燒結(jié)) 法 所謂粉末冶金法，簡(jiǎn)單地說，就是在制造過程中不用熔煉、鑄造工藝而得到所 要求的最終形狀。為達(dá)到這種目的，粉末冶金法適用于如下情況：( 1 ) 組成材料之 間互不相溶；( 2 ) 組成材料的沸點(diǎn)、溶點(diǎn)和比重等物理性質(zhì)差別較大；( 3 ) 用熔煉、 鑄造方法不能得到所要求的特性；( 4 ) 供應(yīng)的原料呈粉末狀；( 5 ) 形狀復(fù)雜者采用 粉末冶金法比熔化鑄造法成本低。采用粉末冶金法能將不互溶的兩種金屬或金屬 與金屬化臺(tái)物或金屬與非金屬制成復(fù)合物，而且復(fù)合物內(nèi)各組份可按任意比例組 合。這是熔煉法辦不到的。 3 、內(nèi)氧化法 所謂內(nèi)氧化法，即金屬氧化物是通過一種或多種合金組份在均勻的熔融合金 內(nèi)部進(jìn)行選擇性氧化。這種合金由一種基體金屬( 例如銀) 和幾種 添加金屬( 例如鎘) 組成，添加金屬含量大大低于基體金屬含量。這是制造銀一金 屬氧化物電觸頭最常用的方法。內(nèi)氧化法通常分雙面內(nèi)氧化法和單面內(nèi)氧化法。 4 、電鍍法 多數(shù)電觸頭使用貴金屬材料的主要原因，是由于貴金屬的化學(xué)穩(wěn)定性遠(yuǎn)比其 它金屬優(yōu)越。但是，貴金屬存在材料價(jià)格高昂和機(jī)構(gòu)強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，因此，在一些 場(chǎng)合，利用電鍍技術(shù)將貴金屬?gòu)?fù)合在其它金屬表面上，既能獲得相互補(bǔ)充的綜合 性能，還可降低費(fèi)用。 1 1 2 3 電接觸材料的基本要求 電接觸材料的基本要求為：良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性：低的接觸電阻和溫升：抗熔 焊和抗環(huán)境介質(zhì)污染等。 如前所述，電接觸形式多樣，過程復(fù)雜，材料種類繁多。電接觸材料工作過程 中經(jīng)受電弧、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、力、熱及氣氛等的共同作用，實(shí)現(xiàn)傳導(dǎo)電流的使用性 能。廣義而言，材料研究的內(nèi)容是材料成分、結(jié)構(gòu)、工藝與性能之間的關(guān)系，電接 觸材料也不例外。但是電接觸材料是一種特殊的功能材料，特殊之處在于其使用 遼寧_ _ l = 程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 狀態(tài)。兩個(gè)導(dǎo)電組件帶電接觸實(shí)現(xiàn)電流導(dǎo)通，是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，即由分?jǐn)嗟介]合導(dǎo) 通或由閉合導(dǎo)通到分?jǐn)唷８鶕?jù)這一過程中電流有無(wú)及大小不同，動(dòng)態(tài)過程產(chǎn)生電 弧，電弧與電接觸材料的相互作用決定了電接觸材料大多數(shù)場(chǎng)合為燒損材料，燒 損過程發(fā)生復(fù)雜的冶金、物理及化學(xué)反應(yīng)。靜態(tài)即閉合導(dǎo)通時(shí)兩導(dǎo)電組件的表面 結(jié)合狀態(tài)決定了組件間接觸電阻的大小，其數(shù)值對(duì)電接觸組件的功能實(shí)現(xiàn)及其它 使用性能起著關(guān)鍵作用【3 】。 1 1 2 4 電接觸材料的發(fā)展趨勢(shì) 隨著電器工業(yè)的發(fā)展，強(qiáng)電觸頭材料在電器開關(guān)中地位非常重要，有向高電 壓、大電流方向發(fā)展的趨勢(shì)，研究重點(diǎn)是它的抗熔焊性、耐損蝕性、接觸電阻的 穩(wěn)定性及采用的制各技術(shù)、添加元素及粉末原材料刺觸頭性能的影響等。中等電 負(fù)荷的觸頭有向小型化發(fā)展的趨勢(shì)，在材質(zhì)方面，仍以銀基合金及銀金屬氧化物為 主。對(duì)于弱電觸頭材料，也有向小型化、高壽命和高靈敏度方向發(fā)展的趨勢(shì)，為節(jié) 約貴金屬，將大量利用多種復(fù)層技術(shù)、擠壓成型技術(shù)，以提高材料的利用率。材料 的多層技術(shù)和復(fù)合材料將成為現(xiàn)代小功率觸頭材料研究的主要方向。 今后一段時(shí)期內(nèi)，調(diào)整觸頭產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，改善其生產(chǎn)工藝，提高觸頭的眭能指標(biāo)， 開發(fā)新型的電接觸材料，特別是節(jié)銀代銀材料的研究及推廣使用，將成為觸頭行業(yè) 的發(fā)展方向【”。 1 2 電力機(jī)車概述 電力機(jī)車是從接觸網(wǎng)上獲取電能，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行的機(jī)車。電力機(jī)車本身 不帶原動(dòng)機(jī)，靠接受接觸網(wǎng)送來(lái)的電流作為能源，由牽引電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)車的車輪。 電力機(jī)車具有功率大、熱效率高、速度快、過載能力強(qiáng)和運(yùn)行可靠等主要優(yōu)點(diǎn)， 而且不污染環(huán)境，特別適用于運(yùn)輸繁忙的鐵路干線和隧道多，坡度大的山區(qū)鐵路。 電力機(jī)車的工作原理是：接觸導(dǎo)線上的電流，經(jīng)受電弓進(jìn)入機(jī)車后經(jīng)過主斷 路器再進(jìn)入主變壓器，交流電從主變壓器的牽引繞組經(jīng)過硅機(jī)組整流后向六臺(tái) 分兩組并聯(lián)的牽引電動(dòng)機(jī)集中供應(yīng)直流電，使?fàn)恳妱?dòng)機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，將電能轉(zhuǎn)變 為機(jī)械能，經(jīng)過齒輪的傳遞驅(qū)動(dòng)機(jī)車動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。電力機(jī)車與接觸網(wǎng)組成如圖1 一 為機(jī)械能，經(jīng)過齒輪的傳遞驅(qū)動(dòng)機(jī)車動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。電力機(jī)車與接觸網(wǎng)組成如圖1 1 所示。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文6 圖1 1電力機(jī)車與接觸網(wǎng)組成示意圖 圖1 一l 中1 和2 是立于路側(cè)的接觸網(wǎng)支柱及其基礎(chǔ)，用來(lái)懸掛接觸網(wǎng)。圖 中3 和4 是腕臂式支持裝置和絕緣子，它們和定位架9 、絕緣子l o 、定位管1 1 一起，使接觸導(dǎo)線穩(wěn)定地懸掛于線路的上方。圖中5 、6 、7 、8 分別為承力索、 吊弦、彈性吊弦和接觸導(dǎo)線，1 2 為受電弓。為了避免接觸導(dǎo)線對(duì)受電弓滑板的 集中磨耗，以提高滑板的使用壽命，并使滑板的受磨部位較為均勻，接觸導(dǎo)線在 直線區(qū)段均布置成之字形，即使在最強(qiáng)烈的風(fēng)力下，導(dǎo)線的偏移也不超出受電弓 滑板的工作范圍。 電力機(jī)車是從接觸網(wǎng)上獲取電能的，接觸網(wǎng)供給電力機(jī)車的電流有直流和交 流兩種。由于電流制不同，所用的電力機(jī)車也不一樣，基本上可以分為直一直流 電力機(jī)車、交一直流電力機(jī)車、交一直一交流電力機(jī)車三類。 直一直流電力機(jī)車采用直流制供電，牽引變電所內(nèi)設(shè)有整流裝置，它將三相 交流電變成直流電后，再送到接觸網(wǎng)上。因此，電力機(jī)車可直接從接觸網(wǎng)上取得 直流電供給直流串勵(lì)牽引電動(dòng)機(jī)使用，簡(jiǎn)化了機(jī)車上的設(shè)備。直流制的缺點(diǎn)是接 觸網(wǎng)的電壓低，一般為1 5 0 0 v 或3 0 0 0 v ，接觸導(dǎo)線要求很粗，要消耗大量的有色 金屬，加大了建設(shè)投資。 交一直流電力機(jī)車采用交流制供電，且前世界上大多數(shù)國(guó)家都采用工頻 ( 5 0 h z ) 交流制，或2 5 h z 低頻交流制。在這種供電制下，牽引變電所將三相交 流電改變成2 5 k v 工業(yè)頻率單相交流電后送到接觸網(wǎng)上。但是在電力機(jī)車上采用 的仍然是直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)( 這種電動(dòng)機(jī)最大優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速簡(jiǎn)單，只要改變電動(dòng)機(jī)的 端電壓，就能很方便地在較大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車的調(diào)速；缺點(diǎn)是這種電機(jī)由于帶 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 有整流子，使制造和維修都很復(fù)雜，體積也較大) ，把交流電變?yōu)橹绷麟姷娜蝿?wù) 在機(jī)車上完成。由于接觸網(wǎng)電壓比直流制時(shí)提高了很多，接觸導(dǎo)線的直徑可以相 對(duì)減小，減少了有色金屬的消耗和建沒投資。因此，工頻交流制得到了廣泛采用， 世界上絕大多數(shù)電力機(jī)車也是交一直流電力機(jī)車。 交一直一交流電力機(jī)車采用交流無(wú)整流子牽引電動(dòng)機(jī)( 即三相異步電動(dòng)機(jī)) ， 這種電動(dòng)機(jī)在制造、性能、功能，體積、重量、成本、維護(hù)及可靠性等方面遠(yuǎn)比 整流子電機(jī)優(yōu)越得多。它之所以遲遲不能在電力機(jī)車上應(yīng)用，主要原因是調(diào)速比 較困難。這種機(jī)車具有優(yōu)良的牽引能力，很有發(fā)展前途。 目前，電力機(jī)車的發(fā)展越來(lái)越受重視，其主要原因有下面四點(diǎn)： ( 1 ) 時(shí)速最快。蒸汽機(jī)車最快時(shí)速為8 0 k i n ，內(nèi)燃機(jī)車最快時(shí)速為l o o k m ，而 電力機(jī)車時(shí)速可高達(dá)2 0 0 k m 以上，甚至超過4 0 0 k m 。 ( 2 ) 運(yùn)輸能力最大。電力機(jī)車的運(yùn)輸能力為蒸汽機(jī)車的3 倍，內(nèi)燃機(jī)車的1 5 倍。 ( 3 ) 能耗最低。電力機(jī)車的能耗為蒸汽機(jī)車的1 3 ，內(nèi)燃機(jī)車的2 3 。 ( 4 ) 無(wú)污染。 四點(diǎn)中以時(shí)速最為重要。鐵路的電力機(jī)車化程度是發(fā)達(dá)國(guó)家交通的一個(gè)重要 標(biāo)志。大力發(fā)展電氣化鐵路是提高運(yùn)輸能力、提高鐵路參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的最有 效方法。 1 3 受電弓滑板簡(jiǎn)述 據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，至1 j 2 0 0 5 年止，我國(guó)電氣化鐵路里程達(dá)2 萬(wàn)公里，主要采用銅、鋼 鋁和鋁合金三種接觸網(wǎng)導(dǎo)線。接觸網(wǎng)導(dǎo)線在使用過程中磨耗嚴(yán)重，甚至發(fā)生斷線 事故，究其原因，有多方面影響因素，其中受電弓滑板材質(zhì)是主要影響因素。因 此，作為電力機(jī)車主要易損部件的受電弓滑板引起了廣泛關(guān)注，如何降低接觸網(wǎng) 導(dǎo)線的磨損及提高滑板自身的壽命成為研究者十分關(guān)心的問題。 受電弓滑板是電力機(jī)車獲得動(dòng)力來(lái)源的重要集電元件，安裝在受電弓的最上 部，直接與接觸網(wǎng)導(dǎo)線接觸，如圖1 2 所示?；逶陟o止或滑動(dòng)狀態(tài)下從接觸 網(wǎng)導(dǎo)線上獲得電流，為機(jī)車供應(yīng)電力，維持電力機(jī)車正常運(yùn)行。高速運(yùn)行的電力 機(jī)車上的滑板一旦失效，將嚴(yán)重危及行車安全。因此要求它的使用必須經(jīng)濟(jì)安全， 既對(duì)接觸網(wǎng)導(dǎo)線磨耗小，自身有足夠的使用壽命，又不影響弓網(wǎng)關(guān)系。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖l 一2 滑板工作原理示意圖 1 3 1滑板的工作條件及基本要求 滑板是電力機(jī)車獲取動(dòng)力的主要元件，受電弓滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線的工作屬于 滑動(dòng)電接觸?；瑒?dòng)電接觸與固定電接觸和可分離電接觸相比，有它苛刻要求的一 面。一般地說，滑動(dòng)電接觸既要求有小而穩(wěn)定的接觸電阻、不熔焊、壽命長(zhǎng)，又 要求有小的摩擦系數(shù)、低的磨損率、運(yùn)動(dòng)平滑和平穩(wěn)i 5 1 。 針對(duì)上述情況，好的受電弓滑板需滿足如下要求： ( 1 ) 機(jī)械強(qiáng)度高，能經(jīng)受一定的振動(dòng)和沖擊而不損壞； ( 2 ) 優(yōu)良的潤(rùn)滑性能和耐磨損性能，摩擦系數(shù)低，對(duì)接觸導(dǎo)線及滑板自身 的磨耗小； ( 3 ) 良好的電性能，小的電阻率和接觸電阻； ( 4 ) 耐弧性強(qiáng)； ( 5 ) 輕量化。 1 3 2 國(guó)外受電弓滑扳研究狀況及發(fā)展歷史 國(guó)外的受電弓滑板產(chǎn)品使用歷史比較悠久，前蘇聯(lián)、日本、西歐等各國(guó)對(duì)受 電弓的開發(fā)和使用都作了大量的研究，其中最具代表意義的是日本和西歐。美國(guó) 雖是發(fā)達(dá)的工業(yè)國(guó)家，但其鐵路系統(tǒng)相對(duì)滯后，所以這里僅對(duì)前蘇聯(lián)、日本和西 歐作一些簡(jiǎn)單的介紹。 1 3 2 1 前蘇聯(lián) 前蘇聯(lián)1 9 6 9 年在1 5 0 0 v 直流電氣化鐵道區(qū)段上開始試用粉末冶金滑板， 1 9 7 2 - - 1 9 7 6 年，在保加利亞、匈牙利、東德、波蘭、前蘇聯(lián)和捷克各國(guó)對(duì)完善電 氣化鐵路的接觸網(wǎng)及受流問題進(jìn)行的綜合科學(xué)技術(shù)研究中，對(duì)粉末冶金滑板進(jìn)行 了專門的研究并在適宜區(qū)段推廣應(yīng)用，其中前蘇聯(lián)對(duì)鐵基粉末冶金滑板研究得較 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 9 多【6 。 1 3 2 2 臼本 日本在第二次世界大戰(zhàn)前主要使用的是純銅滑板，導(dǎo)線也是純銅制成，故導(dǎo) 線滑板之間的摩擦磨耗特別大；從1 9 2 5 年開始，為了節(jié)約有限的銅資源，不得不 使用碳系滑板，該類滑板雖然對(duì)導(dǎo)線的磨耗率有所降低，但是滑板強(qiáng)度不夠。容 易引起沖擊破壞、導(dǎo)線過熱、熔斷等弓網(wǎng)故障。目前，在日本的電氣化線路中， 鐵基、銅基粉末冶金滑板成為主流產(chǎn)品。隨著鐵路高速化的發(fā)展。日本把碳滑板 ( 浸金屬) 的研制提到了議事日程，在一些鐵路的使用中取得了良好的效果。 說到日本，就不能不提新干線。在新干線開通之前，銅基粉末冶金滑板在日 本的使用最為普通。新干線開通后，銅基粉末冶金、銅系鑄造合金、鐵基粉末冶 金三類滑板同時(shí)被使用。隨著時(shí)間的推移，鐵基粉末冶金滑板的使用最多，銅次 之p 1 。在高速行駛的條件下，對(duì)滑板的抗沖擊性能及電性能的要求很高，鐵系、 銅系都達(dá)到了相應(yīng)的要求，不足的是，它們對(duì)導(dǎo)線的磨耗較高。其中鐵系燒結(jié)合 金的自身磨耗值是期望值的3 倍左右，因而滑板的使用壽命較短。為了解決這個(gè) 問題，在銅系和鐵系合金中加入了f e m o 、f e c r 、f e t i 、c r 等耐磨成分，這樣滑板 的自身耐磨性能得到了提高1 8 1 ，由此出現(xiàn)了列車速度不斷提升，而受電弓數(shù)目不 斷下降的趨勢(shì)。這兩類材料使用的結(jié)果顯示，在2 3 0 k m h 的運(yùn)行速度下，其厚度 磨耗率為0 2 0 6 m m k m ，體積磨耗率為4 1 1 c m 3 k m “。 1 3 2 3 西歐 在歐洲，高速鐵路是非常時(shí)髦的東西，法國(guó)的t g v 、德國(guó)的i c e 和西班牙的a v e 都是赫赫有名的高速鐵路，它們和日本的新干線一起代表著現(xiàn)代鐵路的最高水 平，并不斷刷新著列車速度的最高記錄。在歐洲，碳滑板是主流產(chǎn)品，當(dāng)然這主 要指的是金屬浸滲碳滑板。法國(guó)t g v 東南線( 2 7 0 k m h ) 以前曾用過鋼滑板，t g v 大西洋線以前用的是鋼和碳滑板兩種，現(xiàn)在在t g v 上用的普遍都是碳滑板，其磨 耗率為2 5 5 4 m m 萬(wàn)機(jī)車公里。德國(guó)的i c e ( 2 5 0 k m h ) 自1 9 9 1 年運(yùn)行以來(lái)，一 直使用純碳素滑板，其磨耗率在1 7 2 2 m m 萬(wàn)機(jī)車公里。在英國(guó)，電氣化鐵路 傳統(tǒng)上使用的浸金屬碳滑板，但其開發(fā)的純碳素滑板電阻率低，強(qiáng)度高，磨耗率 在2 5 5 4 n u n 萬(wàn)機(jī)車公里 6 1 。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 3 我國(guó)受電弓滑板的發(fā)展歷史 在2 0 世紀(jì)6 0 年代，我國(guó)電力機(jī)車受電弓滑板使用的是鐵、鋼、碳三種滑板。 1 9 6 1 年我國(guó)第一條電氣化鐵路寶鳳段開通，電力機(jī)車受電弓上使用軟鋼滑板。由 于對(duì)導(dǎo)線磨耗嚴(yán)重，1 9 6 7 年8 月改用碳滑板，但滑板自身磨耗增大，使用壽命短。 又由于碳滑板機(jī)械強(qiáng)度低，耐沖擊韌性差，運(yùn)行中遇到導(dǎo)線硬點(diǎn)容易造成滑板條 折和破裂，使用壽命低且易局部拉溝，特別是在雨季和潮濕地區(qū)，因摩擦力增大， 常出現(xiàn)弓網(wǎng)故障。為此，1 9 6 5 年西安鐵路局、鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛所與北京 天橋粉末冶金廠共同協(xié)作，研制了第一批粉末冶金滑板，它是采用某種金屬粉末 為基體，加入多種金屬和非金屬材料，通過成形、燒結(jié)等工藝制成。粉末冶金滑 板自身磨耗不大，對(duì)導(dǎo)線磨耗較小，從磨耗機(jī)理看，粉末冶金滑板在使用中可不 斷形成潤(rùn)滑膜，降低對(duì)摩擦副的摩擦系數(shù)，j 起到減摩的作用。因此，8 0 年代初， 粉末冶金滑板成為我國(guó)的定型產(chǎn)品，但粉末冶金滑板也存在一些問題，主要是粉 末冶金滑板的含油率低，當(dāng)形成的潤(rùn)滑膜遇到破壞或者失效時(shí)，難以形成新的潤(rùn) 滑膜來(lái)維持滑板與導(dǎo)線間的良好磨合狀態(tài)。這樣就產(chǎn)生了滑板對(duì)接觸網(wǎng)導(dǎo)線嚴(yán)重 磨耗的情況。 針對(duì)碳滑板對(duì)導(dǎo)線減磨，自身易碎的缺點(diǎn)，又研究開發(fā)了鋁包碳滑板，它 是用擠壓的合金鋁框與整根碳條粘接在一起，主要目的是增加碳條強(qiáng)度，在鋼鋁 接觸和銅接觸線混架區(qū)段，鋁包碳滑板獲得了較好的運(yùn)用效果。針對(duì)粉末冶金滑 板材質(zhì)潤(rùn)滑較少，含油較低的缺點(diǎn)，鐵道部科學(xué)研究院金化所推出了機(jī)械復(fù)合式 銅基粉末冶金滑板，這種滑板可隨時(shí)提供潤(rùn)滑，大大地降低了對(duì)接觸導(dǎo)線的磨耗， 同時(shí)其自身的耐磨性也比較好，是一種較為理想的滑板。由于其問世較晚，應(yīng)用 范圍并不廣泛。 近幾年來(lái)，浸金屬碳滑板已開始應(yīng)用，它是將碳基體中存在的大量氣孔填滿 金屬，形成實(shí)用的凝體，集中碳材料和金屬材料的優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)哈爾濱電碳廠，早 在6 0 年代中期就開始了浸漬金屬方面的研究，8 0 年代已經(jīng)具備了一定的水平，由 鐵科院及哈爾濱電碳廠聯(lián)合研制的浸金屬碳滑板，于1 9 8 9 年1 2 至1 9 9 0 年7 月進(jìn)行 了裝車試驗(yàn)，并在1 9 9 0 年1 1 月通過了浸金屬碳滑板的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。最近幾年，他們 生產(chǎn)的c ”?；宓牟糠中阅芤呀?jīng)接近世界先進(jìn)水平，通過調(diào)整基體以及提高金屬 浸漬工藝和改善工藝設(shè)備，性能更好的浸金屬碳滑板在我國(guó)誕生將不會(huì)遙遠(yuǎn)【6 1 。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 3 4 滑板的分類及性能特點(diǎn) 電力機(jī)車受電弓滑板是一種滑動(dòng)摩擦集電材料，按材質(zhì)主要分為金屬基滑 板和碳系滑板兩大類。金屬基滑板包括純金屬滑板和粉末冶金滑板，碳系滑板包 括純碳滑板和浸金屬碳滑板。其種類主要有銅滑板、碳滑板、鐵基粉末冶金滑板、 銅基粉末冶金滑板、浸金屬碳滑板，它們的性能如下【6 】： ( 1 ) 銅滑板 機(jī)械強(qiáng)度高，取材方便，使用壽命長(zhǎng)，成本低，引發(fā)弓網(wǎng)事故障礙概率小， 對(duì)接觸導(dǎo)線磨耗大，特別對(duì)銅接觸導(dǎo)線磨耗嚴(yán)重。國(guó)內(nèi)早期電力機(jī)車采用，現(xiàn)限 制使用。 ( 2 ) 碳滑板 對(duì)導(dǎo)線磨耗低，可延長(zhǎng)導(dǎo)線使用壽命，機(jī)械強(qiáng)度低易出現(xiàn)斷裂、掉塊現(xiàn)象， 引發(fā)弓網(wǎng)事故障概率大，使用壽命短，使用范圍受限。 ( 3 ) 鐵基粉末冶金滑板 機(jī)械強(qiáng)度高，表面硬度稍高，不易出現(xiàn)斷裂、不均勻損耗現(xiàn)象，自身帶有潤(rùn) 滑材料，能減輕對(duì)導(dǎo)線的磨耗，對(duì)銅導(dǎo)線磨耗較大，應(yīng)避免在銅導(dǎo)線區(qū)段使用。 適用于鋼鋁接觸導(dǎo)線。 ( 4 ) 銅基粉末冶金滑板 機(jī)械強(qiáng)度較好，表面硬度適中，滑板和導(dǎo)線的磨耗 b 較匹配。適用于銅接觸 導(dǎo)線。 ( 5 ) 浸金屬碳滑板 從理論上講，是目前最為理想的銅導(dǎo)電區(qū)段的受電弓滑板，分為整體式和組 裝式兩類，具有較好的電學(xué)性能，基本上解決了碳滑板機(jī)械強(qiáng)度低的問題，耐磨 性能大為提高，能根本解決導(dǎo)線磨耗過快的問題；但抗沖擊力不足，出現(xiàn)掉塊， 使用過程中需要整形，價(jià)格過高，維護(hù)成本高，給機(jī)務(wù)部門帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)壓力。 總體來(lái)看，在受電弓滑板的研究和應(yīng)用方面，其材料主要經(jīng)歷了銅滑板、碳 滑板、粉末冶金滑板、浸金屬碳滑板、金屬基復(fù)合材料或無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料 滑板的發(fā)展過程。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 1 3 5 受電弓滑板的發(fā)展趨勢(shì) 考慮到導(dǎo)線使用壽命3 0 年，目前更換l k m 接觸導(dǎo)線需要l o 萬(wàn)元以上的支出， 應(yīng)以保導(dǎo)線為原則，滑板的發(fā)展趨勢(shì)是以碳纖維滑板、金屬纖維滑板，帶有潤(rùn)滑 功能的金屬基復(fù)合材料( 如c u c ) 、具有自潤(rùn)滑功能的無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料( 如 t i ：s i c2 s i c ) 取代碳滑板、粉末冶金滑板【6 1 。而根據(jù)我國(guó)的實(shí)際情況，受電 弓滑板還應(yīng)在以下方面加以改進(jìn)： ( 1 ) 今后我國(guó)電力機(jī)車干線將采用銅合金導(dǎo)線，與之相匹配的受電弓滑板應(yīng) 以碳結(jié)構(gòu)為主。浸金屬碳滑板和碳基復(fù)合材料是今后的主要發(fā)展方向。 ( 2 ) 整體式滑板在使用可靠性方面優(yōu)于分段式的。開發(fā)新型滑板，需以整體 式弧線型滑板為主。 ( 3 ) 國(guó)外受電弓滑板上安裝有快速降弓系統(tǒng)，以便在接觸網(wǎng)位置異常或有異 物、滑板磨耗到限或損壞時(shí)實(shí)現(xiàn)快速降弓，避免弓網(wǎng)事故的發(fā)生。我國(guó)也應(yīng)開展 帶有故障自檢裝置的受電弓滑板的研究，實(shí)現(xiàn)緊急情況下自動(dòng)快速降弓【9 】。 1 4 課題背景及研究意義 1 4 1 課題背景 l _ 4 1 1 接觸網(wǎng)導(dǎo)線簡(jiǎn)介 大( 大同) 一準(zhǔn)( 準(zhǔn)格爾) 鐵路東自國(guó)鐵大同東站起，西至內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾 旗薛家彎站。橫跨兩省( 區(qū)) 四盟( 市) 七縣( 旗) ，地理位置見圖t - 3 ，是目 前我國(guó)煤炭系統(tǒng)最長(zhǎng)的電氣化專用鐵路。 大一準(zhǔn)電氣化鐵路于1 9 9 7 年3 月投入臨管運(yùn)營(yíng)，1 9 9 7 年6 月2 8 日全線開 通電氣化牽引運(yùn)行，其接觸導(dǎo)線全長(zhǎng)2 8 0 公里，其中大( 大同) 一丹( 丹洲營(yíng)) 段采用的是g l c n 一2 5 0 型鋁包鋼接觸網(wǎng)導(dǎo)線，長(zhǎng)約6 4 公里；丹( 丹洲營(yíng)) 一準(zhǔn) ( 準(zhǔn)格爾) 段采用的是f g l c 一2 6 0 一1 型鋁包鋼( 絞線) ，長(zhǎng)約2 1 6 公里。該接觸 網(wǎng)屬混架區(qū)，其中f g l c 一2 6 0 一1 型鋁包鋼( 絞線) 由于設(shè)計(jì)問題本身存在螺旋 內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)線在架線時(shí)導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)變形，使用過程中發(fā)生偏磨現(xiàn)象。據(jù)了解f g l c 一2 6 0 一1 型鋁包鋼( 絞線) 生產(chǎn)廠家為消除扭轉(zhuǎn)變形，曾對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行了退火處 理，此舉不但沒有消除導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)，反而降低了導(dǎo)線硬度，經(jīng)檢測(cè)導(dǎo)線實(shí)際硬度為 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖1 3 大準(zhǔn)鐵路地理位置圖 1 4 1 2 接觸網(wǎng)使用過的滑板簡(jiǎn)介 該接觸網(wǎng)最初使用的是鐵基粉末冶金滑板，后在大同局有關(guān)人員對(duì)采用鐵基 粉末冶金滑板提出疑問情況下，改用銅基粉末冶金滑板，現(xiàn)在使用的仍為銅基粉 末冶金滑板。 1 4 1 3 導(dǎo)線磨損情況簡(jiǎn)介及原因分析 大準(zhǔn)鐵路運(yùn)輸部供電段技術(shù)室于2 0 0 1 年4 月5 日至2 0 日對(duì)大準(zhǔn)電氣化鐵 路沿線各領(lǐng)工區(qū)檢測(cè)的接觸網(wǎng)導(dǎo)線斷面高度進(jìn)行了復(fù)測(cè)。復(fù)測(cè)結(jié)果如下； 1 、大準(zhǔn)電氣化鐵路接觸網(wǎng)導(dǎo)線錨段端點(diǎn)斷面與實(shí)測(cè)磨耗斷面的比較 ( 1 ) 大一丹段采用的是g l c n 2 5 0 型鋁包鋼接觸網(wǎng)導(dǎo)線，導(dǎo)線磨耗面基本上 與導(dǎo)線的耐磨面平行，偏磨現(xiàn)象不嚴(yán)重，實(shí)測(cè)磨耗最嚴(yán)重的導(dǎo)線斷面高度尺寸為 1 8 1 4 m m ，參考錨段端點(diǎn)的斷面高度1 9 3 m m ，磨耗斷面高度為1 1 6 m m ( 已磨耗近 1 2 m m 2 ) 。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 2 ) 丹一準(zhǔn)段采用的是f g l c 一2 6 0 一l 型鋁包鋼( 絞線) 接觸網(wǎng)導(dǎo)線。因其導(dǎo)線 本身存在的問題( 螺旋內(nèi)應(yīng)力) 無(wú)法解決，基本上是在偏磨狀態(tài)下運(yùn)行的，由于 導(dǎo)線斷面幾何形狀的原因偏磨后測(cè)出的導(dǎo)線斷面高度尺寸要比正常磨耗斷面尺 寸要高，加之電氣化鐵路開通時(shí)沒有定點(diǎn)測(cè)試原始數(shù)據(jù)，所以偏磨后接觸網(wǎng)斷面 高度只能與本次復(fù)測(cè)時(shí)補(bǔ)測(cè)錨段端點(diǎn)( 沒有磨耗) 斷面高度值進(jìn)行定量比較，測(cè) 磨耗最嚴(yán)重區(qū)段( 近6 0 公里) 的導(dǎo)線磨耗后的斷面高度為1 6 4 5 r a m 至1 6 ，7 4 r a m 之間，參考錨段端點(diǎn)的斷面高度1 8 8 4 r a m ，最嚴(yán)重磨耗2 3 9 r a m ( 導(dǎo)線可用磨耗面 積約為9 6 【m 2 ，在沒有考慮偏磨造成減少可用面積情況下磨耗2 2 2 5 r a m 2 ) ，其他區(qū) 段( 斷面中心垂線偏斜3 5 度點(diǎn)) 大部分磨耗1 1 m m 至1 5 m m 之間，磨耗近 1 3 1 5 r a m 2 。 2 、對(duì)測(cè)試接觸網(wǎng)斷面磨耗的分析 ( 1 ) 大丹段采用的是鋼鋁電車線磨耗相對(duì)均勻，但因鋁包鋼芯的軸向水平方 向硬點(diǎn)較多，雖然各領(lǐng)工區(qū)作了大量的消除硬點(diǎn)工作，但問題是不能從根本上解 決，造成斷面磨耗較嚴(yán)重。 ( 2 ) 丹準(zhǔn)段采用的是鋁包鋼( 絞線) ，因該導(dǎo)線存在嚴(yán)重的質(zhì)量問題( 螺旋內(nèi) 應(yīng)力) 造成導(dǎo)線耐磨面受內(nèi)應(yīng)力的影響，軸向扭曲變形使導(dǎo)線偏磨嚴(yán)重( 目前采 用人工無(wú)法解決) ，磨耗面與導(dǎo)線斷面軸線左右傾斜3 0 度至4 0 度之間，嚴(yán)重達(dá) 到5 0 度左右，偏磨使導(dǎo)線有效使用面積相對(duì)減少，縮短了導(dǎo)線的使用壽命，加 之實(shí)際磨耗相當(dāng)嚴(yán)重，將大大縮短導(dǎo)線的實(shí)際使用年限，經(jīng)分析與目前電力機(jī)車 使用的受電弓滑板( 材質(zhì)) 不當(dāng)造成。 綜合上述兩種導(dǎo)線磨耗情況，在目前不更換接觸網(wǎng)導(dǎo)線的情況下，要想延長(zhǎng) 導(dǎo)線的使用壽命只有解決適合接觸網(wǎng)導(dǎo)線的電力機(jī)車受電弓滑板( 材質(zhì)) 是唯一 的途徑。 根據(jù)以上大一準(zhǔn)鐵路運(yùn)輸部供電段技術(shù)室提供的檢測(cè)結(jié)果及分析結(jié)論，我們 又對(duì)現(xiàn)采用的銅基粉末冶金滑板的硬度和f g l c 2 6 0 1 型鋁包鋼( 絞線) 的硬度 進(jìn)行了檢測(cè)，現(xiàn)采用的銅基粉末冶金滑板的硬度為h b6 7 - 7 4 2 ，f g l c 一2 6 0 一1 型鋁包鋼( 絞線) 的硬度為h b3 6 4 2 ，二者硬度值相差較大，這是致使接觸導(dǎo) 線磨耗相當(dāng)嚴(yán)重的主要原因，滑板與導(dǎo)線在磨擦過程中發(fā)生嚙合現(xiàn)象，使用過的 滑板表面粘附大量的鋁。另外，現(xiàn)采用的銅基粉末冶金滑板是在兩塊滑板中間加 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 潤(rùn)滑塊，在列車運(yùn)行過程中潤(rùn)滑塊只能對(duì)后邊的滑板和導(dǎo)線之間的摩擦起到潤(rùn)滑 作用，而對(duì)前邊的滑板和導(dǎo)線之間的摩擦起不到潤(rùn)滑作用，潤(rùn)滑效果不理想，這 也是致使接觸導(dǎo)線磨耗相當(dāng)嚴(yán)重的主要原因之一。經(jīng)咨詢，鐵科院機(jī)輛所研制滑 板的專業(yè)人員估計(jì)：在不解決滑板問題的情況下安排大量運(yùn)輸，不出五年，導(dǎo)線 將因磨損嚴(yán)重出現(xiàn)局部露芯斷線。 1 4 2 研究意義 白1 9 9 7 年6 月全線開通投入使用以來(lái)，大( 大同) 一準(zhǔn)( 準(zhǔn)格爾) 鐵路最 初使用的是鐵基粉末冶金滑板，后改用浸金屬銅基粉末冶金滑板，因?yàn)椴贿m合該 段接觸網(wǎng)導(dǎo)線，致使f g l c 2 6 0 一1 型鋁包鋼( 絞線) 接觸導(dǎo)線磨耗嚴(yán)重，大大 縮短接觸網(wǎng)導(dǎo)線的使用壽命。 目前，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有滑板主要分兩大類型，一是銅基粉末冶金滑板；二是浸金屬 碳滑板。銅基粉末冶金滑板應(yīng)用場(chǎng)所主要為用鐵銅合金導(dǎo)線接觸網(wǎng)，其硬度范圍 為h b 6 0 9 0 ，成分主要以銅、鋅為主。從硬度和成分來(lái)分析均不適合于f g l c 2 6 0 一1 型鋁包鋼( 絞線) ，這一點(diǎn)從銅基粉末冶金滑板對(duì)接觸導(dǎo)線的磨損情況 和使用過滑板的表面狀態(tài)可以得到充分的證明。浸金屬碳滑板從潤(rùn)滑角度來(lái)看較 為理想，適合于f g l c 一2 6 0 l 型鋁包鋼( 絞線) 。但大一準(zhǔn)接觸網(wǎng)還有6 4 公里 長(zhǎng)的g l c n 一2 5 0 型鋁包鋼接觸網(wǎng)導(dǎo)線，若用該種滑板，一方面，該滑板自身使用 壽命不足；另一方面，針對(duì)接觸導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)變形，硬質(zhì)點(diǎn)較多的特殊情況，該滑板 在使用過程中受到較大沖擊，有掉邊或被沖斷的可能，因此該種滑板也不適用于 大一準(zhǔn)接觸網(wǎng)導(dǎo)線。 針對(duì)上述情況，如果研制出一種適合該段鐵路接觸網(wǎng)導(dǎo)線的新型滑板，可以 延長(zhǎng)接觸導(dǎo)線的使用壽命，使其達(dá)到設(shè)計(jì)壽命1 5 年以上，并同時(shí)滿足保護(hù)導(dǎo)線 和保證滑板自身使用壽命要求，既解決了多年來(lái)滑板不能與不同型號(hào)鋁包鋼接觸 線良好配合并保護(hù)導(dǎo)線的難題，又豐富了電接觸理論。 1 5 本文所做的工作 本文所研究課題是遼寧工程技術(shù)大學(xué)與神華集團(tuán)準(zhǔn)格爾能源有限責(zé)任公司 聯(lián)合開發(fā)項(xiàng)目，旨在解決大( 大同) 準(zhǔn)( 準(zhǔn)格爾) 電氣化鐵路接觸網(wǎng)導(dǎo)線( 兩 種型號(hào)鋁包鋼接觸線混架區(qū)) 與滑板的匹配問題。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 6 通過分析，現(xiàn)有滑板不適用于大準(zhǔn)接觸網(wǎng)導(dǎo)線，必須研制一種新型滑板， 同時(shí)滿足保護(hù)導(dǎo)線和保證滑板自身使用壽命要求。新滑板的設(shè)計(jì)目的和要求是： ( 1 ) 新滑板應(yīng)以護(hù)線為主，盡量使導(dǎo)線接近其設(shè)計(jì)壽命1 5 年： ( 2 ) 新滑板應(yīng)該有足夠的使用壽命，預(yù)期使用壽命為3 萬(wàn)機(jī)車公里。 本文在對(duì)電接觸理論、金屬材料學(xué)、電弧等離子體等基本理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上， 首先分析了電力機(jī)車受電弓滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線相互作用規(guī)律，其次結(jié)合理論論證 并考慮經(jīng)濟(jì)成本，設(shè)計(jì)并研制了一種新型雙潤(rùn)滑銅基粉末冶金滑板。在銅基粉末 冶金滑板內(nèi)部加入錫、石墨、鉛等合金元素，其中石墨和鉛都起到自潤(rùn)滑作用， 同時(shí)外部采用鋁包雙潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，將高強(qiáng)石墨潤(rùn)滑劑與粉末冶金滑板整體結(jié)合，進(jìn) 一步提高潤(rùn)滑效果。新滑板的設(shè)計(jì)主要包括滑板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造方法的設(shè)計(jì)、成 分設(shè)計(jì)、滑板硬度值設(shè)計(jì)、滑板外殼的設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑塊的設(shè)計(jì)、滑板尺寸的設(shè)計(jì)等 幾個(gè)方面。最后對(duì)雙潤(rùn)滑銅基粉末冶金滑板進(jìn)行了性能檢測(cè)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì) 目標(biāo)。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 電力機(jī)車受電弓滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線相互作用規(guī)律分析 2 1受電弓滑板與接觸導(dǎo)線的工況特點(diǎn) 受電弓滑板與接觸導(dǎo)線是一對(duì)較為特殊的摩擦副。與常規(guī)摩擦副相比，它們 的工作條件有以下顯著的特點(diǎn)和不剛1 0 l ： l 、載荷周期性隨機(jī)變化 滑板與接觸導(dǎo)線分別屬于兩個(gè)獨(dú)立的彈性系統(tǒng)受電弓系統(tǒng)與接觸網(wǎng)系 統(tǒng)( 見圖2 1 ) 。其中，受電弓由滑板、托架、升弓彈簧等組成，受電弓抬升力 靠升弓彈簧加載；接觸網(wǎng)為一彈性懸掛系統(tǒng)。兩個(gè)彈性系統(tǒng)相互接觸提供了滑板 和接觸導(dǎo)線之間的接觸壓力【u 。 圖2 1電力機(jī)車受電弓接觸網(wǎng)系統(tǒng)示意圖 在運(yùn)行中由于弓網(wǎng)的振動(dòng)，使得滑板與接觸導(dǎo)線問的接觸壓力呈隨機(jī)變化的 特征。又由于接觸網(wǎng)按跨距布置，這一隨機(jī)變化的載荷又具有一定的周期性。 此外，受電弓在經(jīng)過接觸網(wǎng)上“硬點(diǎn)”時(shí)，例如在過分相、分段絕緣器、接 觸導(dǎo)線硬彎及懸掛不平順處，還會(huì)產(chǎn)生階躍式的沖擊，造成瞬間離線現(xiàn)象。 2 、接觸時(shí)有強(qiáng)電流通過 受電弓滑板與接觸導(dǎo)線相接觸，從接觸網(wǎng)上獲取電流，目前電力機(jī)車電流在 4 0 0 a 左右，高速電力機(jī)車將提高到8 5 0 a 。要通過如此強(qiáng)大的電流，即使是導(dǎo)電 性能良好的滑板材料也會(huì)產(chǎn)生較高的溫升。尤其當(dāng)機(jī)車在車站停車時(shí)還要繼續(xù)取 流，受電弓滑板與接觸導(dǎo)線相對(duì)靜止，將導(dǎo)致局部高溫，甚至發(fā)生接觸導(dǎo)線熔融、 斷線現(xiàn)象。 在強(qiáng)電流作用下，當(dāng)弓網(wǎng)問發(fā)生瞬間離線時(shí)，將產(chǎn)生嚴(yán)重的拉電弧現(xiàn)象，造 成受電弓滑板和接觸導(dǎo)線表面燒傷而使接觸狀況惡化。 3 、高滑動(dòng)速度 遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文 準(zhǔn)高速鐵路的速度為1 6 0 k m h 左右，對(duì)應(yīng)的弓網(wǎng)相對(duì)滑動(dòng)速度是4 4 4 m s 。 當(dāng)列車運(yùn)行速度達(dá)到2 5 0 k m h ，弓網(wǎng)間滑動(dòng)速度為6 9 4 m s 。若要達(dá)到目前國(guó)際 最先進(jìn)的列車速度4 0 0 k m h ，弓網(wǎng)相對(duì)滑動(dòng)速度將達(dá)到11l m s 。在常規(guī)機(jī)械設(shè)計(jì) 中，通常認(rèn)為相對(duì)滑動(dòng)速度超過3 0 m s 即為高速摩擦副，顯然弓網(wǎng)系統(tǒng)屬于高速 滑動(dòng)摩擦磨損問題。 4 、環(huán)境條件復(fù)雜多變 弓網(wǎng)系統(tǒng)工作在野外露天環(huán)境。夏日高溫、陽(yáng)光曝曬，冬季嚴(yán)寒、導(dǎo)線覆冰； 雨雪天氣，砂塵等等都對(duì)其摩擦磨損性能和導(dǎo)電性能起重要影響作用【1 。 2 2 受電弓滑板與接觸導(dǎo)線的摩擦磨損機(jī)理 從上述受電弓滑板與接觸導(dǎo)線的工況條件可以看出：這是一對(duì)特殊的摩擦 副，在周期性隨機(jī)變載荷、強(qiáng)電流、高速滑動(dòng)等因素的綜合作用下，它們的摩擦 磨損機(jī)理與通常的摩擦副有著顯著差別【lo 】。 2 2 1 機(jī)械作用下的摩擦磨損 物體作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)其相互作用表面之間將產(chǎn)生摩擦，在無(wú)足夠的潤(rùn)滑膜將兩 表面隔開時(shí)，磨損是不可避免的。在機(jī)械作用下引起的摩擦通常與其所受的載荷、 相對(duì)滑動(dòng)速度、表面品質(zhì)( 包括表面形貌、表面材料硬度等) ，以及環(huán)境因素如溫 度、濕度和腐蝕性介質(zhì)等有關(guān) 1 2 】。機(jī)