износ контактного провода

Износ контактного провода разделяют на электрический и механический [12]. Такое деление весьма условно, поскольку электрические и механические явления в контакте взаимозависимы. Например, тяжелые формы электрического износа при дуговом токосъеме так ухудшают поверхность трения, что увеличивается механический износ, а грубые повреждения этой поверхности врезультате механических явлений (схватывание, задир) могут ухудшить качество токосъема и повысить его электрическую составляющую. Лишь в отдельных случаях можно не учитывать либо механической, либо электрической составляющей износа. Исходя из условий работы необходимо, чтобы материал контактного провода имел высокую электрическую проводимость, прочность, износостойкость, включая в последнее понятие и электроэрозионную стойкость, минимальную стоимость. Указанным комплексом свойств не обладает ни один металл и ни один сплав, поэтому при выборе материала провода приходится неизбежно принимать различные компромиссные решения. Так, всем известно, что наивысшей проводимостью обладает (исключая серебро) чистая медь, а более высокой прочностью бронза. Увеличение срока службы контактного провода может быть достигнуто увеличением сечения медного провода или использованием бронзы взамен меди при том же сечении, но при этом возрастает стоимость провода. Потери электроэнергии в первом случае снизятся, а во втором возрастут. В условиях эксплуатации контактный провод испытывает воздействие колебаний температуры воздуха, влажности окружающей среды. Втаких условиях невозможно обеспечить постоянство подачи смазки в зону контакта провода с токосъемным элементом, чтобы снизить их износ. Поэтому материал контактного провода должен обладать достаточно высокой износостойкостью в условиях сухого трения. В качестве материала для изготовления контактного провода на электрифицированных железных дорогах изначально использовалась медь. До настоящего времени постоянно предпринимаются попытки заменить медь ее сплавами и другими металлами и сплавами. Использование биметаллического сталемедного контактного провода в странах бывшего СЭВ, ФРГ и Швейцарии не получило распространения. Провод интенсивно подвергался коррозии в не покрытых медью местах и обладал высоким электросопротивлением. Были попытки заменить медный провод сталеалюминиевым, при этом трущейся частью провода являлась сталь. Эксплуатация выявила ряд недостатков, в числе которых низкая износостойкость и расслоения. Контактные провода из сплавов A L в условиях эксплуатации показали недостаточную прочность. Вбывшем СССР, Германии и США были попытки использования стального контактного провода, но его высокое электросопротивление, сильная коррозия и низкая износостойкость показали неперспективность таких проводов. Все стандарты на контактные провода наиболее развитых стран содержат в своем составе бронзовые провода. Наибольшее распространение из легирующих добавок получили Sn, Zn, A l , Aq, Cd, Si и др. [13]. Легирование позволяет повысить прочность и износостойкость провода, при этом необходимо сохранение высокой электропроводности меди. Исследованиями установлено, что легирующие элементы Aq, Cr, Mg, Zr, Te, Se с содержанием от 0,3 до 0,8% незначительно влияют на электропроводность меди. Известно, что чем больше величина растворимости элемента в меди, тем меньше коэффициент упрочнения сплава. Немаловажную роль играют и элементы, оказывающие модифицирующее действие на медь, измельчая ее зерно [14]. Модифицирование приводит к повышению прочности и твердости провода. При выборе легирующего элемента принимают во внимание то, что наибольшее влияние на сопротивляемость меди разупрочнению при нагреве оказывают те элементы, которые мало растворяются в ней, следовательно, и мало влияющие на ее электропроводность [15]. Если легирующие элементы обладают большим сродством с кислородом и образуют устойчивые окислы, то за счет влияния этих факторов на прочность, на скорость образования и воспроизводство вторичных структур, образующихся на поверхностях трения, можно оказывать влияние на износ контактов. Физические дефекты решетки, которые возникают при затвердевании расплава, при пластической деформации и термообработке повышают электросопротивление. Упругие напряжения практически не оказывают влияния на удельное электросопротивление, тогда как после пластической деформации в холодном состоянии удельная электропроводность уменьшается (около 20%). Наиболее распространенным материалом для контактного провода в России остается твердотянутая электролитическая медь, содержащая не более 0,1% примесей [12]. Полуфабрикатом является катанка круглого сечения. Ее до недавнего времени получали путем горячей прокатки медных слитков (примерно 90кг ). В 1970г . завод Ташкенткабель освоил производство медной катанки непосредственно из расплава. В настоящее время российским заводом Транскат контактный провод изготавливается методом холодной прокатки из катанки, полученной методом непрерывного литья и прокатки. Такой метод обеспечивает не только повышенную производительность оборудования, но и делает ненужной пайку отрезков катанки серебряным припоем, ликвидирует менее надежные участки проводаместа пайки. Временное сопротивление катанки соответствует показателю для отожженной меди и равно 22даН/мм 2 . В процессе волочения через последовательно расположенные фильеры сечение катанки уменьшается, а растет в зависимости от обжатия , выражаемого в процентах . (3.1) При диаметре катанки 17,2мм для проводов сечением S = 100 и 85мм 2 , m соответственно равно 58 и 64%. В результате сложной деформации исходных кристаллов меди, одновременно растягивающей продольной и сжимающей поперечной силами, структура металла изменяется. Размеры зерен уменьшаются, вместо равноосных они превращаются в вытянутые в направлении волочения. Временное сопротивление растяжению при этом возрастаетдо 3638даН/мм 2 , пластичность уменьшается, а удельное электрическое сопротивление r увеличивается (от 0,0172 до 0,0176Ом мм 2 /м). Твердость, по Бринеллю (НВ), медного контактного провода составляет 100110 [12]. По мере увеличения обжатия возрастает не только прочность провода, но и его стойкость к абразивному изнашиванию. Как показали исследования [16], в зависимости от величины снимаемого тока, условий и качества токосъема может наблюдаться либо сильный перенаклеп, либо рекристаллизация (полный или частичный отжиг) поверхностных слоев меди провода. В том и другом случае относительно небольшое различие в первоначальной структуре, определяемое разным обжатием, не может заметно повлиять на износостойкость провода. В зависимости от продолжительности и температуры нагрева твердотянутого медного провода его снижается. Так, нагрев провода сверх 270 С (температуры рекристаллизации меди), например до 300 С, в течение 1ч снижает прочность на 40%, т.е. приводит к полному разупрочнению, а такой же нагрев в течение 1с на 15%. Эффект разупрочнения при многократных нагревах и охлаждениях протекает так, как если бы продолжительность нагревов суммировалась. При расчетах потерь электроэнергии в контактной сети в отличие от расчета допустимых токов можно пользоваться не максимальными, а средними (расчетными) значениями электрического сопротивления проводов, так как они в пределах фидерной зоны как бы усредняются. Такой подход особенно благоприятен для бронзовых проводов, у которых разброс значений сопротивления больше, чем у медных. Срок службы контактного провода в годах определяют по формуле согласно [17] , (3.2) или , (3.3) где средний износ (потеря сечения) контактного провода к моменту его смены, мм 2 ; число контактных проводов в подвеске; число проходов по участку единиц подвижного состава за год; удельный износ контактного провода, мм 2 /10 тыс.проходов электроподвижногосостава; удельная потеря меди контактным проводом, кг/1000 км пробега ЭПС. Работники эксплуатации не могут изменить величину (т.е. размеры движения поездов) и почти не могут влиять на n (поскольку n выбирают, как правило, при проектировании). Однако работники локомотивного хозяйства и электрификации могут эффективно влиять на i (или ) посредством применения прогрессивных токосъемных материалов, дополнительной смазки провода, выбора рационального числа рабочих токоприемников на электроподвижном составе и т.д. От них напрямую зависит величина . Этот показатель на многих участках не достигает нормативных величин из-за повышенной неравномерности износа. Целесообразность замены медного провода на бронзовый с целью увеличения срока службы проводов за счет повышения их износостойкости и сопротивляемости разупрочнению при нагреве следует еще оценить. Таким образом, актуальность исследований, связанных с повышением эксплуатационной надежности контактного провода на основе меди, очевидна.

В механике используется классификация видов изнашивания, представленная в ГОСТ27674-88. 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 формы тела. Износ является результатом изнашивания, определяемого в установленных единицах. Изнашивание при передаче электрической энергии осуществляется через статические или разрывные контакты и наиболее сложный из них скользящий с отрывами, когда электроискровые и электродуговые процессы совмещаются с процессами внешнего трения. Анализ ранее проведенных исследований позволил предложить применительно к контактному проводу классификацию видов износа, показанную на рис. 3.1. При определенных условиях токосъема основным фактором износа является его механическая составляющая. В этом случае трение определяется, с одной стороны, взаимным зацеплением шероховатых поверхностей и их объемным деформированием при скольжении, с другойналичием адгезионных сил между поверхностями с образованием иногда по контактным выступам мостиков сварки, которые при скольжении разрушаются. В зависимости от конкретных условий та или другая сторона природы трения является определяющей. Различают жидкостное, сухое (без смазки) и граничное трение. При наличии в контакте жидкости контактирующие элементы разделены слоем смазки, которая сохраняет определенные объемные свойства. Износ при таком трении обычно невелик. При трении без смазки имеет место молекулярно-механическое изнашивание, сопровождающееся заеданием, схватыванием контактирующих поверхностей, грубым задиром, глубинным вырыванием частиц. Граничное трение определяется не вязкостью смазки, поскольку ее слой чрезвычайно тонок, а химическим воздействием на основной металл. Рис. 3.1. Классификация видов износа контактного провода Характером трения определяется механическое изнашивание. Для рассматриваемой пары провод полоз наиболее важными видами изнашивания являются абразивное, усталостное, окислительное и молекулярно-механическое. Одновременно могут наблюдаться два и более вида изнашивания, однако один из них всегда для данных условий будет преобладающим. По внешнему виду и микроструктуре поверхности трения можно судить о ведущем виде изнашивания, а зная его, выбирать наиболее эффективные пути удлинения срока службы изделия. Абразивное изнашивание происходит из-за попадания между трущимися поверхностями продуктов износа, внешней пыли и наличия твердых включений в основном материале. В зависимости от свойств самого абразива изнашивание может быть очень тонким, близким к полированию, или весьма грубым с образованием глубоких борозд. Окислительное изнашивание связано с образованием и разрушением тонких окисных пленок на поверхностях трения. Обычно скорость изнашивания в неагрессивной среде при этом виде износа невелика, а само наличие окисных пленок препятствует другим, более тяжелым, видам износа. Усталостное изнашивание связано с объемным деформированием трущихся поверхностей и растрескиванием перенаклепанного слоя материала с последующим его удалением. Износ при этом бывает достаточно высоким. Схватывание, которое можно уподобить сварке контактных выступов при полном отсутствии смазки и окисных пленок, зависит от нажатия в контакте, температуры поверхностных слоев и свойств металла. Оно сопровождается тяжелым износом с глубинным вырыванием крупных частиц материала. Если одним из контактирующих элементов является графит, то схватывания, так же как и сварки, не происходит. Как известно, износ повышается с увеличением поверхности трения. При коэффициенте взаимного перекрытия (отношение меньшей площади трения к большей) около 0,01деталь с большей поверхностью трения изнашивается примерно в 6раз интенсивнее, чем деталь с меньшей поверхностью. Износ возрастает при реверсивном движении одной детали по другой из-за постоянной переориентации частиц на поверхности трения, а также с увеличением напряжений растяжения основного материала, нажатия и при недостаточной смазке. Наблюдаемое при этом прерывистое скольжение ( заедание и скачки ) делает контакт нестабильным и увеличивает электрическую эрозию. В соответствии с условиями работы трущейся пары смазки могут быть жидкие и твердые, неметаллические и металлические. Нагрев, неизбежный при трении (не говоря уже о прохождении тока в контакте), может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на износ. С одной стороны, он предупреждает перенаклеп (переупрочнение) и усталостное разрушение поверхностных слоев, с другой разрушает смазку, особенно органического происхождения, вызывает разупрочнение поверхности трения и снижает ее стойкость к абразивному износу и схватыванию. Все перечисленные явления в той или иной степени наблюдаются в скользящем контакте провод токоприемник. Изнашивание в жестких точках . В первую очередь имеются в виду фиксаторы, питающие зажимы электрических соединений, стыковые, средних анкеровок. Проход токоприемника по таким точкам нередко сопровождается значительным изменением контактного нажатия, иногда отрывами от провода и искрением. Стыковые зажимы обладают значительной сосредоточенной массой: К-0581,5кг, К-0590,8кг, из-за чего под ними износ контактного провода, как правило, увеличенный. Повышенный износ у питающих зажимов наблюдается в том случае, если электрические поперечные соединения выполнены не гибким проводом МГГ-95 или МГГ-70, а обычным 19-проволочным М-95 или М-120, а также, если не предусмотрены специальные витки, уменьшающие жесткость контактной подвески в месте установки соединителя.

Этот вид износа обусловлен как процессами, протекающими в скользящем контакте, так и естественным действием протекающего в проводе тока на его материал. К электрическому изнашиванию контактных проводов при передаче электрической энергии через скользящий контакт относят электроэрозионный процесс потери некоторого объема провода. Исследованием величины электрической эрозии металлов установлено, что она зависит от электрических параметров разрядного контура (R, L, С), среды, в которой осуществляется разряд, характера разряда, природы вещества. Электроэрозионное повреждение контактного провода может приводить к появлению дефекта на поверхности провода, что в условиях постоянных растягивающих нагрузок и искрения приведет к пластическому деформированию с образованием шейки и обрыву провода. Электрический износ контактного провода в конкретной точке зависит от общей величины протекавшего через эту точку количества электричества (измеряемого в кулонах или А с) Следовательно, при одних и тех же скоростях движения (или времени контакта этой точки с полозами токоприемников) и прочих одинаковых условиях износ провода зависит от величины снимаемого токоприемниками тока [12]. Большой практический интерес представляет соотношение между механическим и электрическим износом. Установлено, что искрение возрастает с увеличением снимаемого тока при любых материалах вставок, что является следствием усиления электровзрывной эрозии. Полярность контактного провода также влияет на его износ. Почти при всех лабораторных испытаниях положительной полярности соответствовали большие значения интенсивности изнашивания, но в условиях эксплуатации влияние полярности значительно меньше, чем величины тока, условия смазывания и качество токосъема. Указанное относится к контактной сети, использующей постоянный ток, для переменного тока результаты подобных исследований не приводились. Износ на сопряжениях анкерных участков, воздушных промежутках, стрелках. Наблюдениями установлено, что при скоростях движения электровоза 150160км/ч качество токосъема на сопряжениях анкерных участков компенсированной подвески с двойным контактным проводом ниже, чем в промежуточных пролетах. Это объясняется резким изменением жесткости в переходном пролете сопряжения, динамическими ударами и отрывами токоприемника электровозов. На воздушных промежутках линий постоянного и переменного токов повышенный электроэрозионный износ связан с возникновением электрической дуги при замыкании полозом токоприемника разнопотенциальных секций контактной сети. Бороться с описанным явлением путем подвески экранов, защищающих контактный провод, но снижающих жесткость, целесообразно только при относительно невысоких скоростях движения поездов; замена медных контактных проводов бронзовыми на воздушных промежутках не даст заметного эффекта, поскольку температуры плавления меди и проводниковых бронз (которыми определяется их электроэрозионная стойкость) близки. Наиболее эффективны схемные решения [12], снижающие вероятность возникновения мощной дуги на разделе питания или делающие невозможным само появление дуги. Износ проводов на воздушной стрелке во многом зависит от ее правильной регулировки. Местный износ под ограничительной планкой стрелки наблюдается на длине 11,4 м. В [12] рекомендовано периодически изменять зигзаги контактного провода в зоне стрелки, чтобы переместить повышенный износ и тем удлинить срок службы провода. Например, изменение зигзага от 360 до 450мм на стрелке с крестовиной 1/11 смещает точку пересечения проводов более чем на 1м. Волнообразный износ. Этим термином названо явление интенсивного электрического износа и тяжелых дуговых повреждений контактногопровода на последовательно расположенных коротких участках (100150мм), разделенных еще более короткими (1030мм) участками с хорошо пришлифованной блестящей поверхностью. Особенно быстро волнообразный износ возникал в местах трогания и разгона ЭПС, и на подъемах. Главной причиной возникновения волнообразного износа на участках переменного тока являлось прикосновение к проводу в какой-то момент времени не контактных пластин, а плохо проводящей сухой графитовой смазки. При этом съем тока пластинами осуществляется через электрическую дугу с образованием первых двух волн. Последующие проходы полозов (в одну или обе стороны) растягивают это явление и усиливают износ там, где он возник. Далее становится неважным, какова поверхность полоза, так как уже нарушена поверхность провода. Поскольку электроэрозионный износ пропорционален количеству электричества, то волнообразный износ проявился на линиях постоянного тока 3кВ раньше, чем на переменном 25кВ, и на участках с низкими скоростями (места трогания и разгона ЭПС, на подъемах) раньше, чем на участках с большими скоростями движения. Волнообразный износ не возникает при использовании угольных вставок (независимо от числа их рядов на полозе), так как они обладают достаточно высокой проводимостью и не требуют сухой смазки [12]. Причину возникновения волнообразного износа объясняют высокочастотными колебаниями провода, возбуждаемыми силой трения по нему вставок, возникновением стоячих волн и ритмическими отрывами вставок от провода, находящегося в таком состоянии. Поэтому такой износ может быть при любых контактных материалах, если динамические характеристики контактной подвески и токоприемников не соответствуют друг другу. Износ при гололеде. Когда контактные провода покрываются гололедо-изморозевыми образованиями (гололед, изморозь или смесь гололеда и изморози), токосъем осуществляется только через электрическую дугу независимо от толщины корки такого образования (далее его условно будем называть гололедом). Наблюдения показали, что при гололеде на поверхность трения медных пластин (катод) с провода (анод) дугой переносятся большие массы меди. Сильно повреждаются и сами пластины, срок их службы резко уменьшается. На поверхности трения угольных вставок появление при гололеде сколько-нибудь значительных масс меди явление очень редкое, но на боковых поверхностях вблизи поверхности трения отмечается напыление меди. Сами же вставки изнашиваются, естественно, быстрее, чем при отсутствии гололеда Изнашивание провода и пластин при гололеде протекает наиболее интенсивно, и только благодаря относительно редкой повторяемости этого явления оно не определяет срок службы провода. Обеспечение удовлетворительного качества токосъема при гололеде зависит и от работников локомотивного хозяйства. Им рекомендовано применение гидрофобных антиобледенительных покрытий для токоприемников в период гололеда, а также увеличение нажатия токоприемника на провод, примерно на 2даН выше принятого для обычных условий. Работа электровозов на двух поднятых токоприемниках способствует снижению скорости изнашивания при гололеде не только благодаря распределению электроэрозионного износа материала вставок между этими токоприемниками, но и, главным образом, благодаря взаимному шунтированию при хорошем контакте с проводом любого из них В Японии с запараллеленными токоприемниками работают электропоезда постоянного тока. Большие преимущества такой работы не только в отношении уменьшения износа, но и предупреждения пережогов провода при коротком замыкании в электросекциях. Влияние контактного нажатия на износ провода . Увеличение нажатия снижает контактное электрическое сопротивление и уменьшает время (и, следовательно, протяженность зоны) отрыва полоза от провода, что в целом снижает электрическую составляющую износа. Но одновременно возрастает механическая составляющая. Доля той и другой зависит в первую очередь от вида токосъемного материала. По данным [18], для полоза с металлографитными пластинами нажатие желательно иметь возможно меньшим, с угольными вставкамивозможно большим. Должно существовать некоторое оптимальное статическое нажатие токоприемника на провод, при котором интенсивность изнашивания будет минимальной. Однако, несмотря на большой размах исследований в области токосъема, такой важный вопрос, как выбор оптимального нажатия для конкретных видов токоприемников и материалов вставок, разработан недостаточно. Об этом свидетельствует большой разброс значений номинального статического нажатия токоприемников в различных странах: 5,515даН на постоянном токе и 4,511даН на переменном токе. 3.2.3. Тепловой изностермическое разупрочнение В эксплуатации провод нагревается в процессе протекающих по нему транзитных токов (токов нагрузки). В результате нагрева медный провод разупрочняется, т.е. уменьшаются предел прочности, предел текучести, твердость и повышаются пластические свойства. Разупрочнение провода при нагреве связано с процессами отдыха (возврата), полигонизации и рекристаллизации [19]. В процессе отдыха происходит изменение механических свойств проводника, которые приближаются к свойствам недеформированного металла. При полигонизации и рекристаллизации происходит значительное изменение структуры проводника. Процесс рекристаллизации приводит к сильному разупрочнению контактного провода. Отдых происходит при низких температурах, до температуры рекристаллизации проводника. Температура рекристаллизации не является фиксированной величиной и изменяется в зависимости от химического состава провода, степени холодной деформации и времени, в течение которого образец выдерживался при данной температуре.

Во Всероссийском научно-исследовательском институте

железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) проведены испытания с

нагревом образцов контактного провода в термостате. Из

результатов исследований следует, что температура

рекристаллизации колеблется в пределах от 230 до 260 С.

Разупрочнение контактного провода происходит при температуре

200210 С; нагрев контактного провода до температуры

source