第三轨受流器铜滑板磨耗性能的研究

第三轨受流器铜滑板磨耗性能的研究

周再建  ,陆国坤  ,郑德威

东莞市诺丽科技股份有限公司   广东东莞   523039

摘要：第三轨受流系统作为中国当前城市单轨列车运行系统的重要组成部分，其良好的滑动摩擦导电能力是列车是否能够安全可靠，稳定运行的前提。列车运行时，滑板与第三轨的接触网组成了摩擦副，列车依靠滑动摩擦而实现取流。通过对受流器铜滑板现场磨耗数据的采集、整理、并进行梳理归纳，在大量的数据基础上，搭建大数据分析模型,从多个维度对滑板磨耗进行系统的分析，可以明显发现铜滑板在下雨天，轨道积水，潮湿等空气湿度较大的轨道列车运行工况下，铜滑板的磨耗会急速上升。造成铜滑板的使用寿命严重减短。为解决该问题,以滑板作为金属基体的摩擦面上开发出排列有序、大小适当的多孔穴，并嵌入用粉末冶金法制备PE腊-石墨复合材料为固体润滑剂的一种具有自润滑性能的铜滑板产品。

关键词：铜滑板；摩擦副；自润滑；PE腊-石墨复合材料

1 电力机车铜滑板的磨耗的现状

在当前我国电力机车接触网系统中滑板和接触网导线的现行标准条件下，通过对现场铜滑板表面机理的细致分析发现，铜滑板表面比较容易出现大大小小的坑槽，表面不平整，各处磨耗不均衡。从轨道列车上的受电弓弓网耦合动态监测系统，可以很明显的发现铜滑板燃弧，拉弧现象严重。

列车在行驶过程中，受流滑板与第三轨的接触网导线两者始终处于滑动摩擦接触状态，从而导致了滑板磨损严重，磨耗惊人。滑板磨耗问题若不能及时解决，会增加城市轨道运行成本，从而给城市轨道交通运营带来极大的经济负担，不利于城市轨道交通的可持续发展。

2 铜滑板的磨耗的成因分析

通过对铜滑板表面机理的分析发现，滑板表面除了接触摩擦的机械磨耗，冲击损伤外，对滑板损耗最快是电弧的侵蚀。在电力机车运行过程中，受电弓与接触网导线两者构成一对机械与电气耦合的摩擦副，其载流磨耗特性受机械、摩擦、化学、传热和电气等因素综合作用的影响。

影响弓网系统铜滑板磨耗的因素主要有:接触压力,温度,接触电流,电力机车的运行速度等.他们的改变会使摩擦系数,滑板磨耗率和接触电阻呈现不同的变化规律。

受电弓经过接触网硬点或缺陷处时会产生较大的振动，致使滑板离线，形成电弧。此时在高温及强电场作用下，电子对表面强烈轰击，使材料蒸发或产生材料转移，在工作表面出现凹坑或结瘤，从而加速磨损。

摩擦行为一般包括接触面表面几何特征和接触状态两个方面，它对摩擦副的运动和磨损起着决定作用，是研究摩擦动力学和摩擦磨损的基础。微观上，任何摩擦表面都由大量峰谷组成，接触面凸峰间的剪切和黏着导致摩擦力的产生。

3 铜滑板的磨耗优化

   滑板作为金属基体的摩擦面上开发出排列有序、大小适当的多孔穴，并嵌入用粉末冶金法制备PE腊-石墨复合材料为固体润滑剂的一种具有自润滑性能的滑板产品。

   铜基体镶嵌PE腊-石墨是一种兼有铜粉未冶金特点和无油润滑的特点的新颖润滑铜滑板，由金属基体承受载荷，特殊配方的固体润滑材料起润滑作用。它具有承载能力高，耐冲击，耐高温，自润滑能力强等特点，特别适用于弓网相对运动过程中难以润滑和形成油膜的工况，也不怕水冲和其它酸液的浸蚀和冲刷。

    镶嵌PE腊-石墨固体润滑剂的一种高性能固体润滑板，它突破了一般滑板无润滑条或者外加润滑条无法形成稳定润滑膜的局限性，在使用过程中，通过摩擦热使固体润滑与接触网摩擦，形成蜡、铜粉末，石墨粉未并存润滑的优异条件，既保护铜滑板和接触网导线不磨损，又使固体润滑特性永恒。

图1 多孔铜滑板

4 新型铜滑板的实验验证

4.1 电滑动磨损试验机

根据国内电气化铁路弓网受流系统中受流器的结构特点和接触导线的使用状态，磨损试验在自制的电滑动磨损试验机上进行。图2 为电滑动磨损试验机的结构图，其中环形接触导线装卡在直径为1000mm的圆盘上，圆盘两端各有一块滑块分别由标准法码重量块提供载荷压靠在接触导线上；曲柄连杆机构带动滑块以2Hz 的频率在30mm的摆幅内作横向往复移动；用直流稳压电源提供的直流电由滑块流向接触导线再流向稳压电源，形成回路。

图2  磨耗实验机

4.2 实验结果分析

4.2.1 实心铜滑板的磨耗实验

实心铜滑板在相同的电流（300A），运行速度（50KM/h）也相同的情况下，磨耗率与空气湿度之间的关系。如图3所示：

通过实验数据分析，可以发现在电流大小一定，运行速度相同的情况下，磨耗率与空气湿度的大小成正比，空气湿度越大，磨耗率越大，而且磨耗率变化较快。

图3

4.2.2 多孔滑板

多孔铜滑板在相同的电流（300A），运行速度（50KM/h）也相同的情况下，铜滑板的磨耗率与空气湿度之间的关系。如图4所示：

通过实验数据分析，可以发现在电流大小一定，运行速度相同的情况下，磨耗率与空气湿度的大小成正比，空气湿度越大，磨耗率越大，但是磨耗率变化较实心铜滑板慢。

图4

通过以上两组数据分析图表可以看出，铜滑板作为金属基体的摩擦面上开发出排列有序、大小适当的多孔穴，并嵌入用粉末冶金法制备PE腊-石墨复合材料为固体润滑剂，可以有效的解决现场滑块因为空气湿度增加，从而使滑块磨耗加快的问题，多孔铜滑板磨耗率在相同的电流大小，相同的速度的工况下，相对于实心铜滑板的有很好的改善。

5、结语

由于基材中铅组分的固有特性,以及多孔基材中的PE腊-石墨复合材料均具有良好自润滑性能,在摩擦表面易形成润滑膜,能够有效减少对自身以及接触网的磨耗,而进行金属铜的浸渍可以降低材料的电阻率,提高材料的机械强度,从而大幅度的提高其载流能力。

受电弓铜滑板与接触线的磨损是机械作用与强电流作用的综合结果，并相互影响激化。润滑膜对滑板与第三轨的磨擦起到润滑作用，从而减少受流耐磨件与供电线路的摩擦系数，延长受流耐磨件和供电件的使用寿命。因降低了集电靴与受电轨之间的摩擦系数，对于降低城铁噪声也有积极的作用。

同时，润滑膜具有良好的灭弧作用，减少铜滑板与接触网之间的燃弧率，从而减少了铜滑板磨耗中的电弧磨耗，使铜滑板磨耗有了较大的改善。

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