輕軌滑塊

                  • 型號:

                  各種電力機車受電弓滑板的型號、性能及其應用

                  根據材質的不同,我們將滑板分為純碳滑板、粉末冶金滑板和浸漬金屬滑板。下面將分別介紹我國各種滑板的生產情況,產品型號、規格、性能及其應用。

                  1、    純碳質滑板

                      目前,純碳質滑板是我國電氣化鐵路上廣泛使用的主要滑板之一,是非金屬中導電較好的材料,當前有哈爾濱電碳廠、北京電碳和自貢東新電碳廠進行生產。純碳滑板工作時磨下來的粉末粘附在接觸導線表面,形成一層很薄的碳膜,起到了良好的自潤滑作用,能夠減輕對導線的磨耗。據統計,使用純碳滑板的網線壽命至少是50年,它對導線的磨耗僅為0。006mm/萬次,并且對無線電話及無線電視干擾小。因此,歐洲等一些國家如荷蘭從1934年,德國從1935年便開始使用純碳滑板,而目前不論交流或直流供電的電氣化鐵路道在銅導線上都采用了純碳滑板。在日本,私營鐵路全部使用純碳滑板??梢?,純碳滑板不失為一種優良的滑板材料。目前國內廣泛使用的國產純碳滑板的型號、規格及技術性能如表1所示。

                  型號  

                   

                  電阻系數

                  肖氏硬度

                  抗壓強度

                  抗折強度

                     生產廠

                  C21

                  40

                  70

                  110

                  40

                      

                  C22

                  35

                  60

                  70

                  23

                      

                  C23

                  20

                  40

                  50

                  22

                      

                  C21

                  35

                  50

                  60

                  30

                    北京電

                  C212

                  15

                  35

                  30

                  20

                     碳廠

                  C21 

                  35

                  70

                  70

                  35

                      

                  C22

                  30

                  60

                  55

                  30

                      

                  C23

                  20

                  35

                  40

                  20

                       

                  哈碳廠、北京電碳廠和東新電碳廠成產的純碳板基本能夠滿足我國電氣鐵路需求。因此,機械電子工業部在總結我國近年純碳滑板生產狀況的前提下,于1898年2月17日發布了中華人民共和國專業標準《電力機車碳滑板》,并規定的電力機車純碳滑板的型號和規格如表2所示,技術性能如表3所示。

                   

                  表2    純碳滑板的型號與規格   規格mm

                  型號     H(高)   B(寬)   L(長)

                  C21     30—35      36       250—500

                  C22       35        70       500—1000

                  C23       35        70       500—1000

                  C25       56        —       500—750

                  注:根據用戶要求,可生產其他規格制品。

                   

                  表3   國產純碳滑板的技術性能

                  型號      電阻率    肖氏硬度      體積密度       抗折強度    沿長度方向抗壓強度

                  單個價值  平均值                    MPa                             Mpa

                  C21       38         58-100         62           160~180            28   57

                  C22       33         45-90          50           160~180            24   40

                  C23       20         40-70          20           160~180            20   40

                  C25       35         60-100         70           160~180            25   59

                  注:體積密度不作出廠考核項目。

                  盡管純碳滑板具有優良的性能,但在使用的過程也發現了它存在一些缺點和局限性。

                   

                      首先,純碳滑板的機械強度低,通常,抗折強度為30~40Mpa,抗壓強度為60~80Mpa,肖氏硬度為60~80,因此,使用過程中常發生折斷、碎裂。另外由于生產時各種因素的波動,致使滑板性能不均,發生偏磨,特別是在鋼鋁導線及銅、鋼鋁導線混架線區段、純碳滑板磨耗劇增,折斷、碎裂、偏磨也愈發嚴重。按石家莊電力機務段的統計,1982年7月至9月,因偏磨、掉塊斷裂造成的故障率為5107%,實際試驗純碳滑板耐磨壽命為1.423萬機車公里。安陽線統計,純碳滑板在鋼鋁導線下單耗為29萬條/萬機務車公里。東新電碳廠曾在馬角壩機務段作過對純碳滑板實運磨耗試驗,發現正常磨耗使用到壽命雖然可達2萬多機車公里,但實際使用中由于碳滑板發生掉塊、碎裂、偏磨等情況,致使有些滑板未到使用限度便被迫拋棄,實際壽命較低。如馬角壩機務段統計,平均壽命約為7000機車公里(即每運營7000公里需要耗費滑板16條)。

                      許多電氣機務段認為,純碳滑板對銅導線磨耗很小,因此,在整個交路為銅導線時,宜采用純碳滑板。然而,在鋼鋁導線和各種其他導線的混架區段,純碳滑板則表現出性能上明顯不足,如抗沖擊性差,壽命短,維修工作量大,容易引起刮弓,以至于滑板托架與滑板間起弧等行車事故。

                   

                  2、    粉末治金滑板 

                  由于純碳滑板難以運用在各種混架導線區段,這就要求有新得滑板彌補不足。在這種情況下1980年鐵科院與北京粉末冶金廠在西安鐵路局的配合下,針對鋼鋁導線研制了鐵基,銅基粉末冶金滑板,著重改善和提高滑板自生的耐磨耗性和延長自身的壽命,該廠1985年引進日本的粉末冶金滑板制造技術,1987年8月通過了合同產品的最終考核驗收,11月通過了國家級驗收,在開展引進工作的同時,1985年在大秦鐵路配套設備中中標。

                  據有關資料介紹,粉末冶金滑板在鋼鋁導線區段使用壽命為2.5~3萬機車公里。此外,粉末冶金滑板的機械強度高、韌性好,抗沖擊性好,使用中斷裂、掉塊、偏磨現象很少,并且還具有電阻小,有利于受流以及維護安裝工作量小等優點?;谶@些原因,粉末冶金滑板較廣泛地使用在許多鋼鋁導線區段。1988年6月12日,由北京粉末冶金廠起草,機械電子工業部發布了《電力機車受電弓用粉末冶金滑板》標準。并于1989年1月1日實施,其物理性能及滑板自身磨耗見表4所示。

                   

                    表4     電力機車受電弓用粉末冶金滑板物理機械性能

                  硬度    HB     抗拉強度  沖擊韌性  電阻率  滑板自身磨耗比

                  項目    鐵基     銅基     N/mm      鐵基   銅基    鐵基  銅基

                  標準值  70-135   35-90   小于120  〉249  〉98 〈40 〈65 〈55

                   

                       然而,由于我國幅員遼闊,氣候條件和自然環境多變,即使適用于北京干燥氣候的鋼鋁接觸線,在多雨潮濕的南方和沿海地區也不適用,另外就滑板和接觸導線這一對摩擦偶件而言,用在鋼鋁導線上能顯示出優良性能的鐵基粉末冶金滑板。而在銅質接觸線上卻產生嚴重導線磨耗。例如,京秦線銅導線區段提供的數據(見表5)分析,磨耗小的地方可使用6~7年,而磨耗大的地方只能使用3年。

                  由此,我國目前較廣泛使用的純碳滑板和粉末冶金滑板盡管各自都具有一些優良性能,但都各自存在著嚴重的缺陷及局限性,都無法單獨滿足我國電氣化鐵路對滑板性能的全面需要。當前,我國接觸網線大都是銅導線、銅、鋼鋁混氣架,并且隨著鐵路電氣化的不斷發展,今后將重點發展銅接觸網。因此,對于既適用于銅導線、有適用于鋼鋁導線或各種混架線區段的新型滑板的研制與推廣就顯得日益重要。

                   

                  表5  京秦先(龍家營正線)TCG—100銅導線運行8個月后的磨耗情況

                  支   柱   號    87(二道)   78(二道)    15(二道)   11(一道)

                  計量高度MM     12.1          11.0           11.0         11.5

                  磨去高度MM     0.24          1.34           1.34         0.24

                  磨去截面積MM   0.7025        10.157         10.1057      5.0471

                  磨耗比MM/萬次  0.7903         10.2846        10.2806     5.1304

                  3、    浸漬金屬碳滑板的研制、性能與應用。

                  由此,哈爾濱電碳廠等單位近年來已進行了浸漬金屬碳滑板的研制工作,并取得了一定進展。先介紹東新電碳廠研制浸漬金屬碳滑板的情況,入校所示:首先,該廠技術研發部門成立了以顧祥熙高級工程師為專題負責人的攻關小組。在弄清國內外滑板的發展情況下,通過搜集的各種技術情報資料進行綜合分析研究對比后,認為:世界上鐵路電氣化較發達的國家,其使用的接觸網導線大多為銅或銅合金導線,廣泛選用硬碳滑板或浸漬板。這些浸漬金屬碳滑板的主要牌號與性能如表6所示。國內外幾種常用浸漬金屬碳滑板的型號與性能。

                  國家   型號   滑板材料    體積密度  肖氏硬度  洛氏硬度  強度Mpa   電阻系數

                  英    MY7D  浸銅鉛合金     2·4       96        ----     抗折113      8

                  法    722     浸青銅        2.5       85        ----        98       18

                        724    浸巴氏合金     2.6       80        ----       105.8     12

                  西德  BH424A  浸銻          2.5      ---        100       -----      8.5

                        BH424D 浸鉛青銅       2.6      ---        115         53.9      8

                        BH424C  浸銅          2.3      ---        110                   8

                  其次,通過對這些國家浸漬金屬碳滑板的性能進行分析研究后發現,浸漬金屬滑板材料具有如下優良性能,它兼有純碳滑板的自潤滑性;能在導線的磨耗小,自身耐磨,壽命長,有粉末冶金滑板足夠高的機械強度和抗沖擊能力。另外,還具有耐弧性高,與導線間接觸電阻小,自身電阻率低,導熱性及散熱性好,能迅速散熱,防止溫升過高,引起受電弓托架變形等有點。然后,在這個基礎上,從1986年開始進行了這種浸漬金屬碳滑板SK2的研制。整個研制過程包括基料的選擇、合金的選擇和浸漬工藝的選擇。

                   

                  (?。㏒K2基料的選擇:浸漬金屬碳滑板是將制得的碳滑板基料經過高溫壓浸漬金屬處理,使得一些金屬填充到材料的氣孔中,從而提高制品的抗折強度、抗壓強度和肖氏硬度,使開口氣孔率及電阻率明顯降低。因此對基料有一定要求。

                  從各種原始材料來看,瀝青焦耐磨,強度高,以它為主制得的基體材料強度高,強度高,開口氣孔率適中。石油焦結構與瀝青焦相近,但強度較低,石墨(天然的與人造的)由三維有序排列的碳原子層構成,石墨內含彼此平行的碳平面層,這種碳平面層彼此間極易滑動。因此石墨是一種優良的固體潤滑劑,但其強度較低。試制結果也表明,瀝青焦基最佳,其次為石油焦基。

                  (2)SK2浸漬合金的選擇:大多數合金對碳的浸潤角都很大(超過90度),必須通過高溫高壓才能使之滲入碳基體。高溫保證了合金的流動性,高壓則使熔融金屬克服阻力侵入基體細小的開口氣孔中。。一旦侵入,即基本連續的金屬網狀結構。因此,浸漬之前,如果能夠對基體抽真空,將有利于提高滑板的滲透率,提高滑板的性能,降低對高溫高壓的要求,降低成本。但是,選擇合適的金屬(合金)作浸漬劑也是非常重要的。英國摩根碳素公司的MY7D是代表世界先進水平的浸漬金屬碳滑板材料,浸漬的合金是銅鉛合金(Cu%70,Pb%30).東新電碳廠的試驗結果證明:銅鉛合金是較好的浸漬金屬。這種金屬的組成為:Cu64-65%\Pb23.5,其余為Sn+Si+Ni等,熔點為700-800度。合金中的銅延展性好、韌性好、強度高、電阻低,對合金性能起著決定作用,鉛起潤滑作用,并能降低合金熔點,其余部分的作用主要是細化合金結晶,提高合金的強度、韌性以及熔融后的流動性。

                  (3)1988年9月15日,成都鐵路局對SK2浸漬金屬碳滑板進行了應用認定,主要技術性能如下:

                  電阻系數:不大于8   體積密度:不大于2.55g/CM

                  肖氏硬度:不大于90  抗折強度:不小于50Mpa

                  導 熱 率:不小于8.4—12.6W/(MK)

                  熱穩定性:200—400度

                  在銅導線區段運行壽命:不小于30000機車公里

                  對GLCA—100銅導線磨耗比(室內試驗):

                  不大于0.008mm/萬弓架次。

                  另外,還認為:1,K2與C21純碳滑板比較,耐沖擊性、耐磨性均有明顯的提高,直流電阻減小了70—80%,導電率、導熱率高,載流及過載能力相應提高,更能適用于重載、繁忙干線電力機車受電弓使用。2,對導線實用性強,不僅適用于單一的銅導線或鋼鋁導線,也適用于兩種線混架區段。3,與粉末冶金滑板相比較,延長導線的使用壽命,橫能增加接觸網運行的安全可靠性。4,滑板使用壽命可達4—10萬公里。

                  經過不斷的研究和改進,現已正式命名為C26(即SK2),并已獲得1997年國家新產品認證。其性能如表8所示。

                   

                  表8    C26(SK2)浸漬金屬碳滑板性能

                  型號    規格      用途   電阻率   肖氏硬度  抗折強度  抗壓強度

                         28x36x200   干               HS       Mpa      Mpa

                  C26    26x36x200   線      12       85        80       300

                  結論:

                       浸金屬碳中,在碳基體內構成致密的網狀結構,增加了滑板強度、韌性、耐沖擊性和耐磨性,降低了電阻,自身單位體積重量比金屬滑板或粉末冶金滑板輕,可增加截面高度,即增加使用壽命。包鐵托結構又增加強度,增加新的骨架,改善原有碳滑板固定方式,滑板裂紋不掉塊。因此,浸金屬滑板是一種較理想有前途的受電弓用滑板。


                  各種電力機車受電弓滑板的型號、性能及其應用

                  根據材質的不同,我們將滑板分為純碳滑板、粉末冶金滑板和浸漬金屬滑板。下面將分別介紹我國各種滑板的生產情況,產品型號、規格、性能及其應用。

                  1、    純碳質滑板

                      目前,純碳質滑板是我國電氣化鐵路上廣泛使用的主要滑板之一,是非金屬中導電較好的材料,當前有哈爾濱電碳廠、北京電碳和自貢東新電碳廠進行生產。純碳滑板工作時磨下來的粉末粘附在接觸導線表面,形成一層很薄的碳膜,起到了良好的自潤滑作用,能夠減輕對導線的磨耗。據統計,使用純碳滑板的網線壽命至少是50年,它對導線的磨耗僅為0。006mm/萬次,并且對無線電話及無線電視干擾小。因此,歐洲等一些國家如荷蘭從1934年,德國從1935年便開始使用純碳滑板,而目前不論交流或直流供電的電氣化鐵路道在銅導線上都采用了純碳滑板。在日本,私營鐵路全部使用純碳滑板??梢?,純碳滑板不失為一種優良的滑板材料。目前國內廣泛使用的國產純碳滑板的型號、規格及技術性能如表1所示。

                  型號  

                   

                  電阻系數

                  肖氏硬度

                  抗壓強度

                  抗折強度

                     生產廠

                  C21

                  40

                  70

                  110

                  40

                      

                  C22

                  35

                  60

                  70

                  23

                      

                  C23

                  20

                  40

                  50

                  22

                      

                  C21

                  35

                  50

                  60

                  30

                    北京電

                  C212

                  15

                  35

                  30

                  20

                     碳廠

                  C21 

                  35

                  70

                  70

                  35

                      

                  C22

                  30

                  60

                  55

                  30

                      

                  C23

                  20

                  35

                  40

                  20

                       

                  哈碳廠、北京電碳廠和東新電碳廠成產的純碳板基本能夠滿足我國電氣鐵路需求。因此,機械電子工業部在總結我國近年純碳滑板生產狀況的前提下,于1898年2月17日發布了中華人民共和國專業標準《電力機車碳滑板》,并規定的電力機車純碳滑板的型號和規格如表2所示,技術性能如表3所示。

                   

                  表2    純碳滑板的型號與規格   規格mm

                  型號     H(高)   B(寬)   L(長)

                  C21     30—35      36       250—500

                  C22       35        70       500—1000

                  C23       35        70       500—1000

                  C25       56        —       500—750

                  注:根據用戶要求,可生產其他規格制品。

                   

                  表3   國產純碳滑板的技術性能

                  型號      電阻率    肖氏硬度      體積密度       抗折強度    沿長度方向抗壓強度

                  單個價值  平均值                    MPa                             Mpa

                  C21       38         58-100         62           160~180            28   57

                  C22       33         45-90          50           160~180            24   40

                  C23       20         40-70          20           160~180            20   40

                  C25       35         60-100         70           160~180            25   59

                  注:體積密度不作出廠考核項目。

                  盡管純碳滑板具有優良的性能,但在使用的過程也發現了它存在一些缺點和局限性。

                   

                      首先,純碳滑板的機械強度低,通常,抗折強度為30~40Mpa,抗壓強度為60~80Mpa,肖氏硬度為60~80,因此,使用過程中常發生折斷、碎裂。另外由于生產時各種因素的波動,致使滑板性能不均,發生偏磨,特別是在鋼鋁導線及銅、鋼鋁導線混架線區段、純碳滑板磨耗劇增,折斷、碎裂、偏磨也愈發嚴重。按石家莊電力機務段的統計,1982年7月至9月,因偏磨、掉塊斷裂造成的故障率為5107%,實際試驗純碳滑板耐磨壽命為1.423萬機車公里。安陽線統計,純碳滑板在鋼鋁導線下單耗為29萬條/萬機務車公里。東新電碳廠曾在馬角壩機務段作過對純碳滑板實運磨耗試驗,發現正常磨耗使用到壽命雖然可達2萬多機車公里,但實際使用中由于碳滑板發生掉塊、碎裂、偏磨等情況,致使有些滑板未到使用限度便被迫拋棄,實際壽命較低。如馬角壩機務段統計,平均壽命約為7000機車公里(即每運營7000公里需要耗費滑板16條)。

                      許多電氣機務段認為,純碳滑板對銅導線磨耗很小,因此,在整個交路為銅導線時,宜采用純碳滑板。然而,在鋼鋁導線和各種其他導線的混架區段,純碳滑板則表現出性能上明顯不足,如抗沖擊性差,壽命短,維修工作量大,容易引起刮弓,以至于滑板托架與滑板間起弧等行車事故。

                   

                  2、    粉末治金滑板 

                  由于純碳滑板難以運用在各種混架導線區段,這就要求有新得滑板彌補不足。在這種情況下1980年鐵科院與北京粉末冶金廠在西安鐵路局的配合下,針對鋼鋁導線研制了鐵基,銅基粉末冶金滑板,著重改善和提高滑板自生的耐磨耗性和延長自身的壽命,該廠1985年引進日本的粉末冶金滑板制造技術,1987年8月通過了合同產品的最終考核驗收,11月通過了國家級驗收,在開展引進工作的同時,1985年在大秦鐵路配套設備中中標。

                  據有關資料介紹,粉末冶金滑板在鋼鋁導線區段使用壽命為2.5~3萬機車公里。此外,粉末冶金滑板的機械強度高、韌性好,抗沖擊性好,使用中斷裂、掉塊、偏磨現象很少,并且還具有電阻小,有利于受流以及維護安裝工作量小等優點?;谶@些原因,粉末冶金滑板較廣泛地使用在許多鋼鋁導線區段。1988年6月12日,由北京粉末冶金廠起草,機械電子工業部發布了《電力機車受電弓用粉末冶金滑板》標準。并于1989年1月1日實施,其物理性能及滑板自身磨耗見表4所示。

                   

                    表4     電力機車受電弓用粉末冶金滑板物理機械性能

                  硬度    HB     抗拉強度  沖擊韌性  電阻率  滑板自身磨耗比

                  項目    鐵基     銅基     N/mm      鐵基   銅基    鐵基  銅基

                  標準值  70-135   35-90   小于120  〉249  〉98 〈40 〈65 〈55

                   

                       然而,由于我國幅員遼闊,氣候條件和自然環境多變,即使適用于北京干燥氣候的鋼鋁接觸線,在多雨潮濕的南方和沿海地區也不適用,另外就滑板和接觸導線這一對摩擦偶件而言,用在鋼鋁導線上能顯示出優良性能的鐵基粉末冶金滑板。而在銅質接觸線上卻產生嚴重導線磨耗。例如,京秦線銅導線區段提供的數據(見表5)分析,磨耗小的地方可使用6~7年,而磨耗大的地方只能使用3年。

                  由此,我國目前較廣泛使用的純碳滑板和粉末冶金滑板盡管各自都具有一些優良性能,但都各自存在著嚴重的缺陷及局限性,都無法單獨滿足我國電氣化鐵路對滑板性能的全面需要。當前,我國接觸網線大都是銅導線、銅、鋼鋁混氣架,并且隨著鐵路電氣化的不斷發展,今后將重點發展銅接觸網。因此,對于既適用于銅導線、有適用于鋼鋁導線或各種混架線區段的新型滑板的研制與推廣就顯得日益重要。

                   

                  表5  京秦先(龍家營正線)TCG—100銅導線運行8個月后的磨耗情況

                  支   柱   號    87(二道)   78(二道)    15(二道)   11(一道)

                  計量高度MM     12.1          11.0           11.0         11.5

                  磨去高度MM     0.24          1.34           1.34         0.24

                  磨去截面積MM   0.7025        10.157         10.1057      5.0471

                  磨耗比MM/萬次  0.7903         10.2846        10.2806     5.1304

                  3、    浸漬金屬碳滑板的研制、性能與應用。

                  由此,哈爾濱電碳廠等單位近年來已進行了浸漬金屬碳滑板的研制工作,并取得了一定進展。先介紹東新電碳廠研制浸漬金屬碳滑板的情況,入校所示:首先,該廠技術研發部門成立了以顧祥熙高級工程師為專題負責人的攻關小組。在弄清國內外滑板的發展情況下,通過搜集的各種技術情報資料進行綜合分析研究對比后,認為:世界上鐵路電氣化較發達的國家,其使用的接觸網導線大多為銅或銅合金導線,廣泛選用硬碳滑板或浸漬板。這些浸漬金屬碳滑板的主要牌號與性能如表6所示。國內外幾種常用浸漬金屬碳滑板的型號與性能。

                  國家   型號   滑板材料    體積密度  肖氏硬度  洛氏硬度  強度Mpa   電阻系數

                  英    MY7D  浸銅鉛合金     2·4       96        ----     抗折113      8

                  法    722     浸青銅        2.5       85        ----        98       18

                        724    浸巴氏合金     2.6       80        ----       105.8     12

                  西德  BH424A  浸銻          2.5      ---        100       -----      8.5

                        BH424D 浸鉛青銅       2.6      ---        115         53.9      8

                        BH424C  浸銅          2.3      ---        110                   8

                  其次,通過對這些國家浸漬金屬碳滑板的性能進行分析研究后發現,浸漬金屬滑板材料具有如下優良性能,它兼有純碳滑板的自潤滑性;能在導線的磨耗小,自身耐磨,壽命長,有粉末冶金滑板足夠高的機械強度和抗沖擊能力。另外,還具有耐弧性高,與導線間接觸電阻小,自身電阻率低,導熱性及散熱性好,能迅速散熱,防止溫升過高,引起受電弓托架變形等有點。然后,在這個基礎上,從1986年開始進行了這種浸漬金屬碳滑板SK2的研制。整個研制過程包括基料的選擇、合金的選擇和浸漬工藝的選擇。

                   

                  (?。㏒K2基料的選擇:浸漬金屬碳滑板是將制得的碳滑板基料經過高溫壓浸漬金屬處理,使得一些金屬填充到材料的氣孔中,從而提高制品的抗折強度、抗壓強度和肖氏硬度,使開口氣孔率及電阻率明顯降低。因此對基料有一定要求。

                  從各種原始材料來看,瀝青焦耐磨,強度高,以它為主制得的基體材料強度高,強度高,開口氣孔率適中。石油焦結構與瀝青焦相近,但強度較低,石墨(天然的與人造的)由三維有序排列的碳原子層構成,石墨內含彼此平行的碳平面層,這種碳平面層彼此間極易滑動。因此石墨是一種優良的固體潤滑劑,但其強度較低。試制結果也表明,瀝青焦基最佳,其次為石油焦基。

                  (2)SK2浸漬合金的選擇:大多數合金對碳的浸潤角都很大(超過90度),必須通過高溫高壓才能使之滲入碳基體。高溫保證了合金的流動性,高壓則使熔融金屬克服阻力侵入基體細小的開口氣孔中。。一旦侵入,即基本連續的金屬網狀結構。因此,浸漬之前,如果能夠對基體抽真空,將有利于提高滑板的滲透率,提高滑板的性能,降低對高溫高壓的要求,降低成本。但是,選擇合適的金屬(合金)作浸漬劑也是非常重要的。英國摩根碳素公司的MY7D是代表世界先進水平的浸漬金屬碳滑板材料,浸漬的合金是銅鉛合金(Cu%70,Pb%30).東新電碳廠的試驗結果證明:銅鉛合金是較好的浸漬金屬。這種金屬的組成為:Cu64-65%\Pb23.5,其余為Sn+Si+Ni等,熔點為700-800度。合金中的銅延展性好、韌性好、強度高、電阻低,對合金性能起著決定作用,鉛起潤滑作用,并能降低合金熔點,其余部分的作用主要是細化合金結晶,提高合金的強度、韌性以及熔融后的流動性。

                  (3)1988年9月15日,成都鐵路局對SK2浸漬金屬碳滑板進行了應用認定,主要技術性能如下:

                  電阻系數:不大于8   體積密度:不大于2.55g/CM

                  肖氏硬度:不大于90  抗折強度:不小于50Mpa

                  導 熱 率:不小于8.4—12.6W/(MK)

                  熱穩定性:200—400度

                  在銅導線區段運行壽命:不小于30000機車公里

                  對GLCA—100銅導線磨耗比(室內試驗):

                  不大于0.008mm/萬弓架次。

                  另外,還認為:1,K2與C21純碳滑板比較,耐沖擊性、耐磨性均有明顯的提高,直流電阻減小了70—80%,導電率、導熱率高,載流及過載能力相應提高,更能適用于重載、繁忙干線電力機車受電弓使用。2,對導線實用性強,不僅適用于單一的銅導線或鋼鋁導線,也適用于兩種線混架區段。3,與粉末冶金滑板相比較,延長導線的使用壽命,橫能增加接觸網運行的安全可靠性。4,滑板使用壽命可達4—10萬公里。

                  經過不斷的研究和改進,現已正式命名為C26(即SK2),并已獲得1997年國家新產品認證。其性能如表8所示。

                   

                  表8    C26(SK2)浸漬金屬碳滑板性能

                  型號    規格      用途   電阻率   肖氏硬度  抗折強度  抗壓強度

                         28x36x200   干               HS       Mpa      Mpa

                  C26    26x36x200   線      12       85        80       300

                  結論:

                       浸金屬碳中,在碳基體內構成致密的網狀結構,增加了滑板強度、韌性、耐沖擊性和耐磨性,降低了電阻,自身單位體積重量比金屬滑板或粉末冶金滑板輕,可增加截面高度,即增加使用壽命。包鐵托結構又增加強度,增加新的骨架,改善原有碳滑板固定方式,滑板裂紋不掉塊。因此,浸金屬滑板是一種較理想有前途的受電弓用滑板。


                  各種電力機車受電弓滑板的型號、性能及其應用

                  根據材質的不同,我們將滑板分為純碳滑板、粉末冶金滑板和浸漬金屬滑板。下面將分別介紹我國各種滑板的生產情況,產品型號、規格、性能及其應用。

                  1、    純碳質滑板

                      目前,純碳質滑板是我國電氣化鐵路上廣泛使用的主要滑板之一,是非金屬中導電較好的材料,當前有哈爾濱電碳廠、北京電碳和自貢東新電碳廠進行生產。純碳滑板工作時磨下來的粉末粘附在接觸導線表面,形成一層很薄的碳膜,起到了良好的自潤滑作用,能夠減輕對導線的磨耗。據統計,使用純碳滑板的網線壽命至少是50年,它對導線的磨耗僅為0。006mm/萬次,并且對無線電話及無線電視干擾小。因此,歐洲等一些國家如荷蘭從1934年,德國從1935年便開始使用純碳滑板,而目前不論交流或直流供電的電氣化鐵路道在銅導線上都采用了純碳滑板。在日本,私營鐵路全部使用純碳滑板??梢?,純碳滑板不失為一種優良的滑板材料。目前國內廣泛使用的國產純碳滑板的型號、規格及技術性能如表1所示。

                  型號  

                   

                  電阻系數

                  肖氏硬度

                  抗壓強度

                  抗折強度

                     生產廠

                  C21

                  40

                  70

                  110

                  40

                      

                  C22

                  35

                  60

                  70

                  23

                      

                  C23

                  20

                  40

                  50

                  22

                      

                  C21

                  35

                  50

                  60

                  30

                    北京電

                  C212

                  15

                  35

                  30

                  20

                     碳廠

                  C21 

                  35

                  70

                  70

                  35

                      

                  C22

                  30

                  60

                  55

                  30

                      

                  C23

                  20

                  35

                  40

                  20

                       

                  哈碳廠、北京電碳廠和東新電碳廠成產的純碳板基本能夠滿足我國電氣鐵路需求。因此,機械電子工業部在總結我國近年純碳滑板生產狀況的前提下,于1898年2月17日發布了中華人民共和國專業標準《電力機車碳滑板》,并規定的電力機車純碳滑板的型號和規格如表2所示,技術性能如表3所示。

                   

                  表2    純碳滑板的型號與規格   規格mm

                  型號     H(高)   B(寬)   L(長)

                  C21     30—35      36       250—500

                  C22       35        70       500—1000

                  C23       35        70       500—1000

                  C25       56        —       500—750

                  注:根據用戶要求,可生產其他規格制品。

                   

                  表3   國產純碳滑板的技術性能

                  型號      電阻率    肖氏硬度      體積密度       抗折強度    沿長度方向抗壓強度

                  單個價值  平均值                    MPa                             Mpa

                  C21       38         58-100         62           160~180            28   57

                  C22       33         45-90          50           160~180            24   40

                  C23       20         40-70          20           160~180            20   40

                  C25       35         60-100         70           160~180            25   59

                  注:體積密度不作出廠考核項目。

                  盡管純碳滑板具有優良的性能,但在使用的過程也發現了它存在一些缺點和局限性。

                   

                      首先,純碳滑板的機械強度低,通常,抗折強度為30~40Mpa,抗壓強度為60~80Mpa,肖氏硬度為60~80,因此,使用過程中常發生折斷、碎裂。另外由于生產時各種因素的波動,致使滑板性能不均,發生偏磨,特別是在鋼鋁導線及銅、鋼鋁導線混架線區段、純碳滑板磨耗劇增,折斷、碎裂、偏磨也愈發嚴重。按石家莊電力機務段的統計,1982年7月至9月,因偏磨、掉塊斷裂造成的故障率為5107%,實際試驗純碳滑板耐磨壽命為1.423萬機車公里。安陽線統計,純碳滑板在鋼鋁導線下單耗為29萬條/萬機務車公里。東新電碳廠曾在馬角壩機務段作過對純碳滑板實運磨耗試驗,發現正常磨耗使用到壽命雖然可達2萬多機車公里,但實際使用中由于碳滑板發生掉塊、碎裂、偏磨等情況,致使有些滑板未到使用限度便被迫拋棄,實際壽命較低。如馬角壩機務段統計,平均壽命約為7000機車公里(即每運營7000公里需要耗費滑板16條)。

                      許多電氣機務段認為,純碳滑板對銅導線磨耗很小,因此,在整個交路為銅導線時,宜采用純碳滑板。然而,在鋼鋁導線和各種其他導線的混架區段,純碳滑板則表現出性能上明顯不足,如抗沖擊性差,壽命短,維修工作量大,容易引起刮弓,以至于滑板托架與滑板間起弧等行車事故。

                   

                  2、    粉末治金滑板 

                  由于純碳滑板難以運用在各種混架導線區段,這就要求有新得滑板彌補不足。在這種情況下1980年鐵科院與北京粉末冶金廠在西安鐵路局的配合下,針對鋼鋁導線研制了鐵基,銅基粉末冶金滑板,著重改善和提高滑板自生的耐磨耗性和延長自身的壽命,該廠1985年引進日本的粉末冶金滑板制造技術,1987年8月通過了合同產品的最終考核驗收,11月通過了國家級驗收,在開展引進工作的同時,1985年在大秦鐵路配套設備中中標。

                  據有關資料介紹,粉末冶金滑板在鋼鋁導線區段使用壽命為2.5~3萬機車公里。此外,粉末冶金滑板的機械強度高、韌性好,抗沖擊性好,使用中斷裂、掉塊、偏磨現象很少,并且還具有電阻小,有利于受流以及維護安裝工作量小等優點?;谶@些原因,粉末冶金滑板較廣泛地使用在許多鋼鋁導線區段。1988年6月12日,由北京粉末冶金廠起草,機械電子工業部發布了《電力機車受電弓用粉末冶金滑板》標準。并于1989年1月1日實施,其物理性能及滑板自身磨耗見表4所示。

                   

                    表4     電力機車受電弓用粉末冶金滑板物理機械性能

                  硬度    HB     抗拉強度  沖擊韌性  電阻率  滑板自身磨耗比

                  項目    鐵基     銅基     N/mm      鐵基   銅基    鐵基  銅基

                  標準值  70-135   35-90   小于120  〉249  〉98 〈40 〈65 〈55

                   

                       然而,由于我國幅員遼闊,氣候條件和自然環境多變,即使適用于北京干燥氣候的鋼鋁接觸線,在多雨潮濕的南方和沿海地區也不適用,另外就滑板和接觸導線這一對摩擦偶件而言,用在鋼鋁導線上能顯示出優良性能的鐵基粉末冶金滑板。而在銅質接觸線上卻產生嚴重導線磨耗。例如,京秦線銅導線區段提供的數據(見表5)分析,磨耗小的地方可使用6~7年,而磨耗大的地方只能使用3年。

                  由此,我國目前較廣泛使用的純碳滑板和粉末冶金滑板盡管各自都具有一些優良性能,但都各自存在著嚴重的缺陷及局限性,都無法單獨滿足我國電氣化鐵路對滑板性能的全面需要。當前,我國接觸網線大都是銅導線、銅、鋼鋁混氣架,并且隨著鐵路電氣化的不斷發展,今后將重點發展銅接觸網。因此,對于既適用于銅導線、有適用于鋼鋁導線或各種混架線區段的新型滑板的研制與推廣就顯得日益重要。

                   

                  表5  京秦先(龍家營正線)TCG—100銅導線運行8個月后的磨耗情況

                  支   柱   號    87(二道)   78(二道)    15(二道)   11(一道)

                  計量高度MM     12.1          11.0           11.0         11.5

                  磨去高度MM     0.24          1.34           1.34         0.24

                  磨去截面積MM   0.7025        10.157         10.1057      5.0471

                  磨耗比MM/萬次  0.7903         10.2846        10.2806     5.1304

                  3、    浸漬金屬碳滑板的研制、性能與應用。

                  由此,哈爾濱電碳廠等單位近年來已進行了浸漬金屬碳滑板的研制工作,并取得了一定進展。先介紹東新電碳廠研制浸漬金屬碳滑板的情況,入校所示:首先,該廠技術研發部門成立了以顧祥熙高級工程師為專題負責人的攻關小組。在弄清國內外滑板的發展情況下,通過搜集的各種技術情報資料進行綜合分析研究對比后,認為:世界上鐵路電氣化較發達的國家,其使用的接觸網導線大多為銅或銅合金導線,廣泛選用硬碳滑板或浸漬板。這些浸漬金屬碳滑板的主要牌號與性能如表6所示。國內外幾種常用浸漬金屬碳滑板的型號與性能。

                  國家   型號   滑板材料    體積密度  肖氏硬度  洛氏硬度  強度Mpa   電阻系數

                  英    MY7D  浸銅鉛合金     2·4       96        ----     抗折113      8

                  法    722     浸青銅        2.5       85        ----        98       18

                        724    浸巴氏合金     2.6       80        ----       105.8     12

                  西德  BH424A  浸銻          2.5      ---        100       -----      8.5

                        BH424D 浸鉛青銅       2.6      ---        115         53.9      8

                        BH424C  浸銅          2.3      ---        110                   8

                  其次,通過對這些國家浸漬金屬碳滑板的性能進行分析研究后發現,浸漬金屬滑板材料具有如下優良性能,它兼有純碳滑板的自潤滑性;能在導線的磨耗小,自身耐磨,壽命長,有粉末冶金滑板足夠高的機械強度和抗沖擊能力。另外,還具有耐弧性高,與導線間接觸電阻小,自身電阻率低,導熱性及散熱性好,能迅速散熱,防止溫升過高,引起受電弓托架變形等有點。然后,在這個基礎上,從1986年開始進行了這種浸漬金屬碳滑板SK2的研制。整個研制過程包括基料的選擇、合金的選擇和浸漬工藝的選擇。

                   

                  (?。㏒K2基料的選擇:浸漬金屬碳滑板是將制得的碳滑板基料經過高溫壓浸漬金屬處理,使得一些金屬填充到材料的氣孔中,從而提高制品的抗折強度、抗壓強度和肖氏硬度,使開口氣孔率及電阻率明顯降低。因此對基料有一定要求。

                  從各種原始材料來看,瀝青焦耐磨,強度高,以它為主制得的基體材料強度高,強度高,開口氣孔率適中。石油焦結構與瀝青焦相近,但強度較低,石墨(天然的與人造的)由三維有序排列的碳原子層構成,石墨內含彼此平行的碳平面層,這種碳平面層彼此間極易滑動。因此石墨是一種優良的固體潤滑劑,但其強度較低。試制結果也表明,瀝青焦基最佳,其次為石油焦基。

                  (2)SK2浸漬合金的選擇:大多數合金對碳的浸潤角都很大(超過90度),必須通過高溫高壓才能使之滲入碳基體。高溫保證了合金的流動性,高壓則使熔融金屬克服阻力侵入基體細小的開口氣孔中。。一旦侵入,即基本連續的金屬網狀結構。因此,浸漬之前,如果能夠對基體抽真空,將有利于提高滑板的滲透率,提高滑板的性能,降低對高溫高壓的要求,降低成本。但是,選擇合適的金屬(合金)作浸漬劑也是非常重要的。英國摩根碳素公司的MY7D是代表世界先進水平的浸漬金屬碳滑板材料,浸漬的合金是銅鉛合金(Cu%70,Pb%30).東新電碳廠的試驗結果證明:銅鉛合金是較好的浸漬金屬。這種金屬的組成為:Cu64-65%\Pb23.5,其余為Sn+Si+Ni等,熔點為700-800度。合金中的銅延展性好、韌性好、強度高、電阻低,對合金性能起著決定作用,鉛起潤滑作用,并能降低合金熔點,其余部分的作用主要是細化合金結晶,提高合金的強度、韌性以及熔融后的流動性。

                  (3)1988年9月15日,成都鐵路局對SK2浸漬金屬碳滑板進行了應用認定,主要技術性能如下:

                  電阻系數:不大于8   體積密度:不大于2.55g/CM

                  肖氏硬度:不大于90  抗折強度:不小于50Mpa

                  導 熱 率:不小于8.4—12.6W/(MK)

                  熱穩定性:200—400度

                  在銅導線區段運行壽命:不小于30000機車公里

                  對GLCA—100銅導線磨耗比(室內試驗):

                  不大于0.008mm/萬弓架次。

                  另外,還認為:1,K2與C21純碳滑板比較,耐沖擊性、耐磨性均有明顯的提高,直流電阻減小了70—80%,導電率、導熱率高,載流及過載能力相應提高,更能適用于重載、繁忙干線電力機車受電弓使用。2,對導線實用性強,不僅適用于單一的銅導線或鋼鋁導線,也適用于兩種線混架區段。3,與粉末冶金滑板相比較,延長導線的使用壽命,橫能增加接觸網運行的安全可靠性。4,滑板使用壽命可達4—10萬公里。

                  經過不斷的研究和改進,現已正式命名為C26(即SK2),并已獲得1997年國家新產品認證。其性能如表8所示。

                   

                  表8    C26(SK2)浸漬金屬碳滑板性能

                  型號    規格      用途   電阻率   肖氏硬度  抗折強度  抗壓強度

                         28x36x200   干               HS       Mpa      Mpa

                  C26    26x36x200   線      12       85        80       300

                  結論:

                       浸金屬碳中,在碳基體內構成致密的網狀結構,增加了滑板強度、韌性、耐沖擊性和耐磨性,降低了電阻,自身單位體積重量比金屬滑板或粉末冶金滑板輕,可增加截面高度,即增加使用壽命。包鐵托結構又增加強度,增加新的骨架,改善原有碳滑板固定方式,滑板裂紋不掉塊。因此,浸金屬滑板是一種較理想有前途的受電弓用滑板。


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