接觸線與滑板材料及其關(guān)系研究

何勁松

0 引言

受電弓的設(shè)計(jì)和特性對(duì)運(yùn)行質(zhì)量具有舉足輕重的作用。如果高速接觸網(wǎng)配置了不適合高速的受電弓，就不會(huì)產(chǎn)生所期望的結(jié)果。相反，也不可能通過(guò)采用適合高速的受電弓將普通接觸網(wǎng)的最高速度提高到更大程度。為實(shí)現(xiàn)對(duì)高速列車(chē)的理想供電質(zhì)量，必須有適合的接觸網(wǎng)和相應(yīng)的高速受電弓的相互配合。

1 與接觸線磨損相關(guān)的基本概念

（1）接觸線磨損面積。

式中，S為接觸線磨損部分面積，mm2；R為接觸線橫截面的園半徑，mm；A為新接觸線厚度，mm；h為接觸線殘留厚度，mm。

（2）接觸線張力調(diào)整。

式中，S0為接觸線橫截面積，mm2；Tmax為新接觸線允許的最大張力，kN；T為接觸線磨損后可承受的最大張力，kN。

（3）接觸線磨耗標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)全錨段接觸線平均磨耗超過(guò)接觸線截面積的 25%時(shí)應(yīng)整錨段更換接觸線；接觸線局部磨耗達(dá)30%時(shí)應(yīng)局部補(bǔ)強(qiáng)；接觸線局部磨耗達(dá) 40%時(shí)應(yīng)將其切除并用接觸線接頭線夾連接，應(yīng)保證接頭處過(guò)渡平滑。

2 受電弓用滑板材料

（1）弓網(wǎng)受流模式對(duì)滑板材料的技術(shù)要求。

a.為防止接觸線與滑板間的接觸電阻過(guò)大，引起發(fā)熱燒損接觸線和滑板，滑板的材料必須具有良好的導(dǎo)電性能。

b.由于接觸線和滑板處于高速滑動(dòng)狀態(tài)，二者間必須具有良好的磨擦性和互潤(rùn)性，以減少維修量、延長(zhǎng)設(shè)備壽命。

c.滑板對(duì)接觸線或接觸線對(duì)滑板二者間不能造成損傷。

d.滑板應(yīng)具有良好的韌性、耐沖擊性好，不會(huì)因沖擊而發(fā)生缺損或破裂，也不會(huì)因工作原因而產(chǎn)生大量粉性物質(zhì)。

e.為減小受電弓的歸算質(zhì)量，提高受電弓的跟隨特性，降低受電弓引起的沖擊和離線率，適合高速運(yùn)行，滑板的質(zhì)量要輕。

f.滑板為易耗品，為節(jié)約經(jīng)費(fèi)，其價(jià)格應(yīng)低。

（2）磨損分為以下幾類：粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、微動(dòng)磨損、沖蝕和氣蝕。磨損形式見(jiàn)表1。對(duì)接觸線而言，最主要磨損有以下2種：

a.粘著磨損。粘著磨損分為輕微磨損和嚴(yán)重磨損。前者為氧化型磨損，沒(méi)有明顯粘著現(xiàn)象，后者為摩擦面出現(xiàn)金屬與金屬的接觸。

影響粘著磨損的因素與摩擦表面的潔凈度有關(guān)。越潔凈越易發(fā)生粘著磨損，其與表面成分和組織有關(guān)；同種金屬易發(fā)生粘著磨損，因此一對(duì)摩擦副應(yīng)當(dāng)選用不同晶體結(jié)構(gòu)的材料。

b.腐蝕磨損。腐蝕磨損現(xiàn)象是在一定的環(huán)境條件下，摩擦表面上便發(fā)生與環(huán)境介質(zhì)的反應(yīng)并形成反應(yīng)產(chǎn)物。這些產(chǎn)物在反復(fù)磨損過(guò)程中被磨去。

影響腐蝕磨損的因素有摩擦材料表面性質(zhì)、環(huán)境組成和溫度。

表1 磨損形式特征表

（3）影響弓網(wǎng)磨耗的主要因素。滑板與接觸線的材質(zhì)及其匹配、列車(chē)運(yùn)行速度與電流、接觸壓力、懸掛類型與接觸線的平滑性、線路（主要是鋼軌）的平順性、環(huán)境條件。

在高速情況下（通常指300 km/h以上），機(jī)械磨耗比低速情況要小好幾倍。在高速情況下，即使發(fā)生 0.001 s的離線，也會(huì)產(chǎn)生 3 000 ℃～6 000℃的高溫，導(dǎo)致滑板熔化、蒸發(fā)和消耗。因此，高速滑板重點(diǎn)需解決電磨耗和壽命問(wèn)題。

（4）滑板應(yīng)用注意事項(xiàng)。同一線路應(yīng)采用同種材質(zhì)的滑板，否則，金屬滑板會(huì)使接觸線粗糙，從而縮短石墨滑板的壽命。

在混用情況下，如遇下雨，其壽命會(huì)更短。這是因?yàn)楦街诮佑|線上的石墨隨雨水流失的緣故。

全部列車(chē)采用石墨滑板，在和接觸線磨合后，雨水的影響不會(huì)像混用時(shí)那樣大。石墨滑板曾采用金屬噴涂法（將細(xì)銅絲屑和粉末等混合）來(lái)降低電阻和提高韌性。

鋁系滑板如用陶瓷強(qiáng)化，在干燥情況下，具有與鐵系滑板相同的耐磨性。因其電阻小、質(zhì)量也小，因而能減小受電弓滑板體的懸掛質(zhì)量，適合高速應(yīng)用。但下雨時(shí)，因產(chǎn)生電弧會(huì)使磨損劇增。

3 受電弓滑板應(yīng)用情況及分析

國(guó)內(nèi)目前一般有以下5類受電弓滑板：金屬滑板、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。

（1）金屬滑板。20世紀(jì)六七十年代電力機(jī)車(chē)均采用鋼或銅滑板。優(yōu)點(diǎn)是機(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)故障的幾率??；缺點(diǎn)是接觸線磨耗大，特別是對(duì)銅接觸線的磨耗嚴(yán)重。該滑板只能在采取潤(rùn)滑措施條件下，在鋼鋁線區(qū)段使用，不得在混架區(qū)段和銅接觸線區(qū)段使用。

（2）碳滑板。優(yōu)點(diǎn)是比較理想的取流元件，對(duì)降低接觸線磨耗，延長(zhǎng)接觸線使用壽命有利；缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度較低，在沖擊力作用下，易出現(xiàn)斷裂、掉塊的現(xiàn)象，引發(fā)弓網(wǎng)故障的幾率較大，同時(shí)還存在滑板的不均勻磨耗現(xiàn)象，如果整形不及時(shí)，會(huì)使受電弓離線率增大，加劇滑板與接觸線的電氣磨損。使用壽命較短，因損傷更換數(shù)量極多，使用范圍受到限制。

目前，國(guó)內(nèi)京津、武廣、鄭西客運(yùn)專線上運(yùn)行的CRH系列動(dòng)車(chē)組的受電弓滑板采用碳滑板，利用碳滑板良好的自潤(rùn)性及耐電弧性，滿足高速弓網(wǎng)的動(dòng)態(tài)需求，延長(zhǎng)接觸網(wǎng)系統(tǒng)的使用壽命。為避免損壞后的受電弓繼續(xù)運(yùn)行，高速列車(chē)的受電弓均安裝了自動(dòng)降弓裝置，一旦滑板嚴(yán)重受損，受電弓可快速降下，避免損壞后的受電弓刮傷接觸網(wǎng)。

（3）鐵基粉末冶金滑板。該類滑板在鋼鋁接觸線區(qū)段得到廣泛應(yīng)用，效果較好。優(yōu)點(diǎn)是滑板機(jī)械強(qiáng)度較好，表面硬度稍高，不易出現(xiàn)斷裂、不均勻磨損等現(xiàn)象，而且自身含有潤(rùn)滑材料，能減輕對(duì)接觸線的磨耗；缺點(diǎn)是表面硬度遠(yuǎn)高于銅線硬度，即使在潤(rùn)滑作用較好的前提下，對(duì)銅接觸線的磨耗也比較大。

（4）銅基粉末冶金滑板。運(yùn)用結(jié)果表明：該類滑板用于銅接觸線區(qū)段，因其機(jī)械強(qiáng)度較好，表面硬度適中，滑板和接觸線的磨損比較合理（在采取潤(rùn)滑措施條件下滑板的磨耗率為 0.9～1.1 mm/萬(wàn)km）。

（5）浸金屬碳滑板。國(guó)外采用的是整體式滑板，國(guó)內(nèi)為組裝式滑板，兩者各有優(yōu)點(diǎn)。一般而言，整體式優(yōu)于組裝式。組裝式盡管可以更換其受損滑板塊，但必須整形后才能使用，同時(shí)電氣連接性能受到損害；整體式除局部損壞嚴(yán)重須報(bào)廢外，局部小損壞可以通過(guò)整形恢復(fù)性能，電氣性能好，但成本較高，制造要求高。

基本解決了碳滑板機(jī)械強(qiáng)度低的問(wèn)題，耐磨性大為提高，能夠達(dá)到3萬(wàn)km左右的運(yùn)用基本要求，同時(shí)能根本解決接觸線磨耗過(guò)快的問(wèn)題。

缺點(diǎn)是抗沖擊能力不足，出現(xiàn)掉塊，運(yùn)用過(guò)程中需進(jìn)行1～2次整形，以保證滑板的表面平滑性，控制受電弓離線率和電氣磨損，價(jià)格過(guò)高，維護(hù)成本高，給機(jī)務(wù)段帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)壓力。

浸金屬碳滑板既具有粉末冶金滑板機(jī)械強(qiáng)度高、電阻率小的特點(diǎn)，又具有純碳滑板對(duì)接觸線磨耗小、在接觸線摩擦表面易形成潤(rùn)滑膜和熄弧性強(qiáng)的優(yōu)良性能，是目前被認(rèn)為對(duì)線適應(yīng)能力較強(qiáng)的滑板類型。

經(jīng)每萬(wàn)弓次統(tǒng)計(jì)，浸金屬碳滑板對(duì)銅接觸線的磨耗比碳滑板的高10%～20%，僅為粉末冶金滑板的1/6～1/4；滑板自身磨耗量是粉末冶金滑板的2.2倍，是純碳滑板的1/4～1/3。該滑板是銅接觸線區(qū)段較為理想的受電弓滑板。

4 結(jié)論

隨著列車(chē)速度的提高，弓網(wǎng)相互作用變得越來(lái)越重要，受電弓和接觸網(wǎng)設(shè)備是2個(gè)獨(dú)立接觸點(diǎn)上相互震蕩和耦合的系統(tǒng)，所以接觸線與滑板材料及其關(guān)系是保證弓網(wǎng)良好受流的基礎(chǔ)。