從電力機車受電弓滑板標準看滑板材料的發(fā)展現(xiàn)狀

陳飛雄　顏君毅　王鐵軍

摘要：受電弓滑板是電力牽引機車的關鍵零部件和主要消耗件，關系到列車的運行安全與成本。做為鐵路專用產(chǎn)品，受電弓滑板有嚴格的產(chǎn)品技術條件與標準。隨著電氣化鐵路高速化發(fā)展，受電弓滑板經(jīng)歷了不同的發(fā)展階段，本文從我國受電弓滑板標準出發(fā)，系統(tǒng)闡述了受電弓滑板材料的發(fā)展現(xiàn)狀，展望了未來高端受電弓滑板發(fā)展方向。

關鍵詞：受電弓滑板;滑板材料;技術條件與標準

0? 引言

現(xiàn)代軌道交通，包括高鐵動車組、城軌地鐵、普通旅客列車和貨運列車，都是電力牽引的，即通過電力牽引機車上的弓網(wǎng)關系來獲得牽引動力。弓網(wǎng)關系是由架在列車上空的接觸網(wǎng)導線、列車頂上的受電弓及受電弓頂部的受電弓滑板三部分組成。見圖1。

列車運行時，受電弓滑板與接觸網(wǎng)導線形成一個載流的滑動摩擦副，通過滑動載流摩擦，將外部電流由滑板引入機車內，從而實現(xiàn)列車的牽引動力。受電弓滑板除了受到機械磨損外，還要受到頻繁的電弧燒蝕，是列車的關鍵零部件和重要消耗件，關系到列車的運行安全與成本。要求滑板[1]：一是電組率小、導電性好。以提高弓網(wǎng)受流性能，抑制離線電弧產(chǎn)生，減少滑板電弧燒蝕;二是減磨性、耐磨性好。以減少滑板對接觸網(wǎng)導線的磨損，同時保持滑板本身的磨耗壽命;三是強度、韌性適當高。以保證滑板不異常破壞，同時在弓網(wǎng)受到異常沖擊時，能通過滑板損裂而釋放沖擊，實現(xiàn)氣道自動降弓保護（受電弓和接觸網(wǎng)導線）功能;四是密度小、質量輕。以減少滑板對受電弓的重量負載損耗;五是價格適中。以保證滑板的性價比。

隨著列車運行速度的不斷提升和運行負載電流的不斷增加，受電弓滑板材料也在不斷的發(fā)展進步[2][3]。第一代金屬材料滑板已被淘汰，第二代粉末冶金材料滑板也用得越來越少，正面臨淘汰。目前普遍使用的是第三代純碳材料滑板和第四代浸金屬碳材料滑板。第五代MCC多元碳化物材料滑板、碳纖維材料滑板處在開發(fā)試用階段。本文從我國電力機車用受電弓滑板的產(chǎn)品技術條件與標準出發(fā)，系統(tǒng)闡述了受電弓滑板材料的發(fā)展現(xiàn)狀，展望了未來高端受電弓滑板的發(fā)展方向。

1? 電力機車受電弓滑板技術標準

受電弓滑板做為鐵路專用有產(chǎn)品有嚴格的產(chǎn)品技術標準，并遵循嚴格的產(chǎn)品認證規(guī)范。主要包括高鐵動車組、普速電力機車、城軌地鐵用受電弓滑板三方面技術標準，具體包括以下六項：

①原鐵道部TB/T1842.1-2002《電力機車受電弓滑板? 粉末冶金滑板》;

②國家鐵路局TB/T1842.2-2016《受電弓滑板第2部分：碳基復合材料滑板》，包括浸金屬碳材料滑板、碳纖維材料滑板和MCC材料滑板三類;

③國家鐵路局TB/T1842.3-2016《受電弓滑板第3部分：碳滑板》;

④原鐵道部TJ/JW029-2014《交流傳動電機受電弓碳滑板暫行技術條件》;

⑤原鐵道部TJ/JW054-2014《交流傳動電機受電弓浸金屬碳滑板暫行技術條件》;

⑥鐵路總公司TJ/CL 328-2014《動車組碳滑板暫行技術條件》，包括純碳材料滑板、浸金屬碳材料滑板和MCC材料滑板三類。

中鐵檢驗認證中心（CRCC）是實施受電弓滑板產(chǎn)品認證的獨立第三方機構，有《CRCC產(chǎn)品認證實施規(guī)則——鐵路產(chǎn)品認證通用要求》指導文件，并配有受電弓滑板認證實施規(guī)則。見表1。從表1可知，目前我國電力機車用受電弓滑板包括粉末冶金滑板、純碳滑板、浸金屬碳滑板、MCC滑板、碳纖維材料滑板等五種。

2? 電力機車受電弓滑板材料現(xiàn)狀分析

2.1 粉末冶金滑板[4][5]

包括銅基、鐵基二類。分別是以銅、鐵為基體，加上相應的合金化組元，通過混料、壓制、燒結而成。粉末冶金滑板的優(yōu)勢是導電性能好、強度高，但與路網(wǎng)導線親和力較強，在載流條件下磨損較嚴重，同時對導線的磨損大。

TB/T1842.1-2002《粉末冶金滑板》對銅基、鐵基粉末冶金滑板的材料性能規(guī)定如表2。

2.2 純碳滑板[6][7]

以瀝青焦、石油焦、針狀焦等為基體組元，加上導電、耐磨成分，先制成骨料粉末，然后加瀝青做為黏結劑進行混料，經(jīng)模壓、擠壓或等靜壓成型后焙燒成坯料，再對坯料進行瀝青浸漬、焙燒而成。圖2為純碳滑板生產(chǎn)工藝流程。純碳滑板對路網(wǎng)導線磨耗低，可延長導線使用壽命，但機械強度低，易出現(xiàn)斷裂、掉塊，引發(fā)弓網(wǎng)障礙概率大，使用壽命短。

TB/T1842.3-2016《碳滑板》、TJ/JW029-2014《交流傳動電機受電弓碳滑板暫行技術條件》、TJ/CL 328-2014《動車組碳滑板暫行技術條件》對純碳滑板的材料性能規(guī)定如表3。

2.3 浸金屬碳滑板[8][9]

采用類似純碳滑板的工藝先制得多孔碳坯料，然后通過壓力浸滲將銅或銅合金浸入碳坯中，制得銅在碳坯中呈網(wǎng)狀分布的浸金屬碳材料。圖3為浸金屬碳滑板生產(chǎn)工藝流程。浸金屬碳滑板兼有純碳滑板潤滑性能好與銅系合金燒結滑板強度高、導電性好的優(yōu)點，基本解決了純碳滑板機械強度低的問題，耐磨性能大為提高，能根本解決導線磨耗過快的問題。但抗沖擊力不足，容易出現(xiàn)掉塊，使用過程中需要整形，維護成本較高。

TJ/CL 328-2014《動車組碳滑板暫行技術條件》、TJ/JW054-2014《交流傳動電機受電弓浸金屬碳滑板暫行技術條件》、TB/T1842.2-2016《碳基復合材料滑板》對浸金屬碳滑板的材料性能規(guī)定如表4。

2.4 MCC滑板[10][11]

MCC滑板是基于三元層狀MAX相陶瓷的一種多元碳化物基復合材料滑板。MAX相陶瓷以Ti3SiC2、Ti3AlC2為代表，導電率比石墨高一個數(shù)量級，強度、韌性、硬度等力學性能指標比石墨好得多，更重要的是 MAX 相陶瓷在1300℃時還具有很好的抗氧化能力、遠高于石墨，且摩擦系數(shù)也低。因此， MAX 相陶瓷對于銅來說是一種很好的彌散強化和摩擦潤滑相。

圖4為MCC滑板生產(chǎn)工藝流程。先以Ti、Si、C粉為原料，經(jīng)混合、壓制、燒結、破碎制得Ti3SiC2粉末，然后以Ti3SiC2粉末與Cu粉為原料，摻入粘結劑，經(jīng)混合，壓制，燒結而成由Ti3SiC2與Cu相結合的多元碳化物基MCC滑板材料。MCC滑板具有導電率高、耐沖擊、耐磨耗、耐電弧燒蝕、對接觸網(wǎng)線磨耗小等顯著特點，能有效地解決國內外目前使用的碳基滑板以及粉末冶金滑板磨耗快、易破損、對接觸網(wǎng)線損傷大等問題。但MCC滑板保持的陶瓷材料的本質使其性能穩(wěn)定性有待提高，另外是材料密度要比碳滑板高，增加了受電弓的載荷損耗。

TJ/CL 328-2014《動車組碳滑板暫行技術條件》、TB/T1842.2-2016《碳基復合材料滑板》對MCC滑板的材料性能規(guī)定如表5。

2.5 碳纖維材料滑板[12]～[17]

為解決純碳滑板材料、浸金屬碳滑板材料存在的不足，碳纖維增強復合材料滑板獲得開發(fā)，以降低電阻率、提高強韌性、增強耐磨性。碳纖維增強復合材料，一部分以鍍銅石墨為導電基料或者改性組分，分別以短切碳纖維、連續(xù)長碳纖維和鍍銅碳纖維作為增強材料來改善既有碳/銅材料性能，即：通過碳表面鍍銅來增強碳與銅的結合;通過加入碳纖維來提高強度和韌性。另一部分則以連續(xù)碳纖維預制體制成坯料，如，三維針刺體或編織體及二維層間疊壓體坯料，通過化學氣相沉積（CVI）、樹脂或瀝青浸漬碳化等方式將基體碳引入到坯料中進行增密增強，獲得C/C復合材料坯體，對坯體再進一步進行浸銅或銅合金獲得C/C-Cu復合材料滑板。

圖5是專利CN105150857A“一種受電弓滑板用C/C-Cu復合材料及制備方法”提出的碳纖維增強復合材料滑板制備工藝，先將預浸炭布與銅網(wǎng)逐層依次疊置熱壓成型，獲得低密度C/C-Cu坯體，然后在樹脂中對坯體進行多道次浸漬、碳化后而制得C/C-Cu復合材料滑板。

碳纖維增強復合材料滑板既有高的強韌性、耐磨性，又有較低電阻率和良好導電性，但其工藝周期長，原料成本也高，影響了實用化。而且，層間疊壓增強方式會因層間剪切強度不夠而影響到滑板使用。針刺體或編織體增強方式又會因強韌性太高，造成滑板在異常大沖擊情況下不斷裂，影響了受電弓自動降弓功能的可靠性。

TB/T1842.2-2016《碳基復合材料滑板》對碳纖維材料滑板的材料性能規(guī)定如表6。

3? 電力機車受電弓滑板應用現(xiàn)狀及展望

目前，軌道交通電力牽引機車主要使用純碳材料滑板和浸金屬碳材料滑板，其中以浸金屬碳材料滑板居多。國內生產(chǎn)純碳滑板、浸金屬碳滑板的企業(yè)通常都是電碳產(chǎn)品企業(yè)，有碳、石墨、碳/銅（C/Cu）材料的研發(fā)生產(chǎn)基礎，后來大都轉向生產(chǎn)軌道交通電力機車用受電弓滑板。但國產(chǎn)純碳滑板、浸金屬碳滑板目前只能用在120km/h和160km/h普速列車上，250km/h和350km/h高鐵動車組列車和城軌地鐵列車受電弓上用的基本為進口的碳滑板和浸金屬碳材料滑板，如：德國霍夫曼和攀帥克滑板、英國摩根滑板、法國美爾森滑板等。表7為國產(chǎn)受電弓滑板與進口受電弓滑板的材料性能對比。

可見，國內哈爾濱電碳廠的純碳滑板、浸金屬碳滑板的材料性能已接近進口純碳滑板、浸金屬碳滑板。但實際使用中滑板的磨耗率及壽命穩(wěn)定性還有待提高。國內MCC滑板、碳纖物材料滑板的導電性、強度和沖擊韌性都表現(xiàn)不錯，未來很有發(fā)展?jié)摿?。國內MCC滑板和碳纖維材料滑板正處于開發(fā)試用階段，都具有自主知識產(chǎn)權，有望替代進口滑板用到高鐵動車組和城軌地鐵上。國內應充分發(fā)揮產(chǎn)、學、研、用協(xié)同創(chuàng)新資源，利用高鐵和城鐵的快速發(fā)展平臺，借助國家對高端受電弓滑板國產(chǎn)化的實際需求機會，加快MCC滑板和碳纖維材料滑板的開發(fā)，推進產(chǎn)業(yè)化應用，培育高性能受電弓滑板品牌，實現(xiàn)高端受電弓滑板的自主化生產(chǎn)供應，從根本上解決高鐵動車組列車和城軌地鐵用受電弓滑板的“卡脖子”問題。

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