Глава 14

ИЗНАШИВАНИЕ КОНТАКТНЫХ ПРОВОДОВ,

ТОКОПРОВОДОВ, ПЛАСТИН

ТОКОПРИЕМНИКОВ И ДРУГИХ УЗЛОВ

Контактных сетей

14.1. Виды изнашивания

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 (или) формы тела. Износ является результатом изна­шивания, определяемого в установленных единицах. В соответствии с ГОСТ 23.002—78 различают следующие виды изнашивания (рис. 14.1):

1) механическое — происходит в результате механических воздействий:

2) коррозионно-механическое — механические воздействия, со­провождаемые химическим взаимодействием материала со средой:

3) абразивное — механические воздействия твердых частиц, нахо­дящихся в свободном или закрепленном состоянии режущего или ца­рапающего характера;

4) эрозионное — механические воздействия потока жидкости и (или) газа;

5) гидроэрозионное (газоэрозионное) — эрозионные воздей­ствия потока жидкости(газа);

6) гидроабразивное (абразивное) — эрозионные воздействия по­тока жидкости и абразивных частиц;

7) усталостное — механическое изнашивание в результате уста­лостных разрушений при повторных деформациях микрообъемов материала поверхностного слоя;

8) кавитационное — гидроэрозионное изнашивание при дви­жении твердого тела относительно жидкости, при котором пузырь­ки газа захлопываются вблизи поверхности тела, что создает по­вышение давления или температуры;

9) при заедании — изнашивание в результате схватывания, глубинно­го вырывания материала, переноса его с одной поверхности на другую к воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность;

10) окислительное — коррозионно-механическое изнашивание вследствие химической реакции материала с кислородом или окисляющей окружающей средой;

11) изнашивание при фретинге — механическое изнашивание соприкасающихся тел при малых колебательных и относительных перемещениях;

12) изнашивание при фретинг-коррозии;

13) электроэрозионное — эрозионные воздействия разрядов на поверхность тела при прохождении электрического тока.

Основные виды изнашивания контактных проводов при взаи­модействии с токоприемниками приведены на рис. 14.1 с детали­зацией электроэрозионных процессов.

Рис. 14.1. Основные виды изнашивания контактных проводов при взаимодей­ствии с токоприемниками

14.2 Требования к контактным материалам. Динамический коэффициент использования вставок.

К контактным материалам, используемым при токосъеме на электрическом транспорте, следует отнести комплекс: контактные провода, контактные пластины (вставки) и смазки для проводов и полозов токоприемников. Требования к конструкции контактных проводов были рассмотрены в третьей главе.

Контактные вставки (пластины) токоприемников — изнаши­вающиеся элементы токоприемников, непосредственно прижима­ющиеся к контактным проводам (рельсам) при токосъеме. Кон­тактные вставки разделяют (рис. 14.2): на монолитные самонесу­щие (например, на некоторых токоприемниках трамваев), в том числе неразборные с несущим элементом, и наборные из отдель­ных вставок и пластин. Вставки крепят к коробам и рогам поло­зов токоприемников болтами, планками, проводящим клеем, пай­кой, обжатием.

Вставки могут быть самосмазывающимися или требующими внешней смазки (несамосмазывающимися). Изготавливают их из меди и ее сплавов, алюминиевых сплавов, стали низкоуглеродис­той, графитизированной, порошковых материалов на железной и медной основах, из углеродных (угольных) и металлоуглеродных композиций. От материалов вставок требуется сочетание высоких механических и антифрикционных свойств, низкое удельное и пе­реходное сопротивление, высокая теплопроводность. Наименьшее электросопротивление имеют вставки из металлов, связанных формальальдегидной смолой и обожженых при 1000 С, наибольшую износостойкость — угольные из порошков на базе кокса (А) и гра­фита (Б) и улучшенные (С).

Наиболее приемлемыми вставками являются: угольные электрогра-фитизированные (с добавкой меди), металлокерамические на медной МКм) и железной (МКж) основах с добавлением графита и особенно металлоуглеродные (ВЖЗП). При изготовлении последних формирует­ся графитовый корпус с пористостью 20 %, который пропитывается ме­таллом, обеспечивающим высокую электропроводность (5 Ом-мм ~ /м).

Контактные смазки применяют при скольжении медных пластин по медным проводам, которое часто приводит к схватыванию, т. е. катастро­фическому износу, а также при токосъеме алюминиевыми вставками трамвая по стальной или медной поверхности контактного провода.

Жирно-графитовая смазка (солидол с порошком графита) дает оп­ределенный эффект. Однако при движении по удлиненным тяговым плечам смазка истощается, что приводит к сухому трению и усиленно­му износу контактных проводов.

Рис. 14.2. Классификация вставок (пластин) токоприемников

Сухую графитовую смазку (СГС-О), представляющую собой смесь графита и кумароновой смолы, наносят в горячем состоянии на полоз, заполняя пространство между контактными пластинами, где она застывает. Растворенная на дихлорэтане (СГС-Д), она ис­пользуется для подмазки выкрошившихся участков. При движе­нии по проводу происходит графитация его контактной поверх­ности и уменьшение коэффициента трения, что приводит к умень­шению изнашивания. При вымывании графитации в дождливое время провода подмазывают.

Технические характеристики контактных материалов должны обеспечивать надежный, экономичный и экологичный токосъем в любых реальных условиях эксплуатации. К ним относят: электропро­водность, прочность, коэффициент температурного удлинения, мо­дуль упругости, пластичность, коррозионную стойкость, способность генерирования шума, а также радио- и телепомех. Такими же важны­ми свойствами являются дугостойкость, твердость, коэффициент тре­ния, износостойкость. Для вставок (пластин) токоприемников важны еще их масса и способность нагрева контактных проводов.

Большинство параметров, характеризующих свойства контактных материалов, могут быть получены при испытании каждого из них по отдельности, а некоторых — только вместе, только для конкретных контактных пар, например, коэффициент трения для пар: медь/медь, медь/уголь, медь/металлокерамика, сталь/алюминий. Часть свойств та­ких материалов нельзя определить в линейных условиях и лишь в лабо­ратории можно поставить «чистый» эксперимент, исключив ряд эксплу­атационных факторов, которые однако могут исказить результаты. Од­ной из важнейших задач таких исследований является получение зависи­мости износа материалов от нажатия и величины тока — U-образную кривую, необходимую для анализа коэффициента экономичности.

Стенд (рис. 14.3) для испытаний содержит: контактную вставку, кон­тактный провод с термо­парой, источник постоян­ного тока, нагружающее устройство, приборы, ре­гистрирующие ток и тем­пературу, часы для изме­рения времени, за кото­рое нагревается провод под нагрузкой. Нажатие одной вставки должно быть равно статическому нажатию рам токоприем­ника, поделенному на число вставок полоза.

При проведении испытаний нагрузочный ток постепенно уве­личивают до установившейся температуры вставки. При темпера­туре 200°С фиксируют максимальный длительно допускаемый ток испытуемой вставки. По данным В. Я. Берента, в этом случае рек­ристаллизации медных проводов не будет.

Динамический коэффициент использования контактных материалов токоприемника. Обеспечение скоростей движения до 300—350 км/ч по­требовало введения новых качественных характеристик контакт­ных материалов. Это связано с тем, что для обеспечения надежно­го токосъема при таких скоростях необходим токоприемник с ми­нимальной массой полоза, которая определяется массами контак­тных вставок и каркаса полоза.

Для оценки и снижения массы полоза в ОмГУПСе был предложен новый качественный параметр—динамический коэффициент исполь­зования вставок, представляющий отношение длительного тока, сни­маемого ей при движении, к погонной массе неизношенной вставки. Применение этого коэффициента позволило оценить и по возможно­сти снизить полную массу полоза, однако дальнейшее уменьшение его массы стало возможно только за счет увеличения тока и уменьше­ния массы вставок. Для наиболее тяжелого режима, дающего наимень­ший допустимый ток вставки, необходимо учитывать, что величина тока при движении, по которой следует проводить испытания конк­ретного типа вставки, в семь раз больше силы тока на стоянке и что кроме тока тяговых двигателей надо иметь в виду токи, идущие на собственные нужды и отопление пассажирских вагонов.

Рис. 14.3. Схема стенда для испытания контак­тных вставок: 1 — контактная вставка; 2—кон­тактный провод с термопарой; 3—источник по­стоянного тока; 4 — нагружающее устройство; 5 — прибор, регистрирующий ток; 6—прибор, регистрирующий температуру