新型电力机车受电弓滑板的研制.pdf

第5 7 卷第4 期 2005 年1i 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V o l5 7 ．N o4 N o v e m b e r2005 新型电力机车受电弓滑板的研制 杨连威1 ，姚广春1 ，陆 阳2 1 ．东北大学材料与冶金学院，沈阳1 1 0 0 0 4 ；2 ．北京空中信通信息技术有限公司，北京1 0 0 0 4 4 摘要在分析当前电力机车受电弓滑板的使用状况及其存在的各种问题的基础上，用粉末冶金法研制新型受电弓蒋板以 满足我国电力机车发展的器要。新型精板由铜、碳纤维和石墨等构成，成形压力为2 0 0 M P a ，烧结温度为8 8 0 ℃。它不仅I U 阻率很 低 02 0 加m 。而且摩攘、磨损及冲击韧性等性能都远远优于当前正在使用的电力机车受电弓滑板，与当前正在使用的碳滑板相 比，摩擦系数降低5 45 ％，磨损量减少4 1 ％。冲击韧性提高96 倍，导电性增强8 7 倍。 关键词复合材料；受电弓滑板；粉末冶金；碳纤维；摩擦；磨损；冲击韧性 中国分类号U 2 2 5 ．4 ；T F l 2 4 ；T G l 4 61 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 5 0 4 0 0 0 9 0 4 铁路的电力机车化程度是衡量一个国家交通发 展水平的重要标志，铁路的电气化和高速化己成为 世界铁路运输发展的趋势，随着国民经济的发展和 交通运输市场竞争的加剧，提高电力机车运行速度 己成为一个亟待解决的重要课题⋯，而受电弓滑板 是电力机车的灵魂部件【2J ，它安装在受电弓的虽上 部，直接与接触网导线接触，是电力机车获得动力来 源的重要滑动集电元件，通过受电弓滑板与输电网 线的接触，将输电网上的电流引导下来，传输给机车 供电系统，来维持电力机车正常运行L 3J 。高速运行 的电力机车上的滑板一旦失效，将严重危及行车安 全，因此滑板质量的优劣对机车有非常重要的影响， 以致要求它的使用必须经济安全，既对接触网导线 磨耗小，自身有足够的使用寿命，又不影响弓网关 系E 4 - 6 ] 。因此好的受电弓滑板需具备如下特性 1 足够的机械强度； 2 小的电阻率和接触电阻； 3 良好的减磨性和白润滑性能； 4 一定的耐磨性； 5 良好的耐热、耐电弧性能； 6 较好的耐候性。受 电弓滑板主要有粉末冶金滑板、纯碳滑板和浸金属 碳滑板三大类”j 。 粉末冶金滑板分为铁基和铜基两类。铁基滑板 适用于钢铝导线，铜基滑板适用于铜导线。粉末冶 金滑板机械强度高，抗冲击性好，有较好的导电性、 耐电弧性以及较低的固有电阻，耐热性高，热传导性 良好，耐磨性和减磨性好，有一定的自润滑性能，电 腐蚀性较小，使用寿命较长，一般为3 ．5 ～7 ．0 万 收稿日期2 0 0 40 71 9 作者简介杨连威 1 9 7 3 ，男，沈阳市人，博士生，主要从事新型 材料及其制备技术等方卣的研究。 k m 。由于粉末冶金滑板材料是金属体，和导线材质 差不多，所以粉末冶金滑板对导线磨耗较大，加之其 自润滑性能的局限性，粉末冶金滑板对铜接触网导 线的磨耗比较严重【8J ，而且易造成受电弓接触网断 线事故，以致目前很少使用。 碳滑板本身就是很好的润滑剂，自润滑性能和 减磨性能好1 9J ，对接触网导线磨损小，滑动时电磁 噪声小，且耐高温，不易和接触网导线发生焊附现 象【1 ⋯。碳滑板在与铜接触网导线摩擦时可以在导 线上形成一层碳膜，大大改善了导线的磨耗状况。 但是碳滑板机械强度低，耐冲击性差，运行中遇到导 线硬点容易造成滑板折断或破裂，使用寿命低，特别 是在雨季和潮湿地区，易局部拉沟，常出现弓网事 故。另外，碳滑板固有电阻大。集电容量小，接触温 度高时容易引起导线过热氧化而加速其磨耗。 浸金属碳滑板既具有粉末冶金滑板机械强度 高、电阻率小的特点，又具有纯碳滑板对导线磨耗 小、在导线摩擦表面易形成润滑膜和熄弧性强的优 良性能。经每万弓次统计，浸金属碳滑板对铜导线 的磨耗比碳滑板的高1 0 ％- - 2 0 ％，仅为粉末冶金滑 板的1 ／6 ～1 ／4 ，是目前被认为对接触网导线适应能 力最强的滑板类型L 1 “，但它存在抗冲击能力不足， 易出现掉块，运用过程中需进行多次整形，以保证滑 板的表面平滑性，而且造价过高。 随着电力机车的发展，特别是机车提速后，这几 种滑板都不能满足电力机车对滑板的要求”“。国 外滑板的性能虽然优越，但价格昂贵 我国从德国进 口的滑板每根3 0 0 0 元 ，如果我国靠从国外进口滑 板，那么不仅会消耗大量的财力，而且还会在技术上 依赖国外，因此，解决我国当前滑板存在的种种不足 万方数据 1 0有色金属 第5 7 卷 具有重大现实意义，在这种背景下，针对我国当前滑 板存在的严重不足，研制出一种性能优越的新型电 力机车受电弓滑板。 1实验方法 1 ．1 原料制备 新型滑板由铜、镀铜石墨粉和镀铜碳纤维等构 成。石墨的粒度为8 0 ～1 0 0 t * m ，碳纤维的直径为 6 t m a ，密度约1 ．1 9 ／c m 3 。试验所用镀铜石墨粉、镀 铜碳纤维由实验室制备。 111 ．镀铜石墨粉的制备。首先将石墨粉预处理， 将50 0 9 石墨粉放在2 0 ％H N 0 3 溶液中煮沸8 m i n ， 进行粗化，接着放入2 0 ％S n C l 2 1 0 ％H C I 溶液中，加 热煮沸5 m i n ，进行敏化，最后放人1 ％A g N O ，溶液 中进行活化，同时不断搅拌，4 m i n 后取出。然后为 预处理过的石墨粉镀铜。锌与硫酸铜反应Z n 2 C u 2 一z n 2 2 C u ，2 C u c u 2 C u ，将C u 2 还原成C u ，C u 歧化生成C u 2 和C u ，然后铜原子 沉积在活化石墨粉的表面。配制1 5 ％的硫酸铜溶 液2 0 0 m L ，加入处理过的石墨粉5 ．0 0 9 ，然后加入添 加剂 十二烷基脂肪酸盐 醋酸钠 ，添加量为1 ％ ～2 ％。搅拌2 r a i n 后加锌粉1 3 ．0 0 9 。石墨粉镀铜 后，加入1 ．5 ％苯并三氮唑，对石墨粉进行钝化处 理，以防止石墨粉上的铜被氧化。钝化后用去离子 水清洗镀铜石墨粉，然后置于真空干燥箱中烘干。 1 ．12 镀铜碳纤维的制备。先将碳纤维放在 3 4 0 ℃的炉中热处理5 0 m i n 以除去表明的有机物，然 后放人C u S 0 4 镀液中。镀液以硫酸铜为主盐，甲醛 为还原剂，以a ，a - 联吡啶为稳定剂。4 m i n 后取出 镀铜碳纤维，用去离子水清洗三遍，放在真空干燥箱 干燥。镀铜液组成为1 0 9 ／LC u S 0 4 2 0 m L ／L H C H O 2 0 9 ／LN a 2 E D T A 1 6 9 几c 4 H 4 K N a 2 ’ 4 H O 。碳纤维在镀铜前直径为7 9 i n ，镀铜之后直径 增长到1 3 “m 。 1 ．2 滑板制备 按照表1 的3 种配方，将石墨粉、镀铜碳纤维、 铜粉和添加剂均匀混合，然后放人模具中在 2 0 0 M P a 压力下冷压成型，之后于电炉中烧结，烧结 温度为8 8 0 ℃，保温时间为4 h 。 1 ．3 滑板性能检测 1 ．31 密度检测。密度的测定采用体积一重量法， 按G B l 9 9 4 8 0 标准进行。 1 ．3 ．2 电导率检测。使用北仑牌 U 5 7 型直流电 阻电桥，采用四端接线法 该法能有效消除接触电阻 和引线电阻的影响 ，根据G B 6 7 1 7 - 8 6 标准对滑板 的电阻率进行测定。 表1 滑板的成分与含量 T a b l e1 C o m p o n e t l ta n dc o n t e n to fN e Ws l i d ep l a t e s 1 ．3 3 摩擦、磨损检测。用M M ．2 0 0 摩擦磨损试 验机，对磨材料是铜，以试样磨痕宽度表征磨损量。 1 ．34 冲击韧性检测。使用M 。h r ＆F e d e r h a f f 型 冲击韧性测试仪，试样尺寸为1 0 r a m 1 0 m m 5 5 r a m 。 2 试验结果和讨论 2 ．1 新型滑板的性能检测结果 按3 种配方研制出的滑板 n e ws l i d ep l a t e 都表 面光滑，色泽金黄，明显不同于传统的纯碳滑板C 2 。 与浸金属碳滑板吃“。表2 为其密度、电导率、摩擦 系数、磨损率和冲击韧性的检测结果，从表2 可以看 到，在3 种配方中，配方2 的电阻率最低，同时摩擦 系数最小，磨损量也较小，尽管在冲击韧性方面不如 配方1 ，但从综合角度考虑，配方2 最佳。 表2 新型滑板的性能 T a b l e2P e r f o r m a n c eo fn e ws l i d ep l a t e 2 ．2 新型滑板与传统滑板的性能比较 在表2 中，2 号新型滑板 N e w2 性能最佳，其 与传统滑板的比较见表3 。从表3 可知，与传统的 碳滑板Q 6 、浸金属碳滑板C 2 6 。相比，新型滑板不仅 电阻率大大降低，冲击韧性提高，而且更加耐磨。和 碳滑板c 2 。比较，导电率提高8 7 倍，冲击韧性提高 96 倍，摩擦系数降低5 45 ％，磨损量降低4 1 ％。 和浸金属碳滑板比较，导电率提高2 7 倍，冲击韧性 提高4 ．4 倍，摩擦系数降低1 6 ％，磨损量降低了 4 0 ％。可见该新型滑板的性能明显地优于碳滑板和 浸金属碳滑板。 万方数据 第4 期杨连威等新型电力机车受电弓滑板的研制 表3 新型滑板与碳滑板、浸金属 碳滑板的性能对比 T a b l e 3 P r o p e r t i e so o m p a r i s o no fi l e , vs l i d ep l a t e c 2 6a n dC 2 6 p 2 ．3 新型滑板、碳滑板和浸金属碳滑板 对铜导线的磨损 目前，高速铁路的导线主要是铜，为了考察该新 型滑板对导线的磨损情况，将新型滑板以7 0 N 当前 受电弓滑板与铜接触网导线的压力约为7 0 N 的压 力压在铜导线上，模拟火车运动对导线进行摩擦，时 间为l O h 。在进行滑板对电线的摩擦过程中，可以 观察到，经过一段时间摩擦后，铜导线的表面吸附了 一薄层碳。该碳层不仅能降低滑板与导线之间的摩 擦程度，还能起到保护导线的作用，因此使导线的磨 损程度大大降低。1 0 h 后用乙醇清洗该新型滑板的 摩擦面，用扫描电镜观察其形貌，发现滑板的摩擦面 很光滑，无划痕，见图1 。图1 中的不规则黑色相为 石墨，条形和圆形的黑色相为碳纤维，灰色相为铜合 金基体。用乙醇清洗掉铜导线表面粘附的碳层，用 扫描电镜观察其形貌，可以发现导线只受到轻微的 磨损，并且其表面较光滑，见图2 。 图1新型滑板摩擦面的扫描电镜照片 F i g ．1 S E Mi m a g eo fr u b b i n gs u r f a c eo fn e ws l i d ep l a t e 在相同的条件下将碳滑板、浸金属碳滑板分别 与铜导线摩擦1 0 h 吼考察它们对铜导线的磨损情 况，1 0 h 后用乙醇清洗铜导线表面，用扫描电镜观察 其形貌。与碳滑板摩擦的铜导线被磨损的程度也很 小，见图3 。而与浸金属碳滑板摩擦的铜导线被磨 损得很严重，并且划痕较深，见图4 。 通过3 种滑板对铜导线摩擦、磨损情况的比较 图2 与新型滑板摩擦的铜的扫描电镜照片 F i g ．2 S E Mi m a g e0 fc o p p e rr u b b e db yf l e ws l i d ep l a t e 图3 与碳滑板摩擦的铜的扫描电镜照片 F i g3S E Mi m a g eo fc o p p e rr u b b e db yc a r b o ns l i d ep l a t e 图4 与浸金属碳滑板摩擦的铜的扫描电镜照片 F i g4S E Mi m a g eo fc o p p e rr u b b e db ym e t a l i m p r e g n a t e dc a r b o ns l i d ep l a t e 可知，研制的新型滑板不仅具有碳滑板对铜导线磨 损很少的优点，而且自身磨损程度很低，同时滑板的 摩擦面光滑，而浸金属碳滑板对铜导线磨损严重，磨 痕较深。 2 ．4 滑板成分对其性能的影响 新型滑板性能优越，它是由石墨、碳纤维、铜及 添加剂组成，各成分对滑板性能都有很大的影响。 万方数据 有色金属第5 7 卷 其中铜作为复台材料的基体，起固定石墨、碳纤维、 传递应力的作用；石墨具有较高的导电性、导热性、 润滑性及高熔点 常压不熔化，3 5 0 0 ℃直接升华 等 许多优良性质，其减摩和防咬合性能也十分优越。 碳纤维具有很高的比强度、比模量和良好的润滑、耐 磨损特性，因而将石墨、碳纤维与铜混合制成的滑板 具有许多优点，既有导电性、导热性、润滑性，又有很 高的机械强度，但是铜与石墨、碳纤维混和前需对石 墨和碳纤维进行镀铜预处理，原因是石墨、碳纤维与 铜之问的润湿性很差。在1 1 0 0 ℃石墨、碳纤维与铜 之间的润湿角高达1 4 0 。，即使在1 2 8 5 ℃时，铜与石 墨、碳纤维也不润湿，从而导致它们界面之间的结合 强度低，使材料在承受载荷时，往往造成石墨、碳纤 维增强体的拔出、剥离或脱落。镀铜石墨、镀铜碳纤 维与金属铜具有很好的相容性，因而与金属铜粉一 起烧结时，更易于致密化，镀铜之后石墨、碳纤维同 基体之间的界面结合力也大大提高。新型滑板所用 参考文献 添加剂的主要成分为金属氧化物，能起到细化晶粒、 降低烧结温度、减少滑板孔隙率及降低滑板磨损系 数、提高滑板导电率的作用。可见研制的新型滑板 综合了碳滑板、浸金属碳滑板和粉末冶金滑板的优 点，不仅具有低电阻、高冲击韧性的优点，而且更耐 摩擦、耐磨损，因此优于当前正在使用的因强度太低 而易造成弓网事故的碳滑板和对导线磨损严重的浸 金属碳滑板。 3 结论 所研制的新型滑板不仅具有良好的导电性能， 而且摩擦系数低，耐磨损，同时对导线磨损很小。新 型滑板与当前正在使用的滑板相比 以碳滑板为 例 ，摩擦系数降低5 45 ％，磨损量减少4 1 ％，冲击 韧性增长96 倍，导电率提高8 7 倍。研制的新型受 电弓滑板的性能明显的好于当前电力机车所用的碳 滑板和浸金属碳滑板。 [ 1 ] 曹东白铁道技术的发展与展望[ J ] 中国铁路，1 9 9 8 ，4 2 4 57 [ 2 ] 刘永红，邵立．国内外速度在2 0 0 k m ／h 以下接触网的现状分析[ J ] 科技通讯，1 9 9 8 ，5 8 1 1 7 [ 3 ] 潘连明，张国荣，钱中良，等．电力机车受电弓滑板[ J ] ．机车车辆工艺，2 0 0 1 ，8 9 3 1 4 ． [ 4 ] 王贵青，胨敬超，孙加林．电力机车受电弓滑板的研究状况及发展趋势[ J ] ．材料导报，2 0 0 3 ，1 7 1 1 8 2 0 [ 5 ] 李娜，张弘，于正平．受电弓滑板一接触导线摩擦磨损机理与特性分析[ J ] 中国铁道科学，1 9 9 5 ，1 7 4 6 3 6 8 ． [ 6 ] 黄汉中，李木林固体润滑材料在受电弓滑板上的应用[ J ] 粉末冶金技术，1 9 9 7 ，1 5 1 4 3 5 0 [ 7 ] 久保俊一，，，等碳系受电弓精板的开发[ J ] 日本R R R ，1 9 9 9 ，7 3 8 1 0 1 3 [ 8 ] 戴春意，俞明昌电力机车受电弓滑板的选用[ J ] 机车电传动，1 9 9 8 ，2 0 3 3 9 4 0 ． [ 9 ] S u c k c h o o n K ．A S t u d yo f f r i c t i o na n d W e K l 7c h a r a c t e r i s t i c so fc o p p e ra n d i m nb a s e ss i n t e r e d m a t e r i a l [ J ] ．1 9 9 3 ，6 8 1 6 2 ／1 6 4 B 1 1 2 3 1 1 2 8 ． [ 1 0 ] 迟春阳，周成学，王家襄，等电力机车滑板材料的发展[ J ] 炭素，1 9 9 9 ，1 6 4 4 0 4 3 ． [ 1 1 ] 张秀兰电力机车受电弓滑板的调查分析[ J ] ．中国铁路，1 9 9 6 ，2 4 1 1 1 6 一1 7 ． [ 1 2 ] 刘鉴洋．关于高速机车受电弓滑板技术发展的现状与展望[ J ] ，电碳，1 9 9 6 ，4 7 2 1 4 ． D e v e l o p m e n to fN o v e lE l e c t r i cL o c o m o t i v eP a n t o g r a p hS l i d eP l a t e Y A N GL i a n w e i l ，Y A OG u a n g - c h u n l ，L UY a n 9 2 1 ．S c h o o lo f M a t e r i a la n dM e t a l l u r g y ，N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y ，S h e n y a n g1 1 0 0 0 4 ，C h i n a ； 2B e i j i n g K o n g ～J t o n g X i n t o n gI n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y C oL t d ，B e Q i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a e t B a s e do nt h ea n a l y s i so fp r a c t i c a ls t a t u sa n dp r o b l e m so fc u r r e n te l e c t r i cl o c o m o t i v ep a n t o g r a p hs l i d ep l a t e ， an o v e lp a n t o g r a p hs l i d ep l a t ei sd e v e l o p e db yu s i n gp o w d e rm e t a l l u r g yt e c h n o l o g yi no r d e rt om e e tt h en e e do f e l e c t r i cl o c o m o t i v ed e v e l o p m e n t ．T h en e ws l i d ep l a t ec o n s i s t so fc o p p e r ，c a r b o nf i b e ra n dg r a p h i t ee t c ，i s f o r m e da tp r e s s u r e2 0 0 M P aa n ds i n t e r e da t8 8 0 。C ．N o to n l yi t sr e s i s t i v i t y 02 0 t d 2 ‘m i sv e r yl o w ，b u ta l s oi t s p e r f o m a a n c e ss u c ha sf r i c t i o n ，a b r a s i o na n di m p a c tt o u g h n e s se t c a r em u c hm o r ee x c e l l e n tt h a nt h a tc u r r e n t o n e s ，c o m p a r i n gt ot h ec a r b o ns l i d ep l a t e ．t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n ti sr e d u c e db y5 4 ．5 ％，a b r a s i o nr a t ed e c r e a s e d b y2 2 ．9 ％，i m p a c tt o u g h n e s si n c r e a s e db y9 6t i m e sa n dc o n d u c t i v i t yi n c r e a s e db y8 7t i m e s ． K e y w o r d s c o m p o s i t em a t e r i a l ；p a n t o g r a p hs l i d ep l a t e ；p o w d e rm e t a U u r g y ；c a r b o nf i b e r ；f r i c t i o n ；a b r a s i o n ；i m p a c tt o u g h n e s s 万方数据