高速铁路受电弓滑板材料的发展

1、 高速铁路受电弓滑板材料的发展 摘 要：随着高速铁路的发展，对电力机车的受电弓滑板提出了更高的要求。本文首先对电力机车滑板的工作特点进行分析，通过将日本、西欧的滑板发展历程与国内滑板发展情况对比分析，阐述了国内滑板目前存在的不足，同时展望了未来滑板的发展，希望对滑板发展有一定帮助。关键词：高速铁路；受电弓滑板；碳材料；1 课题研究背景目前，铁路正向着高速化和电气化的方向发展，电力机车是实现高速化的重要设备之一，通过弓网系统，电力机车获得动力，因此稳定的弓网供电系统是实现电力机车稳定运行的重要基础。在弓网系统中起接收传导电力的设备正是受电弓的滑板部分。滑板一般安装在受电弓的最顶端，与接触网直接相

2、接触。在铁路追求更高速度的进程中，滑板的经济型和性能都面临着更大的挑战，寻求更加优秀的滑板显得十分重要。滑板具有一下几个工作特点1：1. 周期性随机变化负荷：静止的接触网与高速运动的滑板之间存在相互作用，产生周期性的随机变化负荷。1. 机械磨损：滑板与接触网之间的相对滑动速度很高，以目前的复兴号为例，其运行速度为350km/h，对应的弓网相对滑动速度为97.2m/s，并且接触网段与段之间存在连接硬点，会对滑板产生阶跃性冲击。2. 电气磨损：滑板会承受强烈的电气磨损，即当受电弓离开接触网时，会产生强烈的拉弧情况，造成滑板表面烧伤。目前常用的电力机车滑板主要包括金属类、粉末冶金类和碳滑板类。金属类

3、(例如铁、铜、钢等)滑板机械强度和硬度较好，因此最早得到了应用，但其对接触网磨损严重；粉末冶金类滑板(例如铁基粉末冶金滑板、铜基粉末冶金滑板等)内部存在润滑材质，能在保证较好的机械强度和导电性的情况下，降低对接触网的磨耗；碳滑板类主要包括纯碳滑板和改良的复合浸渍碳滑板，碳滑板本身具有良好的润滑效果，会在接触网上形成润滑层。目前各类复合浸渍碳滑板是电力机车未来滑板的主要发展方向2。2 国内和国外滑板发展概括电力机车是第二次工业革命的产物，但其大规模的技术革新发展是在二战之后，日本、西欧各国都对碳滑板进行了大量研究，尤其是1964年日本新干线的开通，正式拉开了高速电力机车的序幕。新干线开通初期，其

4、受电弓滑板采用铜基冶金材料，虽然铜基冶金滑板自身机械强度和导电性满足了新干线的需求，但其本身对接触网的磨损严重，实际使用过程中磨损是预期值的3倍左右，大大降低了接触网的寿命。虽然后期日本国营铁路公司对烧结体的铜基冶金滑板进行了改良，但随着新干线速度的提升，滑板的性能长期不能满足需求。相比日本新干线，80年代开通的法国tgv高速铁路线一开始使用钢滑板，钢滑板具有较好的机械结构，但对接触网的磨损问题仍然没有得到解决，直到后来被性能更好的碳滑板取代3。在国内，60年代初的“韶山1”型电力机车投入使用，其滑板采用的是铜材质，出现了严重的接触网磨损问题4。1967年，我国自行研究的碳滑板投入使用，但是该

5、碳滑板自磨损大，寿命短，机械强度也低，冲击韧性差，在运行过程中可靠性较低，特别是环境恶劣的地区，极易出现弓网问题。随着国内推行铁路大提速，我国的电气化铁路飞速发展，在速度提升的同时，滑板面临的挑战也日益增加，传统滑板越来越不能适应要求，粉末冶金滑板诞生了，该种滑板机械结构强度高，表面硬度较高，基本满足电力机车对滑板强度、耐磨性的要求 ，逐渐成为我国的主力产品。然而粉末冶金滑板内部润滑材料含量少，长时间使用仍然会产生较严重的接触网磨耗问题，比如大秦线一开始使用的滑板为铜基粉末冶金滑板，投入使用两年的铜接触网就出现了较为严重的磨损，挂网事故也时有发生。最近几年，随着国内和谐号、复兴号高速动车组的投

6、入运营，从国外引进的浸金属碳滑板得到了广泛应用，该滑板通过将金属填充进碳基体的空腔中，实现了金属材料与碳的优势互补，在很大程度上解决了碳滑板的强度问题，同时提高了滑板的耐磨性和导电性。国内动车组使用的赛德公司dsa380、dsa250系列受电弓滑板材质均为浸金属碳滑板。总的来看，国内滑板质量较国外产品仍然具有一定差距(如表1所示)，原因是多方面的：从材料上来讲，国内早期研制的碳滑板材质为时沥石墨，硬度较低，国外碳滑板则采用硅化石墨，硬度较高；从工艺上来讲，国内早期滑板采用的制作工艺较为落后，国外在工艺的探究上更多；从设计上来说，国外滑板在弓网系统拉弧问题上做了大量探索研究，其设计的滑板耐电弧性

7、能十分的优秀。国内外典型滑板的性能对比国家滑板类型(型号)电阻率抗弯强度抗压强度硬度密度主要成分欧美浸金属(my7d)8.1110420962.4碳 铜 锡铅纯碳滑板(cy3ta)2450193921.7碳中国浸金属880300962.7碳 铜纯碳滑板353036-48651.7碳日本浸金属(mc)9851002.6碳 铜 铅纯碳滑板3085751.7碳3 未来发展展望一般情况下，高速度下产生的摩檫力和电弧损伤会对滑板造成严重磨耗，除此之外，我国幅员辽阔，不同地区、不同季节和不同时间气候环境差异明显，受电弓滑板长期遭受风沙、雨雪、高温的侵蚀，因此滑板是高速铁路中更换最为频繁的部件之一。目前对滑

8、板的研究主要集中在一下几个方面：1. 降低磨耗：受电弓滑板在降弓的过程中极易出现“拉弧”现象，“拉弧”会对滑板产生不均匀的电气磨耗。为了降低磨耗，通过在碳滑板内部浸渍金属或添加纳米材料可以提高滑板的耐磨性。2. 提高抗破损性：关键在于提高碳滑板的强度，以碳材料为基体，混入碳纤维作为增强剂，并采用相关热固剂进行烧结，提高滑板抗破损性。3. 增强导电性：金属材料具有良好的导电性，对此，通过研究滑板中金属离子的形态和含量，尽量增加滑板中金属元素的含量。还可以通过增加滑板内的电传导路线，提高滑板的导电性。4. 应用新材料及新工艺：在新材料方面，通过对导电性陶瓷、导电性树脂、导电性橡胶等新型聚合物材料进

9、行研究，探究性能更好的滑板；在新工艺方面，可以采用浸渍法、化学沉积法等新工艺提高滑板的致密性，采用快速烧结法缩短滑板制取时间。4结论综上分析，随着我国高速化铁路的发展，对滑板的性能提出了更高的要求。目前，高性能滑板的设计主要依托于材料、结构、制作工艺的创新，材料方面，依托碳材料良好的导电性和减磨性能，碳基复合滑板已经成为未来滑板的主要发展方向；结构方面，在低强度的滑板结构中引入高强度的纤维框架，提高滑板结构的机械强度；制作工艺方面，通过浸渍、化学沉积、快速烧结等方法提高滑板的致密性，制作更加优异的滑板。参考文献1 刘吉, 张卫华, 周宁, et al. 受电弓滑板载流温度静态特性研究j. 机械制造与自动化, 2019(4).10-142 郭梦琪, 王智勇, 刘帅. 弓网电弧接触线温度分布仿真研究j. 传感器与微系