受电弓平滑肌与接触导线材料的特征变迁

受电弓平滑肌与接触导线材料的特征变迁

适当构件的选择在电气化路上，电力接收装置（高速接收通道）处于边界条件下，接收电子弓和接触线。这里要讨论的是,通过分别选择适当的材料,保持滑板与接触导线之间良好的摩擦状态,一方面尽量做到各构件没有磨损,另一方面可靠地进行受流,以供给电力机车或电动车辆运行所需的足够电能。从受流的观点来看,保证受电弓与架空线合理的结构及适当的运动是首要课题。不过,从受电弓及接触导线的维护的观点来看,摩擦部分中使用材料的选择具有重要意义。1带有电子砖缓冲板的材料1.1作为消耗品的材料特性可分为4个外科学指标和5.对受电弓滑板要求具有以下的性能:(1)具备作为电路元件的高导电性(即较低电阻率);(2)具备作为车辆零部件的高强度;(3)作为摩擦材料,具有自身无磨损,也不磨损配对(摩擦副)的性质;(4)具备作为消耗品的经济性(价格便宜)及可再生利用性。关于导电性与强度,日本铁道车辆相关部门根据日本铁道车辆工业协会的标准制定了基准值。该标准中,如机械强度,按照材质不同而确定了不同的强度值(见表1)。通常,对作为同一构件使用的材料,确定单一的标准值,但滑板材料是按材质确定不同的标准值。这是本来的标准值并不是根据使用条件推导出来的,而是参考作为实用材料有应用实绩的材料特性而确定的。可以说反映了铁道技术中工学的一个侧面。1.2润滑成分及其使用特点目前滑板使用的材料,大体上可分为烧结合金材料与碳系材料。烧结合金是混合并成形各种金属粉末,在低于熔点的温度下烧制,进而结合金属粉末制成的材料。通过调整混合粉末的种类及用量,能够调控所得到的合金的特性,以使其适合滑板这类要求多种特性的材料的制造。通常,摩擦材料是在母材中,弥散具备耐摩性的硬质物质以及具备润滑性的物质而构成的,其典型实例有制动闸瓦及闸片,滑板也具有同样的结构。在作为母材的铁粉及铜粉中,混合作为耐摩耗成分的铬、钼铁合金、钛铁合金等硬质金属粒子,并添加二硫化钼、石墨等称为“固体润滑剂”的粉末作为润滑成分。除了可改变成为母材的粉末的粒子直径及形态之外,通过改变硬质金属粒子及固体润滑剂的种类及用量,同时根据制造时的成形压力及热处理方式的不同,制造的烧结合金的摩擦特性有各种变化。所谓滑板的改进与开发,不外乎是从这些各种各样条件下的大量组合中找出最佳匹配方案。最近,正在尝试使用钨等高熔点金属作硬质金属粒子,使用铋等低熔点金属作为润滑成分。图1是典型的烧结合金滑板的金相组织,图中圆形白色部分是硬质金属粒子;黑色部分则为母材。另一种材料是碳系材料(碳素系)。新干线及电力机车以外的多数电动车组,近年来,其滑板材料已从烧结合金转换为碳系材料了。作为滑板使用的碳系材料是成形焦炭等碳系粉末,是在1000℃～1500℃下烧制而成的(见图2)。烧成的碳系单体材料也可使用,但为了提高导电性与机械强度,开发了在碳粉末中,混合金属粉、金属纤维、碳纤维,烧成的碳中浸渍了熔化的金属材料,称为“碳系滑板”,并已投入使用。图3是典型的碳系滑板的组织。图中暗色部分是碳;明亮部分则是碳中浸渗的金属。碳系材料原本比烧结合金的强度小、导电性差些。因此,为在直流电动车上使用,必须提高导电性(降低电阻率),因而在碳中混合、浸渍了金属。图4为在5m左右架设的接触导线与实际滑板间通电时,在接触点附近的接触导线的温升测定实例。为确保接触导线拉伸强度,务必使其温度保持在90℃以下。因此,通电时的温升,包含气温的影响等,必须保持在47℃以下。根据电阻率不同的滑板测定值可知,每块滑板的集电电流为100A,如果滑板的电阻率在3μΩ·m以下,则接触导线的温升值就可以抑制在47℃以下。1.3碳系材料在碳滑动材料上的开发目前使用的滑板材料,如上所述。但随着时代的发展,对材料所要求特性的优先性发生了变化,使用的材料也已改变了(见图5)。电气化铁路发明的当初,使用了铜材做滑板。然后,19世纪80年代,人们提出使用碳电极的方案,20世纪20年代,碳滑板已普及了。以后在欧美国家,碳成了最普通的滑板材料。日本当初使用了铜制滑板,不过,部分运行区间与欧洲国家一样,转换成了碳滑板。在二战时时期,由于铜是军需物质,购买困难,从海外进口碳滑板也不容易。因此,日本自行开发了碳滑板,但因使用中的裂纹、破损问题而难以使用。二战后不久,日本开发了以铜粉为母材的铜系烧结合金滑板,到1950年左右日本国铁的全部电动车辆的滑板,都采用铜系烧结合金。在此后的日本,烧结合金成为最普通的滑板材料。至于新干线,从开业时起,就使用了以铁粉为母材的铁系烧结合金滑板。国铁转为民营后,因迫切要求减轻接触导线的磨损,此外,也了解到欧洲国家使用碳系材料减轻了接触导线磨损的优越性,碳系材料再度得到了重新认识。其结果是,日本开发出了碳系滑板,它比欧洲使用的碳系材料导电性能更高,所以JR公司的2/3以上的电动车组都使用了这种碳系滑板。最近,由于列车高速化及削减滑板数量,导致在滑板上通过的集电电流(受流)呈增大趋势。一旦受流增大,滑板脱离接触导线(离线),进而产生电弧放电时,就会产生滑板摩擦面损伤,摩擦表面上的金属熔化或脱落等不利影响,导致电阻率上升。因此,已开发了新的材料,即通过提高滑板材料的耐热性,增加金属含量,使电阻率降低的材料。另一方面,脱颖而出的碳系新材料——C/C复合材料引起人们关注,也开始作为滑板材料使用。所谓C/C复合材料是将以碳纤维纺织的布层叠并压缩成形,进而烧结成“碳纤维强化复合材料”,它是一种轻量化、耐热性好的应用于飞机制动等方面的材料。如上所述,材料的变迁,可以说是由各时代所要求的特性以及为满足这些要求开展的技术革新而得以实现的。2接触导线的材料2.1张力铺设界面要求对于接触导线有如下性能要求:(1)作为电路元件要求有高导电性;(2)作为电气设备构件,要求有高强度(特别是拉伸强度)、耐蚀性、耐疲劳性、耐热性;(3)具备作为摩擦材料的耐磨性;(4)作为消耗件,要求考虑经济性(价格低)以及可再生性。与对滑板所要求的性能相似,但大不相同之处是,在对接触导线施加张力架设情形下,在满足拉伸强度要求以及作为设备长期使用情况下,要求接触导线具备耐蚀性及耐疲劳性。对于后述的硬铜接触导线,制定了日本工业标准(JIS),除了导电性以外,也规定了拉伸强度等机械性能。2.2复合接触导线对接触导线所要求的性能较多,不过,作为满足这类要求的材料,历来被广为使用的是铜材。战争年代,为节省铜资源,当时使用铁及铝合金代替。即便是目前,基本上为纯铜(含微量杂质,但并不有意添加合金成分)的硬铜接触导线占主流。除纯铜之外,有提供给长大隧道区间等使用而加入银的提高了耐热性的接触导线(含银0.12%以上);还有添加了锡以提高硬度及耐磨性为目标的加锡接触导线(含锡0.3±0.05%),其中加锡接触导线使用较多。在新干线上以提速为目标时,由于接触导线的波动传递速度对集电性能的影响,需要比强度(材料的强度与质量之比,即单位长度的质量与拉伸载荷之比)大的材料。复合接触导线是利用其钢芯确保强度(承担张力),用铝合金及铜材来补偿导电性而开发的高速线路用复合材料。不过,与强度相反,其导电性降低了些。开发了称为TA接触导线(TA是铁、铝的简称),它是钢与铝合金的复合材料;称为CS接触导线的铜包覆钢芯的复合接触导线(见图6)。TA铝合金由于轻量化,比强度较其他材料突出。钢芯一旦显露在摩擦面上,则磨损就难以发展下去。不过,从防止由于异种金属接触引起的腐蚀的观点来看,不能原封不动地使用架设铜接触导线时用的吊架吊具,此外,铝合金由于隧道内的碱性漏水容易引起腐蚀,设有隧道的区间,也难以统一地全线架设TA接触导线。因此,目前TA接触导线尚未正式投入运用。铜包覆钢芯的复合线材即CS接触导线,(CS是CopperSteel的缩写),由于其表面为铜材,无需担心类似TA接触导线那样遇碱性漏水引起腐蚀,反复并充分地确认架设试验的结果后,在北陆新干线(高崎～长野)、东北新干线(盛冈～八户)、九州新干线上已被全面采用。另外,也有使用增大铜的截面积比率,提高了导电性的CSD接触导线。这样导线已在东海道新干线上应用。另一方面,有称为PHC的接触导线,它是必须同时实现高导电性与高强度,该导线是在铜中添加了微量的铬与锆的合金而开发成功的。所谓PHC是PrecipitationHardenedCopperAlloy析出强化铜合金的缩写形式,虽然是铜合金,但其一方面具有与软钢同样的强度,另一方面具有高于加锡的接触导线的导电率,而且,也具有在高温下难以软化的特点。PHC接触导线以今后实用化为目标,正在进行试验性架设。3影响车辆运行速度因素耐磨性是作为消耗件的滑板的最重要的特性,也是接触导线的必要条件之一。至于固体之间的摩擦,对材料的磨损产生影响的重要因素如下:(1)材料的组合;(2)压紧载荷(接触力):除了受电弓的静态压力之外,也包含运行中的速度变化;(3)摩擦速度:相当于车辆运行速度;(4)摩擦环境:介于摩擦面之间的雨水、油脂及尘埃等。滑板与接触导线的摩擦,除了这些因素之外,通电也是最重要的因素。在考虑滑板与接触导线的磨损时,除了考虑通常的固体之间的摩擦磨损之外,还必须考虑通电的影响。3.1电弧放电的影响在烧结合金滑板与铜接触导线间形成的是金属之间的摩擦磨损。金属之间的摩擦是受胶合磨损的磨损形态支配的。固体之间接触时,实际上是小面积的点接触,施加载荷后,就会形成相互胶粘的状态,在这种状态下相互运动,即形成摩擦。随着在接触点胶粘的部分被带走而形成磨损,这就是所谓的胶合磨损。至于烧结合金不通电时,随着压紧载荷的改变,磨损也增加。摩擦速度越高,磨损越少。图7为铜系烧结合金滑板与铁系烧结合金滑板,在不予通电条件下进行磨损试验时,磨损率的速度特性。通电的影响可分为2种:由于接触点的接触电阻引起的焦耳热;以及滑板脱离接触导线时(离线时)产生的电弧放电。由于焦耳热,接触点附近的温度一旦上升,则众多情形下,材料会被软化,进而磨损向增大的方向发展。另一方面,由于电弧放电的电弧热,温度急剧上升,在多数情况下,电弧附近的材料会被蒸发、熔化、软化,进而磨损向增大的方向发展。由试验结果可知,如比较焦耳热与电弧热的影响,则电弧热的影响显著大一些,在电弧放电频繁发生的条件下,如形成摩擦,滑板的磨损率与电弧放电的电量成正比地增大(见图8)。因此,作为通电的影响,关键是掌握产生电弧放电时的影响。碳系滑板,碳与铜材之间几乎不引起胶粘。由于碳本身的润滑性较好,故与烧结合金滑板相比,滑板、接触导线的磨损都小。关于碳的磨损机理,虽说一直都在研究,但并非已经明确,不过,主要可考虑为几个方面的磨损:由于摩擦热等导致碳的氧化消耗而产生的氧化磨损;由于接触导线的摩擦面的微小粗糙面被削去,进而形成磨损,即磨料磨损。随着压紧载荷的增加,摩擦速度的增加,碳的磨损即随之增加。而含金属的碳系滑板,与烧结合金滑板一样,如果摩擦速度降低,磨损就会呈现加大的趋势。图9为不含金属的纯碳滑板与浸渍了铜合金的碳系滑板在不予通电的磨损试验中,滑板磨损的速度特性。通电的影响与烧结合金滑板的一样,可大致分为接触点的焦耳热与离线时的电弧热。碳系滑板由于热量会加剧碳的氧化消耗,所以,由于通电而产生的焦耳热、电弧热导致磨损呈增大趋势。含有金属的碳系滑板,由于电弧热引起急剧的温升,滑板内部的金属粒子会被蒸发、熔化、脱落,导致碳急剧的氧化消耗,磨损即向增大方向发展。由此可知碳系滑板也与烧结合金滑板一样,在电弧放电频繁发生的情况下,滑板的磨损率与电弧放电的电量成正比增加(见图8)。通电(集电)的影响在此也是受到由于电弧放电引起的磨损支配的。可认为,通电的影响,在于掌握发生电弧放电时的状况。3.2试验条件的影响接触导线,其磨损特性的含义与滑板并不相同。就滑板作为消耗件而言,由于频繁地更换,工作寿命,也就是每一运行距离的磨损率是重要的参数。并且,如上所述,由于发生电弧放电时引起滑板的磨损最大,所以,电弧放电时的磨损率是重要的。而接触导线除了在车站内以及高速运行区间等之外,随着接触导线的架设高度不同,特别是高度的不规则,以及是否有架设用吊具(配件如吊钩)等条件不同,摩擦条件也会发生改变。因此,摩擦条件的不同,对于磨损的影响是重要因素。在各种摩擦条件中,着眼于滑板与接触导线接触点的表面压力,以及在接触点产生的热量与摩擦速度的比,整理出了接触导线的磨损率(见图10)。图10是对于PHC接触导线与铁系烧结合金滑板的组合(即摩擦副)的研究结果。由图可知,即使是在同样的速度及电流条件下,也会由于受电弓的运动及接触导线的架设用吊具等不同,使滑板与接触导线的接触压力增加,导致接触导线的磨损率加大。另一方面,即使是同样的接触压力、同样的速度下,如果集电电流增加,接触