Шляхи підвищення надійності струмоприймачів електровозів

Основним недоліком подібних матеріалів є відсутність фізико-механічної взаємодії вуглецю з міддю, так як вони не утворюють розчинів, хімічних з'єднань, і мідь не змочує вуглець. З цим пов'язана найбільш поширена технологія виготовлення мідно - вуглецевих струмознімаючих вставок; вона полягає в просоченні пористої вугільної заготовки розплавом міді або її сплавів. Просочування проводиться в спеціальній автоклаві в захисній атмосфері під тиском близько 25 атм. і при температурі більше 1500 °С (температура плавлення міді - 1083 °С).

Відсутність взаємодії міді з вуглецем негативно позначається на властивостях вставок при інтенсивному нагріві. Порівнюючи мікроструктури вставок до нагріву і після нього можна відмітити повне знищення мідного каркасу. Руйнування мідного каркасу приводить до збільшення питомого електричного опору майже на порядок.

В експлуатації цей ефект приводить до саморуйнування вставки. Інтенсивний розігрів приводить до руйнування мідного каркасу і локального зростання електричного опору. Внаслідок цього при повторному контакті інтенсивність локального розігріву зростає, а область руйнування мідного каркасу збільшується. В результаті зростає інтенсивність зношення матеріалу. Це ускладнюється тим, що основою більшості подібних матеріалів є кокс. Кокс, як відомо, добре горить в атмосферних умовах при розігріві. Збільшення вмісту міді дозволяє знизити питомий електричний опір, але одночасно підвищується щільність, росте ймовірність зхвачування з контактним проводом, і головне, це не усуває проблеми взаємодії міді з вуглецем [ 7 ].

 

2.2 Вуглецево - мідні матеріали

 

Тому при розробці нового вуглецево - мідного матеріалу в якості основи був вибраний природній графіт. На відміну від коксу і штучного графіту природній графіт є найбільш інертним вуглецевим матеріалом по відношенню до окислення при нагріві і володіє кращими самозмащуючими властивостями, порівняно дешевий. До його недоліків відноситься низька твердість : в матеріал необхідно вводити зміцнюючі добавки. В якості зміцнювача використовували піролітичний вуглець. Це пов’язано з тим, що піролітичний вуглець одночасно служить в якості зв'язуючого для графіту.

Основна перевага і відмінність нового графітомідного матеріалу від відомих аналогів полягає в тому, що в ньому мідь змочує графіт. Цього вдалося добитися з допомогою модифікування графіту металами 4 ...6-ї груп таблиці Менделєєва.

Досліджувався вплив на змочування і властивості матеріалу таких модифікаторів, як Мо, W, V, Nb, Сr. Властивості матеріалів з різними модифікаторами з вмістом міді 25 % наведені в таблиці 2.1.

 

Таблиця 2.1 - Властивості матеріалів з вмістом міді 25 %

 

Модифікатор	Властивості матеріалів з вмістом міді 25 %
	ПЕО, мкОМ•м	Твердість НS	Щільність, г/см3
Nb	0,647	42	3,45
W	8,043	39	3,31
V	8,752	44	3,52
Мо	6,174	41	3,66
Сr	5,253	46	3,058

 

Найкращими модифікаторами виявились хром (Сг) і ніобій (Nb). В результаті модифікування графіту розплавлена мідь самовільно розтікалася по ньому. Після нагрівання до температури вище температури плавлення міді мікроструктура залишається без змін.

Змочування модифікованого графіту міддю дозволило перейти від технології просочування до більш простої - порошкової технології.

Властивості натурних вставок з графітомідного матеріалу, виготовлених по порошковій технології, приведені в таблиці 2.2.

 

Таблиця 2.2 - Властивості натурних вставок з графітомідного матеріалу

Модифікатор	Значення властивостей натурних вставок
	ПЕО, мкОМ•м	Твердість НS	Щільність, г/см3
Nb	3,15/14,41)	37/492)	2,56
Сr	3,75/15,451)	42/582)	2,47
1) Напрямок струмовідведення: чисельник - вздовж осі вставки; знаменник - перпендикулярний напрямок. 2) Чисельник - робоча поверхня вставки; знаменник - бокова поверхня вставки.

 

З даних наведених в таблиці 4.2, видно, що вставки володіють значною анізотропією електропровідності. В напрямках, перпендикулярному робочій площині вставки і паралельному повздовжній осі вставки, питомий електричний опір в декілька раз менший, ніж в перпендикулярному їм напрямку. Це пов’язано з текстурою мідної складової в структурі вставки.

Мідна складова розміщена в вигляді площин, паралельних повздовжній осі і перпендикулярних робочій вставки. В електротехніці подібна анізотропія рахується найбільш оптимальною з точки зору струмознімання.

 

Висновки:

Розроблені принципово нові, графітомідні струмознімаючі матеріали.

1 В нових матеріалах мідь змочує графіт. Це дозволяє використовувати для їх виготовлення технологію порошкової металургії і застосовувати такі матеріали в важко навантажених по струму контактах.

2 Матеріали мають анізотропію провідникових властивостей, що дозволяє при однакових значеннях ПЕО використовувати суттєво менший вміст міді.

3 Основою нового матеріалу є природній графіт. Тому його твердість в два рази менша твердості аналогічних матеріалів на основі коксу. Це сприяє зниженню інтенсивності зношування контактного проводу.

4 Не дивлячись на порівняно низьку твердість, розроблений матеріал володіє більш високою зносостійкістю в порівнянні з матеріалами на коксовій основі, особливо при інтенсивному струмозніманні. Це пов'язано з тим, що графіт в порівнянні з коксом володіє кращими самозмащуючимися властивостями і суттєво менше інтенсивно взаємодіє з киснем повітря.

5 При одночасному використанні на одній ділянці контактного проводу металокерамічних і вугільних вставок інтенсивність зношування проводу і вугільних вставок може значно зрости.

6 В експлуатації рекомендується використовувати струмознімаючі вуглецево - мідні матеріали на основі природного графіту, в яких мідь надійно змочує графіт [7].

 

2.3 Стальбронзографітні матеріали

 

Також одним з нових матеріалів є стальбронзографіт ("Романіт"). Стальбронзографіт є композиційним антифрикційним матеріалом з коефіцієнтом тертя Ктр = 0,05 - 0,08. Композиційний матеріал серії " Романіт " має наступний склад компонентів:

- мідь - 61,5 %;

- фосфіди міді - 3 %;

- графіт - 27,5 %;

- фуллирени - 5 %;

- нітрит бору - 1 %;

- ультрадисперсні алмази УДА - 0,05 %;

- інші складові - 2 %.

Виробничий процес виготовлення біметалу і виробів з нього екологічно безпечний.

Лабораторні дослідження і випробування в Національній Академії Наук України - Інституті Проблем Матеріалознавства ім. Францевича І.М., м. Київ підтвердили слідуючі фізико-механічні властивості і триботехнічні характеристики стальбронзографіту, які наведені в таблиці 2.3.

 

Таблиця 2.3 - Фізико - механічні властивості стальбронзографіту

 

Характеристика матеріалу	Значення
1 Допустиме статичне навантаження	108 МПа
2 Міцність зчеплення: а) вихідна стрічка б) стрічка, зігнута на радіус 40 мм	108 МПа 45 МПа
3 Міцність при згинанні	535 МПа
4 Міцність при ударному згині (ударна в’язкість)	121 кДж/м2
5 Твердість, НВ	305 - 402 МПа
6 Теплопровідність	305 - 328 Вт/мК
7 Електропровідність (МегаСименс)	10МСм
8 Коефіцієнт тертя: без змащування із змащуванням	0,03 - 0,05 0,008 - 0,01

 

Зносостійкість виробів із стальбронзографіту в 5 - 12 і більше раз вище, ніж у аналогічних виробів із бронзи і бабіту, знос спряжених поверхонь зменшується в 6 - 8 раз. Вироби із стальбронзографіту успішно експлуатуються в приміщеннях з хімічно агресивним середовищем і на підприємствах з підвищеною запиленістю. Біметал зберігає свої механічні властивості при великих навантаженнях (Р=11,0 кг/мм2) і робочих температурах до 300 °С.

Триботехнічні характеристики при терті без змащування наведені в таблиці 2.4, а триботехнічні характеристики при терті із змащуванням наведені в таблиці 2.5.

 

Таблиця 2.4 - Триботехнічні характеристики при терті без змащування

Характеристика матеріалу	Значення
1 Швидкість ковзання	до 6 м/с
2 Навантаження	10 МПа до 100 кгс/кв. см
3 Температура	до 300 °С
4 Коефіцієнт тертя	до 0,30 - 0,40
5 Знос	до 5 - 20 мкм / км

 

Таблиця 2.5 - Триботехнічні характеристики при терті із змащуванням

Характеристика матеріалу	Значення
1 Швидкість ковзання	до 15 м/с
2 Навантаження при ефективному тепловідведенні	10 МПа до 100 кгс/кв. см
3 Температура	до 300 °С
4 Коефіцієнт тертя	до 0,30 - 0,40
5 Знос	до 5 - 20 мкм / км

 

В результаті випробувань було встановлено:

1 Міцність зчеплення бронзографітного шару із стальною підложкою вище міцності робочого композиційного шару і залишається гарантованою навіть при згині матеріалу на радіус 40 мм.

2 При терті без змащування матеріал працює задовільно при швидкостях до 6 м/с і навантаженнях до 10 Мпа.

3 При терті із змащуванням діапазон параметрів тертя розширюється: швидкість ковзання до 15 м/с, навантаження до 100 МПа при забезпечені ефективного тепловідведення із зони тертя [ 8 ].

Накладки з матеріалу "Романіт - УВЛШ" взаємозамінні з мідними, металокерамічними накладками та вугільними вставками електровозів постійного і змінного струму. Робоча поверхня накладки полоза представляє собою композиційний матеріал серії "Романіт - УВЛШ", нанесений шляхом прокатки сталевого листа товщиною 2 мм разом з плакованим антифрикційним шаром та послідуючого спечення.

 

3  Експлуатаційні випробування накладок полозів струмоприймачів з композиційних матеріалів

 

3.1 Стендові випробування

 

Приймальні випробування накладки пантографа 492.А268.00.00.000 СБ проводились по " Методиці стендових випробувань " 2077М - 3 в центральному конструкторському бюро ОАО "Холдингова компанія «Луганськтепловоз»", у випробувальному центрі «Транссерт ».

Метою випробувань була перевірка відповідності параметрів накладки пантографа 492.А268 технічним умовам ТУ 535-10-92 і кресленню 492.А268.00.00.000 СБ.

Три накладки пантографа 492.А268, представлені для випробувань, були візуально оглянуті. У всіх трьох накладок на поверхні плакованого шару повністю відсутні:

• розкатані бульбашки і тріщини;
• проколи плакованого шару;
• прокатні плени;
• надриви матеріалу;
• гола кромка, вся поверхня стальної підкладки закрита робочим шаром.