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。
2)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。
3)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(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能十分的优秀。
国内外典型滑板的性能对比
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).10-14
[2] 郭梦琪, 王智勇, 刘帅. 弓网电弧接触线温度分布仿真研究[J]. 传感器与微系统, 2017(06):20-23.
[3] 李永光, 李晨亮, 李立照, et al. 受电弓碳滑板病害边缘检测技术研究[J]. 中国铁路, 2018(6).76-81
[4] 王蒙, 郭凤仪, 王智勇, et al. 潮湿条件下滑板磨耗特性研究[J]. 高压电器, 2018(7).292-296