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1、10章 接触线材料10章 接触线材料 引言引言 两种接触线 接触网 高速列车电力牵引用接触线接触线是通过与电力 机车受电弓滑板滑动摩擦直接接触向电力机车受电弓滑板滑动摩擦直接接触向电力 机车输送电流的导线 我国的制造能力我国的制造能力 制造企业制造企业家左右 除了 家中外合资企业 制造企业制造企业 10 家左右 除了3 家中外合资企业 外 其余多为民营企业 生产规模不大 技术能力 不强不强 主要产品 主要产品 纯铜类和铜银合金类 产品特点产品特点 速度250 km h 以下的接触线 国内 企业已经具备较大的生产能力 并具有一定的 竞争实力 但是适用于速度300 km h 以上的接 触线尚处于探
2、索阶段 市场情况市场情况 2007年市场需求12000吨 铜锡类 占16 2008年以后占比增加到40 国外发展国外发展 德国高速列车合金但对制造设备 德国 高速列车 Cu Mg合金 但对制造设备 要求高 日本 PHC 110型铜铬锆合金 抗拉强度和导 电率分别达到555MPa和78 8 IACS 属于析出硬电率分别达到555MPa和78 8 IACS 属于析出硬 化型合金 但对热处理设备的规模要求较高 功能型接触线日本脱除接触线上的冰霜 功能型接触线 日本 脱除接触线上的冰霜 可通过并行绝缘线的加热 融化冰霜 检测接 触线异常加热断线和磨耗程度的功能型接触触线异常加热 断线和磨耗程度的功能型
3、接触 线在日本被广泛使用 未来发展趋势未来发展趋势 性能 高强度 高导电性 高耐软化性能 是接触线发展的必然趋势 产品向铜合金化和复合金属化发展已成 产品 向铜合金化和复合金属化发展已成 为世界接触线发展的总趋向 10 2 基本原理10 2 基本原理 接触线国家标准 接触线国家标准 GB 12971 91 规格 主要有85 型 110 型 120 型和150规格 主要有85 型 110 型 120 型和150 型 数字代表接触线横截面积 理想接触线的抗高温软化性能使用温度 理想接触线的抗高温软化性能 使用温度 在300 时的抗拉强度下降率在10 以下 接触线导电性接触线导电性 素对合金的导电性
4、的响规律 元素对合金的导电性的影响规律 合金元素的加入对铜晶格规则排列的周期性 破坏 使电子散射 因而导电率下降破坏 使电子散射 因而导电率下降 为什么接触线的性能必须提高 为什么接触线的性能必须提高 电气化列车实的运行经验电气化列车实的运行经验 电气化列车实电气化列车实际际的运行经验的运行经验 当列车的运行速度在接触线波动传播速接触线波动传播速 度度的 以下时 可以达到稳定的受流状态度度的70 以下时 可以达到稳定的受流状态 波动速度受到材料和结波动速度受到材料和结 构的影响 是固有的 因此列车的运行速度实际上是受到接触线的特性限制的列车的运行速度实际上是受到接触线的特性限制的因此 列车的运
5、行速度实际上是受到接触线的特性限制的列车的运行速度实际上是受到接触线的特性限制的 列车受电弓沿接触线高速滑动时 引起面 列车受电弓沿接触线高速滑动时 引起界面 出现上下振动的横波 其波动传播速度与接横 触线的架线张力和线密度 单位长度的质量 有关 即 有关 即 3 6 T v 3 6v 振波速度 km h T接触线张力 N 接触v 线的线密度 kg m 列车运行速度 列车运行速度 0 7 c vv 450 500 27kN 20kNCuMg120 400 km h 1 20kN CuMg120 CuMg120 线密度 1 068kg m Cu150 350 列车时速 Cu150 线密度 1 3
6、34kg m 300Cu150 0 811 21 41 61 82 250 线 密 度 kg m 1 10 3 材料组织与性能10 3 材料组织与性能 主要性能指标 主要性能指标 常温抗拉强度常温抗拉强度 常温抗拉强度常温抗拉强度 比强比强 抗拉强度与线密度之比抗拉强度与线密度之比 高温抗拉强度高温抗拉强度 高温抗拉强度高温抗拉强度 电导率电导率 线密度 载流量载流量载流量载流量 U值 常见接触线常见接触线 1 纯铜及铜银接触线 1 纯铜及铜银接触线 发展现状 铜银合金接触线已达到了国外同类产 品水平是准高速铁路的首选材料生产和标品水平 是准高速铁路的首选材料 已生产和标 准化 铁道系统行业标
7、准 但在接触线的平直度上 尚需稍作改进提高 以降低受电弓和接触线的离线尚需稍作改进提高 以降低受电弓和接触线的离线 率 合金化添加银固溶强化但 合金化 添加0 08 0 12 银 固溶强化 但 会降低材料的导电率 耐热性大大提高 相对纯铜接触线 它具有较高的高温强度和相对纯铜接触线 它具有较高的高温强度和 较大的载流能力 因而成为目前电气化铁路 建设的主导产品建设的主导产品 性能特点 冷加工强化 电导率为97 15 IACS 而其机械强度较低约为350MPa IACS 而其机械强度较低 约为350MPa 110型接触线的拉断力仅为27 5kN 太低 存在的问题 一是表面和内部硬化程度不一致表面
8、和内部硬化程度不一致 表面硬度大于内部硬度 在使用时内 外磨损不一 样 二是随着加工程度的提高随着加工程度的提高 虽然强度随之提高虽然强度随之提高 但其抗高温软化性能却随之降低但其抗高温软化性能却随之降低 所以大大影响了 其载流量 电流越大 电阻热越大 应用范围 大量应用在小于140 km h 的中低速 铁路线上也适用于较长的隧道坡度较大或因铁路线上 也适用于较长的隧道 坡度较大或因 停车需集电电流较高致使温度上升的危险路段等 是耐热型接触线是耐热型接触线 高温软化问题突出高温软化问题突出 2 铜锡接触线 2 铜锡接触线 发展状法国在时速为的接 发展现状 法国在时速为300 350 km的接
9、触网中研制和试用的锡铜 120接触线 常温 抗拉强度和电导率分别可达537 5 MPa 和 77 6 IACS 我国目前的锡铜 120接触线 其77 6 IACS 我国目前的锡铜 120接触线 其 抗拉强度和电导率分别为360 8 MPa 和70 IACSIACS 合金化铜中添加的微量锡固溶强化 合金化 铜中添加0 3 的微量锡 固溶强化 热处理强化型的铜合金 性能特点 锡的加入使导电率较大幅度降低 性能特点锡的加入使导电率较大幅度降低 但可大大改善耐磨耗性能 提高强度 抗拉强 度550MPa 和抗高温软化性能 且耐热性不 小于铜银合金 也是耐热和耐磨性接触线 导 电率为78 IACS 左右
10、接触线与取流滑板之间 的接触电阻小 改善了取流质量 因此将成为中的接触电阻小 改善了取流质量 因此将成为中 高速电气化铁道接触线的首选材料 存在问题 在我国电线电缆厂中要实现连 续大长度无接头接触线的大规模生产 尚需 增加大型的热处理设备 开发连续生产工艺 应用范围 在300km h时速列车中具有良好 的集电性和运行稳定性 国产化 由此种合金做的部件在国内合金 厂中早有生产和应用 3 Cu Mg接触线 3 Cu Mg接触线 发展现状 铜镁合金接触线首先在德国研 制成功 目前国内有厂家采用上引加挤压方 法开发出这种接触线 合金化在铜中添加的镁 合金化 在铜中添加0 6 的镁 性能 具有强度高 达
11、500MPa 的优点 使 用寿命约为铜银合金接触线的4 倍 用寿命约为铜银合金接触线的 倍 存在问题这种接触线的导电性不够好 导电 存在问题 这种接触线的导电性不够好 导电 率只有62 1 IACS 铜镁合金对技术和设备的 要求都很高 合金难以熔炼和铸造 比如 熔 炼时 Mg含量较高 铸造和冷加工工艺的控g 制难度增高 较低 则达不到需要的强度 应用范围 它是一种能满足列车高速行驶要求 的接触线 主要应用在准高速高速铁路线上的接触线 主要应用在准高速 高速铁路线上 4 金属复合接触线 4 金属复合接触线 铜包钢接触线是利用包覆技术 在钢线外包 铜包钢接触线是利用包覆技术 在钢线外包 覆紫铜而制
12、备成的一种高强度 高导电性 覆紫铜而制备成的种高强度高导电性 耐软化 耐磨损的异型线材 其抗拉强度 和导电率分别控制在650 490MPa 和60和导电率分别控制在650490MPa 和60 80 IACS 存在的问题 不同材料的热膨胀系数与废存在的问题 不同材料的热膨胀系数与废 线处理等问题 10 4 制造方法及加工工艺10 4 制造方法及加工工艺 合金成分设计合金成分设计 电解铜熔炼解熔炼 铜合金锭 上引铸造连铸连轧上引连铸 加热 轧制 冷轧 拉拔成型 拉拔 拉拔成型 连续挤压 拉拔成型 轧制 拉拔成型 拉拔成型 拉拔成型拉拔成型 a 铜锭轧制法b 上引连铸法c 连铸连轧法d 连铸挤压法
13、上引连铸 拉拔法上引连铸 拉拔法 工艺过程上引铸造拉拔 轧制退火 工艺过程 上引铸造 拉拔 轧制 退火 拉拔 多道次 成品 优点 在隔绝空气的条件下进行 铸杆品 质纯净 夹杂物少 含氧量低 炉容小 质纯净 夹杂物少 含氧量低 炉容小 拆炉 洗炉成本低 品种变换灵活 缺点 不能改善内部组织拉拔后产品组 缺点 不能改善内部组织 拉拔后产品组 织晶粒粗大 有未完全破裂的铸造组织 服役时表面的微小波浪弯导致离线火花服役时 表面的微小波浪弯导致离线火花 降低取流质量和接触线寿命 连铸连轧 拉拔连铸连轧 拉拔 艺过程采用连铸连轧生产线生产出的 工艺过程 采用连铸连轧生产线生产出 20的 线材 再经过拉拔机
14、拉拔成型 经过热加工 得到细小的再结晶等轴晶组织 完全消除了铸 造组织 优点 平顺性好 取流性能好 基本无离线火 花花 缺点 含氧量稍高 氧化物夹杂稍多 抗疲劳 性能稍差需采用液化气等保护性气体 日性能稍差 需采用液化气等保护性气体 日 本 德国 法国 瑞典等国家采用 上引铸造 连续挤压 拉拔法上引铸造 连续挤压 拉拔法 工艺过程采用上引无氧铜杆 铜合金线坯 工艺过程 采用上引无氧铜杆 铜合金线坯 经过连续挤压扩张模加工成 22 24的杆坯 再经过轧制或拉拔成型制成接触线再经过轧制或拉拔成型 制成接触线 优点 坯料无需加热 可实现无间断连续生产 变金属受力状态好组织致密生产截面变形金属受力状态
15、好 组织致密 可生产截面 更小的产品 也可生产比杆截面大的产品 满 足不同线径产品需要足不同线径产品需要 缺点是 生产效率低 不适合供货量大 大规 模连续生产 增加了挤压生产工序 提高了生 产成本 我国未来会广泛应用 复合法复合法 以一种金属材料为芯线 外层包覆或镀覆 一层导电性良好的铜 主要有热压包覆 层导电性良好的铜要有热压包覆 连续挤压 电镀 热浸镀等 双结晶器连 铸发 填充式连铸制备复合线坯 铸发 填充式连铸制备复合线坯 参考文献参考文献 吴朋越 谢水生 黄国杰高速列车用铜合金接 吴朋越 谢水生 黄国杰 高速列车用铜合金接 触线用材料及其加工工艺 稀有金属 Vol 30 No 2 200430 No 2 2004 黄崇祺 我国电力牵引用接触线的发展与展望 电线电缆 No 2 2003电线电缆 No 2 2003 赵大军 唐丽 管桂生 我国电气化铁道用接触我国电气化铁道用接触 线的现状和发展趋势线的现状和发展趋势 铁道机车车辆 线的现状和发展趋势线的现状和发展趋势 铁道机车车辆 Vol 128 No 15 2008 贾淑果 任伟 郭望望 孙永伟 纯铜接触线材料贾淑果 任伟 郭望望 孙永伟铜接触线材料 的组织和性能 河南科技大学学报 自然科学版 Vol 30 No 6 2009
