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1、第九章第九章受电弓材料及其加工工艺本章内容第一节引言第节引言 1.1 结构特点 1.2 技术标准及性能要求 存在的问题（举例说明）1.3 存在的问题（举例说明） 第二节材料的组织及性能 第三节材料制备及其加工工艺第三节材料制备及其加工工艺 第四节国外最新研究 第五节小结第节小结第一节引言第节引言受电弓在高速列车中的位置图片在列车高速行驶过程中从接触网导线获得电流为机车提供电力对于受电弓在列车高速行驶过程中，从接触网导线获得电流为机车提供电力。对于 高铁而言，接触导线上集取的电流约1001000A.电板电板种求高电摩减摩体的电接触材料受受电电弓滑弓滑板板是一种要求高导电、抗摩、减摩于一体的电接触
2、材料。 电接触材料，安装在受电弓的最上部，直接与接触网导线接触，电接触原理及问题电接触原理及问题 从原理区分，电接触包括固定接触、滑动 接触和可分合接触。 但是，对固定接触，接触电阻、接触温升 和接触熔焊（输电线连接器）和接触熔焊；（输电线连接器） 对滑动接触，除上述问题外，还含有摩擦、 润滑和磨损；（如继电器、变阻器） 对可分合接触电弧及其与接触元件的相 对可分合接触，电弧及其与接触元件的相 互作用。电弧形成的基本原理电弧形成的基本原理列车回路电流首先通过接触导线和滑板的接触点由 接触导线进入滑板中同时由于趋肤效应电子会接触导线进入滑板中，同时由于趋肤效应，电子会 集聚在未接触的摩擦副粗糙峰
3、处，形成强电场发射 电子不断地撞击粗糙峰间的气体分子最终导致电子，不断地撞击粗糙峰间的气体分子，最终导致 气体电离，形成微观电弧。受电弓滑板材料的多样化受电弓滑板材料的多样化纯金属滑板 纯金属滑板 浸金属滑板浸金属滑板 粉末冶金滑板 炭纤维滑板纯金属滑板（我国1960年代）纯金属滑板（我国1960年代） 优点：低电阻率；炭系滑板；高抗压和高 抗冲击性能。缺点成本高粘着效应对接触线的磨耗 缺点：成本高，粘着效应对接触线的磨耗 极其严重。浸金属滑板浸金属滑板在高温高压环境下 将单金属或合金熔体浸入炭基 在高温高压环境下,将单金属或合金熔体浸入炭基 体中,使单金属或合金熔体充分填充到炭基体的空 隙里
4、 而达到提高机械强度和导电性能的目的隙里,而达到提高机械强度和导电性能的目的。 优点：对接触线的磨损较小，噪声小，耐高温。 缺点：强度不够，不耐冲击，电阻率高，易发生 断裂或掉块常发生事故断裂或掉块，常发生事故。优点：高机械强度、低电阻率与纯炭滑板的 对其接触网导线磨耗小(能在导线摩擦面形( 成润滑膜)和熄弧性强的优良性能,可从根本 上解决接触网导线磨耗过快的问题。上解决接触网导线磨耗过快的问题。粉末冶金滑板（80年代）粉末冶金滑板（80年代）主要包括铜基粉末冶金滑板铁基粉末冶金 主要包括：铜基粉末冶金滑板；铁基粉末冶金 滑板；碳纤维复合滑板 优点：粉末冶金滑板具有较高的机械强度，优 异的抗冲
5、击性，较好的导电性、较低的电阻率异的抗冲击性，较好的导电性、较低的电阻率 以及良好的热传导性和抗电腐蚀性，但是它对 铜接触网导线磨损非常严重，而且在使用中易铜接触网导线磨损非常严重，而且在使用中易 产生电弧，增加了机械磨损和电弧磨损，并干 扰了无线电信号。发展历史及现状发展历史及现状 电气化铁路开通初期，时速64公里，受电弓滑板材 料为纯铜（问题：与接触线亲和力大，导线磨损严 重）重）； 二战期间，日本开发了导电性和自润滑较好的石墨 滑板材料（问题石墨电阻率高集电容量小磨滑板材料（问题：石墨电阻率高，集电容量小，磨 损性能差）； 1960年代，石墨滑板材料不能适应200300公里时速1960年
6、代，石墨滑板材料不能适应200 300公里时速 的要求，开发研制石墨铜复合材料；我国现状及发展趋势我国现状及发展趋势我国主要依赖进例如德国公 我国主要依赖进口，例如，德国Siemens公 司生产的纯碳滑板,日本Toyo碳素株式会社,y 以及法国的Alstom公司生产的受电弓滑板基 本垄断该领域。本垄断该领域。 未来发展趋势：碳纤维滑板、金属纤维滑 板以及带有自润滑功能的非金属基滑板的板以及带有自润滑功能的非金属基滑板的 方向发展。差距差距我国炭滑板使用寿命仅为左右 我国炭滑板使用寿命仅为10000km左右,而 国外炭滑板使用寿命却可达到70000 80000km.1 1 结构特点1.1 结构特
7、点受电弓滑板的基本结构及服役条件受电弓滑板的基本结构及服役条件服役条件：服役条件 滑板与接触线之间存在70N的接触压力； 滑板与导线之间存在70100m/s相对滑动速度； 滑板承受的大电流和电弧冲击滑板承受400850A的大电流和电弧冲击。1 2 技术标准和性能要求1.2 技术标准和性能要求技术标准 技术标准 TB/T 1842.1 2002; GBT 2156112008IEC /; 604941：2002; JB/T 91341999; TB/T 14561999; TB/T 1842.22002; JB/T 533421999/;/ 使用寿命：30年； 成本万/公里 成本：10万/公里材
8、料性能要求材料性能要求(1) 机械强度高，能经受一定的振动和冲击而不损坏； ( ) 优良的耐磨损性能和润滑性能对接触导线及滑(2) 优良的耐磨损性能和润滑性能，对接触导线及滑 板自身的磨耗小； ( ) 小的电阻率和接触电阻(3) 小的电阻率和接触电阻； (4) 良好的耐热、耐弧性能； ( ) 便于实现轻量化和标准化(5) 便于实现轻量化和标准化； (6) 较好的耐侯性； ( ) 成本低生产和使用成本低(7) 成本低：生产和使用成本低1 3 存在的问题1.3 存在的问题作为集电系统的关键零部件随着列车运行速度的增加作为集电系统的关键零部件，随着列车运行速度的增加， 滑板在服役过程中存在一系列问题
9、需要改善。浸金属滑板浸金属滑板 金属对炭石墨浸润性差，与导线的磨耗大， 以炭为基体，强度相对较低。 抗冲击力不足,易出现掉块现象,并在使用过 程中需要定时整形 尤为显著的是其生产成程中需要定时整形,尤为显著的是其生产成 本与维护成本过高,给机务部门带来较大的 经济负担经济负担。解决的办法：以铝进行外包裹。解决的办法：以铝进行外包裹。粉末冶金滑板粉末冶金滑板金属基体和导线材质差不多，所以粉末冶金 滑板对导线磨耗较大。加之其自润滑性能的滑板对导线磨耗较大加之其自润滑性能的 局限性，粉末冶金滑板对铜接触网导线的磨 耗比较严重。耗比较严重。例如，铁基硬度较大，对导线磨耗大，降低 接触线寿命。接触线寿命
10、。炭纤维复合滑板炭纤维复合滑板铜石墨间的润湿性较差烧结制成的复 铜、石墨间的润湿性较差，烧结制成的复 合材料滑板出现空隙。 金属纤维界面的渗碳问题导致纤维机械性 能下降，如抗弯强度下降。能下降如抗弯强度下降 铜、炭的互溶性较差，而且密度相差很大， 导致在烧结后易出现严重的偏析现象导致在烧结后易出现严重的偏析现象。危害：增强材料的损伤、松动、裂纹等现象， 复合材料的导电性能会严重恶化。第节 材料的组织和性能第二节 材料的组织和性能2 1 电学性能2.1 电学性能复合材料的混合定律：compCuCuGGXXX=+：材料的结构性能，如强度、模量等； 百分比如质量体积等compCuCuGGX：百分比，
11、如质量、体积等。讨论： 1）贡献效应； ）性能居于者之间2）性能居于二者之间；电阻模型电阻模型静态电阻：CuCuGGRR VR V=+comp-staticCuRV铜电阻率铜的体积分数CuV铜的体积分数Rcomp-static复合材料的电阻率comp staticGR石墨电阻率GV石墨的体积分数动态电阻：CuCuGGRR SR S=+comp-dynCuRS铜电阻率铜的面积分数摩擦面上CuS铜的面积分数，摩擦面上Rcomp-dyn复合材料的电阻率comp dynGR石墨电阻率GS石墨的面积分数，摩擦面上影响因素影响因素铜基体含量：主导作用；石墨含量：导电性能相对较差；铜基体状态：网状分布有利于
12、导电性能，而孤岛状则不利于导电性能。空隙率：空隙率越高，导电性越差；石墨的形态：粒度大，颗粒之间铜基体的空间较大，连续性较好， 电阻较小。2 2 摩擦性能2.2 摩擦性能磨损分类 磨损分类：粘着磨损磨料磨损腐蚀磨损疲劳磨粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损、疲劳磨 损、应变磨损。摩擦系数模型ff Sf S=+CuCuGGff Sf S=+comp-static特殊性：当摩擦副上形成完整的石墨润滑膜层时，摩擦系数接近于石墨组分 的摩擦系数。影响因素影响因素墨含量与分布含量分布均匀性 石墨含量与分布：含量及分布均匀性 表面凸起影响啮合表面凸起影响啮合 压力：太小，接触局部，粘着磨损；太大，犁 沟自润滑破坏
13、沟，自润滑破坏； 摩擦温度：温度导致自润滑层的氧化，使摩擦 系数增大系数增大。第三节 材料的制备及加工工艺第三节 材料的制备及加工工艺碳滑板材料 碳滑板材料 浸金属材料浸金属材料 粉末冶金滑板材料 炭纤维复合材料炭滑板材料炭滑板材料广深高铁九广高铁广深高铁九广高铁国内企业：哈尔滨碳素厂和东兴炭素厂；国外：英国的摩根公司和德国的逊克公司浸金属滑板浸金属滑板 先制成炭滑板坯料，向坯料中浸渍熔融金 属，形成坚硬的网状骨架，达到提高滑板属形成坚硬的网状骨架达到提高滑板 强度、耐冲击性、耐磨性和延长使用寿命 的目的浸渍的金属一般采用锡铜锑的目的。浸渍的金属般采用锡、铜、锑、 巴氏合金或铅合金。粉末冶金滑
14、板材料粉末冶金滑板材料基本步骤基本步骤基本步骤基本步骤： 将金属粉(铜粉或铁粉)和润滑粉(如炭、铅和二 硫化铝等)通过机械混合和分散, 用液压机使粉末模压成形用液压机使粉末模压成形 将成型的毛坯进行高温烧结。结果结果：由于烧结后的试样含有较多的孔隙,一般 烧结后将其浸入润滑油 最后机加工成型制成成烧结后将其浸入润滑油,最后机加工成型制成成 品。炭纤维复合材料炭纤维复合材料制备方法以金属（纤维粉末丝网或金制备方法：以金属（纤维、粉末、丝网或金 属镀层）为导电成分，以炭纤维和矿物纤 维为增材料墨硫化钼等为润维为增强材料，以石墨、二硫化钼等为润 滑成分，以热固性树脂为粘结剂，并添加 抗冲击改性剂等热
15、压而成抗冲击改性剂等热压而成。 结果：固化后，内部结构稳定并形成具有一结果：固化后，内部结构稳定并形成具有 定规则的骨架和网络结构，达到所需机械 性能和导电性能，最后进行机械加工而得性能和导电性能，最后进行机械加工而得 到成品。例子例子 以石墨粉或焦炭粉进行表面镀铜，并作为 基体材料基体材料； 采用炭纤维为增强材料，并用热固性树脂采用炭纤维为增强材料，并用热固性树脂 为粘结剂，将原料充分混合； 冷压或热压成型 冷压或热压成型。第四节 国外最新研究第四节 国外最新研究金属纤维滑板、碳纤维滑板、添加自润滑功能 材料的金属基复合材料滑板(CuTi3SiCZ)、具有() 自润滑功能的无机非金属基复合材
16、料 (Ti3SiC2/SiC) 滑板替代传统的粉末冶金滑板与(Ti3SiC2/SiC) 滑板替代传统的粉末冶金滑板与 纯炭滑板 .本章小结本章小结受电弓是高速列车集电系统的重要零部件 受电弓是高速列车集电系统的重要零部件， 受电弓滑板的性能决定了受电弓的安全性； 受电弓滑板包含了纯金属滑板、炭滑板、 粉末冶金滑板、浸金属滑板及炭纤维复合粉末冶金滑板、浸金属滑板及炭纤维复合 材料滑板等。 机械强度耐磨损和润滑小的电阻率和机械强度、耐磨损和润滑、 小的电阻率和 接触电阻； 良好的耐热、耐弧性能； 轻量 化和标准化；耐侯性；成本低等性能是衡化和标准化；耐侯性；成本低等性能是衡 量滑板材料性能的关键因素。参考文献参考文献1. 张鹏. 铜石墨复合材料的成形. 北京交通大学出版社.2008.1 2. 蔡家园. 铜及铜合金相图. 北京:机械工业出版社,1993.
