电力机车受电弓滑板的现状及发展趋势2(1)

电力机车受电弓滑板的现状及发展趋势

摘要：概述了影响电力机车受电弓滑板寿命的主要原因，阐述了国内一些不同材质滑板的特点和应用，分析受电弓滑板的发展趋势，指出碳基复合材料是今后电力机车滑动集电材料的主要发展方向。

关键词：电力机车；受电弓滑板；高速受流；磨损；材料

受电弓滑板是电力机车重要的集电元件，安装在受电弓的最上部，直接与接触导线接触，在滑动状态下从接触导线上获得100-1000A的电流为机车供应电力。随着列车速度的不断提高，对受电弓滑板的综合性能提出了越来越高的要求。列车高速运行，一方面，滑板表面摩擦产生的热量大大增加，致使滑板表面升温，引起滑板表面状况恶化；另一方面，当受电弓滑板遇到接触网上的“硬点”（分段绝缘器等）时会产生阶跃式的冲击，造成瞬间离线拉弧现象，在接触点处产生3000℃以上的高温，导致接触点软化甚至熔融，电烧蚀严重，致使滑板表面质量下降，摩擦因数增加，磨损加剧，因此对其材料性能有着十分苛刻的要求。滑板一般应满足以下性能：良好的导电性；抑制离线电弧的产生和抗电弧烧伤性；良好的减磨耐磨性；足够的强度；对自然环境强的适应性；小的电阻率和接触电阻；便于实现轻量化和标准化，对接触网导线损伤小，价格低等。 1. 滑板主要磨耗形式

滑板在滑动中从接触网导线上获得电流，与接触网导线构成了一对机械与电气耦合的特殊摩擦副，这种摩擦副中主要存在着两种性质的磨损—机械磨损与电气磨损。 （1） 机械磨损

机械磨损是滑板在接触网导线上滑动时由于二者之间发生摩擦或冲击而引起的磨损。摩擦是一种能量转换过程，有物理、化学、电化学等复杂现象。其中包括摩擦副材料及周围介质之间的相互作用，表层材料的转移等，摩擦结果导致磨损。

在压力作用下，相互接触的两物体表面因为摩擦，接触点产生瞬时高温，引起两特体发生粘着，相互移动时又将被剪切断开，使两物体发生滑溜。摩擦就是粘着与剪断交替进行的跃动式过程。摩擦时粘着点的形成和破坏导致磨损。摩擦表面有磨粒磨损痕迹，出现薄片状磨屑，在摩擦过程中加剧磨损。由于滑板沿导线高速滑行，其高温粘着，冲击碎裂倾向十分严重，由此造成的磨损在滑板总磨损中占有相当比重，可见提高抗粘着性和机械强度是减小滑板磨损的有效途径。 （2） 电气磨损

受电弓滑板与接触网导线的工作特性在本质上属于电接触范畴。其磨损情况也突出地表现出电磨损的特点。滑板与导线因某种原因接触不良或离线等将产生火花或电弧，引起电气磨损，并且会产生小雨滴状的磨屑。在接触受流时由于电流通过引起温升，据实际测定，滑板摩擦面上的温度可达250～600℃，导致接触表面物理状态发生变化，如氧化等，造成附加机械磨损，从而加大了总磨损。电气磨损的特点是磨损随受流量、离线时间及离线频率的增加而增大，因此接触导线电气磨损较为严重的情况一般在容易发生离线、导线与滑板接触质量较差处发生。此外，导线及滑板的缺陷处也往往是电气磨损严重的部位。磨耗与滑板的材料密切相关，还受到霜露雪等水分环境的氧化、腐蚀磨损。

2. 受电弓滑板材质分类及其性能特点

电力机车受电弓滑板是一种滑动摩擦集电材料，其种类有 纯金属滑板，粉末冶金滑板，碳滑板，浸金属碳滑板，复合材料滑板等。

（1）纯金属滑板

钢、铜等纯金属滑板机械强度高，取材方便，使用寿命长，成本低，引发弓网事故障碍概率小，但对接触导线磨耗大，特别对铜接触导线磨耗严重，现己不使用。如1961年我国第一条电气化铁道开通，接触导线为铜质导线，电力机车采用法国

进口电力机车，滑板为钢板条，列车最高运行速度小于70km/h。由于钢滑析和接触导线的亲和力较强，接触导线磨耗十分严重，运行不到5年，使用的TCG-100铜接触导线的高度由11.8mm磨耗为9.4mm。 （2）粉末冶金滑板

粉末冶金滑板分为铜基和铁基两类。铜基粉末冶金滑板机械强度较好，表面硬度适中，滑板和导线的磨耗比较匹配。针对粉末冶金滑板材质润滑较少、含油较低的缺点，铁道部科学研究院金属与化学研究所推出了机械复合式铜基粉末冶金滑板。这种滑板可随时提供润滑，大大地降低节对接触导线的磨耗，同时其自身的耐磨性也比较好，表面硬度稍高，不易出现断裂、不均匀磨损等现象，自身含有润滑材料，能减轻对导线的磨耗；但由于其表面硬度远高于铜线硬度，即使在润滑作用较好的前提下，对铜导线的磨耗也是比较大的。不少机务段在铜导线区段仍采用这种滑板，主要是为避免弓网故障的发生。 （3） 碳滑板

碳滑板对导线磨耗低，可延长导线使用寿命，但机械强度低，易出现断裂、掉块，引发弓网故障概率大，使用寿命短，适用范围受限制。碳滑板由碳条和铝托承担，使用寿命达几十万公里。产品中还带有安全气管，以确保在碳条发生断裂时受电弓能自选降落，从而保护电网。但这类整体式滑板目前仍然存在高速通过弯道时易挂弓和打弓、碳块断裂、与铝托粘接质量不稳定、价格偏高等问题。 （4） 浸金属碳滑板

分为整体式和组装式两类，具有较好的电学性能，基本解决了碳滑板机械强度低的问题，耐磨性能大为提高，能根本解决导线磨耗过快的问题；但抗冲击力不足，易出现掉块，使用过程中需要整形，价格过高，维护成本高。目前准高速电气化铁路使用的是从德国进口的浸金属滑板。随着干线电气化铁路和城市轻轨建设的快速发展及国际市场的变化，浸金属碳滑板

的需求量将会不断增大。 （5） 碳—铜复合材料滑板

是以镀铜石墨粉、铁粉、铬粉及钼铁合金中至少一种制成的硬质金属粉作为碳增强体，加以铜粉、锡粉组成的混合料经混合均匀压制成形，最后采用加压或常压的方式进行烧结而制成的。制备具有优良物理性能的碳—铜复合材料的关键是改善铜基体与碳增强体的润湿性，最有效的途径是机体合金化和碳增强体的表面处理。碳粉表面依次进行化学镀、电镀铜的方法，使碳粉粒子具有良好的导电性，且可通过控制电镀时间来控制镀层厚度，使碳粉在作复合填料方面有了更广泛的应用前景。 3. 结束语

我国现有电气化铁路，铜合金接触导线已达70%以上，根据货运重载、客运高速的发展方向，我国将重点发展电气化铁路，且大部分采用铜合金接触导线，因此我国今后受电弓滑板材料必须与铜合金接触导线相匹配。另外，经过提速，我国几大干线的部分区段线路设计速度已达200km/h，而且随着客运专线的逐步投入运行，电力机车运行的速度不断提高，受电弓滑板的振动将进一步加剧，离线现象将十分频繁，这就要求今后的滑板材料必须具有良好的耐拉弧性、抗冲击性和导电性。根据我国的国情和国外高速列车受电弓滑板材料的发展，不断开发铜系金属基体与碳系润滑剂比例合适的高强度、高冲击韧性、低电阻系数、低磨耗比，提高受电弓的动态受流性能的新型铜碳滑板材料是我国电力机车受电弓滑板材料的发展方向。

参考文献：

[1]丁红卫，王永第，许富强等，机车受电弓用新型粉末冶金滑板.2002

[2] 冯金柱.我国电气化铁路建设展望.2003

[3]胡建红,陈敬超,李强等.电力机车用滑动集电材料的研究及其选用.2004

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