Износ контактного провода и мероприятия по его снижению

Съем тока с контактного провода сопровождается изнашиванием контактного провода и контактных пластин (или вставок) токопри­емника. Износ провода и пластин зависит от их материала, значения снимаемого тока, качества токосъема (прежде всего в отношении искрения), состояния трущихся поверхностей и от других причин.

Изнашивание элементов скользящего контакта — сложный электро­механический процесс. Для удобства изучения износ разделяют на элект­рический и механический. Такое разделение весьма условно, поскольку электрические и механические явления в контакте взаимозависимы.

Электрический износ вызывается электрической эрозией метал­ла, т.е. испарением и выбросом металла под воздействием искровых и дуговых разрядов. Он зависит не только от плотности сни­маемого тока, но и от состояния контактирующих поверхностей, так как наличие «жестких» точек, вибрация провода, схватывание и задиры трущихся поверхностей нарушают стабильность контак­та, вследствие чего возрастает электрическая эрозия.

Механический износ является следствием таких видов воздействия при трении, как абразивное, окислительное, усталостное и др., которые за­висят не только от свойств материала контактного провода и токосъемных пластин, но и от состояния их поверхностей. В свою очередь элект­рическая эрозия вызывает повреждение контактирующих поверхностей и тем самым приводит к возрастанию механического износа.

Износ контактного провода зависит главным образом от матери­ала контактных пластин (вставок) токоприемников. Наибольший износ контактных проводов происходит при медных контактных пластинах, наименьший — при угольных вставках из порошковых и спеченных материалов. Износ провода в основном определяется зна­чением тока, снимаемого токоприемником: с увеличением тока он значительно возрастает. Поэтому на двухпутных участках износ про­вода на подъемах значительно (иногда в несколько раз) превосходит износ провода на спусках; заметное повышение его наблюдается так­же в местах трогания и разгона ЭПС.

На однопутных участках при двухстороннем движении средний из­нос провода примерно на 30 % выше, чем на двухпутных при односто­роннем движении, ввиду изменения характера механического износа.

Износ контактного провода в различных его точках — в струновом пролете, в пролете контактной подвески, в анкерном участ­ке, на перегоне — неравномерен. На износ контактного провода значительно влияет наличие на нем различных сосредоточенных масс — фиксаторов, питающих зажимов электрических соедини­телей, стыковых зажимов, средних анкеровок, а также резкое уменьшение эластичности подвески на сопряжениях анкерных уча­стков и воздушных стрелках.

Особым видом является волнообразный износ контактного про­вода (рис. 10.12). Волнообразный износ наблюдается в местах тро­гания и разгона ЭПС и на подъемах. Он характеризуется интенсив­ным электрическим износом и тяжелыми дуговыми повреждениями контактного провода на последовательно расположенных коротких участках (100—150 мм), разделенных еще более короткими (10—30 мм) участками с хорошо пришлифованной поверхностью.

Рис. 10.12. Схема возникновения и развития волнообразного износа кон­тактного провода: 1 — контактный провод; 2 — каркас полоза; 3 — медная (металлокерамическая) пластина; 4 — сухая графитовая смазка; 5 — элек­трическая дуга; I—VI — стадии развития волнообразного износа

Если с проводом соприкасаются не пластины, а слой плохо про­водящей, сухой графитовой смазки, то съем тока осуществляется через электрическую дугу, образуя первые две «волны» (I). После­дующие проходы полозов расширяют зону волнового износа про­вода и усиливают его там, где он уже возник (II—VI). • После установки на полозы внутренних (средних) пластин вол­нообразный износ прекращается. Однако средний ряд пластин дол­жен быть длинным (1 м), поскольку при коротких средних пласти­нах также возможен волнообразный износ (особенно в зоне фиксаторов). Кроме того, волнообразный износ неизбежно возни­кает в случае, если внутренние пластины утоплены по отношению к наружным и покрыты слоем сухой смазки, а также при избыточном нанесении этой смазки на полозы.

Таким образом, чтобы избежать волнообразного износа контакт­ного провода, удлиняют среднюю пластину, устанавливают ее по оси полоза, строго следят за тем, чтобы уровень внутреннего и наружного рядов пластин был одинаковым и смазка не возвышалась над пласти­нами. Это одновременно предупреждает и пережоги контактного про­вода. Широкие полозы рамной конструкции (например, у токоприем­ника 10РР) не вызывают, как правило, волнообразного износа провода.

Волнообразный износ не возникает и при использовании уголь­ных вставок (независимо от числа их рядов на полозе), так как они не требуют нанесения сухой смазки.

Измерение износа контактного провода выполняют с целью пре­дупреждения опасного уменьшения площади сечения провода, для ана­лиза характера и особенностей процесса изнашивания, изучения влия­ния отдельных факторов, влияющих на срок службы провода, и для планирования потребности в нем.

Правилами устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифицированных железных дорог установлены предельные зна­чения износа контактного провода, при которых делается вставка или производится замена провода. Значения показателей предельного из­носа медного, низколегированного и бронзового контактного провода приведены в приложении 3.

В процессе изнашивания контактного провода из-за уменьшения площади сечения возрастает растягивающее натяжение его мате­риала. Удельное натяжение медного и низколегированного кон­тактного проводов не должно превышать 100 Н/мм², а бронзово­го — 120 Н/мм². Для соблюдения этих условий в эксплуатации по мере изнашивания контактного провода снижают его натяжение, руководствуясь максимальным износом провода на анкерном уча­стке. При двух контактных проводах их натяжение снижают, ис­ходя из наибольшего износа одного из проводов.

Для измерения износа контактного провода применяют элект­ронные толщиномеры, скобы, микрометры, штангельциркули и другие ручные измерительные приборы; кроме того, выполняют автоматизированные измерения износа контактного провода при­борами вагона-лаборатории ВИКС.

Визуальный контроль с оценкой состояния рабочей поверхности контактного провода и выборочные измерения его износа (при изно­се до 25 %) совмещают с проведением технического обследования. При износе 25 % и более измерения проводят: при угольных вставках 1 раз в 2 года, при металлокерамических пластинах — 1 раз в год.

Износ измеряют последовательно на всем протяжении анкер­ного участка: в середине пролетов, у всех зажимов, установлен­ных на контактном проводе (струновых, фиксирующих, стыковых, средней анкеровки и питающих), а также в точках заметного по­вышенного местного износа. Измерения выполняют по обе сторо­ны всех зажимов (кроме струновых), при этом фиксируют значе­ния, соответствующие наибольшему износу.

На отходящих ветвях сопряжений анкерных участков, не вза­имодействующих с токоприемниками, выполняется только визу­альный контроль состояния провода без измерения износа.

При двух контактных проводах они обозначаются «левый» и «правый» относительно направления счета километров на участ­ке, независимо от номера пути и направления движения поездов по нему. При шахматном расположении струн измерения произ­водят у струнового зажима одного провода и рядом, в середине межструнового пролета второго провода.

Результаты замеров записывают в книгу состояния контактного провода, которая имеется в районах контактной сети. Затем под­считывают среднее арифметическое значение высоты контактного провода h для каждого анкерного участка (для двойного — раз­дельно правого и левого проводов). При этом данные замеров по вставкам отбрасывают. Далее по средней высоте сечения провода h определяют средний износ AS_cp, мм², для каждого анкерного участка. Данные о AS по установленной форме передают в дис­танцию электроснабжения.

Интенсивность изнашивания контактного провода в каждом ан­керном участке устанавливают по среднему удельному износу, мм²/10⁴ проходов ЭПС:

i_a = ∆S_cp/P*10^-4

где ∆S_cp— разница между значениями среднего износа провода анкерного участка за период между последним и предыдущим за­мерами, мм²;

Р — число проходов ЭПС ( электровозов или электросекций) по анкерному участку за период между измерениями.

Предусмотрено также определение коэффициента неравномер­ности износа на нескольких анкерных участках каждого перегона:

к_н = ∆S_{cp прокол}/∆S_{cp фикс}

где ∆S_{cp прокол},средний износ провода в середине пролетов, мм² ;

∆S_{cp фикс} - тоже у Фиксаторов. Этот коэффициент может быть как больше, так и меньше еди­ницы. Если он не достигает 0,8, то принимают меры по улучшению качества токосъема в зоне фиксаторов; если он превышает 1,2, то регулируют контактный провод в пролете по высоте.

Рис. 10.13. Износ контактного провода (по высоте) в пролетах контактной подвески по результатам 4-х измерений

Результаты измерений износа контактного провода можно пред­ставить в виде графиков:

• износа провода в пролетах для характерных участков или ти­пов контактных подвесок (рис. 10.13);

• среднего износа по анкерным участкам;

• среднего удельного износа по зонам, перегонам или участкам (рис. 10.14).

Снижению интенсивности изнашивания контактного провода, про­длению срока его службы уделяют большое внимание. С этой целью применяют угольные или металлоуглеродистые вставки, а также плас­тины из порошковых спеченных материалов (металлокерамические).

Угольно-графитовые материалы выгодно отличаются малой плот­ностью, большой термостойкостью, а следовательно — стойкостью к электрической эрозии. Они обладают отличными антифрикционны­ми свойствами (коэффициент трения в пределах 0,1—0,25) и высокой полирующей способностью, что позволяет снизить износ контактного провода при высокой изно­состойкости самих вставок.

Угольные вставки изготав­ливают двух типов: А — на коксовой основе (собственно угольные) и Б — на графито­вой (рис. 10.15). Графит снижа­ет электрическое сопротивле­ние вставок, но твердость их меньше. Обычная длина вста­вок — 240 мм, но могут быть

Рис. 10.14. График среднего удельного износа контактного провода по перегонам

Рис. 10.15. Профили угольных вставок: а — типа А; б — типа Б

длиной до 600 мм. Угольные вставки типа А не маркируют. Вставки типа Б обозначают на одной из боковых поверхностей риской глуби­ной 0,1—0,2 мм на высоте 16—20 мм от опорной поверхности подошвы.

Профиль вставок для конкретных условий выбирают макси­мально возможной площадью сечения при условии соблюдения требований по динамическому взаимодействию токоприемника с контактным проводом. Допускаемый ток токоприемника с уголь­ными вставками для режимов движения и стоянки ЭПС, а также перегрузочную способность токоприемника для режима движения выбирают такими, чтобы не было перегруза и непрерывного ис­крения по длине пути в скользящем контакте, т.е. чтобы не было возникновения непрерывной контактной электровзрывной эрозии.

Длительные допустимые токи токоприемников, полозы кото­рых имеют медную подложку и три ряда угольных вставок, приве­дены в табл. 10.3.

таблица 10.3

Примечания.

1. В числителе — допускаемый ток для однополозного токоприемника, в знаменателе — для двухполозного.

2. В режиме движения допускается кратковременная (в течение 1 мин) перегрузка на 40 % сверх указанных значений.

3. При двух контактных проводах в цепной подвеске ток для режима стоянки увеличивается в 1,5 раза.

4. Однополозный токоприемник с двумя рядами угольных вставок в режиме движения допускает ток 600 А.

Угольные вставки снижают интенсивность изнашивания кон­тактного провода по сравнению с медными пластинами в 3—4 раза и являются наиболее экономичными.

Спеченные материалы получают методом порошковой метал­лургии прессованием и последующим спеканием различных метал­лических и неметаллических (например, графитовых) порошков. Сочетание положительных свойств всех компонентов в этих мате­риалах дало возможность иметь такие их характеристики, кото­рые нельзя получить металлургическими методами.

На электровозах постоянного тока используют металлокера-мические пластины из порошкового спеченного материала на же­лезной основе (рис. 10.16) типа ВЖЗ. Такие пластины изготавли­вают методом прокатки из смеси порошков: железного (77 %), медного (22 %) и никелевого (1 %). Для улучшения эксплуатацион­ных свойств спеченные пластины типа ВЖЗ пропитывают в ав­токлаве жидким легкоплавким свинцовым сплавом, содержащим олово. Разработаны также металлоугольные пластины.

Основным положительным качеством пластин из спеченных ма­териалов является то, что они имеют относительно невысокое кон­тактное сопротивление между пластиной и проводом. Если принять это сопротивление для медных пластин за единицу, то при металло-керамических пластинах оно равно 1,5, а при угольных вставках — 3,5. В результате этого нагрузочная способность токоприемника с металлокерамическими пластинами в режиме стоянки (определяе­мая нагревом контактного провода) в 3 раза выше, чем у токопри­емников с угольными вставками.

Пластины из спеченного материала обеспечивают на стоянках съем тока с одиночного контактного провода однополозным то-

Рис. 10.16. Пластина из спеченного материала на железной основе

коприемником до 300 А. Такой ток могут потреблять на стоянке пас­сажирские электровозы (оборудованные однополозными токоприем­никами) при централизованном электроснабжении (отопление, венти­ляция, кондиционирование воздуха и др.) пассажирских вагонов. Опыт эксплуатации показал также эффективность применения контактных пластин из спеченного материала на железной основе на электровозах постоянного тока, снимающих большие токовые нагрузки. Пластины из спеченного материала обеспечивают эффективную работу уголь­ных вставок при их совместной эксплуатации.

Разработаны многослойные контактные пластины из спеченных ма­териалов, представляющие собой биметалл (сталь—спеченный ком­позиционный материал). Размер таких пластин 8 х 28 х 400 мм; проч­ность на разрыв 150—170 МПа, на изгиб 250—300 МПа; удельное электрическое сопротивление 0,3 Ом-мм²/м; при четырех рядах плас­тин на полозе нагрузочная способность токоприемника 2600 А.

Способность рабочего слоя многослойных пластин самосмазывать­ся позволяет уменьшить износ контактного провода на 30—50 % на участках, где электровозы потребляют большие токи.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается взаимодействие контактных подвесок и токоприемников ЭПС?

2. Какие характеристики определяют работоспособность токоп­риемника при различных скоростях движения ЭПС?

3. Что такое эластичность (жесткость) контактных подвесок?

4. По каким параметрам определяется качество токосъема?

5. От чего зависит износ контактных проводов и за счет чего его можно уменьшить?

6. В каких местах производится измерение износа контактного провода?

7. Какими приборами измеряют высоту сечения провода и как определяется износ контактного провода?

8. Какие применяются токосъемные вставки, пластины и их характеристики?

9. Чем различаются легкие и тяжелые токоприемники и на ка­ком подвижном составе они применяются?

10. От чего зависит износ токосъемных вставок и пластин на полозе токоприемника?