接觸線與滑板材料及其關系研究

何勁松

0 引言

受電弓的設計和特性對運行質量具有舉足輕重的作用。如果高速接觸網配置了不適合高速的受電弓，就不會產生所期望的結果。相反，也不可能通過采用適合高速的受電弓將普通接觸網的最高速度提高到更大程度。為實現對高速列車的理想供電質量，必須有適合的接觸網和相應的高速受電弓的相互配合。

1 與接觸線磨損相關的基本概念

（1）接觸線磨損面積。

式中，S為接觸線磨損部分面積，mm2；R為接觸線橫截面的園半徑，mm；A為新接觸線厚度，mm；h為接觸線殘留厚度，mm。

（2）接觸線張力調整。

式中，S0為接觸線橫截面積，mm2；Tmax為新接觸線允許的最大張力，kN；T為接觸線磨損后可承受的最大張力，kN。

（3）接觸線磨耗標準。當全錨段接觸線平均磨耗超過接觸線截面積的 25%時應整錨段更換接觸線；接觸線局部磨耗達30%時應局部補強；接觸線局部磨耗達 40%時應將其切除并用接觸線接頭線夾連接，應保證接頭處過渡平滑。

2 受電弓用滑板材料

（1）弓網受流模式對滑板材料的技術要求。

a.為防止接觸線與滑板間的接觸電阻過大，引起發熱燒損接觸線和滑板，滑板的材料必須具有良好的導電性能。

b.由于接觸線和滑板處于高速滑動狀態，二者間必須具有良好的磨擦性和互潤性，以減少維修量、延長設備壽命。

c.滑板對接觸線或接觸線對滑板二者間不能造成損傷。

d.滑板應具有良好的韌性、耐沖擊性好，不會因沖擊而發生缺損或破裂，也不會因工作原因而產生大量粉性物質。

e.為減小受電弓的歸算質量，提高受電弓的跟隨特性，降低受電弓引起的沖擊和離線率，適合高速運行，滑板的質量要輕。

f.滑板為易耗品，為節約經費，其價格應低。

（2）磨損分為以下幾類：粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損、微動磨損、沖蝕和氣蝕。磨損形式見表1。對接觸線而言，最主要磨損有以下2種：

a.粘著磨損。粘著磨損分為輕微磨損和嚴重磨損。前者為氧化型磨損，沒有明顯粘著現象，后者為摩擦面出現金屬與金屬的接觸。

影響粘著磨損的因素與摩擦表面的潔凈度有關。越潔凈越易發生粘著磨損，其與表面成分和組織有關；同種金屬易發生粘著磨損，因此一對摩擦副應當選用不同晶體結構的材料。

b.腐蝕磨損。腐蝕磨損現象是在一定的環境條件下，摩擦表面上便發生與環境介質的反應并形成反應產物。這些產物在反復磨損過程中被磨去。

影響腐蝕磨損的因素有摩擦材料表面性質、環境組成和溫度。

表1 磨損形式特征表

（3）影響弓網磨耗的主要因素。滑板與接觸線的材質及其匹配、列車運行速度與電流、接觸壓力、懸掛類型與接觸線的平滑性、線路（主要是鋼軌）的平順性、環境條件。

在高速情況下（通常指300 km/h以上），機械磨耗比低速情況要小好幾倍。在高速情況下，即使發生 0.001 s的離線，也會產生 3 000 ℃～6 000℃的高溫，導致滑板熔化、蒸發和消耗。因此，高速滑板重點需解決電磨耗和壽命問題。

（4）滑板應用注意事項。同一線路應采用同種材質的滑板，否則，金屬滑板會使接觸線粗糙，從而縮短石墨滑板的壽命。

在混用情況下，如遇下雨，其壽命會更短。這是因為附著在接觸線上的石墨隨雨水流失的緣故。

全部列車采用石墨滑板，在和接觸線磨合后，雨水的影響不會像混用時那樣大。石墨滑板曾采用金屬噴涂法（將細銅絲屑和粉末等混合）來降低電阻和提高韌性。

鋁系滑板如用陶瓷強化，在干燥情況下，具有與鐵系滑板相同的耐磨性。因其電阻小、質量也小，因而能減小受電弓滑板體的懸掛質量，適合高速應用。但下雨時，因產生電弧會使磨損劇增。

3 受電弓滑板應用情況及分析

國內目前一般有以下5類受電弓滑板：金屬滑板、碳滑板、鐵基粉末冶金滑板、銅基粉末冶金滑板、浸金屬碳滑板。

（1）金屬滑板。20世紀六七十年代電力機車均采用鋼或銅滑板。優點是機械強度高，取材方便，使用壽命長，成本低，引發弓網故障的幾率小；缺點是接觸線磨耗大，特別是對銅接觸線的磨耗嚴重。該滑板只能在采取潤滑措施條件下，在鋼鋁線區段使用，不得在混架區段和銅接觸線區段使用。

（2）碳滑板。優點是比較理想的取流元件，對降低接觸線磨耗，延長接觸線使用壽命有利；缺點是機械強度較低，在沖擊力作用下，易出現斷裂、掉塊的現象，引發弓網故障的幾率較大，同時還存在滑板的不均勻磨耗現象，如果整形不及時，會使受電弓離線率增大，加劇滑板與接觸線的電氣磨損。使用壽命較短，因損傷更換數量極多，使用范圍受到限制。

目前，國內京津、武廣、鄭西客運專線上運行的CRH系列動車組的受電弓滑板采用碳滑板，利用碳滑板良好的自潤性及耐電弧性，滿足高速弓網的動態需求，延長接觸網系統的使用壽命。為避免損壞后的受電弓繼續運行，高速列車的受電弓均安裝了自動降弓裝置，一旦滑板嚴重受損，受電弓可快速降下，避免損壞后的受電弓刮傷接觸網。

（3）鐵基粉末冶金滑板。該類滑板在鋼鋁接觸線區段得到廣泛應用，效果較好。優點是滑板機械強度較好，表面硬度稍高，不易出現斷裂、不均勻磨損等現象，而且自身含有潤滑材料，能減輕對接觸線的磨耗；缺點是表面硬度遠高于銅線硬度，即使在潤滑作用較好的前提下，對銅接觸線的磨耗也比較大。

（4）銅基粉末冶金滑板。運用結果表明：該類滑板用于銅接觸線區段，因其機械強度較好，表面硬度適中，滑板和接觸線的磨損比較合理（在采取潤滑措施條件下滑板的磨耗率為 0.9～1.1 mm/萬km）。

（5）浸金屬碳滑板。國外采用的是整體式滑板，國內為組裝式滑板，兩者各有優點。一般而言，整體式優于組裝式。組裝式盡管可以更換其受損滑板塊，但必須整形后才能使用，同時電氣連接性能受到損害；整體式除局部損壞嚴重須報廢外，局部小損壞可以通過整形恢復性能，電氣性能好，但成本較高，制造要求高。

基本解決了碳滑板機械強度低的問題，耐磨性大為提高，能夠達到3萬km左右的運用基本要求，同時能根本解決接觸線磨耗過快的問題。

缺點是抗沖擊能力不足，出現掉塊，運用過程中需進行1～2次整形，以保證滑板的表面平滑性，控制受電弓離線率和電氣磨損，價格過高，維護成本高，給機務段帶來較大的經濟壓力。

浸金屬碳滑板既具有粉末冶金滑板機械強度高、電阻率小的特點，又具有純碳滑板對接觸線磨耗小、在接觸線摩擦表面易形成潤滑膜和熄弧性強的優良性能，是目前被認為對線適應能力較強的滑板類型。

經每萬弓次統計，浸金屬碳滑板對銅接觸線的磨耗比碳滑板的高10%～20%，僅為粉末冶金滑板的1/6～1/4；滑板自身磨耗量是粉末冶金滑板的2.2倍，是純碳滑板的1/4～1/3。該滑板是銅接觸線區段較為理想的受電弓滑板。

4 結論

隨著列車速度的提高，弓網相互作用變得越來越重要，受電弓和接觸網設備是2個獨立接觸點上相互震蕩和耦合的系統，所以接觸線與滑板材料及其關系是保證弓網良好受流的基礎。