ЭКСПЛУАТАЦИЯ ТОКОСЪЕМНЫХ ВСТАВОК ИЗ НОВОГО МАТЕРИАЛА «РОМАНИТ-УВЛШ» НА ОСНОВЕ НАНОСТРУКТУР.

Э. Д. ТАРТАКОВСКИЙ, д-р техн. наук, (УкрГАЖТ), С. М. РОМАНОВ, канд. техн. наук, (ООО „Интермет), Д. С. РОМАНОВ, инженер (ООО Интермет).

 

Железные дороги ГП «Укрзшпзнищ» имеют энергообеспечение как на постоянном, так и на переменном токе. Донецкая и Приднепровская железные дороги работают только на постоянном токе. Одесская и Юго-Западная железные дороги работают на переменном токе. А Южная и Львовская железные дороги имеют сопрягаемые участки как переменного, так и постоянного тока.

Поэтому на железных дорогах ГП «Укрзашзнищ» эксплуатируются самые разнообразные типы токосъемных вставок и самых разнообразных производителей.

На дорогах и участках постоянного тока эксплуатируются следующие токосъемные вставки:

1.  Медные и металлические композиционные токосъемные вставки:

  • Медные, российского производства;
  • Медные, изготовленные из шин сгоревших тяговых электродвигателей;
  • Медные,   со   вставками   из   природного   графита,   НМГ-1200,   выпускаемые   НТЦ «Реактивэлектрон» г. Донецк.
  • Металлокерамические ВЖЗП, пропитанные свинцом, российского производства;
  • Меднографитовые МГ-487, импортируемые из Словакии. Основными недостатками этих токосъемных вставок являются [1-2]:
  • Довольно высокий коэффициент трения;
  • Схватывание     поверхностей     контактов,     что     вызывает     повышенный     износ контактируемых поверхностей;
  • Недостаточная дугостойкость этих материалов не может противостоять воздействию электрических дуг, возникающих при токосъеме;
  • Электровзрывная  эрозия материала вставки и контактного  провода в результате искрения при токосъеме;
  • Пропилы на поверхности вставки, что приводит к обрыву контактного провода;
  • Сравнительно высокая интенсивность изнашивания контактного провода;
  • Относительно низкая стойкость этих токосъемных вставок. Стойкость этих токосъемных вставок составляет не более 60-80 тыс. км.

Токосъемные вставки МГ-487 содержат до 10% особо вредного свинца, а металлокерамические ВЖЗП - до 20%, который при истирании вставок распыляется в окружающую среду, что недопустимо с экологической точки зрения.

Токосъемные вставки НМГ-1200 имеют сотовую структуру. Ячейки, образованные в цельной медной пластине на глубину рабочей зоны заполняются природным графитом со связкой. В этом случае графит выполняет роль обычной графитовой смазки. Поэтому не удается достичь повышение стойкости токосъемных вставок НМГ-1200 и существенного снижения износа контактного провода относительно других токосъемных вставок, применяемых на железных дорогах Украины.

2.  Углеграфитовые токосъемные вставки типа Б самых разных типов и самых разных производителей.

Основными недостатками углеграфитовых токосъемных вставок являются [3-4]:

- Низкая электропроводность, теплопроводность и механическая прочность;

-   Высокое переходное сопротивление в паре вставка - контактный провод, что приводит к повышенному выделению тепла в зоне контакта. Мощность тепловой энергии,
которая выделяется в зоне контакта графит - контактный провод, в результате большого падения напряжения [1], на порядок выше, чем в зоне металлическая токосъемная вставка -контактный провод. В силу этого, при использовании углеграфитовых токосъемных вставок на железных дорогах постоянного тока, где плотность тока высокая, полоз пантографа нагревается докрасна, и в углеграфитовых вставках образуются пропилы. В результате низкой износостойкости углеграфитовых токосъемных вставок их ходимость составляет 5-15 тыс. км. (протокол Совещания от 3.08.2005г. Красный Лиман).

-  Размягчение и разрушение контактного провода, в результате высокого переходного сопротивления в паре вставка - контактный провод. При высокой плотности снимаемого тока контактный провод на расстоянии 2 мм от поверхности контактов нагревается более 95°С [1].

-  Сильное искрение, что приводит к обгоранию краски электровоза и забрызгиванию верхней фары, что является очень небезопасным при его движении.

На дорогах и участках переменного тока для электроподвижного состава всех серий применяются угольные вставки на коксовой основе.

Основными недостатками угольных токосъемных вставок являются [3-4]:

-  Высокое удельное электросопротивление, УЭС составляет 30 - 35 мкОм-м;

-  Низкая прочность;

-  Низкая стойкость. В благоприятный летний период пробеги угольных вставок составляют 20 - 25 тыс. км. [1].

-  Крайне низкая стойкость в сырые периоды года и полная их неспособность работать при дуговом токосъеме, который возникает в сырые периоды года. Весной и осенью пробеги угольных вставок не превышают 12 тыс. км. [1].

-  Неспособность работать в зимнее время. В периоды резкого понижения температуры воздуха и наличия на контактном проводе устойчивой изморози наблюдается интенсивное искрение и дугообразование, что приводит к интенсивному износу контактного провода в результате электровзрывной эрозии [1]. Зимой пробеги угольных вставок составляют несколько тысяч и даже сотен километров [1].

Еще хуже обстоят дела при совместной эксплуатации на сопряженных участках переменного и постоянного тока на Южной и Львовской железных дорогах токосъемных вставок из композиционных материалов на медной или железной основе и углеродных композиций. Опыт смешанной эксплуатации токосъемных вставок из композиционных материалов на медной или железной основе и углеродных композиций показал, что интенсивность изнашивания медного провода, начиная с тока 20...30 А, возрастает на порядок.

Механизм такой несовместимости связан с тем, что при эксплуатации угольных вставок поверхностный слой контактного провода рекристаллизуется на глубину до 1 мм, а при эксплуатации токосъемных вставок из композиционных материалов на медной или железной основе интенсивно нагартовывается [4]. В случае совместной эксплуатации токосъемные вставки из композиционных материалов на медной или железной основе работают как абразив, интенсивно изнашивая контактный провод и изнашиваясь сами.

Поэтому большой интерес представляет создание универсальных вставок для эксплуатации в линиях как постоянного, так и переменного тока.

С 2005 года на железных дорогах Украины эксплуатируются токосъемные вставки из нового фуллерено-углеродного материала «Романит-УВЛШ» [5]. Эти вставки хорошо себя зарекомендовали как на линиях постоянного, так и на линиях переменного тока.

Токосъемные вставки из нового фуллерено-углеродного материала «Романит-УВЛШ» состоят из стальной подложки 1 толщиной 2 мм и рабочего слоя 2 толщиной 7 мм (рис. 1).

Рис. 1 Токосъемная вставка из нового фуллерено-углеродного материала «Романит-УВЛШ»

 

Установка токосъемных вставок 1 и 2 из нового фуллерено-углеродного материала «Романит-УВЛШ» показана на (рис. 2).

Рис. 2 Установка токосъемных вставок на лыжу полоза пантографа.

Конструкция токосъемных вставок из нового фуллерено-углеродного материала «Романит-УВЛШ» позволяет токосъем осуществлять непосредственно с рабочего слоя токосъемной вставки (рис. 3).

Введение в состав рабочего слоя токосъемной вставки фуллеренов углерода позволило довести содержание графита в рабочем слое до 60 об. %.

Токосъемные вставки из нового фуллерено-углеродного материала «Романит-УВЛШ» пропитываются индустриальным маслом И-40. Фуллерены углерода, входящие в состав материала «Романит-УВЛШ», благодаря пустоте кристаллической решетки хорошо впитывают в себя масло (рис. 4).

Рис. 4. Фуллерен углерода С60 с частичкой масла индустриального И-40 внутри.

Новый фуллерено-углеродный материал «Романит-УВЛШ» с гранулами графита [6] прошел во ВНИИЖТ сравнительные испытания со вставками, изготовленными по технологии НИИУгли г. Кинешма и вставками, выпускаемыми заводом «Электроконтакт» г. Кинешма. Сравнительные испытания осуществлялись на машине трения в режиме сухого трения в паре с медным контртелом при нагрузках 0,7; 1,4 и 3,18 МПа при скорости скольжения 0,41 м/с. Медное контртело имитировало контактный провод и изготавливалось из металла со степенью деформации 60%. Определялся весовой износ по убыли массы образцов на пути 2575 км. Результаты испытаний представлены в таблице 1.

Таблица 1

Сравнительный износ контактного провода и токосъемных вставок

Как видно из данных таблицы 1, вставки НИИУгли вызывают больший износ медного контртела, хотя сами изнашиваются меньше, чем вставки, выпускаемые заводом «Электроконтакт». Особенно высокими антифрикционными свойствами обладают вставки из материала «Романит-УВЛШ» с гранулами графита, изготовленными по технологии, предложенной НАН Украины.

При эксплуатации токосъемных вставок из фуллерено-углеродного материала «Романит-УВЛШ» с гранулами графита [7-10] не требуется закладка графитовой смазки. Эксплуатация   токосъемных   вставок   из   фуллерено-углеродного   материала      «Романит-УВЛШ» с гранулами графита при общем содержании графита 20 об. % на электровозах ВЛ8 в условиях Донецкой железной дороги не показала значительных отличий по стойкости этих вставок при их применении со смазкой СГСД и без нее (табл. 2). При эксплуатации токосъемных вставок из материала «Романит-УВЛШ» с гранулами графита без смазки СГСД их стойкость оказалась даже несколько выше. Кроме того, эксплуатация токосъемных вставок из материала «Романит-УВЛШ» с гранулами графита на электровозах ВЛ8 без закладки смазки показала более равномерный износ токосъемных вставок.

Срок службы токосъемных вставок из материала «Романит-УВЛШ» с гранулами графита на электровозах ВЛ8 в условиях Донецкой железной дороги составил один год при пробеге электровоза 95150 км, что оказалось значительно выше стойкости применяемых в настоящее время металлокерамических вставок. За период эксплуатации токосъемных вставок из материала «Романит-УВЛШ» с гранулами графита случаев обрывов и пережогов контактной сети и ее износ не наблюдался.

Таблица 2 Пробег электровозов ВЛ 8, оборудованных токосъемными   вставками из фуллерено-углеродного материала «Романит-УВЛШ», на путях Донецкой железной дороги.

Токосъемные вставки из фуллерено-углеродного материала «Романит-УВЛШ» с гранулами графита, благодаря пустоте кристаллической решетки фуллеренов, хорошо впитывают масло. Поэтому, при подготовке токосъемных вставок к эксплуатации на Южной и Львовской железных дорогах, было увеличено содержание фуллеренов в них, что позволило увеличить общее содержание графита в материале вставки до 60 об. %. Кроме того, была произведена их пропитка индустриальным маслом И-40 с добавлением в него мелкодисперсных алмазов. Мелкодисперсные алмазы представляют собой «шарики», утыканные большим количеством тончайших «иголок». Попав внутрь кристаллической решетки фуллеренов и имеющиеся поры материала, ультрадисперсные алмазы, при подаче в зону трения смазки, притягивают капельки смазки, которые насаживаются на тончайшие «иголки» ультрадисперсных алмазов и прочно удерживаются на них. Это обеспечивает прочное закрепление множества капель масла в порах порошкового слоя биметалла, что обеспечивает постоянное нахождения масла между поверхностями трения и резко снижает коэффициент трения. Для определения фазового состава фуллерено-углеродного материала Романит-УВЛШ» с гранулами графита был применен растровый электронный микроскоп РЭМ JSM-T300. Исследования проводились с использованием детекторов вторичных (SEI) и отраженных (BEI) электронов, четырехкристального волнового спектрометра и энергодисперсионной системы анализа «Link 860-500» при увеличениях от 100 до 5000 крат, ускоряющем напряжении 20 кВ и силе тока 1...100 нА. Количественное соотношение легирующих элементов в фуллерено-углеродном материале «Романит-УВЛШ» с гранулами графита исследовалось на установке фирмы «Camebax» в режиме растровой электронной микроскопии методом маршрутного и локального микрозондирования, а также съемки структуры в характеристическом Ка - излучении. Истинный фазовый состав структурных составляющих, получаемый локальным микроанализом, рассчитывался по фактическим атомным процентам компонентов с учетом трех видов поправок: на поглощение линий другими элементами, на селективное возбуждение другими элементами и на атомный номер по методике, предложенной Бирком [11].

Электронномикроскопические исследования по интенсивности Ка - линий элементов подтверждают содержание до 60% в фуллерено-углеродном материале «Романит-УВЛШ» с гранулами графита (рис. 5).

Электрическое сопротивление фуллерено-углеродного материала «Романит-УВЛШ» с гранулами графита, пропитанного индустриальным маслом И-40, определялось на установке измерительной «Metrel» Ml 2094 при сопротивлении цепи заземления у=±3% и токе 0-30 А. Электрическое сопротивление определялось на образце размерами 10мм х 100мм х 50мм измерительным током 25 А. Точки приложения испытательного тока по длине L = 100 мм через верхнюю и нижнюю пластины вместе. Полученное в результате измерений электрическое сопротивление R=0,004 Ом.

Удельное электрическое сопротивление рассчитывалось по формуле:

р - RxS/L = 0,004 х 5/0,1 = 0,2 мкОмхм;

где: р - удельное сопротивление в мкОмхм, R - сопротивление проводника в Ом, S - площадь сечения проводника в мм2, L - длина проводника в м.

Результаты определения электрического сопротивления фуллерено-углеродного материала «Романит-УВЛШ» с гранулами графита, пропитанного индустриальным маслом И-40, показали, что его удельное электрическое сопротивление более чем на 30% меньше удельного электрического сопротивления лучших материалов, применяемых в настоящее время для токосъемных вставок.

Токосъемные вставки из фуллерено-углеродного материала «Романит-УВЛШ» с гранулами графита, пропитанные индустриальным маслом И-40, содержащим мелкодисперсные алмазы, были установлены на двухсекционные грузопассажирские электровозы ВЛ82м переменно-постоянного тока питания (табл. 3) приписки локомотивное депо Купянск и эксплуатировались в грузовом режиме с поездами весом до 6 000 тн на участках переменного и постоянного тока питания без применения смазки СГСД.

Таблица 3

Пробег электровозов ВЛ82м, оборудованных токосъемными вставками из материала «Романит-УВЛШ», на участках постоянно-переменного тока Южной железной дороги

За период эксплуатации токосъемных вставок из материала «Романит-УВЛШ» с гранулами графита, пропитанных индустриальным маслом И-40, содержащим мелкодисперсные алмазы, в течение 8-12 месяцев состояние вставок хорошее. Рабочая поверхность гладкая со следами награфичивания, темная зеркальная, с небольшой зернистостью. Следы влияния электрической дуги, натягивания меди, подгаров, пропиловки, трещин и сколов, искрение и забрызгивание графитовой пылью высоковольтного крышного оборудования и лобовой части электровозов и передней фары в грузовом движении, а в пассажирском движении и передних вагонов - отсутствуют.

Стандарт:

С К      СаСОЗ 08/07/05

Аl К     Аl203    08/07/05

Si К     Si02-s    25/06/07

Fe К      Fe         06/07/05

Си К     Сu        07/07/05

 

Элемент

Спектр

Элемент

Ат. веса

 

Линии

%

%

С К

ED

57.60

63.91

Аl К

ED

0.23

0.12

Si К

ED

0.47

0.22

Fe K

ED

0.29

0.07

Сu К

ED

41.40

35.68

Всего:

 

100.00

100.00

      0                  2                   4                  6                   8                   10

                                                                                                        Энергия (кВ)

Рис. 5 Рентгенограмма распределения элементов в фуллерено-углеродном материале «Романит-УВЛШ» с гранулами графита.

 

Прогнозируемый пробег электровозов с токосъемными вставками из фуллерено-углеродного материала «Романит-УВЛШ» с гранулами графита при общем содержании графита до 60 об. %, пропитанными индустриальным маслом И-40, содержащим мелкодисперсные алмазы, должен составить более 250 тыс. км, что в 4,2 раза больше применяемых в настоящее время металлокерамических ВЖЗП и более чем в 100 раз больше угольных вставок производства ООО «Глория» г. Запорожье. В результате эксплуатации токосъемных вставок из фуллерено-углеродного материала «Романит-УВЛШ» с гранулами графита на линиях постоянного и переменного тока депо Купянск получило значительный годовой экономический эффект, который, по данным депо, составил 22 361 грн на один электровоз. При расчете депо Купянск годового экономического эффекта не учитывались затраты на покраску электровозов, производимую один раз в квартал, по причине обгорания краски в результате искрения используемых им углеродных токосъемных вставок.

Применение на линиях постоянного и переменного тока токосъемных вставок из фуллерено-углеродного материала «Романит-УВЛШ» с гранулами графита снимает вопросы нарушения техники безопасности, которые возникают при применении углеродных токосъемных вставок. При использовании углеродных токосъемных вставок происходит забрызгивание верхней фары электровоза графитом, что приводит к снижению видимости в ночное время при его движении.

Результаты эксплуатации токосъемных вставок из фуллерено-углеродного материала «Романит-УВЛШ» с гранулами графита, пропитанных индустриальным маслом И-40, содержащим мелкодисперсные алмазы, в локомотивном депо Купянск подтверждаются их эксплуатацией на Львовской железной дороге.

13 октября 2006 года на электровозе ВЛПм-089, эксплуатирующимся в грузовом движении, были установлены токосъемные вставки из фуллерено-углеродного материала «Романит-УВЛШ» с гранулами графита при общем содержании графита до 60 об. %, пропитанные индустриальным маслом И-40, содержащим мелкодисперсные алмазы. За 4 месяца эксплуатации электровоз ВЛПм-089 прошел 42 178 км, максимальный износ вставок в средней части составил 2,1 мм. За период эксплуатации поверхность токосъемных вставок из материала «Романит-УВЛШ» имеет ровную и гладкую темную зеркальную поверхность по всей рабочей зоне. Трещин, сколов, вырывов, стружки контактного провода на контактной поверхности вставок и нарушения их крепления не выявлено. Статические характеристики отвечали норме. Случаев повреждения контактного провода не зафиксировано. Электровоз с токосъемными вставками из фуллерено-углеродного материала «Романит-УВЛШ» с гранулами графита на Львовской железной дороге эксплуатировался в горных условиях при неудовлетворительных, сложных погодных условиях (эксплуатировался в зимнее время). При эксплуатации в сложных условиях ожидаемая стойкость токосъемных вставок из фуллерено-углеродного материала «Романит-УВЛШ» с гранулами графита 125 тыс. км.

Срок службы применяемых в настоящее время металлокерамических токосъемных вставок ВЖЗП, по данным Львовской железной дороги, составляет 1,3 месяца. Следовательно, прогнозируемая стойкость токосъемных вставок из материала «Романит-УВЛШ» в 8,8 раз выше стойкости металлокерамических ВЖЗП, применяемых в настоящее время.

Выводы

1.Как было указано выше в статье, применяемые в настоящее время токосъемные вставки композиционные на основе меди и железа и на основе углерода обладают целым рядом существенных недостатков, которые влияют на качество их эксплуатации и безопасность движения.

2.Отсутствуют универсальные токосъемные вставки для работы, как на линиях постоянного тока, так и на линиях переменного тока.

3.Перевод электрического транспорта железных дорог Украины на универсальные токосъемные вставки из материала «Романит-УВЛШ» с гранулами графита, пропитанного индустриальным маслом И-40, содержащим мелкодисперсные алмазы, позволит:

3.1.Увеличить, более чем в 4 раза пробег электровозов без замены токосъемных вставок на линиях постоянного тока и, более чем в 100 раз на линиях переменного тока и получить при этом значительный годовой экономический эффект, который, по данным депо Купянск, составляет 22 361 грн на один электровоз.

3.2.Исключить применение медной подложки под вставку и графитовую смазку СГСД, что также уменьшит затраты на эксплуатацию.

3.3.Существенно уменьшить износ контактного провода.

 

Список литературы

1.Берент В. Я. Перспективы улучшения работы сильноточного скользящего контакта «контактный провод - токосъемный элемент полоза токоприемника. // Железные дороги мира. - 2002 - № 10-http ://www. css-mps.ru/zdm/l0-2002/02190-l .htm-C. 1-5.

2.Гершман И. С. Токосъемные углеродно-медные материалы. // Вестник ВНИИЖТ. -2002 - № 5- http ://www .css-mps.ru/vestnik-vniizht/v2002-5/v5-4_l /htm-C.l-4.

З.Гершман И. С, Бучнев Л. М. Токосъемные углеродные материалы нового поколения. // Вестник ВНИИЖТ. - 2003 - № 6- http ://www .css-mps.ru/vestnik-vniizht/v2003-6/V6-2_l /htm-С.1-5.

4.Гершман И. С, Буше Н. А., Берент В. Я. Термодинамические аспекты существования устойчивых структур на поверхности сильноточных скользящих контактов. // Трение и износ.-т. 10-1989-  № 2 - С. 225-230.

5.Романов С. М., Романов Д. С. Заявка № А200610502 от 04.10.06г. на выдачу патента Украины «Антифрикцшний матер1ал Романгг-УВЛШ, cnoci6 його отримання i елемент вузла тертя».

б.Романов С. М. Новые антифрикционные материалы с шаровидным графитом. //Теория и технология производства порошковых материалов. Сборник научных трудов -Новочеркасск: НГТУ - 1993 - С. 87-90.

Т.Романов С. М., Романов Д. С. Евразийский патент № 004351 «Антифрикционный материал, способ его получения и элемент узла трения». - Выдан 29.04.2004.

8.Романов С. М, Романов Д. С. Патент Украины № 47235 «Антифрикцшний MaTepian Романгг-Н, cnoci6 його отримання i елемент вузла тертя".- Опубл. у Офщшному бюлетеш "Промислова власнють", 15.05.2003, № 5.

9.Романов С. М, Романов Д. С. Патент Российской Федерации «Антифрикционный материал Романит-Н, способ его получения и элемент узла трения». - Зарег. В Государственном реестре изобретений Российской Федерации, 27.02.2004.

Ю.Романов С. М, Романов Д. С. Патэнт Рэспублш Беларусь «Антифрикционный материал Романит-Н, способ его получения и элемент узла трения». - Зарэг. Y Дзяржауным рэестры вынаходствау 2005.06.28.

П.Бирко Л. С. Рентгеновский микроанализ с помощью электронного зонда. - М.: Металлургия. - 1966. - 216 с.

 

 

СПРАВКА ОБ АВТОРАХ

статьи «Эксплуатация токосъемных вставок из нового материала «Романит-УВЛШ» на основе наноструктур».

1.  Э. Д. Тартаковский - Заведующий кафедрой «Эксплуатация и ремонт подвижного состава УкрГАЖТ», доктор технических наук.

2.  С. М. Романов - Президент    общества с ограниченной ответственностью   «Интермет», кандидат технических наук.

3.  Д. С. Романов - Заместитель    генерального    директора    общества    с    ограниченной ответственностью «Интермет».

Наш рейтинг

Электронные закупки