ЗАЖИМ ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ПРОВОДОВ КОНТАКТНОЙ ПОДВЕСКИ

Полезная модель относится к области электрификации железных дорог, в частности к оборудованию подвески контактной сети.
В системе тягового электроснабжения существует проблема повышения надежности устройств электрификации. Одной из причин ненадежной работы контактной подвески являются обрывы контактных проводов, несущих тросов, или усиливающих фидеров. Это связанно с нагревом токопроводящих зажимов, устанавливаемых на провода подвески. В свою очередь нагрев зажимов обусловлен увеличением переходного электросопротивления за счет образования на контактной поверхности зажима окисных пленок [1].
В известных устройствах снижение переходного электросопротивления в токоведущих зажимах достигается либо увеличением площади контактной поверхности зажима, либо удалением механическим способом окисных плен путем чистки контактных поверхностей зажима, либо нанесением слоя на контактную поверхность зажима материалом с более низким электросопротивлением, чем материал контактной поверхности зажима, являющимся наиболее прогрессивным путем в решении существующей проблемы.
Известен зажим для соединения проводов контактной подвески, в котором снижение переходного электросопротивления достигается нанесением материала на контактную поверхность зажима [2].
-8
-8
Зажим содержит две плашки, каждая из которых выполнена с контактным слоем. Обе плашки выполнены с желобами в форме полуцилиндра для размещения в них проводов. Контактный слой непосредственно взаимодействует с соединяемыми проводами. Плашка выполнена из медно-алюминиево-железистой бронзы, которая имеет удельное электросопротивление равное 5,2×10 Ом·м. Контактный слой зажима выполнен из алюминия, который имеет удельное электросопротивление равное 2,7×10 Ом·м. Алюминиевый слой нанесен плазменным напылением толщиной 400-700 мкм.
Плашки скреплены между собой двумя болтовыми соединениями.
Известный зажим обеспечивает достаточную надежность на начальных этапах процесса эксплуатации. Это обусловлено низким переходным электросопротивлением токопроводящего зажима за счет нанесения слоя из алюминия, имеющего более низкое электросопротивление, чем медно-алюминиево-железистая бронза. Переходное электросопротивление на первоначальном этапе после изготовления составляет 20,96-24,25 мкОм, что соответствует максимальному регламентируемому параметру переходного электросопротивления в 25 мкОм, в соответствии с требованиями ГОСТ 17441-84 "Соединения контактные электрические" и ГОСТ 12393-77 "Арматура контактной сети для электрифицированных железных дорог".
Однако в условиях эксплуатации в результате взаимодействия алюминия с кислородом воздуха образуется окисная пленка. Это приводит к увеличению переходного электросопротивления контактных поверхностей до 35-38%, т.е. до 28,3-32,74 мкОм. Переходное электросопротивление контактных поверхностей превышает регламентируемый параметр переходного электросопротивления на 13-31%. Увеличение переходного электросопротивления приводит к нагреву контактной поверхности зажима, что активизирует взаимодействие контактной поверхности зажима с кислородом воздуха. При этом толщина окисной пленки увеличивается и переходное электросопротивление возрастает еще на 30-34% (до 36,79-42,56 мкОм). Такое электросопротивление обеспечивает перегрев токоведущего зажима, что приводит к разрушению рассматриваемого узла контактной подвески.
В результате этого надежность токоведущего зажима значительно снижается и не удовлетворяет требованиям регламентируемого параметра переходного электросопротивления, что является недостатком известного зажима.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является зажим для соединения проводов контактной подвески, в котором снижение переходного электросопротивления также достигается нанесением
на контактную поверхность зажима покрытия из материала с более низким электросопротивлением [3].
-8
-8
Известный зажим для соединения проводов контактной подвески содержит две плашки, каждая из которых выполнена с контактным слоем. Плашки выполнены с двумя желобами разных форм для размещения в них проводов соответствующего сечения. Первый желоб выполнен в форме полуцилиндра для размещения проводов круглого сечения. Второй желоб выполнен в форме паза контактного провода для соединения зажима с проводом фасонного сечения. Контактный слой непосредственно взаимодействует с соединяемыми проводами. Плашки выполнены из нержавеющей стали, которая имеет удельное электросопротивление равное 100×10 Ом·м. Контактный слой выполнен из меди, которая имеет удельное электросопротивление равное 1,724×10 Ом·м. Медь нанесена либо плазменным напылением, либо порошковым прессованием, либо электрохимическим осаждением. Толщина нанесенного слоя меди составляет 200-400 мкм.
Плашки скреплены между собой двумя болтовыми соединениями.
Достоинством известного зажима является более высокая надежность эксплуатации зажима по сравнению с аналогом. Это обусловлено более низким переходным электросопротивлением токопроводящего зажима за счет медного слоя контактной поверхности, имеющего более низкое электросопротивление, чем алюминиевый слой. Переходное электросопротивление на первоначальном этапе после изготовления составляет 13,3-15,25 мкОм, что значительно ниже максимального регламентированного значения, в соответствии с требованиями ГОСТ 17441-84 "Соединения контактные электрические" и ГОСТ 12393-77 "Арматура контактной сети для электрифицированных железных дорог".
Однако в условиях эксплуатации в результате взаимодействия меди с кислородом воздуха образуется окисная пленка. Это приводит к увеличению переходного электросопротивления контактных поверхностей до 32-35%, т.е. до 17,96-20,61 мкОм за более длительный период эксплуатации по сравнению
с алюминиевой контактной поверхностью. Увеличение переходного электросопротивления токопроводящих зажимов приводит к дополнительному нагреву контактной поверхности зажима, в результате контактная поверхность из меди активнее взаимодействует с кислородом воздуха. При этом толщина окисной пленки увеличивается и переходное электросопротивление возрастает еще на 30-32% и становится равным предельной 23,3-26,79 мкОм. Переходное электросопротивление токопроводящего зажима превышает норму на 7%. Такое электросопротивление обеспечивает критическую надежность контактной подвески, которая при определенных условиях приводит к разрушению рассматриваемого узла контактной подвески. Это является недостатком известного зажима.
Задача, решаемая полезной моделью, заключается в создании зажима для соединения проводов контактной подвески, обеспечивающего переходное электросопротивление, которое не превышает максимальное регламентируемое значение в течение всего периода эксплуатации зажима за счет обеспечения на контактной поверхности циклов "образование окисной пленки - разрушение окисной пленки" в процессе эксплуатации.
Для решения поставленной задачи в зажиме для соединения проводов контактной подвески, содержащем две плашки с желобами и контактные слои, выполненные на поверхностях желобов плашек, при этом плашки зажима соединены друг с другом, а удельное электросопротивление материала плашек больше удельного электросопротивления контактного слоя, контактный слой выполнен из серебросодержащего сплава при следующем соотношении компонентов мас.%:
Ag - 70-98%,
Zn - 2-30%.
Благодаря выполнению контактного слоя зажима из серебросодержащего сплава обеспечивается низкое значение переходного электросопротивления, не превышающее максимально регламентируемую величину переходного электросопротивления, в течение всего периода эксплуатации зажима.
2
Это обусловлено тем, что в результате окисления на поверхности сплава контактного слоя образуется окисная пленка оксида AgO. В сплавах серебра с цинком атомы цинка замещают часть атомов серебра в кристаллической решетке, образуется твердый раствор замещения с кристаллической решеткой серебра и поэтому свойства окисной пленки от введения в сплав цинка существенно не изменяются.
2
Пленка оксида AgO является неустойчивой и разрушается при нагреве до 180°С, а также является очень мягкой и легко удаляется с контакта механически [4]. Нагрев, возникающий при образовании окисных пленок, в месте соединения зажима с проводом приводит к нагреву самого зажима, что приводит к расширению плашек. В результате трения плашек зажима о провод при расширении в месте контакта происходит разрушение окисной пленки.
Таким образом, действие механического трения зажима о провод, возникающего от расширения материала при нагреве, приводит к разрушению окисной пленки путем самозачищения поверхности контактного слоя. Постоянное взаимодействие контактного слоя с кислородом воздуха вновь приводит к образованию окисной пленки, после чего процесс разрушения окиси повторяется, то есть создается цикл "образование окисной пленки - разрушение окисной пленки", который повторятся в течение всего периода эксплуатации зажима.
На фигуре 1 представлено сечение зажима для проводов круглого сечения.
На фигуре 2 представлено сечение зажима для провода круглого сечения и фасонного сечения.
Зажим для соединения проводов контактной подвески содержит две плашки 1, каждая из которых выполнена с контактным слоем 2. Обе плашки 1 скреплены между собой двумя болтовыми соединениями 3. Каждая плашка выполнена с двумя желобами для размещения в них проводов соответствующего сечения 4, 5. Поверхность каждого желоба покрыта контактным слоем 2, который непосредственно взаимодействует с соединяемыми проводами. Каждый желоб плашки 1 для проводов круглого сечения 4 выполнен в
форме полуцилиндра. Для проводов фасонного сечения 5 один желоб каждой плашки выполнен форме полуцилиндра для размещения провода круглого сечения, а другой желоб - в форме паза для размещения провода фасоного сечения.
-8
-8
Контактный слой выполнен из сплава, серебра и цинка, соотношение которых выбрано из интервала: Ag - 70-98%, Zn - 2-30%. Сплав имеет удельное электросопротивление 1,59×10 до 1,65×10 Ом·м. Серебросодержащий сплав нанесен методом электроискрового легирования. Толщина нанесенного слоя 100 мкм.
-8
Плашки 1 выполнены из безоловяннистой бронзы БрАЖ 9-4, которая имеет удельное электросопротивление равное 5,165×10 Ом·м.
Устройство работает следующим образом.
2
На первоначальном этапе переходное электросопротивление между контактным слоем 2 и проводами 4 и/или 5 после изготовления составляет 11,53-12,89 мкОм. В процессе эксплуатации на поверхности контактного слоя 2 образуется неустойчивая окисная пленка AgO, которая увеличивает переходное электросопротивление на 14-16% до 15,57-17,4 мкОм. При наличии окисной пленки переходное электросопротивление зажима не превышает регламентируемого значения, и ниже этого значения на 30-38%.
При прохождении электрического тока по замкнутой цепи "провод - зажим - провод" токопроводящий зажим нагревается, при этом плашки 1 с контактным слоем расширяются. При расширении контактного слоя 2, в результате его трения о провод, происходит разрушение окисной пленки путем самозачищения, что приводит к снижению переходного электросопротивления на 12-15% до 13,08-14,62 мкОм. Величина переходного электросопротивления снижается и не выходит за рамки регламентированного значения вышеуказанных ГОСТов.
Дальнейшее взаимодействие с кислородом воздуха вновь приводит к образованию окисной пленки, после чего процесс разрушения окиси повторяется, то есть создается цикл "образование окисной пленки - разрушение
окисной пленки", который повторяется в течение всего периода эксплуатации зажима.
Таким образом, переходное электросопротивление в течение всего периода эксплуатации остается в определенном интервале значений, который не превышает регламентируемого значения ГОСТов.
Указанные свойства окисной пленки сохраняются при содержании цинка в сплаве в количестве до 30%. При растворении цинка в серебре от 0 до 30% образуется твердый раствор замещения, в котором атомы цинка замещают часть атомов серебра в кристаллической решетке, при этом сохраняется кристаллическая решетка серебра. Удельное электросопротивление сплава незначительно отличается от удельного электросопротивления чистого серебра. При дальнейшем увеличении цинка в сплаве, удельное электросопротивление значительно увеличивается за счет образования нового соединения, у которого кристаллическая решетка отличается от кристаллической решетки серебра. При этом возникающая окисная пленка становится устойчивой.
Испытание электрических свойств переходного электросопротивления проводились в соответствии с ГОСТ 12393-77 "Арматура контактной сети для электрифицированных железных дорог" в лаборатории "Неразрушающий контроль" ДВГУПС. Для исследования применялся потенциометр Р348 постоянного тока с классом точности 0,002 (ГОСТ 9245-68). Измерения проводили методом двойного моста.
Эксперимент по исследованию стойкости окисной пленки проводился следующим образом. Измерялось переходное электросопротивление после подключения зажима по схеме, представленного ГОСТа, до и после появления окисной пленки. Далее образцы нагревали проходящим по ним током и вновь измеряли переходное электросопротивление. Каждый испытуемый зажим проходил двукратный цикл испытаний.
Полученные основные результаты приведены в таблице.
Таблица
Процентное содержание Ag, %
Процентное содержание Zn, %
Среднее переходное электросопротивление при пятикратном измерении R, мкОм
Среднее переходное электросопротивление после окисления при пятикратном измерении R, мкОм
Разрушение окисной пленки
98
2
10,83
15,5
+
70
30
12,21
16,49
+
65
35
17,43
25,06
-
Результаты лабораторных исследований показали, что переходное электросопротивление не превышает регламентируемого значения после всех циклов испытаний.
Таким образом, использование предложенного зажима для соединения проводов контактной подвески в системе тягового электроснабжения позволяет получить переходное электросопротивление зажима, которое не превышает регламентируемого значения в течение всего периода эксплуатации устройства, что в значительно повышает надежность работы контактной подвески.
Кроме того, нанесение контактного слоя из заявляемого сплава электроискровым способом делает себестоимость заявляемого зажима, сопоставимой с себестоимостью известных зажимов.
Источники информации принятые во внимание:
1. Сердинов С.М. Анализ работы и повышение надежности устройств энергоснабжения электрифицированных железных дорог М., 1985, Транспорт с.304.
7
2. Патент RU 2166442 С1 на изобретение, Российская Федерация, МКП В60М 1/24. Способ изготовления переходного зажима [Текст] / А.А.Порцелан, Р.В.Катин, А.А.Порцелан, М.М.Берзин (РФ) - №2000119395; 3. Патент RU 2264932 РФ, МКП В60М 1/24. Заявлено 21.07.2000; Опубл. 10.05.2001. 3.
3. Зажим для соединения проводов контактной подвески [Текст] / С.Л.Буталов, Ю.Л.Довгалев, С.В.Мармышев (РФ). - №2004111272; Заявлено 14.04.04; Опубл. 20.10.2005, Бюл. №29 - 6 с.
4. Хольм Р. Электрические контакты. М., 1961, Иностранная литература, с.464.