ТОКОСЪЕМНАЯ ВСТАВКА ТОКОПРИЕМНИКА ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Полезная модель относится к устройствам для контактного токосъема, в частности, к токосъемным вставкам для железнодорожного транспорта и городского электротранспорта.
Поиск наиболее близких аналогов показал, что токосъемные вставки для токоприемников электротранспортных средств, как правило, имеют форму горизонтального параллелепипеда с основанием и рабочей поверхностью, повторяющей профиль контактного провода, и могут быть изготовлены из электроугольных материалов, металлических сплавов и углерод-углеродных, в частности, графитированных материалов.
Такая вставка из электроугольного материала раскрыта в патенте на полезную модель RU 51569.
К недостаткам вставок из электроугольных материалов относится их низкие прочностные свойства.
Токосъемная вставка, выполненная из металлического электропроводного сплава, содержащего следующие компоненты, в масс.%: свинец 12-16, олово 3-8, графит 1-4, медь - остальное раскрывается в патенте на изобретение RU 2156704. Данная вставка позволяет снизить коэффициент трения скольжения, однако она обладает низкой дугостойкостью и повышенной склонностью к схватыванию с медным контртелом, что приводит к интенсивному износу самой вставки и контактного провода.
Наиболее близкой токосъемной вставкой является вставка в виде пластины, выполненная из материала, содержащего в масс.%: частицы естественного графита 10-90, коксовый остаток 5-20 и пиролитический углерод 5-70. Данная вставка демонстрирует следующие свойства: предел прочности на сжатие 49 МПа, удельное электрическое сопротивлением 2,8 мкОм·м, износостойкость вставки при трении с токосъемом - 0,1-0,14 мм на 1000 км пробега токоприемника, уменьшенный в 2-5 раз износ медного контртела, предельно допустимая линейная плотность электрического тока, выше которой начинается катастрофический износ материала и/или медного контртела - более 20 А/мм.
К недостаткам наиболее близкой вставки относится то, что глубина проникновения пироуглерода составляет лишь несколько миллиметров, поэтому высокой износостойкостью будет обладать только этот слой, интенсивность изнашивания остального (основного) слоя вставки будет на порядок больше.
Задачей полезной модели является устранение присущих известным техническим решениям недостатков.
Поставленная задача решается токосъемной вставкой токоприемника электротранспортного средства, выполненной в виде пластины с основанием и контактной поверхностью из углерод-углеродного композиционного материала, содержащего графит и коксовый остаток, отличающаяся тем, что она выполнена из материала, дополнительно содержащего кокс при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Графит
10-70
Кокс
20-60
Коксовый остаток
остальное
В частных воплощениях полезной модели поставленная задача решается тем, что основание вставки выполнено в виде «ласточкиного хвоста».
В частных воплощениях изобретения поставленная задача решается тем, что материал дополнительно содержит не более 30 масс.% углеродных волокон длиной до 30 мм.
Материал также может дополнительно содержать от 0,1_ до 10_ масс.% фуллеренов.
Материал также может дополнительно содержать от 0,1 до 10 масс.% нанотрубок.
В качестве графита материал может содержать естественный графит.
Сущность полезной модели состоит в следующем.
Содержание графита в материале вставки составляет 10-70% масс. При содержании природного графита в материале менее 10% масс. снижается электропроводность вставок. Верхняя граница содержания природного графита (70%) обусловлена тем, что при более высоком содержании природного графита резко ухудшаются прочностные свойства вставок. Содержание кокса в смеси составляет 20-60% масс., что обеспечивает оптимальные механические свойства вставок. Верхняя граница содержания кокса (60%) обусловлена снижением удельного электрического сопротивления и дугостойкости вставок при более высоком содержании кокса. Нижняя граница содержания кокса (20%) обусловлена снижением твердости вставок.
Углеродные волокна способствуют повышению прочностных свойств материала и увеличивают сопротивляемость вставок ударным нагрузкам, возникающих на дефектах контактной сети. Увеличение содержания углеродных волокон приводит к росту электрического сопротивления вставок.
Введение нанотрубок и фуллеренов повышает механические и триботехнические свойства материала, при этом добавление их в указанных пределах не оказывает существенного влияния на электропроводность.
Вставки получали следующим образом.
Частицы графита, кокса, связующего - высокотемпературного каменноугольного пека, измельченное углеродное волокно в заявляемых количествах смешивали в закрытом вращающемся барабане. Затем путем прессования в стальной форме формовали заготовку, после чего полученную заготовку обжигали для получения коксового остатка при температуре 800-1000°С в условиях, обеспечивающих получение пористости, содержащей не более 10% закрытой пористости. Полученные таким способом заготовки пропитывали под давлением до 2000 атм. жидким связующим, предпочтительно имеющим большой коксовый остаток после термообработки и затем подвергали термообработке при температуре 1000-1200°С.
Из полученного материала механической обработкой изготавливалось токосъемное контактное изделие в виде пластины, с «ласточкиным хвостом». Определяли его плотность, износостойкость, твердость, удельное электрическое сопротивление, дугостойкость, износостойкость под током и прочность на сжатие.
3
Испытания показали, что, контактная вставка, выполненная в соответствии с изобретением, характеризуется следующими свойствами: плотность - не менее 1,75 г/см, удельное электрическое сопротивление - не более 7 мкОм.м, твердость - не менее 38 HS. Интенсивность изнашивания токосъемных вставок составляла не более 0,4 мм на 1000 км пробега
Испытания также подтвердили, что свойства вставки и ее износостойкость не изменяются по ее глубине.
Свойства вставок в зависимости от состава материала приведены в таблице 1.
Таблица 1
№ п/п
Состав материала вставки, % масс.
Свойства вставки
Графит
Кокс
Коксовый остаток
Углеродные волокна
Фуллерены
Нанотрубки
Плотность, г/см<sup>3</sup>
Удельное электросопротивление, мкОм·м
Твердость, HS
Прочность на изгиб, МПа
Интенсивность изнашивания, мм/1000 км
1
50
30
20
1,81
5,5
57
129
0,31
2
30
60
10
1,75
4
65
144
0,38
3
70
20
10
1,88
7
38
98
0,32
4
60
20
20
1,84
5
42
107
0,35
5
30
20
20
30
1.71
8
62
218
0,4
6
40
20
20
19
0,5
0,5
1,78
7,5
58
181
0,25
7
50
30
19
0,5
0,5
5
45
110
0,2