КОНТАКТНАЯ ПЛАСТИНА ПОЛОЗОВ ТОКОПРИЕМНИКОВ
CONTACT PLATE OF CURRENT COLLECTOR SKIDS

Изобретение относится к области электротехники, в частности к контактным пластинам полозов токоприемников электроподвижного состава железных дорог, городского и промышленного транспорта.
Известен материал для скользящего контакта в электрических машинах на основе меди, содержащий графит и олово марки ПО1 при следующем соотношении компонентов, мас.%: олово - 3,5-6,5; медь - 62,0-70,0; графит - остальное (см. RU № 2058411, С22С 9/02, 1996).
Недостатками данного материала являются низкие твердость, прочность и эрозионная стойкость к воздействию электрических разрядов. Использование данного материала не позволяет обеспечить высокую износостойкость токосъемному элементу из-за низкой твердости в связи с содержанием в материале большого количества графита (>20 мас.%).
Известен также спеченный материал на основе меди, используемый для контактных вставок токоприемников троллейбусов. Материал содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: свинец - 12-16; олово - 3-8; графит - 1-4; медь - остальное (см. RU №2174563, С22С 9/08, 2001).
Известный материал не является экологически безвредным, т.к. в его состав входит свинец. Кроме того, изготовленный из данного материала токосъемный элемент не обладает высокой работоспособностью из-за низкой твердости материала.
Наиболее близким является техническое решение, в котором изготовление деталей, работающих в условиях скольжения при электрическом контакте, осуществляют из дисперсно-упрочненного композиционного материала, содержащего медь, алюминий, углерод и оксид меди при следующем соотношении компонентов, мас.%: алюминий - 0,15-0,35; графит - 0,08-0,18; оксид меди - 0,20-1,80; медь - остальное (см. RU №2195511, С22С 9/01, опубл. 27.12.2002).
Известное техническое решение не обеспечивает высокие антифрикционные свойства контактным пластинам из-за низкого содержания в материале твердых смазок, содержание графита составляет 0,08-0,18 мас.%.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение качества материала контактной пластины полозов токоприемников, увеличение пробегов полозов токоприемников, снижение износа контактного провода, повышение нагрузочной способности полоза по току.
Указанный технический результат достигается тем, что в контактной пластине полозов токоприемников электроподвижного состава, выполненной из дисперсно-упрочненного композита на основе меди, содержащего графит, композит дополнительно содержит железо, олово, сульфид меди и оксид алюминия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
железо
11-13
олово
4-5,5
графит
4-5
сульфид меди
0,8-1,5
оксид алюминия
0,5-0,65
медь
остальное.
Повышение эксплуатационных характеристик у контактных пластин достигается использованием для их изготовления дисперсно-упрочненного композита на основе меди и вводом в их состав твердых смазок в виде углерода, а именно графита, и сульфида меди.
Для определения химического состава дисперсно-упрочненного композита на основе меди проводились испытания с постепенным введением в медную матрицу композита выбранных добавок.
Содержание графита в составе порошковой меди составляет 4-5 мас.% в связи с тем, что большее содержание его ухудшает технологичность изделия - изделие плохо прессуется, рассыпается при формировании из порошковой смеси. Графит при больших количествах разъединяет металлические частицы порошка при прессовании и не позволяет им соединяться между собой. При содержании графита меньше 4 мас.% резко снижаются антифрикционные свойства порошковой меди. Износ медного контакта за счет явления схватывания с порошковой медью достигает 0,5 г на пути 2,5 км, а порошкового материала 1,2 г.
Далее анализировалось влияние железа при введении его в медную матрицу композита, содержащую графит.
В таблице 1 представлены данные по износным характеристикам материала при введении железа в медную матрицу.
Таблица 1
№
Химический состав: порошковая медь, включающая 4 мас.% графита и железо в различном количестве в мас.%
Износ медного контакта на пути 2,5 км при удельном давлении 0,7 МПа, в граммах
Износ медного порошкового материала на пути 2,5 км при удельном давлении 0,7 МПа, в граммах
Коэффициент трения
1
5
0,012
0,04
0,27
2
10
0,022
0,04
0,25
3
15
0,030
0,08
0,30
4
20
0,034
0,28
0,35
5
25
0,038
0,50
0,40
Так как при содержании в порошковой меди 10 мас%. железа (Fe) сохраняется низкий износ композита, достаточно низкий износ медного контакта и одновременно понижается его эрозионный износ (при 5 мас.% Fe потери веса при воздействии электрической дуги 0,22 г, а при 11-13% Fe - 0,14 г), то содержание железа в заявляемом материале выбрано в пределах 11-13 мас.%.
Известно, что олово (Sn) повышает прочность, твердость и антифрикционные свойства порошковой меди. Примером этого служат оловяннистые бронзы. Наименьшее содержание в них олова находится на уровне 5 мас.%.
В связи с тем что олово является достаточно дорогим компонентом в составе композита, то содержание его в качестве легирующего компонента без ухудшения свойств композита ограничивается и составляет 4-5,5 мас.%.
Для повышения термостойкости токосъемного элемента в медную матрицу композита вводится упрочняющая фаза в виде закиси алюминия.
2
3
Антифрикционные свойства порошковой меди в зависимости от содержания в ней оксида алюминия (АlО) показаны в таблице 2.
Таблица 2
Химический состав
Износ контактов на пути 2,5 км и нагрузке 0,7 МПа, в граммах
порошковой меди,
включающей 4%
Износ
Износ порошкового
Коэффициент
графита, 11% Fe, 4%
медного
контакта
трения
Sn, при различном
контакта
содержании Аl<sub>2</sub>О<sub>3</sub> в
мас.%
0,32
0,528
0,188
0,25
0,64
0,0019
0,0027
0,17
1,04
1,44
0,368
0,38
2
3
2
3
Из данных таблицы 2 следует, что оптимальное содержание АlО в порошковой меди находится в пределах 0,5-0,65 мас.%. Ввод АlО в медь позволяет поднять температуру рекристаллизации ее с 270 до 800°С.
Помимо графита в качестве твердой смазки в состав порошковой меди вводится сульфид меди (CuS). Благодаря сере в составе композита при трении снижается опасность появления ювенильных поверхностей в скользящей паре. Вероятность образования чистых металлических поверхностей, приводящих к схватыванию и повреждению контактов задирами, снижается из-за образования сульфидов на поверхности трения.
В таблице 3 приводятся результаты износных испытаний в зависимости от содержания CuS в составе порошковой меди.
Таблица 3
Химический состав порошковой меди с содержанием 4% графита, 11% Fe, 4% Sn, 0,64%Аl<sub>2</sub>О<sub>3</sub> и при различном содержании CuS в мас.%
Износ контактов на пути 2,5 км и нагрузке 0,7 МПа, в граммах
Износ медного контакта
Износ порошкового контакта
Коэффициент трения
0,5
0,0022
0,0032
0,23
0,8
0,0018
0,0025
0,20
1,3
0,0015
0,0021
0,17
1,5
0,0012
0,0020
0,15
1,8
0,0012
0,0015
0,15
Увеличение содержания сульфида меди более 1,5 мас.% не приводит к дальнейшему повышению антифрикционных свойств и в тоже время вызывает снижение механических свойств порошковой меди. Согласно данным таблицы 3 содержание сульфида меди должно находиться в пределах 0,8-1,5 мас.%.
2
3
При изготовлении пластины сначала производят смешение порошков меди и АlO и их дальнейшую обработку в высокоэнергетической мельнице (аттриторе). Далее в полученную смесь порошков вводят железо, олово и сульфид меди и производят смешение всех компонентов. Последним добавляют графит и снова перемешивают все компоненты. Затем осуществляют холодное прессование изделий при давлении более 350 МПа. После этого производят нагрев в муфельной печи полученных изделий (до температуры, превышающей в три раза температуру рекристаллизации меди) и их горячую штамповку.
Ниже приведен пример изготовления пластин полозов токоприемников электроподвижного состава из дисперсно-упрочненного композита на основе меди при следующем соотношении компонентов, мас.%:
железо
11
олово
4
графит
4
сульфид меди
1,3
оксид алюминия
0,64
медь
остальное.
Испытания показали, что использование полученных заявленным способом пластин позволило по сравнению с известными аналогами увеличить срок их эксплуатации, уменьшить их влияние на износ контактного провода, повысить нагрузочную способность полоза по току.