СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОГО КОНТАКТНОГО СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОДВИЖНЫХ ПРОВОДНИКОВ И РЕЛЬСОВЫЙ СОЕДИНИТЕЛЬ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА
METHOD FOR INCREASING EFFICIENCY OF OPERATION OF ELECTRICAL CONTACT JOINT OF ELECTRIC MOVING CONDUCTORS, AND RAIL CONNECTOR FOR IMPLEMENTING THE METHOD

Группа изобретений относится к области электротехники и может быть использована в электротехническом оборудовании, в частности электропроводных соединениях электрических подвижных проводников.
Известны устройства, реализующие способ создания контактного шаберного соединения для получения граничного ювенильного слоя в месте контакта, описанные в RU 2270283 C2, RU 51369 U1, RU 170404 U1. Такие соединители ненадежны, т.к. средства зачистки контактирующих поверхностей в процессе эксплуатации отваливаются. Кроме того, при эксплуатации вышеперечисленных решений был выявлен существенный недостаток - из-за высокой твёрдости материала и отслоения шабрирующих элементов происходил быстрый износ шейки рельса. Вследствие этого рельсовые соединители таких конструкции были запрещены к применению.
Для устранения вышеописанных недостатков был разработан способ, описанный в патенте RU 2731701 C2, согласно которому осуществляют шабрение контактной поверхности первого контакта контактной поверхностью второго контакта, являющегося шабером, для получения граничного ювенильного слоя, причем второй контакт, являющийся шабером, выполняют из материала, твердость которого на 3-5 единицы HRC выше твердости ответного первого контакта и составляет не менее 40 HRC, и оба контакта сжимают с усилием, равным 0,37-3700 Н. Для реализации такого способа был разработан соединитель рельсовый стыковой пружинный, описанный в патенте RU 195557 U1, который имеет две шаберные поверхности, образующие вторые контакты, сформированные из основного тела пластины в виде выступов, поверхность которых выполняет функцию шабера.
Однако в процессе эксплуатации выяснились следующие недостатки такого способа и устройства.
1. Повышенная истираемость выступов, являющихся шабером, особенно проявляющаяся в летний период, когда температура рельсов повышается до высоких значений и материал элементов узла нагревается до размягчения. Вследствие этого со временем происходит ухудшение электротехнических характеристик контактного соединения из-за ухудшающейся очистки поверхности второго контакта, необходимой для получения граничного ювенильного слоя: уменьшается эффективная площадь контактной поверхности, увеличивается токовая нагрузка на контактное соединение, возрастают потери электрической энергии, и увеличивается температурный режим контактного соединения. Кроме того, истирание происходит неравномерно и из-за этого электрический ток проходит между контактами только в отдельных точках, в которых эти поверхности касаются.
2. При таких значениях твердости высока степень фреттинг-коррозии. Из-за этого происходит недостаточная разрушение оксидных и грязевых пленок при шабрении для образования ювенильной поверхности.
3. При длительном воздействии большой токовой нагрузки характерной для тяговых токов (более 100 А) могут возникнуть условия для нагрева контакта до температуры изменений в структуре контакта с деградацией твердости.
4. При прохождении подвижного состава известная конструкция не всегда обеспечивает колебания рельсового соединителя. Это снижает степень очистки поверхности, т.к. не обеспечиваются осциллирующие движения контактов рельсового соединителя.
5. Из-за низкой твердости контактов соединителя, близкой к твердости материала рельса, требуется длительный процесс приработки, необходимый, чтобы убрать шероховатость, снять твердый поверхностный слой окалины и окислов с шейки рельса. Кроме того, необходимо длительное время на увеличение площади контакта, т.к. из-за низкой разницы в твердости требуется длительное время для появления посадочного места под контакт рельсового соединителя в шейке рельса. Из-за длительности формирования такого посадочного места в шейке рельса происходит неравномерное истирание выступа, образующего контакт на рельсовом соединителе и последующее формирование неравномерной поверхности на посадочном месте. Эти факторы сказываются на размере и форме посадочного места, что негативно сказывается на электротехнических характеристиках контактной группы, из-за плохого контакта в группе. Кроме того, большая площадь посадочного места быстро корродирует в местах, где из-за неравномерности движений второго контакта плохо очищается. Учитывая, что узел соединения рельсового стыка постоянно находится в агрессивной среде (щелочи, соли, моча из туалетов проезжающих составов, постоянное прохождение электрического тока и тд), а твердость внутренних слоев рельса ниже твердости внешних слоев, происходит быстрая деструкция материала шейки рельса, а из-за сильной вибрации, сильных динамических нагрузок и термических расширений, происходит появление трещин в рельсе.
6. Из-за фиксации пружинного элемента на посадочном месте пластины рельсового соединителя не обеспечивается приблизительное равенство давления в контактных парах соединитель-шейки рельсов при возникающих небольших смещениях рельсов, т.к. при термических деформациях и иных воздействиях поверхности шеек стыкуемых рельсов, выполняющих функцию контактов, смещаются друг относительно друга. Это приводит к возникновению разницы переходных сопротивлений и нагреву материала соединителя. В следствие этого ухудшаются электротехнические характеристики соединения. А кроме того, нагрев пластины рельсового соединителя приводит к изменению заданных характеристик материала соединителя и шабрящего элемента. Такие изменения приводят к риску снижению допустимого сопротивления материала соединителя между контактными площадками, являющимися шаберами, рельсового соединителя.
Заявленная группа изобретений направлена на устранение недостатков известных решений и достижение таких технических результатов как повышение срока службы узла, повышение его надежности, стабилизации электротехнических характеристик в длительном периоде времени, снижение времени приработки контактов, создание условий для самовосстановления и повышение времени межремонтного интервала эксплуатации узла.
Заявленные технические результаты достигаются способом повышения эффективности работы электропроводного контактного соединения электрических подвижных проводников в узле рельсового стыка, согласно которому все контакты сжимают с усилием за счет пружинного элемента и создают условия для получения граничного ювенильного слоя путем шабрения контактной поверхности контактов, образованного рельсами, контактной поверхностью контактов, являющихся шаберами, причем контакты, являющиеся шаберами, выполняют из материала твердость которого на 6-15 единиц HRC выше твердости поверхностных слоев шеек рельсов, и составляет не менее 47 HRC, а сопротивление материла рельсового соединителя между контактами, являющимися шаберами, не более 400 мкОм.
Контакты рельсового соединителя, являющиеся шаберами, сформированы из тела пластины рельсового соединителя.
Обеспечивают приблизительно равномерное прижатие всех контактов рельсового соединителя, являющихся шаберами.
Обеспечивают возможность колебания пластины рельсового соединителя за счет обеспечения возможности углового перемещения пластины рельсового соединителя относительно поверхности выгнутого пружинного элемента.
Возможность углового перемещения пластины рельсового соединителя обеспечивают за счет отсутствия жесткой фиксации пружинного элемента на посадочном месте таким образом, что пластина рельсового соединителя имеет возможность, по меньшей мере, незначительного отклонения относительно выгнутой поверхности пружинного элемента.
Обеспечивают отклонение пластины рельсового соединителя за счет отсутствия жесткой фиксации пружинного элемента на посадочном месте относительно горизонтали на угол не более 25°.
Пружинный элемент закрепляют таким образом, что он не выходит из посадочного места, образованного выступом на пластине рельсового соединителя и ответной впадиной на пружинном элементе или наоборот, но при этом пластина рельсового соединителя имеет возможность, по меньшей мере, незначительного углового перемещения относительно выгнутой поверхности пружинного элемента.
Пружинный элемент закреплен за счет обжатия бортами пластины, причем такое закрепление создает нежесткую фиксацию пружинного элемента относительно пластины рельсового соединителя.
Пружинный элемент выполняют из материала, который обеспечивает после 10 сжатий остаточную деформацию не более 5 мм.
Обеспечивают твердость пружинного элемента на уровне 42-49 HRC.
Соединение пружинного элемента и пластины выполняют таким образом, что демонтаж пружинного элемента из посадочного места возможен только за счет разжатия бортов пластины.
Обеспечивают невозможность демонтажа пружинного элемента из посадочного места за счет размеров выступа и ответной впадины на пружинном элементе и пластине рельсового соединителя.
Твердость контактов рельсового соединителя, являющихся шаберами, обеспечивают за счет закалки всей пластины рельсового соединителя или закалки только выступов, формирующих такие контакты, или твердость контактов рельсового соединителя, являющихся шаберами, обеспечивают за счет материала всей пластины рельсового соединителя или материла только выступов, формирующих такие контакты, или электродугового легирования.
После формирования посадочного места, возникающего в следствие шабрения контактом рельсового соединителя шейки рельса, обеспечивают нахождение в сформировавшемся посадочном месте стабилизированной токопроводящей смазки на основе пластичных индустриальных смазок или на основе загущенных нефтяных масел с добавками металлических токопроводящих компонентов, например, из меди.
Высота контактов рельсового соединителя не превышает 1/3 толщины шейки рельса.
Контакты рельсового соединителя, являющиеся шаберами, выполнены сфероподобной формы с приплюснутым верхом.
Заявленные технические результаты достигаются рельсовым соединителем, выполненным в виде пластины с пружинным элементом и контактами, являющимися шаберами, в котором контакты, являющиеся шаберами, выполняют из материала твердость которого на 6-15 единиц HRC выше твердости поверхностных слоев шеек рельсов, и составляет не менее 47 HRC, а сопротивление материла рельсового соединителя между контактами, являющимися шаберами, не более 400 мкОм.
Контакты рельсового соединителя, являющиеся шаберами, сформированы из тела пластины рельсового соединителя.
Обеспечена возможность колебания пластины рельсового соединителя за счет обеспечения возможности углового перемещения пластины рельсового соединителя относительно поверхности выгнутого пружинного элемента.
Возможность углового перемещения пластины рельсового соединителя обеспечена за счет отсутствия жесткой фиксации пружинного элемента на посадочном месте таким образом, что пластина рельсового соединителя имеет возможность, по меньшей мере, незначительного отклонения относительно выгнутой поверхности пружинного элемента.
Обеспечена возможность отклонение пластины рельсового соединителя за счет отсутствия жесткой фиксации пружинного элемента на посадочном месте относительно горизонтали на угол не более 25°.
Пружинный элемент закреплен таким образом, что он не выходит из посадочного места, образованного выступом на пластине рельсового соединителя и ответной впадиной на пружинном элементе или наоборот, но при этом пластина рельсового соединителя имеет возможность, по меньшей мере, незначительного углового перемещения относительно выгнутой поверхности пружинного элемента.
Невозможен демонтаж пружинного элемента из посадочного места за счет размеров выступа и ответной впадины на пружинном элементе и пластине рельсового соединителя.
Пружинный элемент закреплен за счет обжатия бортами пластины, причем такое закрепление создает нежесткую фиксацию пружинного элемента относительно пластины рельсового соединителя.
Соединение пружинного элемента и пластины выполняют таким образом, что демонтаж пружинного элемента из посадочного места возможен только за счет разжатия бортов пластины.
Пружинный элемент выполняют из материала, который обеспечивает после 10 сжатий остаточную деформацию не более 5 мм.
Твердость пружинного элемента на уровне 42-49 HRC.
Твердость контактов рельсового соединителя, являющихся шаберами, обеспечивают за счет закалки всей пластины рельсового соединителя или закалки только выступов, формирующих такие контакты, или твердость контактов рельсового соединителя, являющихся шаберами, обеспечивают за счет материала всей пластины рельсового соединителя или материла только выступов, формирующих такие контакты, или электродугового легирования.
Обеспечена возможность нахождения в сформировавшемся посадочном месте стабилизированной токопроводящей смазки на основе пластичных индустриальных смазок или на основе загущенных нефтяных масел с добавками металлических токопроводящих компонентов, например, добавки металлических токопроводящих компонентов выполнены из меди.
Высота контактов рельсового соединителя не превышает 1/3 толщины шейки рельса.
Контакты рельсового соединителя, являющиеся шаберами, выполнены сфероподобной формы с приплюснутым верхом.
Осуществляют изобретение следующим образом.
В узел стыка рельсов устанавливают рельсовый соединитель и все контакты сжимают с усилием и создают условия для получения граничного ювенильного слоя путем шабрения контактной поверхности контактов, образованного рельсами, контактами рельсового соединителя, являющимися шаберами. Причем контакты рельсового соединителя, являющиеся шаберами, выполняют из материала, твердость которого на 6-15 единиц HRC выше твердости поверхностных слоев шеек рельсов, и составляет не менее 47 HRC, а сопротивление материла рельсового соединителя между контактами, являющимися шаберами, не более 400 мкОм. За счет этого в короткий срок снимаются оксидные и грязевые пленки с поверхности шейки рельса даже при незначительных колебаниях элементов узла, при этом обеспечивается достаточная устойчивость к фреттинг-коррозии, низкая истираемость контактов, являющихся шаберами, и при прохождении высоких токов не происходит размягчения материла контактов, являющихся шаберами, ниже твердости поверхностных слоев рельсов.
Такая очистка особенно важна, т.к. соединитель начинает совершать колебательные движения еще при приближении подвижного состава из-за колебаний рельсов, тем самым зачищая контактные поверхности за счет твердости, но при малых колебаниях. Такие движение при твердости менее 6 единиц HRC выше твердости материала шейки рельса малоэффективны для обеспечения прохождения сигнальных токов пониженной мощности, т.к. требуется длительный интервал времени очистки поверхностей.
Кроме того, за счет заявленной твердости быстро формируется посадочное место достаточных размеров для обеспечения допустимого люфта контактам рельсового соединителя в посадочном месте. Это позволяет значительно сократить срок приработки контактов.
Превышение твердости контакта рельсового соединителя более 15 единиц HRC выше твердости поверхностных слоев материала шейки рельса имеет выраженный негативный эффект. Контакт такой твёрдости очень быстро вгрызается в шейку рельса и протирает её в короткий срок на всю высоту контакта, создавая чрезмерно большое пятно утонения рельса, что приводит к его выбраковке.
Оптимальным вариантом, обеспечивающим надежность, является выполнение контактов за единое целое с пластиной. Но может быть и выполнение контактов в виде отдельных накладок или нанесения слоя материала необходимой твердости.
Следует отметить, что высота контактов рельсового соединителя не должна превышать 1/3 толщины шейки рельса, иначе из-за заявленной твердости контакт достигнет внутренних слоев шейки рельса, которые имеют меньшую твердости и подвержены более интенсивной фреттинг-коррозии.
Для повышения эффективности работы узла обеспечивают приблизительно равномерное прижатие всех контактов рельсового соединителя, являющихся шаберами. Это позволяет создать приблизительное равенство давления в контактных парах соединитель-шейки рельсов при возникающих небольших смещениях рельсов, т.к. при термических деформациях и иных воздействиях поверхности шеек стыкуемых рельсов, выполняющих функцию контактов, смещаются друг относительно друга.
За счет этого не возникнет разницы переходных сопротивлений и нагрев материала рельсового соединителя. Вследствие этого электротехнические характеристики соединения будут стабильны и сопротивление материала рельсового соединителя не превысит 400 мкОм между контактами, являющимися шаберами, что обеспечит прохождение необходимых тяговых токов.
Обеспечить равномерное прижатие можно за счет обеспечения колебаний пластины рельсового соединителя путем обеспечения возможности углового смещения пластины рельсового соединителя относительно поверхности выгнутого пружинного элемента. Возможность углового перемещения пластины рельсового соединителя можно обеспечить за счет отсутствия жесткой фиксации пружинного элемента на посадочном месте таким образом, что пластина рельсового соединителя будет иметь возможность, по меньшей мере, незначительного отклонения относительно выгнутой поверхности пружинного элемента, например, отклонения относительно горизонтали на угол не более 25°. Такого отклонения будет достаточно для нивелирования периодически возникающих перепадов высот поверхностей рельсов.
Следует также отметить, что для исключения выхода из строя рельсового соединителя пружинный элемент закрепляют таким образом, что он не выходит из посадочного места, образованного выступом на пластине рельсового соединителя и ответной впадиной на пружинном элементе или наоборот впадиной на пластине рельсового соединителя и ответным выступом на пружинном элементе, но при этом пластина рельсового соединителя имеет возможность, по меньшей мере, незначительного углового перемещения относительно выгнутой поверхности пружинного элемента. Пружинный элемент закрепляют за счет обжатия бортами пластины, причем такое закрепление создает нежесткую фиксацию пружинного элемента относительно пластины рельсового соединителя. При этом обеспечивают невозможность демонтажа пружинного элемента из посадочного места за счет размеров выступа и ответной впадины на пружинном элементе и пластине рельсового соединителя. Такое соединение пружинного элемента и пластины исключает самопроизвольный демонтаж пружинного элемента из посадочного места, а демонтаж возможен только за счет намеренного разжатия бортов пластины.
Для повышения надежности и долговечности конструкции пружинный элемент выполняют из материала, который обеспечивает после 10 сжатий остаточную деформацию не более 5 мм. Причем твердость пружинного элемента составляет 42-49 HRC.
Для повышения долговечности и надежности узла обеспечивают возможность снижения истираемости материала по меньшей мере контактов, являющихся шаберами, в сформированном посадочном месте. Для этого после формирования посадочного места, возникающего в следствие шабрения контактом рельсового соединителя шейки рельса, обеспечивают подачу стабилизированной токопроводящей смазки на основе пластичных индустриальных смазок или на основе загущенных нефтяных масел с добавками металлических медных компонентов.
Реализуется это следующим образом. Наличие скорости скольжения в зоне контакта, постоянное взаимное давление контактов, наличие смазки между контактами и разности по твердости материалов контактируемых материалов, создают условия допускающие возможность появления эффекта избирательного переноса материалов для самопроизвольного формирования контактных поверхностей с низким износом и высокой стабильностью свойств в паре контактов «рельсовый соединитель-рельс».
За счет прижима контактов рельсового соединителя к поверхностям шеек стыкуемых рельсов с усилием, обеспечивающим возможность осциллирующих движений контактов, и за счет разности твердости контактов рельсового соединителя и поверхностных слоев материала шейки рельса на 6-15 единиц HRC, но не ниже 47 HRC, в короткий срок (срок приработки), снимаются оксидные и грязевые пленки с поверхности шейки рельса с образованием впадин и выступов в материалах контактируемых поверхностей. При использовании смазок с металлоплакирующими смазочными материалами, содержащими мелкие частицы меди, в контактируемой паре, контактные поверхности покрываются тонкой пленкой, состоящей из металла меди. В процессе трения порошки меди частично растворяются в смазочном материале и в результате восстановления окисных пленок на их поверхности прочно схватываются металлом шейки рельса и рельсового соединителя, образуя пластичную пленку. Такие пленки пористы и содержат в порах смазочный материал. Коэффициент трения при высоких нагрузках снижается, а контактируемые поверхности не изнашиваются. При трении сдвиг поверхностей трения происходит внутри образующихся пленок по диффузионно-вакансионному механизму.
Такой избирательный перенос материалов на контакты особенно важен, т.к. соединитель начинает совершать колебательные движения с уменьшением новых ювенальных образований в поверхностном слое, так как острые выступы, на более твердой контактной поверхности рельсового соединителя становятся, более округлыми, увеличивается, соответственно, реальная площадь контакта, и снижается контактное сопротивление в соединении. В дальнейшем, при движении подвижных составов, из-за колебаний рельсов, рост зачищаемой контактной поверхности за счет твердости, при малых колебаниях резко снижается, так как практически отсутствуют новые контактные площадки. Увеличение контактных площадок может происходить только за счет увеличения глубины выработки, однако ее увеличение уменьшается за счет образования впадин, заполненных смазкой и наличия износостойкой пленки на контактах, тем самым повышается ресурс работы соединения, т.к. снижается износ контактируемых поверхностей, снижаются абразивные воздействия из-за высокой твердости контакта при высокой частоте колебаний, но практические не сказывается на абразивном воздействии второго контакта при низкой частоте колебаний рельсового соединителя.
Сформировавшееся постоянное пятно контакта, с минимальной глубиной выработки, защищенной слоем металлоплакированным смазочными материалами, содержащими мелкие частицы меди, создает благоприятные условия для длительной работы рельсового соединителя.
Кроме того, смазка купирует процессы фреттинг-коррозии.
Так, большое влияния на общую прочность проводника в месте контакта оказывает электрический ток, при прохождении которого происходит нагрев проводников. Как известно, ресурс работы узлов рельсового токопроводного стыка зачастую ограничивается преждевременным износом или разрушением контактирующих деталей в результате развития фреттинг-коррозии и возникающего на контактирующих металлических поверхностях рельсового соединителя с рельсами при относительном колебательном движении, при вибрации и нагреве электрическим током при его прохождении.
Колебательные движения вызывается вибрациями, возвратно-поступательным перемещением малой амплитуды, которые характеризуются отделением частиц и последующим образованием оксидов, которые часто являются абразивными, способными увеличивать износ.
Фреттинг-коррозия обладает рядом отличительных особенностей по сравнению с другими видами разрушения поверхностей: скорость относительного перемещения контактирующих поверхностей при фреттинг-коррозии мала по сравнению со скоростями при обычном трении скольжения; малая амплитуда смещений затрудняет удаление продуктов износа из зоны контакта, в условиях фреттинг-коррозии кислород углубляет повреждения. Под воздействием окружающей коррозионной среды на поверхности металла образуется оксидная пленка (продукты коррозии). При трении эта пленка механически разрушается. Так как при фреттинг-коррозии взаимодействующие поверхности не разъединяются, то разрушенные продукты коррозии так и остаются между ними. Превращение поверхности металла в оксид приводит к неисправностям, забиванию контакта продуктами коррозии, заеданию и сбоя работы соединения. Скорость фреттинг-коррозии зависит от природы используемых металлов, температуры, состава коррозионной среды и действующих нагрузок. Во время трения и протекания тока происходит нагрев металла, что дополнительно усиливает фреттинг-коррозию. Важнейшим фактором является приложенная нагрузка, в результате которой происходит усиленное питтингообразование на контактирующих поверхностях. При колебательном скольжении образовавшиеся окислы не могут быть удалены с контактирующей поверхности.
Таким образом, подача стабилизированной токопроводящей смазки на основе пластичных индустриальных смазок или на основе загущенных нефтяных масел с добавками металлических токопроводящих компонентов после формирования посадочного места, возникающего вследствие шабрения контактом рельсового соединителя шейки рельса, обеспечивает надежность и долговечность работы узла, а также стабилизацию его электротехнических характеристики за счет обеспечения большей поверхности контакта.
Причем, для повышения эффективности проявления описанных эффектов контакты рельсового соединителя, являющиеся шаберами, желательно выполнять сфероподобной формы с приплюснутым верхом.