Главная >> Электроснабжение >> Машинисту о контактной сети

Изнашивание контактного провода и токосъемных элементов - Машинисту о контактной сети

Оглавление
Машинисту о контактной сети
Секционирование
Защитные заземления, рельсовая сеть
Поездная радиосвязь
Опоры
Поддерживающие устройства линий
Провода и тросы контактной сети
Изоляторы контактной сети
Контактные подвески
Сопряжения анкерных участков
Фиксаторы
Контактная сеть на станциях и в искусственных сооружениях
Секционные изоляторы и разъединители
Проход контактной подвески над и под искусственными сооружениями
Отбойники на мостах
Высота подвески в искусственных сооружениях
Взаимодействие токоприемника и контактной подвески
Изнашивание контактного провода и токосъемных элементов
Токосъем в тяжелых метеорологических условиях
Особенности токосъема при повышенных массе и скорости движения поезда
Отказы контактной сети и ее восстановление
Пропуск электроподвижного состава при временном восстановлении сети
Аварийные ситуации из-за неисправностей токоприемников
Техника безопасности

6. ИЗНАШИВАНИЕ КОНТАКТНОГО ПРОВОДА И ТОКОСЪЕМНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТОКОПРИЕМНИКА
Среди расходов, связанных с эксплуатацией электрифицированных железных дорог, одними из важных, в значительной мере определяющих эффективность электрической тяги, являются расходы, обусловленные изнашиванием контактных проводов, т. е. связанные с заменой изношенных проводов новыми. Эти расходы являются немалыми 1 и складываются из стоимости новых проводов, трудовых затрат по замене проводов и потерь из-за предоставления «окон» в графике движения поездов, которые необходимы для выполнения основных работ.
1. При расчете расходов на замену изношенного контактного провода новым учитывается стоимость материала изношенного провода, сдаваемого в металлолом.
Поэтому выбору материала и технологии изготовления контактного провода и токосъемных элементов токоприемника наряду с выбором динамических параметров взаимодействующих устройств придается большое значение. Не в малой мере на интенсивность изнашивания проводов и токосъемных элементов влияет также качество содержания контактной сети и токоприемников.
Изнашивание элементов скользящего контакта является сложным электромеханическим процессом. Для удобства изучения этот процесс обычно разделяют на электрический и механический, хотя такое деление весьма условно, так как электрические и механические явления в контакте взаимозависимы. Так, при дуговом токосъеме, например во время гололеда, сильно ухудшается состояние поверхности трения; но это приводит к усилению механического изнашивания. В то же время при грубых механических повреждениях этой поверхности становится более интенсивным и электрическое изнашивание.
Электрическое изнашивание вызывается в основном электрической эрозией, под которой понимают плавление, испарение и направленный выброс (перенос) материала под действием электрических разрядов, как устойчивых (дуговой токосъем)г так и единичных неустойчивых (искрение). Стойкость контактного материала к электрической эрозии определяется главным образом температурой плавления (для графита — температурой сублимации) материала. Самая низкая для наиболее распространенных контактных материалов температура плавления у алюминия, значительно выше у меди и еще выше — у стали. Температура сублимации (испарения) графита в 3 раза выше, температуры плавления меди.
Интенсивность электрического изнашивания при одних и тех же материалах контактной пары зависит от плотности тока,, т. е. от значения тока, приходящегося на единицу площади контактной поверхности полоза токоприемника. Это положение, однако, в известной мере условно. Дело в том, что как в неподвижном, так и подвижном скользящем контакте непосредственное соприкосновение двух контактирующих, в том числе плоских элементов, осуществляется лишь в отдельных, далеко отстоящих друг от друга точках. Поэтому интенсивность изнашивания зависит не просто от плотности тока, но и еще от того, как выполнен контакт. Поясним это на упрощенном примере.
Пусть каждый электрод контакта представляет собой плоский единый жесткий элемент и число точек, в которых при этом имеется металлический или условнометаллический контакт, характеризующийся электронной проводимостью, равно трем. Если же один из электродов разделить на две механически независимые упругие части, то число контактных точек, приходящееся на каждую часть, также будет равно трем. Всего же здесь станет 6 точек.
Рис. 61. Схема полоза с подрессоренными средними рядами контактных пластин:
Схема полоза с подрессоренными средними рядами
1 — подрессоренная пластина; 2 — листовая пружина. 3 — пластины на каркасе полоза

Благодаря этому интенсивность электрического изнашивания материала уменьшится, несмотря на то, что плотность тока во всем контакте осталась прежней.
Последним обстоятельством объясняется эффективность подрессоривания полоза токоприемника, т. е. выполнения полоза в таком виде, когда, например, средние 2 ряда контактных пластин закреплены на вертикальных спиральных пружинах или горизонтальных листовых, установленных на каркасе четырехрядного полоза (рис. 61). Линейные испытания двух полозов, на одном из которых 2 ряда средних пластин были подрессорены, а на другом все 4 ряда были жестко закреплены на общем каркасе, показали, что нагрузочная способность по току, устанавливаемая по предельно допустимой температуре нагрева пластин у первого полоза на 10% выше, чем у второго.
В общем случае интенсивность электрического изнашивания контактного провода выше в местах трогания, а также на подъемах, где э.п.с. потребляет значительные токи. По этой же причине срок службы контактного провода на линиях постоянного дока при равных эксплуатационных условиях (числе и массе поездов) меньше, чем на дорогах переменного тока.
Механическое изнашивание происходит при трении скользящих поверхностей. При трении без смазки имеет место молекулярно-механическое изнашивание, выражающееся в схватывании контактирующих поверхностей, грубом задире, глубинном вырывании частиц. Характер трения при наличии смазки определяется химическим р, действием смазки на основной металл; в скользящем контакте «полоз—провод» он мало зависит от вязкости смазки, поскольку здесь ее слой чрезвычайно тонок.
Основными видами изнашивания в контакте «полоз—провод» являются окислительное, усталостное, абразивное и молекулярно-механическое. Окислительное изнашивание связано с образованием и разрушением тонких окисных пленок на поверхностях трения; обычно наличие окисных пленок препятствует другим видам изнашивания. Усталостное изнашивание связано с деформированием трущихся поверхностей и растрескиванием перенаклепанного слоя металла с последующим его удалением. Абразивное изнашивание обусловлено попаданием между трущимися поверхностями продуктов износа и внешних твердых частиц (пыли, песка), а также наличием твердых включений в самих контактных материалах.
Интенсивность механического изнашивания в общем случае увеличивается при увеличении давления (нажатия, приходящегося на единицу контактной поверхности) и уменьшается при повышении качества смазки в контакте. Влияние нагрева на интенсивность изнашивания различно: с одной стороны, он предупреждает перенаклеп и усталостное разрушение поверхностных слоев, но, с другой стороны, он способствует разрушению смазки (особенно органического происхождения), вызывает разупрочнение поверхности трения и снижает ее стойкость к абразивному и молекулярно-механическому изнашиванию (схватыванию, задирам).
Интенсивность изнашивания во многом зависит от материала контактной пары (на электрифицированных железных дорогах — контактного провода и токосъемных элементов токоприемника). Неблагоприятным в этом отношении является выполнение контактной пары из одного металла. Именно поэтому в последние годы в основном отказались от применения на полозах токоприемников медных контактных пластин.
Рассмотрим сначала, как влияет на интенсивность изнашивания контактного провода конструктивное выполнение и содержание контактной сети, а затем — материал и состояние контактных элементов и полозов токоприемников.
На наших дорогах, как сказано выше, в подавляющем большинстве применяются контактные провода из твердотянутой электролитической меди. С 1975 г. наряду с медными стали применять низколегированные контактные провода с присадкой олова и (в малом объеме) магния. Опыт эксплуатации низколегированных проводов на наиболее грузонапряженных участках показал, что они обладают на 10—15% большей износостойкостью, чем медные.
Еще более износостойкими являются термообработанные бронзовые контактные провода (из кадмиевой бронзы); по сравнению с медными они обладают также повышенной термостойкостью и прочностью. Однако эти провода имеют существенный недостаток — повышенное электрическое сопротивление, определяющее увеличенные потери электроэнергии. Из-за этого они получили ограниченное применение.
В известной мере на срок службы контактного провода влияют регулировка контактного провода в контактной подвеске, характер изменения эластичности подвески в пролете, наличие на проводе сосредоточенных масс, жестких точек и неровностей. Объясняется это тем, что указанные обстоятельства предопределяют возникновение в отдельных точках провода резких изменений контактного нажатия при проходе токоприемников— его повышений, вызывающих усиление механического изнашивания провода, и понижении (вплоть до нулевого значения, т. е. отрывов полоза от провода), вызывающих усиление электрического изнашивания. В результате этого на контактном проводе появляются зоны с большим местным износом.
Если зон с повышенным местным износом немного и они коротки, то в этих местах можно сделать вставки из нового провода или поставить так называемые шунты, т. е. прикрепить с помощью зажимов к основному проводу (рядом с ним) отрезки дополнительного контактного провода, располагая их рабочую поверхность в средней части ниже рабочей поверхности основного провода, что исключит дальнейший износ последнего.
Если же зон с повышенным местным износом на каком-либо анкерном участке много и он достиг допустимого для отдельных точек значения (оставшаяся площадь сечения провода МФ-100 равна 65 мм2), то для обеспечения удовлетворительного качества токосъема придется заменить контактный провод на всем участке, хотя средний износ провода на нем еще не достиг допустимого среднего износа (оставшаяся площадь сечения 70 мм2 для МФ-100). Таким образом, из-за местных износов срок службы контактного провода уменьшился.
Предупреждению местных износов способствует замена болтовых соединительных зажимов, с помощью которых провода электрических соединителей подключаются к контактному проводу прессуемыми зажимами, имеющими меньшую массу. Решению той же задачи способствует применение более легких дюралюминиевых фиксаторов и тросовых вместо стальных полосовых.
Влияние фиксатора как жесткой точки особенно сильно проявляется на кривых малых радиусов, где в точках фиксации велика горизонтальная составляющая от натяжения контактного провода. Для уменьшения этой составляющей нужно насколько возможно уменьшать у опоры угол излома провода в плане. Практически это достигается установкой на опоре двух фиксаторов (рис. 62), удаленных один от другого на расстояние не менее 0,02 длины ближайшего пролета. Сдвоенные фиксаторы целесообразно устанавливать на кривых радиусом 800 м и менее.

Рис 62. Схемы установки сдвоенных фиксаторов с внешней (а) и внутренней (б) сторон кривой:
1 — опора; 2 — кронштейн, 3— изолятор, 4 — гибкий фиксатор, 5 — контактный провод, 6 — обратный фиксатор

В большой степени на интенсивность изнашивания провода влияет материал контактных элементов полоза токоприемника и наличие смазки в контакте.
Наименьшее изнашивание провода обеспечивают угольные вставки, которые выгодно отличаются от других не только высокими антифрикционными свойствами (низким коэффициентом трения), но и большой термостойкостью, а следовательно, большой стойкостью к электрической эрозии. Обеспечивая минимальный износ контактного провода, угольные вставки и сами обладают высокой износостойкостью.
Наша промышленность изготовляет угольные вставки двух типов. Вставки типа А изготовляют на коксовой основе, типа Б — на графитовой. Вставки типа А имеют более высокую твердость, но и более высокое электрическое сопротивление. Поэтому их применяют на токоприемниках, снимающих меньшие токи — на э.п.с. переменного тока и электропоездах постоянного тока.
Вставки типа Б имеют в 2 раза меньше электрическое сопротивление, но и более низкую твердость, определяющую большую интенсивность изнашивания, а следовательно, меньший пробег самих вставок. Их применяют на электровозах постоянного тока, где снимаемые одним двухполозным токоприемником токи составляют 1600—2200 А при движении и 135—170 А при стоянке под одиночным контактным проводом в зимнее время.
Профиль угольной вставки
Рис. 63. Профиль угольной вставки

Вставки обоих типов изготовляют одинаковыми профилями, среди которых наиболее распространен профиль, приведенный на рис. 63 (стандартная длина вставки по продольной оси 240 мм). С тем чтобы различать типы вставок, на боковой поверхности вставки типа Б выполняют продольную риску на высоте 16—20 мм от подошвы (эту риску не следует смешивать с риской или швом, выполняемыми на вставке любого типа на высоте 10 мм от подошвы, которые предназначены для контроля допустимого в эксплуатации износа вставки). Вставки типа А отличительной маркировки не имеют.
Несколько большая интенсивность изнашивания контактного провода, чем при угольных вставках, по меньшая, чем при медных пластинах, имеет место при металлокерамических пластинах.

Металлокерамическая пластина
Рис. 64. Металлокерамическая пластина

Такие пластины изготовляют методами порошковой металлургии — прессованием или прокаткой и последующим спеканием различных металлических и неметаллических (в частности, графитовых) порошков. В настоящее время на токоприемниках применяют металлокерамические пластины (рис. 64) из спеченного материала на железной основе типа ВЖЗ. Их изготовляют прокаткой смеси железного (77%), медного (22%) и никелевого порошков. С целью повышения эксплуатационных свойств пластины при изготовлении пропитывают в автоклаве легкоплавким сплавом С05, состоящим из свинца (95%) и олова.
Металлокерамические пластины стали разрабатывать из-за большого электрического сопротивления угольных вставок, что вызывает определенные затруднения в их применении на самых мощных грузовых электровозах постоянного тока и пассажирских электровозах, обеспечивающих централизованное электроснабжение вагонов, а также из-за недопустимости совместной работы угольных вставок и медных пластин. Последнее убедительно доказано соответствующими исследованиями и опытом дорог: медные пластины уничтожают полировку рабочей поверхности контактного провода и тем самым резко снижают эффект в отношении снижения износа провода за счет применения угольных вставок. При централизованном электроснабжении вагонов в условиях применения угольных вставок для предупреждения пережогов одинарного контактного провода оказывалось необходимым в ряде случаев на время стоянок поезда поднимать вторые токоприемники электровоза, что нельзя считать рациональным.
Эксплуатационный опыт показал, что металлокерамические пластины успешно работают вместе с угольными вставками на одних и тех же участках, не вызывая ухудшения полировки контактного провода. Однако дальнейшее совершенствование металлокерамических пластин продолжается главным образом в направлении повышения их надежности при работе в условиях осаждения гололеда и инея на контактной сети; методы порошковой металлургии позволяют соединять в спеченном материале любые компоненты, т. е. получать пластины с желаемыми техническими характеристиками.
На тех участках, где продолжается эксплуатация медных пластин, для уменьшения износа контактного провода на полозах токоприемников между этими пластинами, а на ряде дорог и между металлокерамическими пластинами закладывают сухую графитовую смазку основного состава СГС-О, состоящую из 65 частей графита и 35 частей кумароновой смолы. Ее наносят в горячем (при 180—190° С) состоянии после того, как полозы тщательно очищены от старой смазки, нагреты до 120— 140° С и прогрунтованы кумароновой смолой. После охлаждения полозов производят зачистку их от лишней смазки, с тем чтобы ее верхняя поверхность и поверхность пластин образовывали единую плоскость.
В случае выкрашивания смазки СГС-0 в процессе эксплуатации на пунктах технического обслуживания полозы подмазывают в холодном состоянии сухой графитовой смазкой дополнительного состава СГС-Д, состоящей из 30 частей графита, 15 частей кумароновой смолы и 55 частей каменноугольного или нефтяного сольвента.
На дистанциях контактной сети ведется регулярное измерение износа контактных проводов, что позволяет и запировать замену изношенных проводов и определять интенсивность их изнашивания. Последнее дает возможность оценивать эффективность различных мер по снижению изнашивания контактных проводов, например замены материала контактных элементов токоприемников.
Интенсивность изнашивания контактного провода на каждом анкерном участке обычно выражается средним идеальным шлюсом, представляющим собой измеренное в квадратных миллиметрах среднее на анкерном участке уменьшение площади поперечного сечения, отнесенное к 10 тыс. проходов э.п.с. Наряду с этим в качестве показателя интенсивности изнашивания применяют удельную потерю меди контактного провода в кг на 1000 км пробега э.п.с.
В локомотивных депо ведут учет расхода контактных элементов токоприемника. Удельный расход, отражающий интенсивность их изнашивания, выражают в тоннах или тысячах штук на 1 млн. км пробега э.п.с.
Интенсивность изнашивания контактного провода в определенной степени зависит от эксплуатационного состояния полозов. В свою очередь состояние контактной сети влияет на расход контактных элементов токоприемника.
Так, например, как только что было указано, сухая графитовая смазка после заправки полоза должна располагаться вровень с рабочей поверхностью контактных пластин. Если же смазку нанести с избытком, то в определенные моменты времени тек с контактного провода в каркас полоза будет проходить только через слой смазки.

Поскольку сухая графитовая смазка имеет большое электрическое сопротивление, это приводит к усилению электрического изнашивания провода; в отдельных же случаях — в основном при трогании — это является причиной пережога контактного провода. Малое количество смазки, наоборот, приводит к сухому трению, и это усиливает механический износ контактной пары.
Эксплуатационный опыт показывает, что ухудшению состояния контактных поверхностей провода и пластин способствует неправильная установка медных и металлокерамических пластин на полозе. Ремонтники в некоторых депо не подбирают для одного полоза одинаковые по толщине пластины и располагают более тонкие в среднем ряду. Из-за углубления пластин среднего ряда съем тока в первое время работы полоза осуществляется только пластинами крайних рядов, в результате чего плотность тока в контакте возрастает.
Наличие жестких точек и неровностей на контактном проводе, например некачественное выполнение стыковки провода или плохой монтаж секционного изолятора, приводят к возникновению сильной дуги в момент прохода э.п.с. под нагрузкой, что вызывает выгорание материала не только провода, но и пластин полоза. Заниженные против нормы зигзаги контактного провода приводят к повышенному износу угольных вставок на небольшой части полоза (рис. 65), что требует более частых ремонтов полозов.
Машинисты могут вносить вклад в дело уменьшения износа контактного провода и снижения расхода контактных элементов токоприемников, контролируя состояние полозов локомотивов на пунктах технического обслуживания и уведомляя работников энергоучастков (через дежурных но станциям) о местах возникновения сильного искрения и отдельных мощных электрических дуг. При этом не следует смешивать появление дуг из-за плохого состояния контактной сети с их появлением в местах секционирования — на изолирующих сопряжениях анкерных участков и секционных изоляторах. В последнем случае это связано с различным уровнем напряжения на смежных секциях контактной сети.
Если при осмотре токоприемника не в гололедный период обнаружено отсутствие полировки металлокерамических или медных пластин и наличие оплавлений на их поверхности, то это значит, что качество токосъема не является удовлетворительным. В этом случае, прежде всего, необходимо проверить статическое нажатие токоприемника (вероятнее всего, что оно занижено или велико трение в шарнирах), работоспособность кареток и состояние смазки на полозах.

Рис. 65. Характер износа угольных вставок на полозе при заниженных зигзагах контактного провода

При хорошем состоянии подвижной системы токоприемника об ухудшенном состоянии пластин следует сообщить работникам энергоучастка, с тем чтобы те приняли свои меры по улучшению качества токосъема.
Одной из причин абразивного изнашивания является попадание песка на полозы в пунктах экипировки. Для исключения этого целесообразно на время заправки электровозов песком закрывать полозы съемными брезентовыми чехлами. Нельзя допускать также нахождения в открытом виде бачков с сухой графитовой смазкой дополнительного состава на площадках, где производится пескозаправка.



 
« Масляный выключатель   Метод сечения графика при расчете электроснабжения »
железные дороги