Медные провода

Медные легированные контактные провода

Важнейшая деталь контактной сети электрифицированных железных дорог — контактный провод. В процессе эксплуатации он испытывает воздействие растягивающих напряжений, повергается нагреву проходящими по нему транзитными токами, а также тепловому воздействию токосъемных элементов электроподвижного состава, появляющемуся при токосъеме. Скольжение токосъемных элементов токоприемников электроподвижного состава (ЭПС) по контактному проводу вызывает его износ.

Контактные провода в основном выходят из строя по износу. Ежегодно приходится заменять до 600 т контактных проводов; причем около 260 т — безвозвратные потери меди. Выход проводов из строя сопровождается затратами на демонтаж изношенного и монтаж нового провода, необходимостью выделения окон в графике движения поездов.

Недостатки медного контактного провода

В связи с повышением скорости движения и увеличением мощности ЭПС воздействия на контактный провод в последние годы возросли. Традиционно используемые медные контактные провода не удовлетворяют возросшим требованиям современных условий эксплуатации.

Кроме малого срока службы по износу, медные контактные провода имеют низкую сопротивляемость разупрочнению при нагреве, что следует учитывать при проектировании электрифицированных скоростных магистралей. На этих магистралях контактные провода должны иметь высокое натяжение для обеспечения надежного токосъема.

Во ВНИИЖТе были проведены исследования контактных проводов в контактной подвеске с различным натяжением при прохождении по ним электрического тока. Металлографическими и рентгеноструктурными исследованиями металла контактных проводов установлено, что интенсивность процессов разупрочнения нагартованной меди провода определяется не только их нагревом, но и растягивающими нагрузками: по мере увеличения растягивающих напряжений в сечении провода интенсивность его разупрочнения возрастает [1]. В связи с этим на скоростных магистралях, где необходимо обеспечить высокое натяжение контактного провода, использовать медные провода нельзя.

Опыт конструирования и эксплуатации скоростных магистралей Европы и Японии подтверждает необходимость использования в контактной сети медных легированных контактных проводов.

Требования к медному сплаву как материалу провода

Поиск состава медного сплава для изготовления контактного провода — непростая задача, так как необходимо учитывать многочисленные, иногда противоречивые требования, предъявляемые к нему. Контактный провод испытывает воздействие колебаний температуры воздуха, влажности окружающей среды. В таких условиях невозможно обеспечить постоянство подачи смазки в зону контакта провода с токосъемным элементом, чтобы снизить их износ. Это означает, что материал контактного провода должен обладать достаточно высокой износостойкостью в условиях сухого трения. Помимо этого, необходимо, чтобы вводимые легирующие элементы повышали сопротивляемость меди разупрочнению при нагреве и при этом незначительно снижали электропроводность.

Всем комплексом свойств идеального материала контактного провода не обладает ни один металл и ни один сплав, поэтому при выборе материала провода приходится неизбежно принимать различные компромиссные решения. Возникла необходимость в разработке принципов подхода к выбору легирующих элементов для меди провода.

Сопротивляемость износу материала проводов

Работоспосоность скользящих контактов, определяемая в основном их износом, в значительной степени зависит от процессов, происходящих в поверхностных слоях трения. Если поверхности трущихся тел не разделены третьим телом — смазкой, происходит интенсивная деформация поверхностных слоев. Необходимо учитывать процессы, приводящие к изменению состояния металла в поверхностных слоях контактов, чтобы соответственно влиять на них путем легирования меди и таким образом предотвращать их износ.

Интенсивность деформации обусловлена специфическим состоянием поверхностных слоев, большей подвижностью в них дислокаций. По мере работы пары скользящих контактов сопротивляемость движению дислокаций в этих слоях растет, плотность дислокаций увеличивается. Значительная деформация, обусловленная многократным взаимодействием трущихся тел, приводит к повышению общей плотности дислокаций в металле, неоднородности ее распределения и формированию слабо разориентированной ячеистой субструктуры. С увеличением числа взаимодействий контактов разориентация ячеек повышается, а размер их уменьшается. В конце процесса происходит локальная пластическая деформация, сопровождающаяся поворотом кристаллической решетки металла в поверхностном слое, что приводит к разделению ячеистой структуры на микрообласти — фрагменты. При дальнейшей деформации поверхностных слоев фрагменты по своим размерам становятся мельче, приобретают большую разориентацию, в результате чего между ними образуются стыки с высокой концентрацией внутренних напряжений, что приводит к образованию несплошностей, микротрещин.

Износ сводится к деструктурному характеру деформации: на границах фрагментов появляются микротрещины, по которым и происходит разрушение поверхностных слоев с отделением продуктов износа.

Имея представление о процессах в металле контактов при их взаимодействии и видах износа при работе провода с различными типами токосъемных элементов полозов, можно сформулировать требования к свойствам материала контактного провода, а следовательно, определить вид легирующего элемента, вводимого в медь для их получения.

Нагрузка на контакты и скорость скольжения являются эксплуатационными показателями, постоянно влияющими на состояние металла поверхностных слоев контактов. Деструктивные процессы в поверхностных слоях контактов будут в основном определяться свойствами материалов, а следовательно, видом легирующего элемента и его количеством.

Если токосъемный элемент вызывает абразивный износ контактного провода, что наблюдается при использовании в полозах токоприемника угольных вставок, происходят незначительная фрагментация поверхностных слоев, резание и вязкое разрушение металла провода. Износостойкость провода определяется его механическими свойствами и постоянством исходной структуры, не зависящей от тепловых процессов в контакте. Для того чтобы снизить износ провода при воздействии абразивов, необходимо повысить его твердость. Легирование меди в этом случае осуществляется теми элементами, которые значительно повышают температуру рекристаллизации и улучшают механические свойства меди путем деформационного упрочнения, одновременно слабо влияя на электропроводность меди.

При окислительном износе электрических контактов, когда нормальные нагрузки относительно малы, а скорости скольжения значительны, происходит слабая пластическая деформация приповерхностных слоев, а следовательно, и незначительная их фрагментация. И все же при износе этого вида желательно проводить упрочнение материала провода для защиты его от воздействия контртела. В связи с этим медь необходимо легировать элементами, способствующими более высокому темпу ее упрочнения при пластической деформации. Предпочтение отдается тем элементам, которые в наибольшей степени влияют на снижение энергии дефектов упаковки меди.

Светотехника, освещение, светильники