一種不產(chǎn)生電弧的柔性受電弓滑板的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力機車的受電弓滑板技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種不產(chǎn)生電弧的柔性受電弓滑板。
【背景技術(shù)】
[0002]受電弓是電力牽引機車從接觸網(wǎng)取得電能的電氣設(shè)備，是一種鉸接式的機械構(gòu)件，通過絕緣子安裝在機車或動車車頂上。當受電弓升起時，其滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線直接接觸，從接觸網(wǎng)導(dǎo)線上受流取電并通過車頂母線傳送至機車內(nèi)部，供牽引機車及其它電氣設(shè)備使用。滑板是受電弓最重要的部件之一，滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線構(gòu)成了一對機械與電氣耦合的特殊摩擦副，它有以下特點:高速滑動、周期性隨機變化載荷、接觸時有強電流通過、環(huán)境條件復(fù)雜多變?；宓闹饕问绞悄ズ牡较?，對于碳滑板，還存在折斷、脫落掉塊的風(fēng)險而必須及時更換?；逡坏┦?，將嚴重危及行車安全，因此要求它的使用必須經(jīng)濟安全，既對接觸網(wǎng)導(dǎo)線磨耗小，自身有足夠的使用壽命，又不影響弓網(wǎng)關(guān)系。一般說來，受電弓滑板需具備如下特性:(1)良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能；(2)足夠高的機械強度；(3)低的電阻率和接觸電阻；(4)良好的自潤滑性能；(5) —定的耐磨性；(6)良好的耐熱、耐電弧性能；(7)較好的耐候性；(8)與接觸網(wǎng)導(dǎo)線良好的匹配性能。此外還要求具有價格低、安全性好、環(huán)境污染等特點。
[0003]為保證受電弓與接觸網(wǎng)良好接觸，在接觸導(dǎo)線高度允許的范圍內(nèi)，要求受電弓滑板對接觸導(dǎo)線有一定的接觸壓力(一般為70-90N)，當高速運動的受電弓滑過靜止的接觸網(wǎng)時，接觸網(wǎng)受到受電弓滑板接觸壓力的影響，于是在受電弓和接觸網(wǎng)之間產(chǎn)生動態(tài)的相互作用，引發(fā)弓網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生特定形態(tài)的振動。當振動達到一定程度時，可以造成受電弓滑板與接觸導(dǎo)線的短暫脫離，形成離線，產(chǎn)生電弧和火花，直接影響受流，甚至?xí)斐晒╇娝矔r中斷使列車喪失牽引力和制動力。而弓網(wǎng)之間接觸力過大時，雖可降低離線率，但接觸導(dǎo)線與受電弓滑板磨耗增大，使用壽命縮短。
[0004]電弧的危害首先表現(xiàn)在對接觸導(dǎo)線和受電弓滑板有明顯的侵蝕作用，它是電弧在熱、力作用下發(fā)生的嚴重的燒蝕行為，表現(xiàn)為接觸面的氧化、熔融、蒸發(fā)、噴濺等，每種形式的侵蝕都會對接觸導(dǎo)線和受電弓滑板有不同程度的損壞。電弧產(chǎn)生的磨損造成接觸線和受電弓滑板的凹凸不平，加劇接觸表面電流不規(guī)則地分布，在接觸表面發(fā)生過熱點和小的熔接現(xiàn)象，如果機車在高速下行駛，熔接點瞬間脫落，使接觸線和受電弓滑板損壞情況更加嚴重。侵蝕和磨耗輕則影響弓網(wǎng)穩(wěn)定受流，損壞接觸導(dǎo)線和受電弓滑板，增加維修工作量，重則導(dǎo)致接觸線斷裂，造成機車運行事故。電弧的另外一個危害是，當弓網(wǎng)電弧產(chǎn)生時，牽引網(wǎng)和電力機車的電氣傳動系統(tǒng)通過電弧連接在一起，在接觸網(wǎng)和受電弓之間的電弧上有壓降，當電弧消失后，如果電力機車還處于離線狀態(tài)，則導(dǎo)致電路中的電流發(fā)生突變，產(chǎn)生過電壓，過電壓在接觸網(wǎng)上傳播，會給整個牽引網(wǎng)的絕緣帶來威脅；過電壓沿著受電弓進入機車內(nèi)部，可能對機車電氣設(shè)備、電子器件等造成損壞，對電力機車的安全運行產(chǎn)生嚴重的影響。電弧的第三個危害是產(chǎn)生高頻噪聲，電弧產(chǎn)生時向周圍發(fā)射高頻噪聲，對機車沿線的通訊信號和無線電信號造成很大的干擾，嚴重時會導(dǎo)致通訊間斷和無線電信號失效等現(xiàn)象。高頻噪聲還對機車的控制信號有影響，是機車安全運行的隱患。
[0005]高速列車的運行實踐表明，電力機車的速度越高，受電弓與接觸導(dǎo)線分離的可能性就越大，弓網(wǎng)電弧越容易產(chǎn)生。我國曾于2006年7月4日在膠濟線上的弓網(wǎng)受流試驗顯示，當列車運行時速達到200km時，弓網(wǎng)電弧現(xiàn)象已經(jīng)非常嚴重。洛陽供電段洛陽東變電所和榮陽變電所的運行數(shù)據(jù)顯示，機車在過分相時由于拉電弧而跳閘事故為2006年為32起，2007年為34起，監(jiān)控錄像顯示在過分相瞬間，弓網(wǎng)接觸處會出現(xiàn)大火球，情況非常嚴重。隨著我國高鐵運行速度的不斷提高，目前300-350km/h的列車已漸成主流，更高速度如500km/h左右的列車也已列入高鐵發(fā)展規(guī)劃中，可以預(yù)見，如不能有效克服弓網(wǎng)電弧的危害，將直接制約我國尚速鐵路的發(fā)展。
[0006]弓網(wǎng)電弧的產(chǎn)生有以下幾方面的因素，一是受電弓高速剛性滑板與接觸網(wǎng)導(dǎo)線的接觸為線接觸。不管接觸部分多平滑，在微觀上總是凸凹不平的，即使滑板和接觸線之間有很大的接觸壓力，滑板與接觸網(wǎng)之間也只有少量的點進行接觸，這些點被稱為導(dǎo)電斑點。由于接觸面小、接觸點少，所以接觸電阻很大，流過導(dǎo)電斑點的電流密度高達105A / cm2數(shù)量級，這么高的電流通過接觸電阻時產(chǎn)生大量的熱量使導(dǎo)電斑點溫度迅速上升并被熔化形成電火花。第二，受電弓的滑動導(dǎo)致導(dǎo)電斑點的迅速移位，而移位所形成的斑點間隙也會產(chǎn)生電火花，這些電火花會一直持續(xù)到新的、不被熔化的導(dǎo)電斑點產(chǎn)生為止，導(dǎo)電斑點間隙電壓和開斷電流大到一定程度時表現(xiàn)為電弧。這種情況在機車滑動取流過程中是經(jīng)常發(fā)生的，必須指出此時滑板與接觸線并未出現(xiàn)機械脫離或接觸壓力不足！第三，受電弓滑行時引起接觸網(wǎng)的振動。分兩種情形，一種是當受電弓滑板遇到接觸網(wǎng)上的“硬點”如分段絕緣器等時會產(chǎn)生階躍式?jīng)_擊，造成瞬間離線拉弧現(xiàn)象；第二種情形是接觸網(wǎng)周期性的波動導(dǎo)致弓網(wǎng)接觸壓力波動。接觸壓力下降時，接觸面積減小導(dǎo)致導(dǎo)電斑點數(shù)量減少，當受電弓滑板和接觸線分離到一定程度，接觸電阻急劇增大，很高的電流強度產(chǎn)生的熱量快速加熱導(dǎo)電斑點，使其溫度迅速上升直到接觸面材料熔化甚至氣化。在接觸間隙充滿高溫金屬蒸氣的條件下極短時間內(nèi)就形成電火花，大量的電火花匯集成電弧。第四.受電弓的升降操作時，滑板與接觸線接觸或脫離接觸瞬間，接觸點有電火花或電弧發(fā)生。尤其應(yīng)該避免在取流量較大時的受電弓升降以防產(chǎn)生電弧。
[0007]可以發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致電弧產(chǎn)生的因素很多，但最終都歸結(jié)到滑板與接觸網(wǎng)的接觸電阻上面，而接觸電阻過大是目前受電弓剛性滑板與接觸網(wǎng)滑動摩擦受流取電方式天生的缺陷。研發(fā)人員為此采取了種種措施，譬如開發(fā)了各種滑板材料，如純碳滑板(李德富等，電力機車受電弓用碳滑板[P] CN 2167888)、浸金屬碳滑板(王青山.關(guān)于浸金屬碳滑板電力機車技術(shù)，1995，(3-4):41)、粉末冶金滑板(侯賽彰.劉熙明等.電力機車受電弓用粉末冶金銅基滑板.中國有色金屬學(xué)報，1994.(12):210)，碳纖維復(fù)合滑板(方華嬋，一種高速鐵路動車組用碳纖維增強碳一體化受電弓滑板，CN 104709094A)等，合適的滑板材料的確可以降低電阻率，在其它條件不變的情況下可以減少接觸電阻從而減少了電弧發(fā)生的概率，但由于弓網(wǎng)接觸面的導(dǎo)電斑點數(shù)量無法有效的增加，因此僅通過改良滑板材質(zhì)減少電弧的效果不很理想，新型滑板材料的采用主要是增加了材料的耐磨性或抗拉、抗折強度，增加了滑板的使用壽命從而減少了維護、保養(yǎng)、更換的頻率。減少電弧的另外一個措施是選取合適的弓網(wǎng)系統(tǒng)接觸壓力。接觸壓力變化時，導(dǎo)電斑點的數(shù)目、大小也發(fā)生變化，接觸電阻也隨之改變，但接觸電阻與導(dǎo)電斑點數(shù)目不是線性關(guān)系，在一定范圍內(nèi)，只通過增大接觸壓力并不能使接觸電阻顯著減小，因此，控制弓網(wǎng)靜態(tài)接觸壓力在一定范圍內(nèi)是必須的，但減弧效果仍然是有限的。
[0008]顯然對于目前廣泛使用的受電弓剛性滑板受流取電方式，想要徹底消除弓網(wǎng)系統(tǒng)的電弧現(xiàn)象是不現(xiàn)實的，只能通過改變弓網(wǎng)系統(tǒng)的振動特性、選取合適的接觸壓力、合理匹配材料、改進接觸線生產(chǎn)工藝、提高接觸網(wǎng)的施工質(zhì)量等方法，盡量減少弓網(wǎng)系統(tǒng)的電弧。
[0009]針對目前受電弓剛性滑板所存在的問題，本發(fā)明設(shè)計了一種柔性受電弓滑板，是由柔性導(dǎo)電材料制成，具有比目前廣泛采用的純碳板或浸金屬碳滑板更低的電阻率，當柔性滑板與接觸網(wǎng)接觸時，由于接觸壓力的作用，柔性滑板被擠壓，形成一定程度的V型凹陷，接觸線的圓弧底面、側(cè)面同時與滑板表面接觸，形成緊密充分的接觸，即使在經(jīng)過分相點及不平順的線段時，也不會因沖擊而離線，更不會由于弓網(wǎng)系統(tǒng)的振蕩而離線，從而基本消除電弧的發(fā)生，另外隨著磨損的進行，柔性面板的碳纖維或石墨纖維外露，形成導(dǎo)電絨，一直保持與接觸網(wǎng)的緊密接觸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠及不產(chǎn)生電弧的柔性受電弓滑板。
[0011]—種不產(chǎn)生電弧的柔性受電弓滑板，主要由柔性面板1、基板2及壓片3組成；列車行進過程中柔性面板與接觸線緊密接觸，形成凹形接觸面，產(chǎn)生大量的導(dǎo)電斑點，顯著降低接觸電阻；同時改善弓網(wǎng)系統(tǒng)的振動性能，使弓網(wǎng)更加平穩(wěn)，基本杜絕電弧的產(chǎn)生，從而減少弓網(wǎng)系統(tǒng)的電磨損，使得滑板的使用壽命尤其是接觸線的使用壽命大大延長。
[0012]所述的柔性面板可以是由柔性導(dǎo)電材料三維編制而成或經(jīng)過專門的制氈工藝制成。
[0013]所述的柔性導(dǎo)電材料可以是石墨烯纖維、石墨纖維、碳纖維或其它導(dǎo)電纖維。
[0014]所述的柔性面板的制氈工藝可以是由石墨烯纖維布、石墨纖維布、碳纖維布或其它導(dǎo)電纖維布層疊或針刺而成，還可以是整體制作的立體石墨烯、石墨氈、碳纖維氈或其它導(dǎo)電纖維氈。
[0015]進一步的，所述的