Износ контактных проводов и меры его уменьшения

Из многих факторов, влияющих на износ контактных проводов, основными являются: материал и состояние трущихся поверхностей, смазка, величина снимаемого тока, сила на­жатия токоприемника на контактный провод, равномерность эластичности контактной под­вески, качество регулировки контактной сети и токоприемников.

Для удобства изучения процесс износа элементов скользящего контакта разделяют на электрический и механический, хотя такое деление является условным, т. к. электричес­кие и механические явления в контакте взаимозависимы. Так, при дуговом токосъеме, на­пример, во время гололеда сильно ухудшается состояние поверхности трения; это приводит к усилению механического износа. В то же время при грубых механических повреждениях поверхности становится более интенсивным и электрический износ.

Электрический износ вызывается, в основном, электрической эрозией, под которой понимают плавление, испарение и направленный выброс (перенос) материала под

действием электрических разрядов, как устойчивых (дуговой токосъем), так и единичных неустойчивых (искрение). Интенсивность электрического износа 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. Кроме того, на электрический износ влияет состояние контактирующих поверхностей (наличие жестких точек, вибрация проводов, гололед, схватывание и задиры трущихся поверхностей). В общем случае интенсивность электрического износа контактного провода выше в местах трогания, а также на подъемах, где электроподвижной состав потребляет значительные токи. По этой же причине срок службы контактного провода на линиях постоянного тока при равных эксплуатационных условиях (числе и массе поездов) меньше, чем на дорогах переменного тока.

Механический износ происходит при трении скользящих поверхностей. Основными видами износа в контакте «полоз—провод» являются окислительный, усталос­тный, абразивный и молекулярно-механический. Окислительный износ связан с образова­нием и разрушением тонких оксидных пленок на поверхностях трения; обычно наличие ок­сидных пленок препятствует другим видам износа. Усталостный износ связан с деформи­рованием трущихся поверхностей и растрескиванием перенаклепанного слоя металла с пос­ледующим его удалением. Абразивный износ обусловлен попаданием между трущимися поверхностями продуктов износа и внешних твердых частиц (пыли, песка), а также наличи­ем твердых включений в самих контактных материалах.

Интенсивность механического износа 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 износа различно: с одной стороны, 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 износу (схватыванию, задирам).

Материал контактных поверхностей также влияет на интенсивность износа, особен­но неблагоприятным в этом отношении является выполнение контактной пары из одного металла, поэтому в последние годы, в основном, отказались от применения на полозах токоприемников медных контактных пластин.

Контактные провода на отечественных дорогах в подавляющем большинстве изго­товляют из твердотянутой электролитической меди. Наряду с медными начали применять низколегированные контактные провода с присадкой олова и магния (в малом объеме). Опыт эксплуатации низколегированных проводов на наиболее грузонапряженных участках по­казал, что они обладают на 10—15 % большей износостойкостью, чем медные. Более изно­состойкими являются термообработанные бронзовые контактные провода (из кадмиевой бронзы), по сравнению с медными они обладают повышенной термостойкостью и прочнос­тью. Однако эти провода имеют существенный недостаток — повышенное электрическое сопротивление, приводящее к увеличению потерь 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. В результа­те этого в контактном проводе появляются зоны с большим местным износом.

При небольшом количестве зон с повышенным износом ставят шунты или монтиру­ют вставки, а при большом — производят замену контактного провода на анкерном учас­тке. Таким образом, из-за местных износов уменьшается срок службы контактного прово­да. Значение показателей износа контактного провода, при которых делают вставку и за­меняют провод, указаны в Правилах [22].

Предупреждению местных износов способствует замена болтовых со­единительных зажимов, с помощью которых провода электрических соеди­нений подключаются к контактному проводу прессуемыми зажимами, име­ющими меньшую массу. Решению той же задачи способствует применение более легких дюралюминиевых фикса­торов, а также тросовых фиксаторов вместо стальных полосовых.

Влияние фиксаторов 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. 2.4), удаленных один от другого на расстояние не менее 0,02 длины ближайшего пролета. Сдвоенные фиксаторы целесообразно устанавли­вать на кривых радиусом 800 м и менее.

Наименьший износ провода обеспечивают угольные вставки на полозе токопри­емника, 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. Изготовляют угольные вставки двух типов: А — на коксовой основе и 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 ЭПС переменного тока и электро­поездах постоянного тока. Вставки типа Б имеют в 2 раза меньшее электрическое сопротивле­ние, но обладают низкой твердостью, определяющей большую интенсивность износа и, 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.

Металлокерамические пластины несколько увеличивают износ контактного провода по сравнению с угольными; их применяют на мощных грузовых электровозах, обеспе­чивающих централизованное электроснабжение вагонов, вместо угольных пластин из-за их боль­шого электрического сопротивления. Кроме того, практика показала невозможность совмест­ной работы угольных вставок и медных пластин, так как последние ухудшают рабочую повер­хность контактного провода и тем самым резко снижают эффект уменьшения износа провода в случае применения угольных вставок. При централизованном электроснабжении вагонов с ис­пользованием угольных вставок на токоприемниках для предупреждения пережогов одинарно­го контактного провода приходится в ряде случаев на время стоянок поезда поднимать вторые токоприемники электровоза, что нельзя считать рациональным.

Опыт показывает, что наилучшим сочетанием является работа на одних и тех же уча­стках токоприемников с металлокерамическими и угольными вставками. В этом случае полировка контактного провода не ухудшается.

При всех достоинствах металлокерамических пластин необходимо еще повысить на­дежность их работы в условиях гололеда на контактной сети, что стало возможным при использовании методов порошковой металлургии, которые позволяют соединить в спечен­ном материале практически любые компоненты и получить пластины с необходимыми тех­ническими характеристиками.

Применение медных пластин на некоторых участках требует закладки сухой графи­товой смазки основного (СГС-О) и дополнительного (СГС-Д) составов. Смазкой СГС-Д смазывают полозы токоприемников на пунктах технического обслуживания (ПТО) при выкрашивании основной смазки. Следует отметить, что некачественное (с избытком) нане­сение смазки может привести к усилению электрического износа провода, то есть смазка СГС-Д имеет большое электрическое сопротивление. Особенно это опасно при трогании - это одна из причин пережога проводов. С другой стороны, малое количество смазки приво­дит к сухому трению и усилению механического износа.

Неправильная установка медных и металлокерамических пластин на полозе ухудшает состояние контактных поверхностей. Иногда при ремонте более тонкие пластины располага­ют в среднем ряду полоза, тогда в первое время работы токоприемника съем тока осуществ­ляется только пластинами крайних рядов, что увеличивает плотность тока в контакте.

Возникновению сильной дуги способствуют наличие жестких точек и неровностей на контактном проводе, некачественное выполнение стыковых соединений или нарушение тех­нологии монтажа секционных изоляторов. Кроме контактного провода дугой повреждают­ся и пластины полоза.

Правила устройства и технической эксплуатации контактной сети электрифициро­ванных железных дорог требуют немедленного устранения изгибов провода.

Определение износа контактного провода начинают с измерения высоты оставшегося сечения провода. Его измеряют универсальным микрометром, комплектом измерительных скоб или индикаторным прибором с погрешностью до 0,1 мм. Результаты замеров заносят в книгу состояния контактного провода дистанции контактной сети (форма ЭУ-85), где указы­вают дату замеров, номера опор, номера струн по счету километров и т. д. При двух контак­тных проводах записи замера ведут дробью: в числителе — левого, в знаменателе — право­го провода относительно счета километров независимо от номера пути и направления дви­жения поездов по нему. Значение высоты сечения контактного провода 8 мм и менее запи­сывают в книгу красными чернилами.

Высоту сечения контактного провода измеряют у каждого фиксирующего зажима, в середине пролета, у питающих и стыковых зажимов, а также в точках с повышенным мест­ным износом провода.

В том случае, когда сделаны замеры с каждой стороны от зажима (всех типов), запи­сывают меньшее значение высоты сечения провода. При шахматном расположении звенье­вых струн измерения выполняют у зажима одного провода и рядом, в середине межструнового пролета второго провода. На отходящих нерабочих ветвях сопряжений анкерных уча­стков высоту сечения провода не проверяют.

На основании замеров отдельно для каждого анкерного участка определяют среднее арифметическое значение высоты h_срсечения контактного провода:

где п — число замеров.

При этом замеры на вставках не учитывают.

В случае двух контактных проводов подсчет ведут раздельно для левого и правого проводов:

По среднему значению высоты провода, пользуясь таблицей износа для данной марки контактного провода (табл. 2.1), определяют среднюю площадь S изношенной части каж­дого провода анкерного участка.

Износ S, мм , контактных фасонных проводов площадью сечения 100

Сечения h, мм

Таблица 2.1 мм при высоте

Износ контактного провода в пролете характеризуется коэффициентом неравномерности износа К_и:

При хорошей регулировке провода коэффициент неравномерности близок к единице. Если его значения не достигают 0,8, то следует принять меры по повышению качества то­косъема в зоне фиксаторов, а если превышают 1,2, необходимо принять меры к улучшению регулировки контактного провода по высоте.

По результатам измерений определяют участки провода, износ которых превышает допустимые пределы. Такие участки подлежат обязательной замене.

Для разработки и внедрения наиболее эффективных мероприятий по снижению износа контактных проводов проводят их анализ. В районах контактной сети подробно изучают состояние провода в пределах анкерных участков, устанавливая причины местного износа, которым обычно считают такой износ, где высота провода оказывается меньше средней по анкерному участку или отличается в соседних точках на 1 мм. Форма отчета в ЭЧК указа­на в таблице 2.2.

Таблица 2.2

Сведения об износе контактного провода в ЭЧК -____ , ЭЧ -____

______________________ж. д. по измерениям 20 ____ г.

Результаты анализа износа в ЭЧК передают в дистанцию электроснабжения, где про­водят: учет и контроль износа проводов; оценку качества содержания проводов по ЭЧК; выявление закономерностей местных износов; разработку мероприятий по снижению изно­са средствами дистанции электроснабжения и средствами службы электроснабжения доро­ги; определение объемов и очередности работ по замене изношенных проводов.

Нагляднее средний износ выражается графиками, составленными для каждого анкер­ного участка или перегона, где данные за последний год последовательно накладываются на предыдущие графики. Это позволяет проследить динамику изнашивания контактного провода со времени ввода в эксплуатацию, выявлять места повышенного износа. Зависи­мость изнашивания контактного провода от токовых нагрузок по участку необходима для разработки мероприятий по продлению срока службы контактных проводов.

Интенсивность изнашивания контактного провода на каждом анкерном участке обычно выражается средним удельным износом, представляющим собой измеренное в мм² - среднее на анкерном участке уменьшение площади поперечного сечения, отнесенное к 10 000 прохо­дов электроподвижного состава:

где i_а— удельный износ провода на анкерном участке, отнесенный к 10 000 проходов электроподвижного

состава, мм²;

S — разница между средними износами провода анкерного участка, определенных в последнем и предыдущем замерах, мм²;

р — число проходов электроподвижного состава по анкерному участку на время между измерениями.

Подсчет числа всех прошедших электровозов проводится по формуле:

где N_эл — число прошедших поездов с электровозной тягой и резервных электропоездов;

а — число электровозов в поезде (кратность тяги);

N_эп — число прошедших электропоездов;

b — число секций в электропоезде.

Определяют средний удельный износ провода отдельно по перегонам и станциям, умножая средний износ каждого анкерного участка на его длину:

где п — число анкерных участков на перегоне;

l_а — длина анкерного участка, км.

Средний удельный износ провода по данному пути зоны (несколько перегонов с одинаковым числом проходов электроподвижного состава):

где т — число перегонов в зоне;

l —длина перегона, км.

Остающийся срок службы контактного провода (раздельно левого и правого) в годах для каждого анкерного участка:

где S_см — нормативное значение среднего износа провода, при котором осуществляется его замена (например, для провода МФ-100 — 30 мм);

Р^/_год — планируемое число проходов электроподвижного состава по данному перегону и пути на третий год после последних измерений износа провода.

По расчетному значению (t_к.ост определяется календарный год, на который планиру­ется замена изношенного контактного провода новым:

где Т₁ — календарный год, в котором выполнено последнее измерение износа провода.

Данные анализа износа представляются в службу электроснабжения дороги по следу­ющей форме (табл. 2.3).

Таблица 2.3

Сведения об удельном износе контактного провода на перегонах
и главных путях станций по дистанции

(наименование)