含金属碳_碳复合材料滑板在高速动车组上的应用研究_宋文彬.pdf

高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed Railway第 2 卷 第 1 期2 0 2 3 年 2 月Vol.2 No.1February 2 0 2 3含金属碳/碳复合材料滑板在高速动车组上的应用研究宋文彬1，逯雨海2，徐相生2，吕传胜2，金龙1（1.中国铁路上海局集团有限公司，上海 200071；2.杭州卓导新材料有限公司，杭州 311103）摘要：浸金属碳滑板因其优异的导电性、耐磨性应用于部分300 km/h以上动车组，但在使用过程中存在崩边、掉块的现象。碳纤维以其高强度、高导电等特性，被引入碳、铜基体，形成了含金属碳/碳复合材料。研究了含金属碳/碳复合材料滑板在动车组上的应用，并与浸金属碳滑板进行了比较。结果表明：与浸金属碳滑板相比，含金属碳/碳复合材料滑板具有质量轻、抗冲击性能好的特性，在使用过程中，未出现崩边、掉块现象，使用寿命较浸金属碳滑板更长。含金属碳/碳复合材料滑板能更好地适应CR450动车组高速、大电流的使用工况。关键词：动车组；滑板；碳/碳复合材料；浸金属碳；使用寿命中图分类号：TB332；U264.3+4 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.2097-0846.2023.01.005滑板从接触网上取电并向电力机车传输电能，是电力机车的核心部件。滑板的材质经历了从纯金属、粉末冶金到纯碳、浸金属碳的变迁。如今，纯碳和浸金属碳成为电力机车滑板的主流材质1-2。相比于纯碳，浸金属碳具备更低的电阻、更高的冲击韧性，特别是在西部风沙天气、冬季冰冻环境下，有着更为优异的使用性能，这使浸金属碳滑板得到了广泛应用。浸金属碳滑板在使用的过程中存在崩边、掉块的现象3。崩边的碳条边缘尖锐，损伤接触线，增大接触线的维护量，降低接触线的使用寿命；日常检修中须对碳条进行修整，降低碳条边缘锋利程度，这大大增加了日常检修工作量。因此，亟待开发一种性能更优异的滑板。含金属碳/碳复合材料是一种以碳纤维为增强体，碳为基体，并添加金属的复合材料，成分和浸金属碳材料一致，具备高导电的特性。同时，因添加有碳纤维，材料冲击韧性显著提高4-5。自20世纪90年代起，日本开始研究含金属碳/碳复合材料，到2010年，含金属碳/碳复合材料滑板批量应用于80%的相模铁路、京王铁路列车6-7。在实际应用中，含金属碳/碳复合材料表现出耐磨、不易缺损等优异特性，成为新一代滑板的研究热点8-9。本文介绍了含金属碳/碳复合材料滑板在300 km/h高速动车组上的应用。1 高速动车组用滑板的结构及服役工况 1.1滑板结构滑板主要由碳条、铝托架、ADD气道、ADD气道接口等组成，典型结构示意见图1。碳条通过导电胶与铝托架黏结起来，导电胶采用耐150 以上温度的高分子材料，含有铜等导电物质。碳条中含有导电性能优异的金属，可短时承载1 000 A电流。碳条宽度为54 mm，最大厚度18 mm，呈弧形，与铝托架贴合良好。碳条主要工作区间在铝托架长度方向中心400 mm范围，呈中间厚、两端薄的结构。铝托架是碳条的载体，通过两端的安装座与受电弓连接，通过导流板传导电流。ADD气道是一个封闭的气流空间，在正常工作时维持气压，实现受电弓滑板与接触线的良好接触，保持两者之间6080 N的接触力。ADD气道多采用铜管，同时设置薄弱环节，在碳条破裂的情况下自然漏气，实现降弓，防止滑板或受电弓刮坏接触线，起到保护接触线的作用。ADD气道接口实现气道与受电弓气源的连接。1.2服役工况滑板安装在受电弓上，与接触网高速摩擦，暴露在自然环境下。CRH380B 平台动车组的运营速度为300 km/h，加速运行时的工作电流为300400 A。滑板会因大电流经过而发热升温，但借助于自然风实现滑板降温，滑板的温度不会明显升高，黏结胶不易失效，图1滑板典型结构示意图文章编号：2097-0846（2023）01002404收稿日期：20220630；修回日期：20230107第一作者：宋文彬（1986），男，高级工程师。E-mail：通信作者：逯雨海（1987），男，高级工程师，博士。E-mail：第 1 期宋文彬等：含金属碳/碳复合材料滑板在高速动车组上的应用研究保证滑板不脱胶。高速动车组经过的线路采用CTMH150接触线，为一根截面积约为150 mm2的双沟圆形导线，每隔一定距离（约25 km）实现电流换相。滑板与接触线并不能保证时刻不分离，当滑板由离线状态恢复到与接触线正常接触时，接触线会对滑板产生冲击。此外，飞鸟、落石等异物也会以300 km/h以上的相对速度对滑板产生撞击。这些情况会导致碳条崩边、掉块，甚至破裂。滑板与接触线的不良接触还会导致电流击穿其间空气，引发电弧。电弧瞬间可产生3 000 以上的高温，灼烧滑板上的铝托架10。滑板暴露在自然环境下，经历风、沙、雨、雪等天气的考验。中国高速动车组十多年的运营经验证明，浸金属碳滑板能适应风、沙天气状况。但是，相对于干燥工况，在雨、雪等潮湿工况下的浸金属碳滑板磨损会加剧。2 含金属碳/碳复合材料与浸金属碳比较 浸金属碳的生产过程首先是制造多孔碳，再在1 000 以上的高温下将紫铜或铜-锡合金熔化，通过施加1030 MPa的压力，将以上熔融金属浸渍到多孔碳中，金属形成三维网状的结构，实现均匀导电。多孔碳中孔隙的均匀性以及浸金属装备是制约国内浸金属碳性能水平的关键因素，国内浸金属碳条的成品率为80%95%。两种材质的浸金属碳条各有特点，均在高速动车组上进行了应用。紫铜硬度较铜-锡合金低，采用紫铜的浸金属碳条对接触线的冲击损伤小，但浸渍温度高于铜-锡合金，制造工艺成本较高，且加工性较差。虽然采用何种金属对接触网的伤害在实际运营过程无法定量表征，但从理论上讲，采用紫铜作为浸渍金属更有利于保护接触线。含金属碳/碳复合材料是将铜网与碳纤维编制成毡体，再通过化学气相沉积的方法或浸渍-碳化等方法对毡体进行碳增密获得，其成分和浸金属碳一样，均是碳和金属。含金属碳/碳复合材料可实现金属含量的可控，无需高温高压设备，成品率为100%。由于添加了碳纤维，靠近端部的含金属碳/碳复合材料经过机械加工后呈现“波浪状”花纹，如图2（a）所示。碳条截面如图2（b）所示，铜网与碳均匀分布。含金属碳/碳复合材料与浸金属碳性能指标对比见表 1。由表 1 可知，含金属碳/碳复合材料和浸金属碳的 5 项指标均满足 TJ/CL 3282014 动车组碳滑板暂行技术条件 中对浸金属碳的要求，含金属碳/碳复合材料的电阻率、抗折强度和抗压强度与浸金属碳相差不大，但是含金属碳/碳复合材料的密度仅为2.8 g/cm3，制成的滑板质量为4.3 kg，比浸金属碳滑板的质量（5.1 kg）减少 16%，可提高受电弓对接触线的跟随性，降低离线率，减少电弧烧蚀，保护接触线。含金属碳/碳复合材料的冲击韧性为 0.75 J/cm2，是浸金属碳的 2倍以上。更高的冲击韧性使滑板在遭受接触网或外力冲击时不易出现崩边、掉块等破损。高速动车组运营以来的经验证明，滑板压断、折断情况极少发生，提高抗压强度、抗折强度不能显著改善滑板使用状况，只有提高碳条材料的冲击韧性才有助于改善滑板的使用状况。3 含金属碳/碳复合材料滑板考核试验 选择2列CRH380BL动车组安装含金属碳/碳复合材料滑板进行考核试验，考核线路为南京安庆合肥淮北瓯海温州宁波。CRH380BL动车组为16编组，在第2、7、10、15车顶上分别安装有受电弓，运行时，2、10车顶上的受电弓同时工作，7、15车顶上的受电弓同时工作。选择第 2车顶受电弓安装含金属碳/碳复合材料滑板、第10车顶安装浸金属碳滑板进行对比试验。表2为含金属碳/碳复合材料滑板与浸金属碳滑板每万km磨耗量对比，由表可知，在相同的工况条件下，含金属碳/碳复合材料滑板的磨耗量比浸(a)整体产品图(b)碳条截面图图2含金属碳/碳复合材料滑板表1含金属碳/碳复合材料与浸金属碳性能对比项目名称浸金属碳标准要求（TJ/CL 3282014）浸金属碳含金属碳/碳复合材料20 电阻率/(m)123423抗折强度/MPa5090120110130抗压强度/MPa100150200140170冲击韧性/(Jcm-2)0.150.350.75密度/(gcm-3)4.03.52.825高速铁路新材料第 2 卷金属碳滑板降低15%以上，表明含金属碳/碳复合材料滑 板 使 用 寿 命 比 浸 金 属 碳 滑 板 有 所 延 长。2 列CRH380BL动车组分别累计考核35万、37万 km，试验结束后，浸金属碳滑板均出现了不同程度的崩边、掉块现象，如图3（a）所示；而含金属碳/碳复合材料滑板未发现该种情况，如图3（b）所示，说明含金属碳/碳复合材料滑板使用寿命较浸金属碳滑板更长。4 结论与展望 含金属碳/碳复合材料滑板采用了碳纤维，提高了材料的冲击韧性，较浸金属碳滑板不易出现崩边、掉块等破损，使用寿命更长；同时保证了金属和碳的均匀性，成品率接近100%。含金属碳/碳复合材料滑板代表着未来滑板的发展方向。CR450动车组的运营速度达400 km/h，对滑板提出了更高的要求，滑板需能长期承受600 A电流，高速下遭受冲击也会更大，须进一步减重、提高灵敏性及受电弓对接触网的跟随性。含金属碳/碳复合材料滑板能够更好地满足CR450动车组的新要求。参考文献：1 陈飞雄，颜君毅，王铁军.从电力机车受电弓滑板标准看滑板材料的发展现状 J.内燃机与配件，2020（4）：73-76.2 涂川俊，陈振华，陈刚，等.炭系电力机车受电弓滑板材料的研究进展 J.炭素技术，2007，26（4）：23-29.3 王卫东，涂川俊，宋腾辉，等.我国高速动车组用浸金属炭滑板的服役工况及损伤特点的调研 J.炭素，2017（1）：10-15.4 卢文博.层状结构受电弓滑板的制备及性能研究 D.济南：山东大学，2012.5 谭翠.炭/炭-铜复合材料的制备及其结构与性能研究 D.长沙：中南大学，2013.6 久保俊一.碳系滑板材料 J.国外机车车辆工艺，2008（4）：31-33.7 土屋广志.受电弓滑板用材料的开发与应用 J.国外机车车辆工艺，2009（3）：30-33.8 木浪宏之.碳系新材料受电弓滑板的开发 J.国外机车车辆工艺，2011（2）：33-36.9 久保田喜雄，彭惠民.C/C复合材料应用于新干线车辆的受电弓滑板 J.国外机车车辆工艺，2020（5）：21-26.10 王鑫.受电弓/接触网系统电弧放电机理研究 D.成都：西南交通大学，2011.Research on the Application of Metal-bearing Carbon Fiber Reinforced Carbon Matrix Composites(M-C/C)ContactStrip in EMUSONG Wenbin1，LU Yuhai2，XU Xiangsheng2，LYU Chuansheng2，JIN Long1（1.China Railway Shanghai Group Co.，Ltd.，Shanghai 200071，China；2.Hangzhou Zhuodao New Materials Co.，Ltd.，Hangzhou Zhejiang 311103，China）Abstract：The impregnated metal carbon contact strip was applied widely in EMUs with speed above 300 km/h,because of its excellent electrical conductivity and wear resistance.However,the phenomenon of edge collapse and block falling was found during service.Thus,carbon fiber was introduced into carbon and copper dual