Тепловой износ – термическое разупрочнение

В эксплуатации провод нагревается в процессе протекающих по нему транзитных токов (токов нагрузки). В результате нагрева медный провод разупрочняется, т. е. уменьшаются предел прочности, предел текучести, твердость и повышаются пластические свойства. Разупрочнение провода при нагреве связано с процессами отдыха (возврата), полигонизации и рекристаллизации [19].

В процессе отдыха происходит изменение механических свойств проводника, которые приближаются к свойствам недеформированного металла. При полигонизации и рекристаллизации происходит значительное изменение структуры проводника. Процесс рекристаллизации приводит к сильному разупрочнению контактного провода. Отдых происходит при низких температурах, до температуры рекристаллизации проводника. Температура рекристаллизации не является фиксированной величиной и изменяется в зависимости от химического состава провода, степени холодной деформации и времени, в течение которого образец выдерживался при данной температуре.

Во Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) проведены испытания с нагревом образцов контактного провода в термостате. Из результатов исследований следует, что температура рекристаллизации колеблется в пределах от 230 до 260°С. Разупрочнение контактного провода происходит при температуре 200…210°С; нагрев контактного провода до температуры выше 300°С при натяжении 1000 даН, как правило, приводит к разрыву.

Достижение указанных температур нагрева проводов в условиях эксплуатации маловероятно, так как современные электронные защиты обладают достаточным быстродействием, чтобы предотвратить разупрочнение контактного провода. Тем не менее проблема отжига по-преж­нему актуальна. Процесс разупрочнения провода проходит при температурах значительно ниже температур рекристаллизации. При этом необходимо учитывать, что внешняя механическая нагрузка (натяжение контактного провода, собственный вес провода) также может ускорять процесс разупрочнения металла при прохождении по нему тока.

Процессы, имеющие место при передаче электрического тока через скользящий контакт, отличаются большой сложностью из-за изменения в широком диапазоне условий трения, изнашивания и передачи электрического тока.

В [12] отмечается, что для пары трения «контактный провод–полоз» наиболее важными видами изнашивания являются: абразивное, усталостное, окислительное, а также адгезионное. В зависимости от условий преобладает тот или иной вид изнашивания. На поверхности контактного провода в результате окисления возникают пленки СuО и CuO₂ и графитовые пленки. Часто ток проходит через скользящий контакт в результате фреттинга, т. е. путем образования каналов проводимости в достаточно толстых пленках.

Так как фактические площади в контакте, через которые передается ток, в десятки и сотни раз меньше номинальной площади, то при этом происходит выделение большего количества тепла в малых микрообъемах на поверхности контактирования, приводящее к разогреву контактных зон. В зависимости от продолжительности температуры перегрева твердотянутого медного контактного провода, его временное сопротивление снижается. В работе [20] приводятся результаты экспериментального изучения влияния электрического тока на пластическое деформирование металлов при трении. Установлено, что при фактических плотностях тока 104–106 А/см² проявляется непосредственно пластифицирующее действие тока. Однако, по нашему мнению, в статье приведено недостаточно аргументации для утверждения о непосредственном пластифицирующем действии электрического тока (т. е. потоком электронов) в отличие от принятого в настоящее время теплового (опосредованного) действия.

Установлено, что с возрастанием тока, снимаемого токоприемником, уве­личивается и искрение. Это не всегда объясняется отрывами полоза токоприемника от контактного провода. А часто объясняется тем, что мощ­ность, выделяющаяся в контактной точке, превышает предельную мощность рассеивания контактного мостика для данного материала [21]. Происходит расплавление материала в локальном микрообъеме, резкое увеличение его объема и выброс (или перенос) материала из контактной зоны.

Анализ функционирования контактного провода и условия его эксплуатации позволяют выделить основные виды повреждений, возникающих при скольжении и передаче электрического тока. Это появление короткой шейки из-за местного повышения износа, уменьшение сечения контактного провода за счет вырывов от схватывания и задиров.

Другой вид повреждения возникает при усилении эрозии, проявляющейся в виде большого числа каверн и наплывов металла. На участках провода, подвергшихся действию электрической дуги, поверхностные слои сильно оплавлены и окислены.

В ряде исследований отмечается, что износ контактного провода и медных пластин токоприемников определяется процессами схватывания материала провода с пластиной при их перемещении, а также электрическими разрядами. В результате этих процессов на поверхности трения возникают риски, раковины. Исследование микроструктуры вблизи поверхности трения медного провода и медных пластин с использованием сухой графитовой смазки показало, что на поверхности материал наклёпывается. Микротвердость наклепанного слоя 104–119 НV. Материал пластин подвергается рекристаллизации, увеличивается размер зерна и дополнительно возникает большое количество двойников (объединение зерен с одинаковыми размерами). Причем зерна ориентируются вдоль поверхности трения.

При использовании угольных вставок поверхность трения контактного провода не подвергается наклепу, но рекристаллизация наблюдается на большую глубину, при этом зерно крупное, с большим числом двойников. Следы от искрения в виде отдельных каверн в процессе трения заглаживаются. Из-за большого различия в свойствах у меди и графита (кокса) при их трении на поверхности не обнаруживаются следы от схватывания. Имеются лишь отдельные риски от абразивного изнашивания.

При использовании вставок на коксовой основе поверхность трения контактного провода часто бывает темно-коричневого цвета. Это указывает на преобладание окислов меди. Использование графитовых вставок приводит к появлению на поверхности пленки серебристо-черного цвета. Толщина поверхностной пленки составляет примерно 1 мкм.

Пережоги контактного провода. В приведенных ранее работах речь шла в основном об искровом разряде, в то время, как при токосъеме основное эрозионное воздействие оказывают дуговые разряды. Наиболее сильным проявлением дугового воздействия на провод является его пережог. Пережог – расплавление небольшого участка провода до разделения на два отдельных. Пережоги провода рабочим током бывают, прежде всего, при грубых нарушениях качества контакта (гололед, толстая окисная пленка на проводе на малодеятельных путях, подъем и опускание токоприемника под нагрузкой или при к.з. в ЭПС, при замыкании полозом разнопотенциальных секций контактной сети на воздушных промежутках и т. п.). Эти пережоги практически не зависят от контактного материала.

Подробные исследования процесса пережога контактного провода токами к.з. выполнены во ВНИИЖТе. В его работах показано, что при наличии дуги между проводом и полозом время пережога не зависит от материала вставки, а только от количества электричества, протекшего в контакте. При плотном контакте время пережога зависит от величины произведения квадрата тока на время, различного для разных материалов.

Ранее в литературе высказывалось мнение, что применение угольных вставок неизбежно увеличит количество пережогов контактного провода. Однако при правильном определении нагрузочной способности токоприемников и их соответствии мощности ЭПС пережог контактного провода рабочим током в нормальных условиях эксплуатации произойти не может.

Нагрев контактного провода в месте соприкосновения с полозом токоприемника зависит от следующих факторов: характера контакта (дуговой или бездуговой; неподвижный или перемещающийся); состояния контактных поверхностей (степени загрязнения) и давления токоприемника; материала контактов (контактного сопротивления); величины и времени прохождения тока; схемы питания (односторонняя и двусторонняя); износа контактного провода и величины натяжения.

Изношенные контактные провода менее термоустойчивы. При износе 30 % время пережога для обоих случаев (дугового и бездугового) снижается приблизительно в 2 раза.

При нагреве, приводящем к снижению прочности ( – временного сопротивления), наблюдается вытягивание провода с образованием «шейки», уменьшение сечения до определенной величины в зависимости от натяжения приводит к разрыву провода.

Отмечены случаи пережога провода на малодеятельных путях станций, имеющих загрязненную атмосферу, особенно вблизи химических предприятий из-за появления толстой (до 0, 2 мм) окисной пленки.

На неподвижном токоприемнике и при коротких замыканиях на электроподвижном составе даже при «нормальном» контакте из-за больших плотностей тока и возникающих электродинамических усилий всегда появляются небольшие дуги по краям контактирующих поверхностей.

При опускании токоприемников продолжительность горения дуги на участках постоянного тока колеблется от 0, 2 до 1, 8 с, а ее длина – от 50 до400 мм и на участках переменного тока 0, 15–0, 8 с при длине до 700–800 мм.

При длительном горении из-за переброса дуги могут перегорать также и несущие тросы. На участках постоянного тока удельное количество пережогов в местах секционирования приблизительно в 2 раза выше, чем на переменном токе. Обрывы проводов могут возникать также из-за перегрева зажимов, подгаров струн, поджогов при перекрытии изоляторов. Обрывы контактных проводов, несущих тросов, питающих или усиливающих фидеров в ряде случаев вызываются перегревом установленных на них токопроводящнх зажимов, в основном по причине увеличения контактного электросопротивления.

Ухудшение контакта в поперечных соединениях менее опасно по причине перераспределения токов между рядом расположенными соединениями. Однако при больших нагрузках и в этом случае могут иметь место опасные перегревы проводов.

На линиях переменного тока при перекрытии изоляторов возникшая дуга вызывает поджоги (в том числе и в седлах) многопроволочных медных, бронзовых и сталемедных несущих тросов. Повторные перекрытия или увеличение по каким-либо причинам натяжения после поджога часто вызывают обрывы тросов. На участках постоянного тока, имеющих быстродействующую защиту, поджоги по этой причине наблюдаются очень редко.

Снижение прочности витых тросов до пределов, при которых в условиях нормального натяжения может произойти разрыв, вызывается воздействием дуги (в ампер-секундах) в 2 раза меньшим для алюминиевых, в 1, 5 раза меньшим для медных, сталеалюминиевых и сталемедных тросов, чем для «сплошных» проводов того же сечения [21].

Несрабатывание защиты (например, из-за недостаточной чувствительности при коротком замыкании в конце фидерной зоны) или большая выдержка времени могут привести к неравномерному разупрочнению материала проводника по длине анкерного участка, износу контактного провода.

Тепловое изнашивание. Под этим термином предложено понимать процесс термического разупрочнения части объема провода под действием тепловых импульсов. Разупрочнение провода в некотором объеме и в конкретном сечении до величин, например, превышающих временное сопротивление разрыву, адекватно потере этого объема, происходящей при механическом (абразивном) или электроэрозионном изнашивании. Результатом теплового изнашивания является тепловой износ.

Процесс теплового изнашивания может иметь постепенный, длительный или практически мгновенный характер. Примером последнего можно считать пережог провода, вызванный совместным действием электроэрозионного и теплового видов изнашивания.

Уменьшение сечения провода при механическом или электроэрозионном износах приводят к его вытягиванию, следовательно, к нарушению габарита контактного провода. Небольшое вытягивание провода может произойти также из-за постоянно действующей растягивающей нагрузки и влияния внешних сил [22]. Тепловой износ может также приводить к некоторому уменьшению сечения и удлинению проводника. Совместное воздействие теплового износа с натяжением в большинстве случаев приводит к обрыву контактного провода без значительного уменьшения его сечения и удлинения.

Накапливающийся (постепенный) тепловой износ сопровождается образованием на проводе удлиненной шейки, мгновенный – короткой.

В эксплуатационных условиях выявить степень теплового износа по относительному удлинению или остаточному сечению будет крайне затруднительно, кроме случаев, когда эксплуатационный персонал визуально может отметить образование шейки на каком-то отрезке провода. В настоящее время состояние контактных проводов оценивается в основном по остаточной площади сечения проводника [1].

Введение понятия теплового износа требует решения нескольких задач. Первая – отыскание критериев теплового износа как степени потери прочности адекватной разупрочнению, вторая – нахождение способов оценки степени разупрочнения. Разупрочнение можно определять по величине временного сопротивления разрыву. Но для этого требуется выемка контактного провода или его образцов из эксплуатации, что крайне нецелесообразно. Таким образом, возникает третья задача – создание приборного обеспечения измерения степени разупрочнения без изъятия провода из действующей контактной подвески и четвертая задача – разработка практических рекомендаций по дальнейшей эксплуатации провода.

Характеристика теплового износа контактного провода приведена на рис. 3.2.

Рис. 2.2. Характеристика теплового износа контактного провода

Контроль и прогнозирование износа контактного провода. Измере­ния износа контактного провода проводят: во-первых, для предупреждения опасного уменьшения его сечения и, во-вторых, для анализа характера и особенностей процесса изнашивания, изучения влияния отдельных факторов, определяющих срок службы провода, для планирования потребности в проводе и для разработки экономичных способов сокращения этой потребности.

По мнению специалистов [12, 19 и др.], износ пластин полозов токоприемника и контактного провода состоит из трех основных составляющих

W=W₁+W₂+W₃, (3.4)

где W₁ – механический износ; W₂ – электрический износ от испарения, разбрызгивания материала под воздействием электрических дуг,

W₂=A * Iⁿ * t, (3.5)

где А – коэффициент, зависящий от материалов пластин в условиях контактирования; I – сила электрического тока; t – время воздействия дуги; n – коэффициент, зависящий от материала пластин; W₃ – механический износ от повреждений материала электрическими дугами.

Согласно [23] существует несколько моделей развития износа. В работах [12, 24] устанавливалась зависимость среднего износа по анкерному участку от числа проходов ЭПС.

Другой путь моделирования износа контактных проводов – вероятностный подход, его плодотворность показана в [25]. Такая модель учитывает неслучайные и случайные приращения среднего износа по анкерному участку и функции числа прохода токоприемников.

Вид модели износа определяется целью проводимых исследований. Все существующие модели износа можно разбить на классы: адаптивные и имеющие жесткую структуру. Адаптивные модели [25] устанавливают связь износа с доминирующим фактором и требуют уточнения параметров на основе конкретных местных условий. Основная часть участков электрифицирована относительно давно, и, проводя ретроспективный анализ износа, можно установить параметры модели. Для других случаев, когда размеры движения и веса поездов резко меняются, прогноз можно осуществлять по наихудшему варианту. Однако уже через год работы контактных проводов в новых условиях можно провести измерение износа и уточнить параметры модели. Для вновь электрифицированных участков ретроспективный анализ износа невозможен.

Второй класс моделей с жесткой структурой [26–27] предназначен для прогнозирования износа априорно. Для повышения точности прогноза здесь приходится учитывать большое число факторов. Однако конкретный вариант и сочетание с точки зрения взаимного влияния и влияния износа в каждом конкретном случае будет иметь особенности. Применение таких моделей оправдано в небольшом числе случаев, когда адаптивные модели не позволяют сделать лучшего прогноза ввиду отсутствия необходимой информации.

Учет единственного фактора в моделях [12, 23] накладывает некоторые ограничения на их использование. Прогноз может быть осуществлен лишь в самом общем среднем случае. Преимущества модели [25], которая учитывает вероятностную сторону среднего износа перед [24, 26] очевидны. Однако модель [25] позволяет прогнозировать только средний по участку износ, а этого для целей обслуживания недостаточно.

Все рассмотренные модели описывают процесс износа по единственному его параметру – среднему значению. Их цель – прогнозирование среднего износа, причем механического, на анкерном участке для принятия решения о замене провода.

Временное сопротивление медных контактных проводов в эксплуатации может снижаться по сравнению с сопротивлением этих проводов в состоянии поставки за счет частичной рекристаллизации металла при его нагреве «продольными» тяговыми токами. Известна также [28, 29] рекристаллизация меди вблизи поверхности трения провода в результате тепловых воздействий, связанных с токосъемом (нагрев электрической дугой или джоулевым теплом, выделяющимся в контакте). Такое явление отмечено на проводах, взаимодействовавших как с угольными вставками, так и с медными пластинами.

Математическое моделирование износа контактного провода позволяет уменьшить количество лабораторного эксперимента и создать условия, которые можно получить только в эксплуатации.

Производить оценку теплового износа и его прогнозирование станет возможным после установления взаимосвязи между структурными, механическими и акустическими свойствами контактного провода.

2.2 Обоснование темы дипломной работы

Целью дипломной работы является приобретение навыков по определению свойств контактных проводов, определения степени повреждения.

На железных дорогах, электрифицированных на переменном токе, редко встречается механический износ, однако отжиг и пережог проводов встречается не менее часто, чем на постоянном.

Существующие на сегодняшний день способы контроля механические свойства контактного провода можно отнести в основном к разрушающим, что малоэффективно. Бесконтактные, оптические методы контроля контактной сети, достаточно широко внедряемые на ряде железных параметров и состояния поверхности провода, однако они не обеспечивают определения его прочностных характеристик.

Определение степени повреждения токосъемных устройств в условиях эксплуатаций, основанное на косвенной связи прочностных свойств с механическими или электрическими характеристиками объекта, не всегда приводит к положительному результату в силу значительной их зависимости от внешних условий и отсутствия комплексного подхода к решению названной проблемы.

Необходимы знания механизмов и причин разрушения проводов контактной сети, на базе которых возможна разработка комплексной системы мер и мероприятий по диагностике токосъемных устройств в условиях эксплуатаций на основе неразрушающих методов контроля.

При выполнении дипломной работы необходимо:

- усвоить понятия повреждаемости элементов контактной сети

- методы испытаний и контроля материалов

- проблемы износа контактных проводов

- выявления мест повышенного термического износа контактного провода

- взаимосвязь структурных, механических и акустических свойств контактного провода.