CN101746280B - 一种高速电力机车用云母陶瓷绝缘子及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高速电力机车的云母陶瓷绝缘子及其制造方法，主要由云母陶瓷体和金属连接极柱嵌接件两部分组成，金属嵌接件包括上、下两个独立的极柱，极柱分为外端和内端，内端嵌接在云母陶瓷绝缘体中，外端之一安装在固定物上，另一端与导电体相连。其制法是热压的方法，即将配料经750～1000℃预烧1～10小时、再造粒制成粒度为10～100目的陶瓷粉末，然后再泠压成热压的坯体，用热压模制技术，使高温下的云母陶瓷和金属极柱嵌件在加热了的模具中压制成型，然后经退火处理和涂层处理，制备出的云母陶瓷绝缘子产品具有良好绝缘性能、机械性能以及耐高温性能，可完全满足高速大功率交流电力机车的使用要求。

Description

一种高速电力机车用云母陶瓷绝缘子及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种电力机车用的绝缘子及其制造方法，具体讲是一种高速电力机车用的云母陶瓷绝缘子及其制造方法。

背景技术

随着对铁路运输的需求日益增加，近年来国内纷纷引进外国先进的高速电力机车的整车制造技术。因此，对国外技术的吸收、消化，使机车各零部件逐步实现国产化已成为当务之急。

绝缘子是电力系统的重要零部件。引进的高速电力机车中，基本上都是采用大功率交流电机传动的动力方式，不同于目前国内主流的直流电机传动的电力机车。在现有的直流电机传动的电力机车中普遍使用的是采用橡胶、树脂等有机高分子复合材料绝缘子，这种绝缘子相对传统的陶瓷绝缘子具有制造工艺相对简单、成型比较容易、产品质量可靠性较高等优点。但是，有机高分子材料本身存在着明显的缺点，如耐温、耐老化性能差。一般的有机绝缘材料最高使用温度不超过300℃，并且当温度较高时其使用寿命也大打折扣。高速电力机车的高压电机等部位在运行时产生大量的热量，电机内温度往往达到100℃以上。随着环境温度上升，有机高分子材料的老化速度加快，使用寿命缩短，并产生开裂、机械、电气性能下降等问题，严重影响产品的质量稳定性。原先应用于直流传动系统的绝缘子产品无法完全满足高速电力机车的需求。

高速电力机车采用大功率交流电力的动力系统，在机车内部包括高压电机、电力柜等高压线路密布的部位都需要绝缘子来固定和绝缘。该高压电机中的转子等部位在运行中处于高速旋转的状态，而且高压电机、电力柜等部位的空间有限，因此要求安装在其中的绝缘子在相同体积大小时，具有更好的耐高压、高强度、耐高温的特性，这对绝缘子的选择提出了苛刻的条件。传统的陶瓷绝缘子在陶瓷绝缘体的制备上需要优质粘土为原料，本身对资源的浪费很大。而且因其生产工艺所决定，陶瓷绝缘子尺寸精度低、一致性差，以及金属嵌接件与陶瓷绝缘体结合强度差导致绝缘子整体机械强度差；目前电力机车上应用最多的是有机高分子复合材料绝缘子，他们主要是采用无机材料与高分子有机材料(如中国专利CN101088801A中的环氧树脂芯棒)复合制备绝缘体，外表敷以高温硫化硅等有机层。复合材料绝缘子相对传统的陶瓷绝缘子有许多优点，如产品质量比较稳定，成型性能较好，产品的机械强度和绝缘强度比较稳定，但其存在明显的缺点，即无法承受较高的工作温度。由于高速电力机车的高压电机等部位在运行时温度较高，有机材料长期在高温下工作会急剧老化，产品使用寿命大大缩短。因此当务之急就是设计并制造能够满足高速电力机车使用要求的绝缘子产品。

作为耐高温的无机绝缘材料的合成云母陶瓷在国内外早已有生产和销售，具有金属嵌接件的制品也早已问世，但由于其工艺中一直存在一定的问题，特别是坯体的尺寸精度要求较高时，很难压实致密，即使压制成坯，在放置的过程中也往往由于云母晶体的弹性膨胀使坯体有些松弛，造成操作上的困难和制品密度不太理想，上述问题一直没有很好解决。

发明内容

为了解决现有技术中坯体难于压实致密，产品致密性差，使用寿命短等缺陷；本发明的目的在于提供一种可以满足坯体压实致密，提高产品寿命及该产品的绝缘性能、机械性能以及耐高温性能的云母陶瓷绝缘子产品及其制造方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高速电力机车用云母陶瓷绝缘子，包括云母陶瓷绝缘体和金属嵌接件，金属嵌接件包括上、下2个独立的极柱，2个极柱都分为外端和内端，内端嵌接在云母陶瓷绝缘体中，下极柱的外端通过外螺纹或内螺纹安装在机车电机外壳固定物上，上极柱的外端作为导入电机的电缆线和外来电源电缆相连的接线柱并通过外螺纹和螺帽固定，其特点为：上极柱在被陶瓷体所包围的内端上紧接外端处设置一直径大于外端的圆柱体，在圆体下设置一圆锥筒形体，该圆锥形筒壁厚2～5mm，内壁设有三角牙型的环状沟槽或螺纹结构，在圆锥形筒体下方设一六方柱形筒体，其内径与圆锥形筒体下部一致，其内壁同样设有三角牙型的环状沟槽或螺纹结构；在下极柱的内端设有三个圆柱体结构，在紧接外端处设一直径大于外端的圆柱，在该圆柱下再设一直径大于该圆柱的第二个圆柱，紧接该大的圆柱下设一直径小于上极柱的内端圆锥筒和六方柱筒体内径2～16mm的并具有外螺纹的柱体；上、下极柱的两内端的距离保持1～8mm之间，下极柱内端的端部圆柱体伸入至上极柱内端的圆锥筒和六方柱筒的空间中。

上述的下极柱内端的大直径的第二个圆柱面上设有一具坡度的斜坡面，斜面的坡度保持在0～30度范围内。

上述的上、下极柱的内端的顶部设有一用于增加有效电压击穿距离、减小了两个极柱之间尖端放电的几率的倒角。

上述的下极柱的最内端部设计成向外扩张的喇叭口形状。

上述的上极柱内端的六方柱筒下部还设有一凹槽。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种用于高速电力机车的云母陶瓷绝缘子的制造方法，其技术方案包括云母陶瓷的原料配方、热压工艺及设计制造用于热压工艺的模具和所需的金属连接极柱嵌接件。其中，原料配方和热压技术条件，尤其是在完成配方后的预陶瓷化后造粒处理技术，是本发明的显著特点。一般的云母陶瓷直接将配方好的粉料压制成坯后，经干燥后投入热压使用，往往造成很不理想的结果，因为坯体难于压实致密，尤其是小直径高度大的坯体更是如此，这不仅影响产品的致密性，也影响到热压工艺操作。采用本发明之后上述难题得到满意克服。

本发明的制造方法具体操作步骤如下：

1)取粒度为10～100目的合成云母粉50～85wt％，软化点在400～700℃、粒度为100～400目的低熔点电工用玻璃粉10～45wt％，小于40目的B₂O₃粉3～12wt％与400目的MnO₂添加剂0.2wt％完成原料配置；

2)将步骤1)的配合料送入球磨机进行球磨混合；

3)将步骤2)的混合均匀的配合料压成坯体并预烧；

4)将步骤3)预烧过的坯体粉碎、筛分、造粒成陶瓷粉体；

5)将步骤4)的陶瓷粉体按每个绝缘子要求的重量精确称量，然后在100～300Mpa下压制成热压用的坯体；

6)将步骤5)的坯体，放入高温炉中烧制至软化，烧制温度为800～1000℃，加热时间为20～240分钟；

7)将步骤6)加热好的坯体投入到连同金属极柱嵌件一起加热至300～620℃的模具中；

8)在步骤7)的高温状态下，合模并施加压力，在100～350Mpa下，热压时间为10秒～2分钟；然后开模，将嵌有所述金属极柱嵌件的云母陶瓷绝缘子从模具中取出；

9)将步骤8)的成型产品进行退火处理，其退火温度为150～400℃，并在该温度下保持1小时以上，然后断电随炉降温至室温；

10)在成型产品外表面涂覆疏水层。

上述步骤3)所述的预烧坯体的制坯压力低于100Mpa；所述的预烧时间为1～10小时，预烧温度为750～1000℃。

上述步骤4)所述的陶瓷粉体粒度为10～100目。

上述步骤10)所述的疏水层为有机硅树脂，该树脂处理后须在180℃及以上温度加热至少0.5小时。

本发明产品的有益效果主要是由于采用了新设计的金属极柱的结构及耐高温的致密度高的云母陶瓷作绝缘体，使所设计的绝缘子克服了传统的有机高分子材料绝缘子不耐高温、容易老化、使用寿命短的缺点。尤其是在高速电力机车机械应力、高温、高压等共同作用下，其耐高温、耐老化性能指标完全满足该大功率电力机车高速行驶的特殊要求，其使用寿命比现有的产品显著延长，可靠性大幅提高。

本发明的方法的主要特点是同时将云母材料和低熔点玻璃引入电机绝缘子的制造中，从而用类似制造有机高分子复合材料绝缘子的方法---热压模制，来制造云母陶瓷绝缘子产品，最终得到的产品兼具陶瓷绝缘子和有机高分子复合材料绝缘子的优点：按照本发明制造的绝缘子产品具有体积小、安装精度高、机械和电气绝缘强度高、可长期使用于温度高的环境中、产品质量稳定等优点，完全满足高速大功率交流动力机车的使用要求。

同时，为了保证陶瓷体部分具有良好的电绝缘强度和电压击穿强度，本发明在原料处理环节引入了预烧造粒的手段。从而得到便于操作且成型性能良好的陶瓷粉末，制备出致密度高、机械性能和电性能优良的绝缘子产品。

此外产品的各种原材料价格低廉、生产制造成本较低，并且制造过程几乎无污染物排放、废品也可以全部回收二次利用，是良好的绿色环保产品，符合当前国家节能减排的政策方针。

附图说明

图1为本发明云母陶瓷绝缘子的整体结构剖面图

图2为本发明云母陶瓷绝缘子制造方法的工艺流程示意图

具体实施方式

本发明的技术方案是将具有良好电绝缘性能的云母陶瓷配料以热压技术把金属嵌接件坚实牢固地固定在陶瓷绝缘体中，形成一种用于高速电力机车的云母陶瓷绝缘子，所以本产品主要由电绝缘陶瓷体和金属连接极柱即金属嵌接件两部分组成。其中绝缘陶瓷体部分主要组成为合成云母粉、电工玻璃粉组成，而金属连接极柱可以根据安装环境的需要进行设计，材质可以选择不锈钢或普通钢材等等各类金属材质。金属嵌接件包括上、下两个独立的极柱，两个极柱都分为外端和内端，内端嵌接在绝缘陶瓷中，下极柱的外端通过外螺纹或内螺纹安装在机车电机外壳等固定物上，上极柱的外端作为导入电机的电缆线和外来电源电缆相连的接线柱并通过外螺纹和螺帽固定，极柱在被陶瓷体所包围的内端，其设计的要诣在于如何提高其与云母陶瓷绝缘体的结合强度及保证两内端之间有足够的绝缘电阻。两内端可有相同的设计，也可为不同的设计。本发明的实例为两内端不同结构的设计，上极柱在被陶瓷体所包围的内端上紧接外端处设置一直径大于外端的圆柱体，在圆柱体下设置一圆锥筒形体，该圆锥形筒壁厚2～5mm，内壁设有三角牙型的环状沟槽结构或螺纹结构，在圆锥形筒体下方设一六方柱体形筒体，其内径与圆锥形筒体内部一致，其内壁同样设有三角牙型环状沟槽的结构或螺纹结构；在下极柱的内端，设有三个圆柱体结构：在紧接外端处设一直径大于外端的圆柱，在紧接该圆柱处设一直径大于该圆柱的第二个圆柱，紧接该大的圆柱下设一直径小于上极柱的内端圆锥筒和六方柱筒体内径2～16mm、并具有外螺纹的柱体；上、下极柱的两内端间的最小直线距离保持1～8mm之间，下极柱内端的端部圆柱体伸入至上极柱内端的圆锥筒和六方柱筒的空间中。绝缘子的具体外形、尺寸可以根据电路中的安装位置而定。

在下极柱的内端的一大直径的第二个圆柱体端面上设一具有合适坡度的斜坡面，斜面的坡度保持在0～30度范围内，使其更具有良好的成型性能，最终产品的机械强度、电气强度能够更好满足使用要求。此外，为了辅助增加绝缘子产品的扭矩等，可以将下极柱内端中间部位的圆柱体设计成六方柱面的结构，并且在柱面中增加一环形凹槽以提高陶瓷体的附着力。

为进一步提高本发明的绝缘强度，在内端的顶部设计一倒角以增加上下极柱的有效电压击穿距离，同时减小了两个极柱之间尖端放电的几率。

本发明的技术方案在其极柱内端的结构上还有很多的变化方式，如下极柱内端的中部大直径圆柱设计成与上极柱内端类似的六边柱面结构以提高绝缘子的扭矩，同时在六方柱面上设计一环形凹槽以辅助提高陶瓷体和金属极柱之间的附着力及其它机械强度等。为了提高绝缘子的机械强度，可以将上、下极柱的内端柱体上的三角牙型环状沟槽设计为螺纹状，该结构能够有效提高绝缘子的扭矩。上、下极柱可以是其中之一设计为螺纹结构，也可以同时设计为螺纹结构。还可以将上极柱内端的六方柱体形筒体改为外表面滚花纹的圆柱筒体结构。总之，上、下极柱内端的各种结构改变均属本实发明的范围。

为了满足不同使用位置的安装要求，绝缘子的外型尺寸也根据安装位置的要求而设计。由于用于绝缘的材料是采取高温模压云母陶瓷技术，要先在模腔中安置金属嵌接件，然后将高温坯料模压成型，绝缘子的外型可通过模腔的设计而改变。

以下通过附图对本发明的技术方案作详细说明。

如图1所示，为本发明云母陶瓷绝缘子的产品结构示意图；该云母陶瓷绝缘子由上极柱A、下极柱B、云母陶瓷绝缘材料C三部分组成。

采用云母陶瓷热压成型后，由所设计的热压模内腔形状决定云母陶瓷绝缘体的外形，同时陶瓷体把上极柱A和下极柱B的内端包紧并严密填充该两极柱的内端之间，形成优异的机械强度和绝缘强度；绝缘子的外表面中部为一六方柱腰，其上下部为圆台形状结构，是本发明的外部形状之一。

其中，上极柱A的外端为上极柱与外部连接的螺杆1；上极柱A的内端设有圆柱状体2、圆锥筒形体3，筒体的壁厚为2～5mm，筒体内壁设有螺纹结构7；在紧接圆锥形筒体处设有一六方体筒结构，在该六方体筒上设有一环形凹槽6，把该六方体筒区隔成4、5两个六方体筒面，其内部与圆锥筒形体3的内部完全相同。

下极柱B的外端为下极柱与外部连接的外端螺杆15。下极柱的内端设有三个不同直径的圆柱状结构，与外端15紧接的一圆柱结构14，其直径比外端15大；紧接圆柱结构14的另一圆柱结构，其直径比14的还要大，在该圆柱结构的中部设一环形凹槽12，将该圆柱区隔成10和11两部分；最内端的圆柱结构8为螺纹结构，其直径比上极柱A的内端部分的圆锥筒3和六方筒4、5的内径小10mm，以便成型时伸入其中并保持足够距离；在圆柱结构10与8相连的截面上，设一坡度为10度的圆锥状的斜坡面9；11与14相联连的截面上在设一圆锥状表面结构13；上述的最内端的圆柱结构8也可设计成向外扩张的喇叭口状结构。

本发明还提供了一种高速电力机车用的云母陶瓷绝缘子的制造方法，它包括云母陶瓷的原料配方、热压工艺及设计制造用于热压工艺的模具和所需的金属连接极柱嵌接件。其中，原料配方和热压技术条件，尤其是在完成配方后的预陶瓷化后造粒处理技术，是本发明的显著特点。一般的云母陶瓷直接将配方好的粉料压制成坯后，经干燥后投入热压使用，往往效果很不理想。因为坯体难于压实致密，尤其是小直径高度大的坯体更是如此，这不仅影响产品的致密性，也影响到热压工艺操作。采用本发明之后上述难题得到满意克服。本发明是按如下方式实施的：

如图2所示，本发明的制造工艺流程主要工艺步骤如下：

步骤1：取粒度为10～100目的合成云母粉50～85wt％，软化点在400～700℃、粒度为100～400目的低熔点电工用玻璃粉10～45wt％，小于40目的B₂O₃粉3～12wt％与400目的MnO₂添加剂0.2wt％进行原料配置；

步骤2：将上述配合好的混合料送入球磨机进行球磨混合；

步骤3：将球磨后的均匀混合料在低于100Mpa的压力下压制成坯体，将该坯体放置于750～1000℃的温度下预烧1～10小时；

步骤4：将步骤3预烧过的坯体再粉碎、筛分、造粒制成粒度为10～100目的陶瓷粉体；经粉碎、过筛、造粒成的陶瓷粉体的堆比重比未经再造粒的混合物要重许多，这样的原料混合更均匀、可得到具有一定粒度分布的陶瓷粉体。

步骤5：将步骤4的陶瓷粉体按每个绝缘子要求的重量精确称量，然后在100～300Mpa的压力下压制成直径小于热压模直径的坯体；

步骤6：将步骤5)的坯体，放入高温炉中烧制至软化，烧制温度为800～1000℃，加热时间为20～240分钟；

Claims (9)

1.一种高速电力机车用云母陶瓷绝缘子，包括云母陶瓷绝缘体和金属嵌接件，金属嵌接件包括上、下2个独立的极柱，2个极柱都分为外端和内端，内端嵌接在云母陶瓷绝缘体中，下极柱的外端通过外螺纹或内螺纹安装在机车电机外壳固定物上，上极柱的外端作为导入电机的电缆线和外来电源电缆相连的接线柱并通过外螺纹和螺帽固定，其特征在于：所述上极柱在被陶瓷体所包围的内端上紧接外端处设置一直径大于外端的圆柱体，在圆体下设置一圆锥筒形体，该圆锥形筒壁厚2～5mm，内壁设有三角牙型的环状沟槽或螺纹结构，在圆锥形筒体下方设一六方柱形筒体，其内径与圆锥形筒体下部一致，其内壁同样设有三角牙型的环状沟槽或螺纹结构；在下极柱的内端设有三个圆柱体结构，在紧接外端处设一直径大于外端的圆柱，在该圆柱下再设一直径大于该圆柱的第二个圆柱，紧接该大的圆柱下设一直径小于上极柱的内端圆锥筒和六方柱筒体内径2～16mm的并具有外螺纹的柱体；上、下极柱的两内端的距离保持1～8mm之间，下极柱内端的端部圆柱体伸入至上极柱内端的圆锥筒和六方柱筒的空间中。

2.根据权利要求1所述的云母陶瓷绝缘子，其特征在于，在所述下极柱内端的大直径的第二个圆柱面上设有一具坡度的斜坡面，斜面的坡度保持在0～30度范围内。

3.根据权利要求1所述的云母陶瓷绝缘子，其特征在于，在所述上、下极柱的内端的顶部设有一用于增加有效电压击穿距离、减小了两个极柱之间尖端放电的几率的倒角。

4.根据权利要求1所述的云母陶瓷绝缘子，其特征在于，在所述下极柱的最内端部设计成向外扩张的喇叭口形状。

5.根据权利要求1所述的云母陶瓷绝缘子，其特征在于，在所述上极柱内端的六方柱筒下部设一凹槽。

6.一种用于高速电力机车的云母陶瓷绝缘子的制造方法，其特征在于，它包括有如下步骤：

1)取粒度为10～100目的合成云母粉50～85wt％，软化点在400～700℃、粒度为100～400目的低熔点电工用玻璃粉10～45wt％，小于40目的B₂O₃粉3～12wt％与400目的MnO₂添加剂0.2wt％完成原料配置；

2)将步骤1)的配合料送入球磨机进行球磨混合；

3)将步骤2)的混合均匀的配合料压成坯体并预烧；

4)将步骤3)预烧过的坯体粉碎、筛分、造粒成陶瓷粉体；

5)将步骤4)的陶瓷粉体按每个绝缘子要求的重量精确称量，然后在100～300Mpa下压制成热压用的坯体；

6)将步骤5)的坯体，放入高温炉中烧制至软化，烧制温度为800～1000℃，加热时间为20～240分钟；

7)将步骤6)加热好的坯体投入到连同金属极柱嵌件一起加热至300～620℃的模具中；

8)在步骤7)的高温状态下，合模并施加压力，在100～350Mpa下，热压时间为10秒-2分钟；然后开模，将嵌有金属极柱嵌件的云母陶瓷绝缘子从模具中取出；

9)将步骤8)的成型产品进行退火处理，其退火温度为150～400℃，并在该温度下保持1小时以上，然后断电随炉降温至室温；

10)在成型产品外表面涂覆疏水层。

7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于：步骤3)所述的预烧坯体的压力低于100Mpa；所述的预烧时间为1～10小时，预烧温度为750～1000℃。

8.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于：步骤4)所述的陶瓷粉体粒度为10～100目。

9.根据权利要求6或7、8所述的制造方法，其特征在于：步骤10所述的疏水层为有机硅树脂，该树脂涂覆后须在180℃及以上温度加热处理至少0.5小时。

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