RU2703564C1 - Composite contact wire - Google Patents
Composite contact wire Download PDFInfo
- Publication number
- RU2703564C1 RU2703564C1 RU2018133106A RU2018133106A RU2703564C1 RU 2703564 C1 RU2703564 C1 RU 2703564C1 RU 2018133106 A RU2018133106 A RU 2018133106A RU 2018133106 A RU2018133106 A RU 2018133106A RU 2703564 C1 RU2703564 C1 RU 2703564C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- copper
- alloy
- contact wire
- wire
- contact
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60M—POWER SUPPLY LINES, AND DEVICES ALONG RAILS, FOR ELECTRICALLY- PROPELLED VEHICLES
- B60M1/00—Power supply lines for contact with collector on vehicle
- B60M1/12—Trolley lines; Accessories therefor
- B60M1/13—Trolley wires
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Conductive Materials (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Изобретение относится к области электротехники, а именно к контактным проводам для энергоснабжения высокоскоростного железнодорожного транспорта. Предлагаемая конструкция контактного провода позволяет добиться необходимого сочетания высокой прочности и высокой электропроводности, повысить его стойкость к атмосферному воздействию, а также существенно снизить механическое и электроэрозионное изнашивание. Изобретение может быть использовано для изготовления фасонных контактных проводов повышенной прочности сечением от 40 мм2 до 200 мм2.The invention relates to the field of electrical engineering, namely to contact wires for power supply of high-speed railway transport. The proposed design of the contact wire allows you to achieve the necessary combination of high strength and high electrical conductivity, increase its resistance to weathering, as well as significantly reduce mechanical and electrical discharge erosion. The invention can be used for the manufacture of shaped contact wires of increased strength with a cross section of 40 mm 2 to 200 mm 2 .
Предшествующий уровень техникиState of the art
В настоящее время на скоростных магистралях железных дорог широкое распространение получили контактные провода повышенной прочности из легированной меди (ГОСТ Р 55647-2013 Провода контактные из меди и ее сплавов, CEI EN 50149-2013 Railway applications - Fixed installations - Electric traction - Copper and copper alloy grooved contact wires). Провода повышенной прочности из легированной меди обладают почти такой же хорошей электропроводностью, как медные, но при этом выдерживают большее температурное воздействие и, соответственно, имеют гарантийный срок службы в два раза выше. Высокая прочность контактных проводов позволяет противостоять растягивающим нагрузкам, характерным для контактной подвески на скоростных линиях, поскольку только при высоком натяжении проводов можно обеспечить надежный токосъем в системе «контактный провод - пантограф» на электроподвижной состав, двигающийся с высокой скоростью (более 200 км/час). Однако, применение известных однородных легированных сплавов на основе меди не обеспечивает дальнейшего повышения скоростного режима электроподвижного состава из-за невозможности достижения желаемого сочетания высокой механической прочности и достаточно высокой электропроводности. Высокая электропроводность контактных проводов необходима для обеспечения энергоэффективности высокоскоростного движения, поскольку рост скорости поездов сопровождается повышением энергоемкости подвижного состава, которая в ряде случаев превышает 10 МВт на состав (Московский Государственный Университет Путей Сообщения (МИИТ) / 15-11-2013 «Высокоскоростное железнодорожное движение» Цикл лекций президента «Сименс» в России Дитриха Мёллера).Currently, high-strength contact wires made of alloyed copper are widely used on high-speed railways (GOST R 55647-2013 Contact wires made of copper and its alloys, CEI EN 50149-2013 Railway applications - Fixed installations - Electric traction - Copper and copper alloy grooved contact wires). High-strength wires made of alloyed copper have almost the same good electrical conductivity as copper, but withstand a greater temperature effect and, accordingly, have a guaranteed service life of two times higher. The high strength of the contact wires allows you to withstand the tensile loads characteristic of contact suspension on high-speed lines, since only with a high tension of the wires can you ensure reliable current collection in the "contact wire - pantograph" system for electric rolling stock moving at high speed (more than 200 km / h) . However, the use of known homogeneous alloyed alloys based on copper does not provide a further increase in the speed regime of the electric rolling stock due to the impossibility of achieving the desired combination of high mechanical strength and sufficiently high electrical conductivity. High conductivity of contact wires is necessary to ensure the energy efficiency of high-speed traffic, since the increase in train speed is accompanied by an increase in the energy intensity of rolling stock, which in some cases exceeds 10 MW per train (Moscow State University of Railway Engineering (MIIT) / 15-11-2013 “High-speed rail traffic” A series of lectures by the President of Siemens in Russia, Dietrich Möller).
Известны контактные провода, которые выполнены из меди (ASTM В47-95а (revision 2017) Standard Specification for Copper Trolley Wire) или из бронзы - легированного сплава на основе меди (ASTM B9-76e1 (revision 2017) Standard Specification for Bronze Trolley Wire) и выпускаются в промышленном масштабе. Недостатком известных контактных проводов является их недостаточно высокая механическая прочность, которая, в частности, для контактных проводов сечением 120 мм2 составляет 350-490 МПа (для проводов сечением 150 мм2 составляет 350-470 МПа). Известно, что прецизионные методы деформационного упрочнения меди или медных сплавов, а также известные способы упрочнения мало легированных медных сплавов выделениями интерметаллических, либо оксидных частиц не обеспечивают необходимого уровня сочетания прочностных и электропроводящих свойств получаемого таким образом проводникового материала. Типичный уровень значений величины временного сопротивления разрыву (σВ) холоднотянутой электротехнической меди, обычно используемой для изготовления электротехнических проводов различного назначения, в частности в виде контактных проводов для железнодорожного транспорта, составляет 250-350 МПа (Смирягин А.П. и др. Промышленные цветные металлы и сплавы, Справочник, М.: Металлургия, 1974 г. - 257 с.). Использование в качестве проводникового материала контактного провода медносеребряного сплава с содержанием серебра (Ag) на уровне 0,1%, приводит к повышению σВ до 400 МПа, однако сопровождается падением электропроводности ниже 90% IACS (Металловедение медных деформируемых сплавов/ Под ред. д-ра техн. наук Д.И. Лайнера и канд. техн. наук М.И. Цыпина. - Москва: Металлургия, 1973. - 143 с.).Contact wires are known that are made of copper (ASTM B47-95a (revision 2017) Standard Specification for Copper Trolley Wire) or bronze - a copper-based alloy alloy (ASTM B9-76e1 (revision 2017) Standard Specification for Bronze Trolley Wire) and produced on an industrial scale. A disadvantage of the known contact wires is their insufficiently high mechanical strength, which, in particular, for contact wires with a cross section of 120 mm 2 is 350-490 MPa (for wires with a cross section of 150 mm 2 it is 350-470 MPa). It is known that the precision methods of strain hardening of copper or copper alloys, as well as the known methods of hardening lightly alloyed copper alloys with precipitates of intermetallic or oxide particles, do not provide the necessary level of combination of strength and conductive properties of the conductor material obtained in this way. A typical level of the values of temporary tensile strength (σ B ) of cold drawn electrical copper, usually used for the manufacture of electrical wires for various purposes, in particular in the form of contact wires for railway transport, is 250-350 MPa (Smiryagin A.P. et al. Industrial color Metals and Alloys, Handbook, Moscow: Metallurgy, 1974 - 257 p.). The use of a copper-silver alloy with a silver (Ag) content of 0.1% as a contact wire leads to an increase in σ B to 400 MPa, but is accompanied by a drop in conductivity below 90% IACS (Metallurgy of copper wrought alloys / Ed. RA Technical Sciences D.I. Liner and Ph.D. Technical Sciences M.I. Tsypin. - Moscow: Metallurgy, 1973. - 143 p.).
Известен более высокопрочный материал для изготовления контактных проводов в виде сплава меди с 2% бериллия (сплав БрБ-2), который получают различными методами плавки с последующей деформацией в закаленном состоянии и термообработкой - старением. При этом величина временного сопротивления этого медного сплава, содержащего дорогостоящий и токсичный металл бериллий, достигает высокого значения - 900 МПа (Берман С.И. Меднобериллиевые сплавы, их свойства, применение и обработка. - М.: Металлургия, 1966. - 343 с). Однако удельное электросопротивление сплава БрБ-2 составляет 0,1 Ом*мм2/м, что в 6 раз превышает электросопротивление электротехнической меди, которое составляет при 20°С величину 0,0172 Ом*мм2/м, что соответствует электропроводности 17,2%IACS (IACS - Industrial Annealing Copper Standard - Международный стандарт отожженной меди, где 100% IACS=1,7241 μΩ*см). Поэтому применение сплава БрБ-2 в качестве материала для изготовления контактного провода связано с существенным расходом электроэнергии при его эксплуатации и нецелесообразно.Known more high-strength material for the manufacture of contact wires in the form of an alloy of copper with 2% beryllium (BrB-2 alloy), which is obtained by various melting methods, followed by quenched deformation and heat treatment - aging. At the same time, the value of the temporary resistance of this copper alloy containing an expensive and toxic beryllium metal reaches a high value of 900 MPa (Berman S.I. Copper-beryllium alloys, their properties, application and processing. - M .: Metallurgy, 1966. - 343 s) . However, the specific electrical resistance of the BrB-2 alloy is 0.1 Ohm * mm 2 / m, which is 6 times higher than the electrical resistance of electrotechnical copper, which is at 20 ° C the value is 0.0172 Ohm * mm 2 / m, which corresponds to an electrical conductivity of 17.2 % IACS (IACS - Industrial Annealing Copper Standard - International Annealed Copper Standard, where 100% IACS = 1.7241 μΩ * cm). Therefore, the use of the BrB-2 alloy as a material for the manufacture of a contact wire is associated with a significant energy consumption during its operation and is impractical.
Известно применение легирующих добавок в сплавах на основе меди, выбранных из ряда элементов в наименьшей степени снижающих электропроводность провода и обеспечивающих высокий уровень прироста механической прочности при повышении концентрации, например, олова (Sn) или магния (Mg) в сплаве (Берент, В.Я. Медные легированные контактные провода Текст./ В.Я. Берент // Железные дороги мира. 2002. - №4. - С. 46-52.). Контактные провода из оловянной бронзы (содержание 0,15-0,2% Sn) при площади сечения 100 мм2 имеют прочность на растяжение 450 МПа и удельное электросопротивление 0,024-0,025 Ом*мм2/м, что соответствует электропроводности 69-71%IACS. Контактные провода из магниевой бронзы (содержание 0,2-0,5% Mg) при площади сечения 100 мм2 имеют прочность на растяжение 450-510 МПа и удельное электросопротивление 0,0231-0,0286 Ом*мм2/м, что соответствует электропроводности 60-74%IACS. Также известно применение кадмиевой бронзы для изготовления контактного провода (Адаскин A.M., Седов Ю.Е. и др. Материаловедение в машиностроении в 2-х частях. - 2-е изд., - М.: Издательство Юрайт, 2017. Часть 2. с. 88). Контактные провода из кадмиевой бронзы (содержание 0,7-1,0% Cd) при площади сечения 100 мм2 имеют прочность на растяжение 430-450 МПа и удельное электросопротивление 0,021-0,022 Ом*мм2/м, что соответствует электропроводности 78-82%IACS. При этом износостойкость таких проводов в 2-2,5 раза выше, чем медных. Также они обладают более высокой стойкостью к термическим нагрузкам и обеспечивают существенно более высокие показатели ползучести вплоть до температур 120-150°С (80-90°С для медных). Увеличение прочности вышеперечисленных проводов до величин 600-800 МПа возможно только при изменении состава исходных сплавов (увеличение концентрации легирующих компонентов). Но, при увеличении концентрации легирующих компонентов происходит повышение механической прочности, но недопустимо сильно падает электропроводность. При этом повышение механической прочности контактных проводов, в случае их легирования магнием, имеет место путем формирования в материале контактного провода дисперсных хрупких оксидных частиц MgO и хрупких частиц Cu2Mg со структурой фазы Лавеса, которые в ходе эксплуатации провода играют роль концентраторов напряжения, а также располагаясь на поверхности провода приводят при контакте с токоприемником подвижного состава к возникновению абразивного износа и появлению микротрещин на его поверхности. Это приводит к преждевременному разрыву контактного провода, находящегося под высоким растягивающим напряжением.It is known to use alloying additives in copper-based alloys selected from a number of elements that reduce the conductivity of the wire to the least extent and provide a high level of increase in mechanical strength with increasing concentration, for example, tin (Sn) or magnesium (Mg) in the alloy (Berent, V.Ya. Copper alloyed contact wires Text./ V.Ya. Berent // Railways of the world. 2002. - No. 4. - S. 46-52.). Tin bronze contact wires (content 0.15-0.2% Sn) with a cross-sectional area of 100 mm 2 have a tensile strength of 450 MPa and a specific electrical resistance of 0.024-0.025 Ohm * mm 2 / m, which corresponds to an electrical conductivity of 69-71% IACS . Magnesium bronze contact wires (content 0.2-0.5% Mg) with a cross-sectional area of 100 mm 2 have a tensile strength of 450-510 MPa and a specific electrical resistance of 0.0231-0.0286 Ohm * mm 2 / m, which corresponds to electrical conductivity 60-74% IACS. It is also known the use of cadmium bronze for the manufacture of contact wires (Adaskin AM, Sedov Yu.E. et al. Materials science in mechanical engineering in 2 parts. - 2nd ed., - M.: Yurayt Publishing House, 2017.
Приведенные данные показывают, что контактные провода, изготовленные из известных легированных медных сплавов, не обеспечивают достижения желаемого сочетания высокой механической прочности при сохранении достаточно высокого уровня электропроводности. Поэтому такие провода также не обеспечивают надежного функционирования токоподводящих контактных сетей при высоких скоростях движения электроподвижного состава (более 200-250 км/час).The data show that contact wires made of known alloyed copper alloys do not provide the desired combination of high mechanical strength while maintaining a sufficiently high level of electrical conductivity. Therefore, such wires also do not provide reliable functioning of current-carrying contact networks at high speeds of electric rolling stock (more than 200-250 km / h).
Известны также композиционные контактные провода, содержащие в периферийной части высоко электропроводный компонент из меди или из мало легированного сплава на основе меди и аксиально расположенный упрочняющий компонент из стали (Афанасьев А.С., Долаберидзе Г.П., Шевченко В.В. "Контактные и кабельные сети трамваев и троллейбусов", М.: Транспорт, 1979, с. 20, 21). Композиционный провод выполнен в виде токопроводящей жилы из цветного металла, имеющей захватную головку, шейку и основание, и расположенного внутри жилы стального сердечника. Прямоугольный сердечник расположен вертикально, захватывая и нижнюю часть основания жилы, называемую зоной активного износа, которая непосредственно контактирует с токосъемниками подвижного состава. Недостатком такого провода является низкая электропроводность жилы стального сердечника, которая составляет значимую долю сечения контактного провода. Кроме того, объединение в проводе объемных компонентов со значительно различающимися коэффициентами термического расширения приводит к нарушениям прямолинейности провода при значительных изменениях температуры, что ухудшает его эксплуатационные свойства.Composite contact wires are also known that contain in the peripheral part a highly conductive component made of copper or of a low alloy alloy based on copper and an axially located reinforcing component made of steel (Afanasyev AS, Dolaberidze GP, Shevchenko VV "Contact and cable networks of trams and trolleybuses ", M .: Transport, 1979, p. 20, 21). The composite wire is made in the form of a conductive core of non-ferrous metal having a gripping head, a neck and a base, and a steel core located inside the core. The rectangular core is located vertically, capturing the lower part of the base of the core, called the zone of active wear, which directly contacts the current collectors of the rolling stock. The disadvantage of this wire is the low conductivity of the core of the steel core, which is a significant proportion of the cross-section of the contact wire. In addition, the combination of volume components in the wire with significantly different coefficients of thermal expansion leads to violations of the straightness of the wire with significant changes in temperature, which affects its operational properties.
Известно использование в композиционных контактных проводах со стальным сердечником алюминия в качестве проводящего компонента в периферийной части (патент на изобретение RU 2351485). Недостатками такого провода являются его низкие механическая прочность и электропроводность. Это приводит к необходимости значительно увеличивать поперечное сечение провода, что влечет за собой увеличение «парусности» проводов и снижение их эксплуатационных свойств. При этом также на поверхности алюминия или алюминиевого сплава формируется окисная пленка, которая дополнительно снижает электропроводность в зоне контакта с токоприемником подвижного состава, что сильно ухудшает токопередачу в паре «контактный провод -пантограф».It is known to use aluminum in a composite contact wire with a steel core as a conductive component in the peripheral part (patent for invention RU 2351485). The disadvantages of such a wire are its low mechanical strength and electrical conductivity. This leads to the need to significantly increase the cross section of the wire, which entails an increase in the “sailing” of the wires and a decrease in their operational properties. Moreover, an oxide film is also formed on the surface of aluminum or an aluminum alloy, which further reduces the electrical conductivity in the contact zone with the current collector of the rolling stock, which greatly impairs the current transfer in the “contact wire-pantograph” pair.
Известен композиционный высокопрочный проводник, содержащий продольно расположенный сердечник из высокочистой бескислородной меди, окруженный оболочкой из относительно высокопрочного сплава Cu - (25÷35) % Ni, имеющего повышенную коррозионную стойкость (Патент Японии JP 3141505). Для достижения требуемой высокой электропроводности и обеспечения высокой технологичности провода площадь оболочки из Cu-Ni сплава выбирается не более 14% от площади проводника. Недостатком такого решения является невысокое значение механической прочности (менее 600 МПа), которая ограничена максимально возможным количеством высокопрочного компонента. Кроме того, расположение высокопрочной оболочки из высоколегированного сплава Cu - (25÷35) % Ni, имеющей низкую электропроводность в периферийной части контактного провода, приводит к появлению высокого локального контактного сопротивления в зоне контакта со скользящим с высокой скоростью токоприемником. Это приводит к повышенному искрообразованию, локальному перегреву провода и повышенному электроэрозионному износу контактного провода.Known composite high-strength conductor containing a longitudinally arranged core of high-purity oxygen-free copper, surrounded by a sheath of relatively high-strength alloy Cu - (25 ÷ 35)% Ni, having increased corrosion resistance (Japanese Patent JP 3141505). To achieve the required high electrical conductivity and to ensure high technological effectiveness of the wire, the sheath area of the Cu-Ni alloy is selected no more than 14% of the conductor area. The disadvantage of this solution is the low value of mechanical strength (less than 600 MPa), which is limited by the maximum possible amount of high-strength component. In addition, the location of a high-strength shell made of a highly alloyed Cu - (25 ÷ 35)% Ni alloy having a low electrical conductivity in the peripheral part of the contact wire leads to the appearance of a high local contact resistance in the contact zone with a high-speed slip collector. This leads to increased sparking, local overheating of the wire and increased electrical discharge erosion of the contact wire.
Известно техническое решение (патент на изобретение RU 2261185) в котором описывается следующая конструкция композиционного контактного провода: «Предложенный контактный провод состоит из сердечника, выполненного из медного сплава, и оболочки, выполненной из меди. Переходная зона между оболочкой и сердечником имеет химический состав, плавно изменяющийся от химического состава меди до химического состава сплава. В качестве медного сплава применена бронза или низколегированная медь. Бронза является магниевой, или кадмиевой, или магниево-циркониевой, или циркониевой. Низколегированная медь является магниевой, или циркониевой, или оловянной». Такой проводник будет на 10-20% прочнее медного, а его электропроводность будет на 8-12% выше, чем у бронзового. В такой конструкции устраняется вероятность появления опасных механических напряжений в металле из-за разницы в коэффициентах термического расширения компонентов провода, особенно в сравнении с проводами, упрочненными сталью и высоколегированными сплавами системы Cu-Ni. Стойкость такого проводника к атмосферным воздействиям, а также механическому, усталостному и электроэрозионному износу будет существенно ниже, чем у бронзового из-за наличия оболочки из чистой меди.A technical solution is known (patent RU 2261185) which describes the following construction of a composite contact wire: “The proposed contact wire consists of a core made of a copper alloy and a sheath made of copper. The transition zone between the shell and the core has a chemical composition that varies smoothly from the chemical composition of copper to the chemical composition of the alloy. Bronze or low alloyed copper is used as a copper alloy. Bronze is magnesium, or cadmium, or magnesium-zirconium, or zirconium. Low-alloyed copper is magnesium, or zirconium, or tin. " Such a conductor will be 10-20% stronger than copper, and its conductivity will be 8-12% higher than that of bronze. This design eliminates the possibility of the occurrence of dangerous mechanical stresses in the metal due to the difference in the thermal expansion coefficients of the wire components, especially in comparison with wires reinforced with steel and highly alloyed Cu-Ni alloys. The resistance of such a conductor to atmospheric influences, as well as to mechanical, fatigue, and electroerosive wear, will be significantly lower than that of a bronze one due to the presence of a sheath made of pure copper.
Известно техническое решение (Патент США US 7,786,387 В2), в котором контактный провод также содержит вдоль продольной оси упрочняющий компонент (один или более), но уже выполненный из высокопрочного сплава на основе меди (сплав Cu-Mg, магниевая бронза), а наружный слой провода выполнен из низколегированного сплава на основе меди (сплав Cu - 0.1%Ag). Сечение контактного провода по патенту аналогу с одним упрочняющим компонентом состоит из двух концентрических слоев, где:A technical solution is known (US Patent US 7,786,387 B2), in which the contact wire also contains a reinforcing component along the longitudinal axis (one or more), but already made of a high-strength copper-based alloy (Cu-Mg alloy, magnesium bronze), and the outer layer the wire is made of a low alloy copper-based alloy (Cu alloy - 0.1% Ag). The cross section of the contact wire according to the patent analogue with one reinforcing component consists of two concentric layers, where:
Такая конструкция позволяет изготавливать высокотехнологичные проводники с хорошей стойкостью к атмосферным воздействиям и износу (по сравнению с проводами с медной оболочкой) и низким локальным контактным сопротивлением в паре «контактный провод - пантограф». А также частично компенсируются недостатки каждого из составляющих проводник сплавов. Однако, предложенный в патенте аналоге контактный провод имеет недостаточно высокое сочетание механической прочности (490 МПа) и электропроводности (81% IACS).This design allows the manufacture of high-tech conductors with good resistance to weathering and wear (compared with wires with a copper sheath) and low local contact resistance in a pair of "contact wire - pantograph". And also partially compensated for the shortcomings of each of the components of the conductor alloys. However, the contact wire proposed in the patent analogue does not have a sufficiently high combination of mechanical strength (490 MPa) and electrical conductivity (81% IACS).
Известен контактный провод (патент RU 2417468) в конструкции которого имеются следующие концентрично размещенные компоненты:Known contact wire (patent RU 2417468) in the construction of which there are the following concentrically placed components:
1. сердечник из высоко электропроводной электротехнической меди,1. core of highly conductive electrical copper,
2. упрочняющий компонент в виде кольцевого слоя между сердечником и наружной оболочкой,2. a reinforcing component in the form of an annular layer between the core and the outer shell,
3. наружная оболочка из сплава на основе меди.3. The outer shell is copper alloy.
При этом упрочняющий компонент в виде кольцевого слоя выполнен из высокопрочного сплава на основе меди с легирующими компонентами в виде волокон из Nb, или Cr, или V, или Та, или Fe, содержание которых составляет 15-30% по объему, а наружная оболочка выполнена из коррозионностойкого материала, содержащего элементы, подавляющие искрообразование. Это изобретение по своим существенным признакам и техническому результату является наиболее близким к предложенному техническому решению и принято за прототип. Сечение контактного провода - прототипа состоит из трех концентрических слоев, где:Moreover, the reinforcing component in the form of an annular layer is made of a high-strength alloy based on copper with alloying components in the form of fibers of Nb, or Cr, or V, or Ta, or Fe, the content of which is 15-30% by volume, and the outer shell is made from a corrosion-resistant material containing spark suppressing elements. This invention by its essential features and technical result is the closest to the proposed technical solution and is taken as a prototype. The cross-section of the contact wire of the prototype consists of three concentric layers, where:
Недостатком прототипа является то, что сердечник из электротехнической меди отделен от наружного слоя контактного провода сплошным кольцевым слоем высокопрочного компонента с более низкими характеристиками проводимости и теплопроводности. Это приводит к формированию значительных локальных динамических температурных градиентов, которые могут привести к преждевременному износу материала наружной оболочки контактного провода, а также к появлению локальных дефектов в виде микроскопического растрескивания на границах слоев и компонентов. Описанные эффекты снижают эксплуатационную надежность провода и не обеспечивают надежного функционирования токоподводящих сетей при скоростях движения электроподвижного состава более 200-250 км/час. Кроме того, выполнение упрочняющего компонента из наноструктурного сплава в виде волокон из дорогостоящих тантала или ванадия не позволяет достигать более высоких значений прочности, по отношению к ниобию или железу, что делает их применение экономически неэффективным. Выполнение упрочняющего компонента из наноструктурного сплава в виде волокон из хрома, в силу его более низких пластических свойств приводит к высокой обрывности провода в процессе его волочения. Прочность получаемых проводников составляет 950-1200 МПа, что более чем достаточно для обеспечения высокоскоростного движения, но электропроводность составляет 57-66% IACS, что существенно ниже, как многих бронзовых и композитных проводников, так и всех низколегированных медных.The disadvantage of the prototype is that the core of electrical copper is separated from the outer layer of the contact wire by a continuous ring layer of a high-strength component with lower conductivity and thermal conductivity. This leads to the formation of significant local dynamic temperature gradients, which can lead to premature wear of the material of the outer sheath of the contact wire, as well as to the appearance of local defects in the form of microscopic cracking at the boundaries of layers and components. The described effects reduce the operational reliability of the wire and do not ensure the reliable functioning of current-supply networks at speeds of electric rolling stock more than 200-250 km / h. In addition, the implementation of the reinforcing component of the nanostructured alloy in the form of fibers from expensive tantalum or vanadium does not allow to achieve higher strength values with respect to niobium or iron, which makes their use economically inefficient. The implementation of the hardening component of the nanostructured alloy in the form of fibers of chromium, due to its lower plastic properties, leads to high breakage of the wire during its drawing. The strength of the resulting conductors is 950-1200 MPa, which is more than enough to ensure high-speed movement, but the electrical conductivity is 57-66% IACS, which is significantly lower than many bronze and composite conductors, as well as all low-alloyed copper.
Сущность изобретенияSUMMARY OF THE INVENTION
Задачей настоящего изобретения является повышение эксплуатационной надежности контактного провода при его использовании в токоподводящих сетях при высоких скоростях движения электроподвижного состава при достижении оптимально высоких значений механической прочности и электропроводности.The objective of the present invention is to increase the operational reliability of the contact wire when it is used in current-supply networks at high speeds of the electric rolling stock while achieving optimum high values of mechanical strength and electrical conductivity.
Технический результат, достигаемый с помощью изобретения, заключается в снижении значений локальных динамических температурных градиентов, формирующихся в поперечном сечении контактного провода при высоких скоростях движения электроподвижного состава и при передаче электроэнергии большой мощности, а, следовательно, при протекании через локальную зону контакта токов большой величины, а также в снижении влияния этих локальных градиентов на эксплуатационную надежность провода.The technical result achieved by the invention is to reduce the values of local dynamic temperature gradients formed in the cross section of the contact wire at high speeds of the electric rolling stock and during the transmission of high power electricity, and, therefore, when large currents flow through the local contact zone, as well as reducing the influence of these local gradients on the operational reliability of the wire.
Технический результат достигается тем, что в контактном проводе, содержащем высокоэлектропроводный сердечник из электротехнической меди, наружную коррозионностойкую оболочку из сплава на основе меди и промежуточный кольцевой слой из высокопрочного наноструктурного сплава на основе меди с легирующими компонентами в виде волокон из Nb или Fe, кольцевой слой заменяется на несколько, по меньшей мере 18, продольных прутков из высокопрочного наноструктурного сплава на основе меди с легирующими компонентами в виде волокон из Nb или Fe, причем прутки из наноструктурного сплава размещаются в высокоэлектропроводном сердечнике из электротехнической меди, который выполняется в виде матричного каркаса.The technical result is achieved by the fact that in a contact wire containing a highly conductive core made of electrotechnical copper, an outer corrosion-resistant sheath made of a copper-based alloy and an intermediate ring layer of a high-strength nanostructured copper-based alloy with alloying components in the form of Nb or Fe fibers, the ring layer is replaced several, at least 18, longitudinal bars of high-strength nanostructured copper-based alloy with alloying components in the form of fibers of Nb or Fe, and weave of nanostructured alloy are placed in a highly conductive electrical core of copper, which is performed in the form of a matrix frame.
Частные варианты выполнения проводника характеризуются следующими параметрами. Объемная доля коррозионно- и износостойкой оболочки из сплава на основе меди составляет от 0,2 до 0,8, что соответствует отношению толщины оболочки к диаметру провода в интервале приблизительно от 0,05 до 0,3. Объемная доля упрочняющего компонента с механической прочностью от 800 до 2000 МПа составляет от 0,17 до 0,75, а объемная доля высокоэлектропроводного матричного элемента из меди и/или сплава на основе меди составляет от 0,03 до 0,63. Наноструктурный сплав на основе меди с легирующими компонентами в виде волокон из ниобия (Nb) и/или сплава на его основе содержит от 5 до 25 масс. % Nb, а с легирующими компонентами в виде волокон из железа (Fe) и/или сплава на его основе содержит от 3 до 20 масс. % Fe. Число прутков (упрочняющих компонентов) из наноструктурного сплава на основе меди с легирующими компонентами в виде волокон из ниобия (Nb) или железа (Fe) выбирают в интервале от 18 до 7651. Для коррозионно- и износостойкой оболочки из сплава на основе меди, в качестве легирующих элементов выбирают металлы из группы Hf, Zr, Y, Fe, Nb в количестве от 0,05 до 0,3 масс. %.Private embodiments of the conductor are characterized by the following parameters. The volume fraction of the corrosion-resistant and wear-resistant sheath made of copper-based alloy is from 0.2 to 0.8, which corresponds to the ratio of the sheath thickness to the diameter of the wire in the range from about 0.05 to 0.3. The volume fraction of the hardening component with a mechanical strength of 800 to 2000 MPa is from 0.17 to 0.75, and the volume fraction of the high-conductivity matrix element of copper and / or copper-based alloy is from 0.03 to 0.63. A nanostructured copper-based alloy with alloying components in the form of niobium (Nb) fibers and / or an alloy based on it contains from 5 to 25 masses. % Nb, and with alloying components in the form of fibers of iron (Fe) and / or an alloy based on it contains from 3 to 20 mass. % Fe. The number of rods (hardening components) of a copper-based nanostructured alloy with alloying components in the form of niobium (Nb) or iron (Fe) fibers is selected in the range from 18 to 7651. For a corrosion-resistant and wear-resistant shell made of a copper-based alloy, as alloying elements choose metals from the group Hf, Zr, Y, Fe, Nb in an amount of from 0.05 to 0.3 mass. %
Сущность изобретения состоит в том, что высокопрочный компонент выполнен в виде композиции из нескольких прутков из наноструктурного сплава с высокой прочностью и электропроводностью, которые разделены между собой по всей длине прослойками из пластичной электротехнической меди с высокой электро- и теплопроводностью, т.е. находятся внутри матричного каркаса. Такое выполнение контактного провода позволяет существенно снизить локальные динамические скачки напряжений и температуры в поперечной плоскости контактного провода, на границах между элементами провода с различающимися свойствами: электропроводностью, теплопроводностью, коэффициентом температурного расширения. Это достигается за счет сочетания существенных признаков изобретения:The essence of the invention lies in the fact that the high-strength component is made in the form of a composition of several rods of nanostructured alloy with high strength and electrical conductivity, which are separated along the entire length by interlayers of plastic electrical copper with high electrical and thermal conductivity, i.e. are inside the matrix frame. This embodiment of the contact wire can significantly reduce the local dynamic jumps in stress and temperature in the transverse plane of the contact wire, at the boundaries between the elements of the wire with different properties: electrical conductivity, thermal conductivity, coefficient of thermal expansion. This is achieved by combining the essential features of the invention:
При этом за счет наличия высокотеплопроводных и высокоэлектропроводных непрерывных каналов (прослоек из электротехнической меди) удается снизить перепады напряжения на границе компонентов контактного провода и компенсировать влияние динамических температурных градиентов при высоких скоростях движения электроподвижного состава. Кроме того, такое решение позволяет достичь максимально высокой электропроводности контактного провода в целом, при сохранении оптимально высокой механической прочности.At the same time, due to the presence of highly conductive and highly conductive continuous channels (interlayers of electrical copper), it is possible to reduce voltage drops at the boundary of the components of the contact wire and compensate for the influence of dynamic temperature gradients at high speeds of electric rolling stock. In addition, this solution allows you to achieve the highest possible electrical conductivity of the contact wire as a whole, while maintaining optimally high mechanical strength.
Выбор предельных значений объемной доли наружной оболочки в контактном проводе обусловлен следующим:The choice of limit values for the volume fraction of the outer shell in the contact wire is due to the following:
Выбор предельных значений объемной доли упрочняющего компонента в контактном проводе обусловлен следующим:The choice of limit values for the volume fraction of the reinforcing component in the contact wire is due to the following:
Выбор предельных значений объемной доли высокоэлектропроводного матричного элемента в контактном проводе обусловлен следующим:The choice of limit values for the volume fraction of the highly conductive matrix element in the contact wire is due to the following:
Выбор предельных значений количества волокон из ниобия или железа в соответствующем наноструктурном сплаве, из которого состоит упрочняющий элемент в контактном проводе, обусловлен следующим:The choice of limit values for the number of niobium or iron fibers in the corresponding nanostructured alloy, of which the reinforcing element consists in the contact wire, is due to the following:
Уменьшение числа прутков (упрочняющих компонентов) из наноструктурного сплава на основе меди с легирующими компонентами в виде волокон из ниобия (Nb) или железа (Fe) ниже требуемого предела не позволяет достичь требуемой механической прочности контактного провода, а их увеличение более 7651 сильно увеличивает трудоемкость изготовления контактного провода.A decrease in the number of rods (hardening components) of a copper nanostructured alloy with alloying components in the form of niobium (Nb) or iron (Fe) fibers below the required limit does not allow achieving the required mechanical strength of the contact wire, and their increase over 7651 greatly increases the laboriousness of manufacturing contact wire.
Уменьшение содержания легирующих компонентов (Hf, Zr, Y, Fe, Nb) в материале оболочки контактного провода ниже требуемого предела не приводит к улучшению трибологических свойств, а увеличение содержания легирующих компонентов приводит к снижению электропроводящих свойств контактного провода.A decrease in the content of alloying components (Hf, Zr, Y, Fe, Nb) in the material of the contact wire sheath below the required limit does not lead to an improvement in tribological properties, and an increase in the content of alloying components leads to a decrease in the conductive properties of the contact wire.
Приведенная выше совокупность существенных признаков изобретения раскрывает его сущность, которая выражается в особенностях взаимного размещения структурных элементов провода: прутков из высокопрочного наноструктурного сплава на основе меди с легирующими компонентами в виде волокон из Nb или Fe и высокоэлектропроводного сердечника из электротехнической меди. Фактически, мы получаем композитный сердечник, в котором прутки из высокопрочного наноструктурного сплава на основе меди играют роль упрочняющих вставок, а роль матрицы выполняет первоначальный высокоэлектропроводный сердечник из электротехнической меди, который в данном случае имеет вид матричного каркаса.The above set of essential features of the invention reveals its essence, which is expressed in the features of the mutual arrangement of the structural elements of the wire: bars of a high-strength nanostructured alloy based on copper with alloying components in the form of fibers of Nb or Fe and a high-conductive core made of electrical copper. In fact, we get a composite core in which rods of a high-strength nanostructured copper-based alloy play the role of reinforcing inserts, and the initial high-conductive core of electrotechnical copper, which in this case has the form of a matrix frame, plays the role of a matrix.
Использование предлагаемой конструкции композитного контактного провода обеспечивает дополнительные преимущества. Расположение высокопрочного Cu-Nb и/или Cu-Fe наноструктурного сплава непосредственно внутри высокоэлектропроводного сердечника из меди и/или сплава на основе меди позволяет снизить вероятность возникновения разрывов проводника при его деформации в процессе изготовления. Это значительно повышает выход в годное и позволяет уменьшить стоимость контактного провода.Using the proposed composite contact wire design provides additional benefits. The location of the high-strength Cu-Nb and / or Cu-Fe nanostructured alloy directly inside the high-conductivity core of copper and / or copper-based alloy reduces the likelihood of breaks in the conductor during its deformation during manufacturing. This significantly increases the yield and reduces the cost of the contact wire.
Описание вариантов реализации изобретенияDescription of the embodiments of the invention
Изобретение поясняется конкретными примерами реализации предложенной конструкции.The invention is illustrated by specific examples of the implementation of the proposed design.
На фигуре приведено поперечное сечение изготовленного композитного контактного провода. Провод состоит из наружной коррозионно- и износостойкой оболочки из сплава на основе меди 1, высокоэлектропроводного сердечника из меди и/или сплава на основе меди 2 с размещенными в нем упрочняющими элементами 3 из наноструктурного сплава на основе меди.The figure shows a cross section of a manufactured composite contact wire. The wire consists of an external corrosion-resistant and wear-resistant sheath made of an alloy based on
Технология получения провода заявляемой конструкции включает следующие основные стадии.The technology for producing wires of the claimed design includes the following main stages.
1. Изготовление композиционной заготовки внутренней части провода, состоящей из высокоэлектропроводного сердечника из меди и/или сплава на основе меди с размещенными в нем упрочняющими элементами из наноструктурного сплава на основе меди.1. The manufacture of a composite billet of the inner part of the wire, consisting of a highly conductive core of copper and / or an alloy based on copper with reinforcing elements placed in it from a nanostructured alloy based on copper.
2. Изготовление внешней трубной заготовки коррозионно- и износостойкой оболочки из сплава на основе меди.2. The manufacture of the outer tube billet of a corrosion-resistant and wear-resistant casing from an alloy based on copper.
3. Сборка заготовки провода из композиционной заготовки внутренней части провода и внешней трубной заготовки и подготовка ее к дальнейшей деформации.3. Assembling the wire billet from the composite billet of the inner part of the wire and the outer tube billet and preparing it for further deformation.
4. Деформация заготовки провода методами термомеханической обработки материалов до нужных размеров.4. Deformation of the wire blank by thermomechanical processing of materials to the desired size.
В соответствии с предложенным техническим решением был изготовлен композитный контактный провод с 649-ю упрочняющими элементами, поперечное сечение которого представлено на фигуре. Оболочка выполнена из медного сплава, содержащего в качестве основного легирующего элемента 0,15% циркония и 0,008%Nb, причем объемная доля оболочки составляет 0,5. Высокоэлектропроводный сердечник из меди марки С10100 (ASTM В170/224) выполнен в виде матричного каркаса с 649-ю отверстиями, в которых находятся упрочняющие элементы, причем объемная доля матричного каркаса составляет 0,07. Упрочняющие элементы выполнены из высокопрочного наноструктурного сплава на основе меди с легирующими компонентами в виде волокон из Nb, причем количество волокон составляет около 18% масс. При этом упрочняющие элементы имеют предел временной прочности около 960 МПа.In accordance with the proposed technical solution, a composite contact wire was made with 649th reinforcing elements, the cross-section of which is shown in the figure. The shell is made of a copper alloy containing 0.15% zirconium and 0.008% Nb as the main alloying element, with a shell volume fraction of 0.5. The high-conductivity core made of C10100 copper (ASTM B170 / 224) is made in the form of a matrix frame with 649 holes in which there are reinforcing elements, and the volume fraction of the matrix frame is 0.07. The reinforcing elements are made of a high-strength copper-based nanostructured alloy with alloying components in the form of Nb fibers, the amount of fibers being about 18% by weight. In this case, the reinforcing elements have a tensile strength of about 960 MPa.
Геометрические размеры элементов изготовленного композитного контактного провода соответствуют размерам фасонного провода по ГОСТ Р 55647-2013 (Провода контактные из меди и ее сплавов). Ниже приведены его основные технические характеристики:The geometric dimensions of the elements of the manufactured composite contact wire correspond to the dimensions of the shaped wire according to GOST R 55647-2013 (Contact wires from copper and its alloys). Below are its main technical specifications:
Использование предложенного технического решения позволяет получать композитные высокопрочные провода с повышенной электропроводностью и высокой коррозионной стойкостью, а также способные работать в условиях скользящего контакта с пониженной склонностью к искрообразованию для контактных сетей скоростного железнодорожного транспорта при скоростях движения более 200÷250 км в час вплоть до 600 км в час.Using the proposed technical solution, it is possible to obtain composite high-strength wires with increased electrical conductivity and high corrosion resistance, as well as those capable of working under conditions of sliding contact with a reduced tendency to sparking for contact networks of high-speed rail transport at speeds of more than 200 ÷ 250 km per hour up to 600 km in hour.
Предлагаемое техническое решение обеспечивает достижение высокой прочности контактного провода, его высокой электропроводности и, одновременно, высокой коррозионной стойкости и низкой склонности к искрообразованию в случае применения провода в качестве токопроводящего элемента контактной сети высокоскоростного железнодорожного движения.The proposed technical solution ensures the achievement of high strength of the contact wire, its high electrical conductivity and, at the same time, high corrosion resistance and low tendency to sparking in the case of using the wire as a conductive element of the contact network of high-speed rail traffic.
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018133106A RU2703564C1 (en) | 2018-09-18 | 2018-09-18 | Composite contact wire |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018133106A RU2703564C1 (en) | 2018-09-18 | 2018-09-18 | Composite contact wire |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2703564C1 true RU2703564C1 (en) | 2019-10-21 |
Family
ID=68318180
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018133106A RU2703564C1 (en) | 2018-09-18 | 2018-09-18 | Composite contact wire |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2703564C1 (en) |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03141505A (en) * | 1989-10-26 | 1991-06-17 | Showa Electric Wire & Cable Co Ltd | High tensile strength composite wire |
| RU2099806C1 (en) * | 1993-10-21 | 1997-12-20 | Сумитомо Электрик Индастриз, Лтд | Superconductive cable wire |
| JP3141505B2 (en) * | 1992-03-03 | 2001-03-05 | 日立金属株式会社 | Aluminum nitride sintered body and method for producing the same |
| RU2179347C2 (en) * | 2000-04-03 | 2002-02-10 | Совместное Российско-американское предприятие "Уралтранс" | Electrical conductor (alternatives) |
| RU2261185C2 (en) * | 2003-10-01 | 2005-09-27 | Открытое акционерное общество "Каменск-Уральский завод по обработке цветных металлов" | Contact wire |
| RU2351485C2 (en) * | 2006-10-30 | 2009-04-10 | Закрытое акционерное общество "Промышленное предприятие "Азовкабель" | Method of contact steel aluminium wire manufacturing |
| US7786387B2 (en) * | 2005-12-20 | 2010-08-31 | Nkt Cables Gmbh | Composite electrical conductor and method for producing it |
| RU2417468C1 (en) * | 2010-01-27 | 2011-04-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Composite high-strength wire with higher electroconductivity |
| RU108205U1 (en) * | 2010-11-26 | 2011-09-10 | Евгений Витальевич Постнов | COMPOSITE WIRE |
| RU2568188C2 (en) * | 2013-06-14 | 2015-11-10 | Дмитрий Григорьевич Сильченков | Wire for overhead transmission lines and method of its manufacturing |
-
2018
- 2018-09-18 RU RU2018133106A patent/RU2703564C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03141505A (en) * | 1989-10-26 | 1991-06-17 | Showa Electric Wire & Cable Co Ltd | High tensile strength composite wire |
| JP3141505B2 (en) * | 1992-03-03 | 2001-03-05 | 日立金属株式会社 | Aluminum nitride sintered body and method for producing the same |
| RU2099806C1 (en) * | 1993-10-21 | 1997-12-20 | Сумитомо Электрик Индастриз, Лтд | Superconductive cable wire |
| RU2179347C2 (en) * | 2000-04-03 | 2002-02-10 | Совместное Российско-американское предприятие "Уралтранс" | Electrical conductor (alternatives) |
| RU2261185C2 (en) * | 2003-10-01 | 2005-09-27 | Открытое акционерное общество "Каменск-Уральский завод по обработке цветных металлов" | Contact wire |
| US7786387B2 (en) * | 2005-12-20 | 2010-08-31 | Nkt Cables Gmbh | Composite electrical conductor and method for producing it |
| RU2351485C2 (en) * | 2006-10-30 | 2009-04-10 | Закрытое акционерное общество "Промышленное предприятие "Азовкабель" | Method of contact steel aluminium wire manufacturing |
| RU2417468C1 (en) * | 2010-01-27 | 2011-04-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Composite high-strength wire with higher electroconductivity |
| RU108205U1 (en) * | 2010-11-26 | 2011-09-10 | Евгений Витальевич Постнов | COMPOSITE WIRE |
| RU2568188C2 (en) * | 2013-06-14 | 2015-11-10 | Дмитрий Григорьевич Сильченков | Wire for overhead transmission lines and method of its manufacturing |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8951370B2 (en) | Aluminum alloy wire material | |
| US8017869B2 (en) | Conductor of an electric wire, and an insulated wire | |
| US20150007910A1 (en) | Aluminum alloy wire and method of producing the same | |
| US20100294534A1 (en) | Conductor wire for electronic apparatus and electrical wire for wiring using the same | |
| KR102466685B1 (en) | movable cable | |
| JP5773015B2 (en) | Copper alloy wire | |
| KR102453494B1 (en) | Aluminum alloy material and cables, wires and spring members using the same | |
| JPWO2012133634A1 (en) | Aluminum alloy conductor | |
| JP2015021156A (en) | METHOD FOR MANUFACTURING Al ALLOY CONDUCTIVE WIRE | |
| US20150132182A1 (en) | Aluminum alloy having high electrical conductivity | |
| JP2018003154A (en) | Copper alloy, copper alloy ingot, and copper alloy solution material | |
| RU2417468C1 (en) | Composite high-strength wire with higher electroconductivity | |
| KR102453495B1 (en) | Stranded conductors for insulated wires, insulated wires, cords and cables | |
| RU2703564C1 (en) | Composite contact wire | |
| KR101939555B1 (en) | Copper alloy wire and copper alloy wire manufacturing method | |
| CN101020974A (en) | Precise resistive Cu-Mn-Ga-Ge alloy | |
| JPWO2011071097A1 (en) | Power transmission body and manufacturing method thereof | |
| EP2883970A1 (en) | Copper alloy trolley wire and method for manufacturing copper alloy trolley wire | |
| CN107245599A (en) | A kind of Cu-base composites | |
| RU108205U1 (en) | COMPOSITE WIRE | |
| JP4214394B2 (en) | Abrasion-resistant trolley wire and its manufacturing method | |
| JP4171907B2 (en) | Trolley wire and its manufacturing method | |
| JP3906852B2 (en) | High conductivity high strength trolley wire manufacturing method and high conductivity high strength trolley wire | |
| RU2772800C1 (en) | Composite high-strength heat-resistant wire based on aluminum | |
| JP5589755B2 (en) | Cable for photovoltaic power generation system and manufacturing method thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20210919 |