Контактный элемент из композиционного металлокерамического материала

Контактный элемент из композиционного металлокерамического материала

Реферат

Изобретение относится к элементам устройств рельсовых цепей на участках железных дорог с электрической тягой, а именно к контактным элементам соединителей рельсовых стыковых пружинных.

Уровень техники известен из технического решения рельсового пружинного соединителя, в котором контактные элементы выполнены из вольфрамо-медного материала и содержат шабрующие грани со стороны, обращенной к рельсу (Патент RU 2270283).

Недостатком данного контактного элемента является нестабильное по времени значение электрического сопротивления, что снижает надежность работы электрической рельсовой цепи.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту является контактный элемент соединителя рельсового стыкового пружинного, имеющего посадочную часть в форме усеченного конуса высотой 3,0-4,0 мм и контактную часть в форме сферы радиуса 40-50 мм, содержащего основу из кобальта и/или никеля, 4-20 мас.%, медь 20-60 мас.%, остальное - карбид вольфрама (Патент на полезную модель №84391).

Недостатком данного технического решения является высокая интенсивность выработки на шейке рельса в месте контакта соединителя и рельса, а также повышение электрического сопротивления в цепи за счет окисления композиционной вставки при нагреве места контакта в момент прохождения больших тяговых токов через соединитель.

Задача заявляемой полезной модели заключается в увеличении эксплуатационного ресурса и снижение затрат на обслуживание рельсового стыка.

В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в снижении выработки на шейке рельса в месте контакта, повышении стабильности электрического сопротивления за счет снижения окисления контактного элемента и самовосстановления начального уровня электрического сопротивления при окислении контактного элемента.

Указанный технический результат достигается заявляемым контактным элементом из композиционного металлокерамического материала, состоящим из посадочной части в форме усеченного конуса высотой 3,0-4,0 мм и контактной часть в форме сферы радиуса 40-50 мм, содержащего основу мас.%: 4-20 кобальта и/или никеля, 20-60 медь, остальное - карбид вольфрама, отличающийся тем, что основа дополнительно имеет добавки графита и/или дисульфида молибдена и фосфора в виде фосфатных соединений, добавки распределены в объеме основы равномерно в количестве 0,3-3,0 мас.% каждой добавки, при этом размер зерен карбида вольфрама находится в пределах 0,5-5,0 мкм, удельное электрическое сопротивление основы не более 18·10^-8 Ом*м, твердость по Бринелю 265-550 МПа, предел прочности на изгиб 900-1700 ПМа, объемная пористость не более 0,25%.

Снижение выработки на шейке рельса в месте контакта элемента с металлом рельса обеспечивается за счет повышения фрикционных свойств контакта, наличия в основе графита и/или дисульфида молибдена. Снижение окисления контактного элемента обеспечивается за счет снижения температуры в зоне контакта при прохождении большого тока за счет снижения электрического сопротивления рельсового стыка. При нагреве происходит окисление контактного элемента и, как следствие, повышение электрического сопротивления. Наличие свободного графита в основе элемента позволяет сохранить работоспособность контакта при его окислении, при прохождении состава, происходит взаимное перемещение контакта и рельса при значительных вибрациях, это приводит к снятию окисленного слоя с поверхности контактного элемента и восстановлению до начального уровня электрического сопротивления. Таким образом, значительно сокращаются затраты на обслуживание рельсового стыка. Наличие в основе фосфора в составе фосфатных соединений в количестве 0,3-3,0 мас.% позволяет, с одной стороны, значительно снизить температуру спекания композиционного элемента, и тем самым максимально сохранить фрикционные свойства дисульфида молибдена, а с другой стороны, обеспечить минимальный рост зерен карбида вольфрама при спекании, понизить, тем самым, абразивные свойства основы и повысить, в целом, износостойкость контактного элемента. Параметры зернистости карбидной фазы, физико-механические свойствы композиционного металлокерамического контакта определены опытным путем. Контактные элементы получали методом порошковой металлургии, спекание проводили в вакууме. Способ подготовки шихты, режимы спекания являются «ноу-хау» и здесь не приводятся.

Оценка работы контактов осуществлялась следующим образом.

Готовились две партии контактов. Контакты устанавливались (припаивались) на штатные соединители рельсовые пружинные. Соединители уславливались штатно в рельсовый стык, замерялось электрическое сопротивление на участке цепи с установленными соединителями (исходное состояние). Рельсовый стык состоит из соединенных между собой двух рельсов рельсовыми накладками, между рельсовыми накладками и шейкой рельса с двух сторон установлены соединители рельсовые пружинные. В данном случае соединялись между собой два отрезка рельсов длиной по одному метру. Затем по стыку пропускали ток величиной 1000 А в течение 1 минуты (имитация нештатного состояния на участке железной дороги). Фиксировали температуру нагрева в зоне контакта керамического элемента и рельса. После охлаждения проводили повторный замер электрического сопротивления данного участка цепи. Затем подвергали собранный стык ударам и вибрации (имитация прохождения подвижного состава по стыку) и снова измеряли электрическое сопротивление.

Дополнительно проводились сравнительные испытания на способность контакта металлокерамического производить выработку в месте контакта. На токарном станке устанавливался диск из стали 65Г твердостью НВ352-325, что соответствует по свойствам участку шейки рельса, куда устанавливается контакт. К диску прижимали контакт с усилием 1,0 МПа и приводили диск во вращение. Скорость перемещения контакта по диску составляла 0,3 м/мин. Путь, пройденный контактным элементом, составлял 1,5×10³ м. После этого замерялась глубина выработки на диске.

Результаты сравнительных испытаний представлены в таблице.

Параметр	Прототип	Заявляемый композиционный электрический контакт	Примечание
Основа металлокерамического контакта, мас.%	кобальт и никель 10 мас.%, медь 30 мас.%, карбида вольфрама остальное	кобальт и никель 10 мас.%, медь 30 мас.%, графит и дисульфид молибдена 1,5 мас.% фосфора в виде фосфатных соединений в количестве 2,0 мас.%, карбид вольфрама остальное
Размер зерен карбида вольфрама, мкм	10-16, встречаются отдельные зерна до 30	0,8-4,4
Твердость по Бринею, МПа	560	310
Прочность на изгиб, МПа	1760	940
Объемная пористость, %	0,3	0,2
Электрическое сопротивление стыка, исходное мкОм,	160	180
Электрическое сопротивление стыка после пропускания тока, Ом	240	190
Электрическое сопротивление стыка после вибрации, мкОм	230	180
Температура в зоне контакта, °С	310	230
Выработка на поверхности диска, мм	0.8	0,45	контакты прототипа имеют выкрашивания 1,5 мм.

Как видно из таблицы, начальное сопротивление в контактных парах прототипа и предлагаемого технического решения отличаются незначительно. После пропускания электрического тока электрическое сопротивление в обоих случаях увеличилось, в предлагаемом техническом решении значительно меньше. После приложения вибрации электрическое сопротивление прототипа осталось прежним, в использовании предлагаемых контактов восстановилось до исходного уровня. Это повышает надежность и стабильность работы стыкового соединения и снижает вероятность отказа соединителя при токовых перегрузках (в аварийных режимах). Выработка, произведенная предлагаемым контактом, значительно меньше, чем контактом прототипа, что повышает срок службу рельсового стыка.

Контактный элемент из композиционного металлокерамического материала, состоящий из посадочной части в форме усеченного конуса высотой 3,0-4,0 мм и контактной части в форме сферы радиуса 40-50 мм, содержащего основу, мас.%: 4-20 кобальта и/или никеля, 20-60 медь, остальное карбид вольфрама, отличающийся тем, что основа дополнительно имеет добавки графита и/или дисульфида молибдена и фосфора в виде фосфатных соединений, добавки распределены в объеме основы равномерно в количестве 0,3-3,0 мас.% каждой добавки, при этом размер зерен карбида вольфрама находится в пределах 0,5-5,0 мкм, удельное электрическое сопротивление основы не более 18·10^-8 Ом·м, твердость по Бринелю 265-550 МПа, предел прочности на изгиб 900-1700 МПа, объемная пористость не более 0,25%.