RU2703564C1 - Композитный контактный провод - Google Patents
Композитный контактный провод 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
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title description 15
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims abstract description 93
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 89
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims abstract description 89
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 75
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 75
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims abstract description 31
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 claims abstract description 26
- 238000005275 alloying Methods 0.000 claims abstract description 23
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 19
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 14
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 claims description 14
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 claims description 14
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 5
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 3
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 8
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 abstract 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 17
- 229910000881 Cu alloy Inorganic materials 0.000 description 13
- 229910000906 Bronze Inorganic materials 0.000 description 12
- 239000010974 bronze Substances 0.000 description 12
- KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N copper tin Chemical compound [Cu].[Sn] KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 description 11
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 10
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 9
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 7
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 6
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 5
- 229910052793 cadmium Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 4
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 4
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 4
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N cadmium atom Chemical compound [Cd] BDOSMKKIYDKNTQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000011229 interlayer Substances 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910002482 Cu–Ni Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910017818 Cu—Mg Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N beryllium atom Chemical compound [Be] ATBAMAFKBVZNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 2
- 230000002028 premature Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910001316 Ag alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000952 Be alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910017827 Cu—Fe Inorganic materials 0.000 description 1
- CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N Fe2+ Chemical compound [Fe+2] CWYNVVGOOAEACU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 1
- 229910052790 beryllium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- YCKOAAUKSGOOJH-UHFFFAOYSA-N copper silver Chemical compound [Cu].[Ag].[Ag] YCKOAAUKSGOOJH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 229910001068 laves phase Inorganic materials 0.000 description 1
- QRNPTSGPQSOPQK-UHFFFAOYSA-N magnesium zirconium Chemical compound [Mg].[Zr] QRNPTSGPQSOPQK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 238000005482 strain hardening Methods 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002277 temperature effect Effects 0.000 description 1
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
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
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. 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. Для решения поставленной технической задачи контактный провод содержит в своей конструкции коррозионно- и износостойкую оболочку из сплава на основе меди, высокоэлектропроводный сердечник из меди и/или сплава на основе меди и упрочняющий компонент, выполненный из наноструктурного сплава на основе меди с легирующими компонентами в виде волокон из ниобия (Nb) и/или железа (Fe), упрочняющий компонент выполняется из нескольких прутков, причем прутки из наноструктурного сплава размещаются в высокоэлектропроводном сердечнике из меди и/или сплава на основе меди, который выполняется в виде матричного каркаса. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Область техники
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.
Предшествующий уровень техники
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).
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.).
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.
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.
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).
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.
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».
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.
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.
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:
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).
Известен контактный провод (патент RU 2417468) в конструкции которого имеются следующие концентрично размещенные компоненты:
1. сердечник из высоко электропроводной электротехнической меди,
2. упрочняющий компонент в виде кольцевого слоя между сердечником и наружной оболочкой,
3. наружная оболочка из сплава на основе меди.
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:
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.
Сущность изобретения
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.
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.
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.
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. %.
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:
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.
Выбор предельных значений объемной доли наружной оболочки в контактном проводе обусловлен следующим:
Выбор предельных значений объемной доли упрочняющего компонента в контактном проводе обусловлен следующим:
Выбор предельных значений объемной доли высокоэлектропроводного матричного элемента в контактном проводе обусловлен следующим:
Выбор предельных значений количества волокон из ниобия или железа в соответствующем наноструктурном сплаве, из которого состоит упрочняющий элемент в контактном проводе, обусловлен следующим:
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.
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.
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.
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.
Описание вариантов реализации изобретения
Изобретение поясняется конкретными примерами реализации предложенной конструкции.
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.
Технология получения провода заявляемой конструкции включает следующие основные стадии.
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.
2. Изготовление внешней трубной заготовки коррозионно- и износостойкой оболочки из сплава на основе меди.
3. Сборка заготовки провода из композиционной заготовки внутренней части провода и внешней трубной заготовки и подготовка ее к дальнейшей деформации.
4. Деформация заготовки провода методами термомеханической обработки материалов до нужных размеров.
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.
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:
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.
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.
Claims (8)
1. Контактный провод, содержащий коррозионно- и износостойкую оболочку из сплава на основе меди, высокоэлектропроводный сердечник из меди или сплава на основе меди и упрочняющий компонент, выполненный из наноструктурного сплава на основе меди с легирующими компонентами в виде волокон из ниобия (Nb) или железа (Fe), отличающийся тем, что упрочняющий компонент выполняется из нескольких прутков, причем прутки из наноструктурного сплава размещаются в высокоэлектропроводном сердечнике из меди или сплава на основе меди, который выполняется в виде матричного каркаса.
2. Контактный провод по п. 1, отличающийся тем, что объемная доля коррозионно- и износостойкой оболочки из сплава на основе меди составляет от 0,2 до 0,8.
3. Контактный провод по пп. 1, 2, отличающийся тем, что объемная доля упрочняющего компонента составляет от 0,17 до 0,75.
4. Контактный провод по пп. 1-3, отличающийся тем, что объемная доля высокоэлектропроводного элемента из меди и/или сплава на основе меди составляет от 0,03 до 0,63.
5. Контактный провод по пп. 1-4, отличающийся тем, что наноструктурный сплав на основе меди с легирующими компонентами в виде волокон из ниобия (Nb) содержит от 5 до 25 масс. % Nb.
6. Контактный провод по пп. 1-4, отличающийся тем, что наноструктурный сплав на основе меди с легирующими компонентами в виде волокон из железа (Fe) содержит от 3 до 20 масс. % Fe.
7. Контактный провод по пп. 1-6, отличающийся тем, что число прутков 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.
8. Контактный провод по пп. 1-7, отличающийся тем, что коррозионно- и износостойкая оболочка из сплава на основе меди, содержит также металлы, выбранные из группы Hf, Zr, Y, Fe, Nb в количестве от 0,05 до 0,3 масс. %.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018133106A RU2703564C1 (ru) | 2018-09-18 | 2018-09-18 | Композитный контактный провод |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018133106A RU2703564C1 (ru) | 2018-09-18 | 2018-09-18 | Композитный контактный провод |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2703564C1 true RU2703564C1 (ru) | 2019-10-21 |
Family
ID=68318180
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018133106A RU2703564C1 (ru) | 2018-09-18 | 2018-09-18 | Композитный контактный провод |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2703564C1 (ru) |
Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03141505A (ja) * | 1989-10-26 | 1991-06-17 | Showa Electric Wire & Cable Co Ltd | 高張力複合線 |
| RU2099806C1 (ru) * | 1993-10-21 | 1997-12-20 | Сумитомо Электрик Индастриз, Лтд | Сверхпроводящий кабельный провод (варианты) |
| RU2179347C2 (ru) * | 2000-04-03 | 2002-02-10 | Совместное Российско-американское предприятие "Уралтранс" | Электрический провод (варианты) |
| RU2261185C2 (ru) * | 2003-10-01 | 2005-09-27 | Открытое акционерное общество "Каменск-Уральский завод по обработке цветных металлов" | Контактный провод |
| RU2351485C2 (ru) * | 2006-10-30 | 2009-04-10 | Закрытое акционерное общество "Промышленное предприятие "Азовкабель" | Способ изготовления контактного сталеалюминиевого провода |
| US7786387B2 (en) * | 2005-12-20 | 2010-08-31 | Nkt Cables Gmbh | Composite electrical conductor and method for producing it |
| RU2417468C1 (ru) * | 2010-01-27 | 2011-04-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Композитный высокопрочный провод с повышенной электропроводностью |
| RU108205U1 (ru) * | 2010-11-26 | 2011-09-10 | Евгений Витальевич Постнов | Композитный провод |
| RU2568188C2 (ru) * | 2013-06-14 | 2015-11-10 | Дмитрий Григорьевич Сильченков | Провод для воздушных линий электропередач и способ его изготовления |
-
2018
- 2018-09-18 RU RU2018133106A patent/RU2703564C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH03141505A (ja) * | 1989-10-26 | 1991-06-17 | Showa Electric Wire & Cable Co Ltd | 高張力複合線 |
| RU2099806C1 (ru) * | 1993-10-21 | 1997-12-20 | Сумитомо Электрик Индастриз, Лтд | Сверхпроводящий кабельный провод (варианты) |
| RU2179347C2 (ru) * | 2000-04-03 | 2002-02-10 | Совместное Российско-американское предприятие "Уралтранс" | Электрический провод (варианты) |
| RU2261185C2 (ru) * | 2003-10-01 | 2005-09-27 | Открытое акционерное общество "Каменск-Уральский завод по обработке цветных металлов" | Контактный провод |
| US7786387B2 (en) * | 2005-12-20 | 2010-08-31 | Nkt Cables Gmbh | Composite electrical conductor and method for producing it |
| RU2351485C2 (ru) * | 2006-10-30 | 2009-04-10 | Закрытое акционерное общество "Промышленное предприятие "Азовкабель" | Способ изготовления контактного сталеалюминиевого провода |
| RU2417468C1 (ru) * | 2010-01-27 | 2011-04-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Композитный высокопрочный провод с повышенной электропроводностью |
| RU108205U1 (ru) * | 2010-11-26 | 2011-09-10 | Евгений Витальевич Постнов | Композитный провод |
| RU2568188C2 (ru) * | 2013-06-14 | 2015-11-10 | Дмитрий Григорьевич Сильченков | Провод для воздушных линий электропередач и способ его изготовления |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8951370B2 (en) | Aluminum alloy wire material | |
| US9580784B2 (en) | Aluminum alloy wire and method of producing the same | |
| CN102453813B (zh) | 焊接部件及其制造方法 | |
| KR102466685B1 (ko) | 가동 케이블 | |
| JP5773015B2 (ja) | 銅合金線 | |
| CN106381414B (zh) | 一种铜基原位复合合金及其制备方法 | |
| JPWO2009057697A1 (ja) | 電子機器用導体線材およびそれを用いた配線用電線 | |
| JP2008166141A (ja) | 電線導体および絶縁電線 | |
| KR102453494B1 (ko) | 알루미늄 합금재 및 이를 사용한 케이블, 전선 및 스프링 부재 | |
| KR102453495B1 (ko) | 절연 전선용 연선 도체, 절연 전선, 코드 및 케이블 | |
| JPWO2012133634A1 (ja) | アルミニウム合金導体 | |
| RU2417468C1 (ru) | Композитный высокопрочный провод с повышенной электропроводностью | |
| US20150132182A1 (en) | Aluminum alloy having high electrical conductivity | |
| JP2018003154A (ja) | 銅合金、銅合金鋳塊及び銅合金溶体化材 | |
| KR101939555B1 (ko) | 구리 합금선 및 구리 합금선의 제조 방법 | |
| RU2703564C1 (ru) | Композитный контактный провод | |
| EP2883970A1 (en) | Copper alloy trolley wire and method for manufacturing copper alloy trolley wire | |
| JP4214394B2 (ja) | 耐摩耗性トロリー線とその製造方法 | |
| RU108205U1 (ru) | Композитный провод | |
| CN107245599A (zh) | 一种铜基复合材料 | |
| JP4171907B2 (ja) | トロリー線とその製造方法 | |
| JP3906852B2 (ja) | 高導電率高強度トロリ線の製造方法および高導電率高強度トロリ線 | |
| RU2772800C1 (ru) | Композитный высокопрочный термостойкий провод на основе алюминия | |
| JP2010095777A (ja) | 銅合金導体及びそれを用いたトロリー線、ケーブル、並びに銅合金導体の製造方法 | |
| Brusnitsyn et al. | To the Issue of Low-Alloyed Copper Alloys for Contact Wires |
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 |