Контактный элемент из композиционного металлокерамического материала

Классификация по МПК: E01B

Патентная информация
Патент на изобретение №: 
2404319
Дата публикации: 
Суббота, Ноябрь 20, 2010
Начало действия патента: 
Вторник, Ноябрь 3, 2009

Изобретение относится к элементам устройств рельсовых цепей на участках железных дорог с электрической тягой, а именно к контактным элементам соединителей рельсовых стыковых пружинных. Контактный элемент из композиционного металлокерамического материала состоит из посадочной части в форме усеченного конуса и контактной части в форме сферы. Высота посадочной части 3,0-4,0 мм. Радиус контактной части 40-50 мм. Контактный элемент содержит основу мас.%: 4-20 кобальта и/или никеля, 20-60 медь, остальное - карбид вольфрама. 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. 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%. Технический результат направлен на увеличение эксплуатационного ресурса. 1 табл.


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.