УДК 621.03; 620.179.16
МЕХАНИЗМЫ РАЗУПРОЧНЕНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ КОНТАКТНОГО ПРОВОДА
ВН. Ли, А.И. Кондратьев, ЕВ. Муромцева, С.Н. Химухин
Рассмотрены вероятные механизмы разрушения контактного провода и установлены зависимости между изменениями структурных параметров материала провода, и его акустическими свойствами в условиях термического воздействия.
Одной из насущных проблем электрифицированных железных дорог является уменьшение количества простоев электроподвижного состава по причине обрыва провода контактной сети. Все случаи обрывов могут быть условно разделены на две группы, первая — обрывы, вызванные несрабатыванием аварийных систем защиты, во вторую группу можно включить случаи обрыва проводов по причине его износа (механического или теплового). Если уменьшение количества простоев по первой группе связано с соблюдением технологических инструкций, то по второй — необходим постоянный неразрушающий контроль состояния контактного провода.
Для выбора метода контроля необходимо установить факторы, влияющие на механические свойства провода. Объектом исследования являлся медный контактный провод марок МФ-85 и МФ-100. Для этих проводов (площадь поперечного сечения 85 и 100 мм2), расчетная предельная нагрузка составляет 30,6—38,0 кН, а допустимое максимальное растягивающее напряжение в соответствии с ГОСТ 2584—86 должно быть не выше 120 МПа. Таким образом, растягивающая нагрузка 10 кН, приложенная к проводу в условиях эксплуатации, для рассматриваемых сечений проводов является далеко не предельной.
В условиях эксплуатации контактный провод претерпевает как механический износ, так и циклическое действие нагрева, обусловленное прохождением по участку подвижного состава. Температурное циклирование совместно с постоянной растягивающей нагрузкой приводит к уменьшению прочности и к удлинению провода, то есть уменьшению его сечения по всей длине. Процесс происходит тем интенсивнее, чем большее количество температурных циклов испытывает провод. При этом наблюдаются изменения структуры материала и уменьшение значений предела упругой деформации. На рис. 1 приведены образцы проводов подвергшиеся различной степени нагрева и испытанию на разрыв. Нагрев провода до температуры 240 °С (рис. 1а), приводит к значительному его утонению по сравнению с проводами без нагрева (рис. 1в), или при нагреве до 100 °С(рис. 16). Указанный механизм разупрочнения подтверждается другими исследователями [1]. Однако обрыв провода только по причине уменьшения сечения маловероятен, так как эксплуатационные службы железной дороги не могут допустить настолько очевидное уменьшение поперечного сечения провода по всей длине, не заменив его новым.
В практике отмечаются случаи появления локальной пластической деформации провода (рис. 1 г), которая может быть связана с наличием дефектов внешнего или внутреннего строения провода. К внутренним дефектам можно отнести крупные включения окислов меди (рис. Id), и дефекты микроструктуры (рис. 1е). Эти дефекты, являясь препятствиями для движения дислокаций при пластической деформации, способствуют образованию мест локального скопления и в дальнейшем к образованию микротрещин и пор. Кроме этого, крупные неметаллические включения (в нашем случае СиО) внутри провода могут приводить к повышенному, локальному нагреву и местному разупрочнению провода.
Рассмотрим другой механизм разупрочнения провода, связанный с процессами, протекающими в области контакта графитовой вставки токоприемника электроподвижного состава и контактного провода. Нами исследованы графитовые вставки, бывшие в эксплуатации различное время: на их поверхности, наряду с признаками износа от трения, обнаружены локальные лунки с краями неправильной формы и диаметром от 1 до 10 мм. Причиной появления этого вида износа вставки являются возникающие при движении удары и нарушение контакта, сопровождающееся искрением и дугообразованием.
Рис. 1. Вид проводов после разрушения (а—г) и внутренние дефекты контактного провода (г), е):
а — нагрев провода до 240 °С; 6 — до 100 °С; в — без нагрева: г — из эксплуатации: д — неметаллическое включение; е — дефект микроструктуры <х350).
В лабораторных условиях были проведены эксперименты по воздействию дуги на поверхность графитовой вставки. При этом наблюдалось взрывообразное разрушение поверхности вставок с образованием лунок, подобных обнаруженным ранее на образцах, бывших в эксплуатации. По-видимому, в процессе локального нагрева возникают внутренние термические напряжения, которые и приводят к разрушению. В эксплуатационных условиях этот характер износа может интенсифицироваться при прохождении электровозом мест секционирования контактной подвески. Изношенная поверхность графитовой вставки вызывает увеличение плотности тока в локальных местах контакта (контактных мостиках) и способствует перегреву провода. В зависимости от продолжительности и температуры перегрева контактного провода возможна различная степень его разупрочнения [2, 3], хотя при этом сила тока в проводе остается в пределах допустимого, и автоматические защитные устройства не отключат электропитание. Разупрочнение по указанному механизму отмечалось и ранее [4].
Величина эрозии провода при искрении определяется параметрами электрической цепи, контактирующими с материалами и средой. Процессы. происходящие в области контакта между медным проводом и кон-
3 Дефектоскопия. № 12. 2003
тактной графитовой вставкой, можно рассматривать по аналогии с электроэрозионным процессом. В этом случае переменный ток, используемый на электрифицированной железной дороге, приводит к двойной смене направления массопереноса за один период. Наиболее опасным является момент когда "+" находится на проводе, в этот момент массоперенос направлен от провода к вставке [5]. При совпадении указанного момента
Рис. 2. Образцы контактного провода:
а — развивающийся локальный эрозионный дефект: 6 — эрозионный след, переходящий из контактной области на боковую поверхность: в — дуговое воздействие 1 с: г — дуговое воздействие 15 с: д — пережог контактного провода с эрозионным следом; е — пережог контактного провода без эрозионного следа.
по времени с достаточно мощным искровым процессом происходит локальное расплавление и удаление части материала провода с образованием поверхностного дефекта. На рис. 2 приведены образцы проводов, подвергшихся эрозионному воздействию в условиях эксплуатации. Для подтверждения указанного механизма эрозии проводились микроскопические исследования поверхности графитовых вставок. При этом на поверхности вставки значительного количества включений меди не найдено, однако на поверхности корпуса токоприемника электровоза обнаружено существенное количество продуктов разрушения вставки и провода в виде "брызг" и "стружки".
Искровой механизм разрушения провода может приводить к образованию относительно небольших дефектов. Больший по размеру дефект на поверхности провода может быть вызван только дугой. При этом нагрев провода дугой может привести к снижению его прочностных свойств в локальном объеме. На рис. 3 приведены зависимости удлинения Д/ контактных проводов (исходная длина испытуемой части образца /0 = 170 мм) от силы Р, поверхность которых подвергалась дуговому воздействию различной длительности. В качестве источника тока использовали сварочный трансформатор. Ток в цепи поддерживали в пределах 250—300 А. После полного остывания образцы подвергали механическим испытаниям. При длительности дуги менее 1—2 с зависимость Д/ от Р и характер разрушения (см. рис. 2в) мало чем отличаются от разрушения исходного образца. Увеличение времени воздействия до 3 и более секунд приводит к существенным изменениям прочностных характеристик провода (рис. 3, кривые 2, 3, 4. 5). При длительности дуги 15 с наблюдается существенная зона пластической деформации (рис. 2г), а усилие разрыва снижается с 45 до 24 кН. Указанные особенности объясняются тем, что за счет высокой теплопроводности меди прогревается значительный
объем металла. Поэтому увеличение времени воздействия приводит к постепенному уменьшению предела прочности и предела текучести и одновременно к росту удлинения.
Р, кН
-й- 3
4
< 1,1 • 1,2 * 1,3
1.4
1.5
2
4
6
8 Д/, мм
Рис. 3. Зависимость удлинения провода от силы растяжения при различной длительности дугового воздействия:
1 — без воздействия; 2 — продолжительность дугового воздействия 3 с; 3 — 6 с; 4 — 10 с: 5 — 15 с (эксперимент): 1.1 —без воздействия: 7.2 — 3 с; 7.3 — 6 с; 1.4 — 10 с; 1.5 — 15 с
(расчет).
В условиях эксплуатации столь длительного воздействия на провод, по-видимому, не наблюдается, но необходимо принять во внимание более высокие значения эксплуатационных токов, что адекватно большей длительности. Причем, чем меньше длительность дугового процесса и больше выделяемая мощность, тем локальнее будет место перегрева и выше температура нагрева. Последнее способствует переводу материала в жидкое состояние, что наряду с эрозией и заметно на образцах провода (рис. 2а, б). Последующая эксплуатация провода с поврежденной поверхностью в виде эрозионной лунки приведет к многократным дуговым процессам в этом месте и к дальнейшему локальному разупрочнению за счет эффекта накопления термических и структурных изменений.
Для объяснения приведенных на рис. 3 зависимостей можно предложить следующую упрощенную модель. Полагаем, что удлинение образца под действием нагрузки можно представить в виде
А/ = к.
а
°0.2 (Т)
lof [о> ^0.2^) I
(1)
где кх — нормирующий коэффициент; с = P/S; S = 100 мм- — площадь сечения провода; f[c, о02(Г)] — функция, учитывающая нелинейные эффекты и зависимость предела текучести öQ2(T) от температуры. Функции /[о, 00 2(7)] и Gn 2(T) выбираем в виде
/[о, а0 2(Г)] = ехр
W,
(
; а02(Т) = а0 2 ехр
пор
W (Т) W
(2)
з*
где к2 — нормирующий коэффициент; Ждеф ~ ст2/(2Е) — энергия деформации, Е — модуль Юнга; И^пор ~ (а02)2/(2£) — пороговое значение энергии деформации, а02 — предела текучести при начальной температуре Т0 (20 °С); \У(Т) - Ст(Т - Т0) — тепловая энергия, полученная образцом в процессе нагрева, С — удельная т
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.