ТОКОПРОВОДЯЩАЯ АРМАТУРА КОНТАКТНОЙ СЕТИ ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННЫХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ И СПОСОБ ЕЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК B60M1/24 

Заявляемая группа изобретений относится к области электрификации железных дорог, а именно к токоведущей арматуре из медьсодержащих сплавов, соединяющей между собой и поддерживающей провода контактной подвески, и может быть использована, в частности, для изготовления зажимов и других изделий токопроводящей арматуры.

В 70-90 годы наибольшее распространение в контактных сетях российских железных дорог получили зажимы, выполненные способом литья из латуни марки ЛЦ16К4 по ГОСТ 493-79 (см., например, Каталог арматуры контактной сети электрифицированных железных дорог. Департамент электрификации и электроснабжения Министерства путей сообщения РФ. М.: Трансиздат, 2000). Это позволило обеспечить достаточную коррозионную стойкость арматуры при удовлетворительных механических характеристиках (δ_m=250 H/мм², δ_в=250 H/мм², твердость НВ=110) и достаточно высокой электропроводимости - 18,5 А*м/В*мм².

В современных условиях при росте токовых нагрузок в токопроводящих соединениях и ужесточении требований по долговечности контактной подвески возникает необходимость в повышении качества электрического контакта. Наиболее эффективно увеличение площади пятна контакта между арматурой и соединяемыми проводами достигается за счет увеличения момента затяжки болтовых соединений. Недостатком латунной арматуры является ее высокая пластичность, из-за чего при росте момента затяжки болтовых соединений возможна ее деформация.

С ростом токовых нагрузок на контактную подвеску и повышением требований к ее надежности возникла необходимость в выборе иного материала арматуры, имеющего более высокие механические и электротехнические характеристики. Упомянутые выше недостатки в меньшей мере свойственны арматуре, выполненной из алюминиевой бронзы, например БрАЖ9-4. Такая арматура, как зажимы, по сравнению с латунной, имеет более высокую коррозионную стойкость и механические характеристики (δ_m=350-520 Н/мм², δ_в=400-700 Р/мм², твердость НВ=130-200). Однако недостатком использования алюминиевой бронзы при изготовлении арматуры контактной сети является то, что она имеет более низкую электрическую проводимость 9,3 А*м/В*мм². Первоначально, основная масса арматуры из алюминиевой бронзы изготавливалась способом литья в землю или по выплавляемым моделям.

Основными недостатком литья являются неоднородность состава металла по объему изделия, наличие внешних и внутренних дефектов литья, широкий разброс характеристик материала в зависимости от плавки, влияние человеческого фактора на качество отливки.

В 90-е годы для изготовления арматуры из медьсодержащих сплавов стал применяться способ горячей штамповки из алюминиевой бронзы марки БрАЖ9-4 по ГОСТ 17711-72 (см., например, справочник «Контактная сеть и воздушные линии», Москва, 2001 г., с.213), который позволил повысить качество и эксплуатационные характеристики арматуры.

При проектировании контактных сетей современных скоростных железных дорог закладываются жесткие требования, такие как увеличение срока службы до 50 лет при снижении периодичности технического обслуживания. В скоростных подвесках особо высокие требования по электрической проводимости и снижению массы предъявляются к токопроводящей арматуре, устанавливаемой на контактных проводах. Алюминиевая бронза уже не отвечает возросшим требованиям.

Известна арматура для соединения проводов контактной подвески фирмы «Сименс» (см. каталог FM 1995), изготовленная способом горячей штамповки из сплава на основе меди, содержащего 0,8% марганца, 1,6-2,5% никеля, 0,261% хрома и 0,5-0,8% кремния. Этот сплав имеет достаточно высокие механические и электрические характеристики (δ_m=260 H/мм², δ_в=310 H/мм², твердость НВ=205, электропроводимость 24…32А*м/В*мм²).

Существенным недостатком такого сплава в условиях российского производства являются высокие требования к его чистоте. Так, в соответствии с действующими стандартами предельно допустимое содержание примесей (свинца, фосфора, алюминия, олова, железа, цинка) в таком сплаве не должно превышать 0,0128%, что повышает стоимость изделия в 3-4 раза.

Известны также зажимы для соединения проводов контактной подвески по патенту RU15563, МПК B60M 1/24, опубл. 2000 г., на полезную модель, выполненные из кремнисто-никелевой бронзы БрКН1-3 по ГОСТ 17711-72 (δ_m=350-520 Н/мм², δ_в=400/700 Н/мм², твердость НВ=130-200, электропроводимость 21,7 А*м/В*мм²).

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности, т.е. прототипом, является переходной зажим по патенту RU 2166442, МПК B60M 1/24, опубл. 2001 г.Согласно описанию прототипа плашки переходного зажима выполнены из сплава на основе меди - медно-алюминиево-железистой бронзы, например марки БрАЖ9-4.

Наиболее близким к заявляемому способу по технической сущности, т.е. прототипом, является способ изготовления переходного зажима по патенту RU 2166442, МПК B60M 1/24, опубл. 2001 г. Согласно описанию прототипа плашки переходного зажима изготавливают из медно-алюминиево-железистой бронзы путем горячей штамповки при температуре Т=880-930°C.

Как указано выше, недостатком прототипа является то, что зажимы, получаемые из алюминиевой бронзы, не соответствуют современным требованиям вследствие малой электропроводности материала.

При создании настоящих изобретений ставилась задача - исключение вышеперечисленных недостатков, а именно: повышение качества токоведущих соединений за счет повышения электропроводности токоведущей арматуры, изготовленной способом горячей штамповки из сплава на основе меди.

Для решения поставленной задачи в устройстве - токоведущей арматуре контактной сети электрифицированных железных дорог, сформированной горячей штамповкой из сплавов на основе меди, согласно заявляемому изобретению арматура изготовлена из сплава, содержащего никель 2,2-2,8%, кремний 0,5-0,9%, хром 0,4-1,0%, цирконий 0,05-0,25%, магний 0,05-0,25%, нанодисперсный фуллероидный материал 0,0001-0,5% и медь - остальное.

Для решения поставленной задачи в способе изготовления токоведущей арматуры контактной сети электрифицированных железных дорог, включающем формирование арматуры из сплавов на основе меди путем горячей штамповки, согласно заявляемому изобретению заготовку, полученную из предварительно закаленного прокатного прутка, выполненного из сплава на основе меди, перед штамповкой нагревают до температуры 900-950°C, после осуществления горячей штамповки полученное изделие подвергают закалке путем постепенного нагрева в течение 2,5 часов до температуры 900°C, выдерживания его при этой температуре не менее 40 минут и охлаждения в воде, затем изделие токопроводящей арматуры подвергают старению, для чего его постепенно в течение 1,5 часов разогревают до температуры 495±2°C и выдерживают при этой температуре в течение 4 часов с последующим охлаждением на воздухе, при этом в качестве материала для формирования арматуры горячей штамповкой используют заготовку, изготовленную из известного сплава, содержащего никель 2,2-2,8%, кремний 0,5-0,9%, хром 0,4-1,0%, цирконий 0,05-0,25%, магний 0,05-0,25%, нанодисперсный фуллероидный материал 0,0001-0,5%, медь - остальное, а предварительную закалку прокатного прутка осуществляют с использованием известных режимов путем выдерживания при температуре 800-1000°C в течение от 15 мин до 2 часов со скоростью охлаждения не менее 30°C/сек.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемые изобретения отличаются наличием новых действий, порядком выполнения действий во времени и использованием определенных режимов и материалов.

Проведенный патентный поиск показал, что из патента RU 2224039, МПК C22C 9/06, опубл. 2004 г., известен сплав на основе меди, содержащий: никель 2,2-2,8%, кремний 0,5-0,9%, хром 0,4-1,0%, цирконий 0,05-0,25%, магний 0,05-0,25%, нанодисперсный фуллероидный 0,0001-0,5%, медь - остальное, обладающий высокими механическими и электрическими характеристиками (δ_m=700 Н/мм², δ_в=750 Н/мм², твердость НВ=200-250, электропроводимость 24…29 А*м/В*мм²). Из патентной литературы известен также способ получения слитка из вышеуказанного сплава и способ получения из него продукции (см. патент RU 2378403, МПК C22C 1/02, C22C 9/00, C22F 1/08, опубл. 2010 г.), согласно которому из жаропрочного сплава на медной основе получают слитки, которые перед горячей деформацией нагревают до температуры 800-1000°C и выдерживают при этой температуре от 15 мин до 2 ч.

Проведенный патентный поиск показал также, что в настоящее время неизвестны токопроводящая арматура контактной сети электрифицированных железных дорог и способ ее изготовления, обладающие такой же совокупностью существенных признаков, что и предлагаемые. Таким образом, заявляемые технические решения соответствуют критерию изобретения "новизна".

При изучении уровня техники, известного в данной области техники, признаки, отличающие заявляемые изобретения от прототипа, не были выявлены, и поэтому они обеспечивают заявляемым техническим решениям соответствие критерию "изобретательский уровень".

Выполнение токоведущей арматуры контактной сети электрифицированных железных дорог из сплава на основе меди с добавлением никеля, кремния, хрома, циркония, магния, нанодисперсного фуллероидного материала, предварительно закаленного и после горячей штамповки искусственно состаренного, позволит повысить эксплуатационные свойства, в том числе снизить массогабаритные характеристики и улучшить электропроводность изделий арматуры. Осуществление предварительной закалки прокатного прутка перед штамповкой позволит придать заготовке максимальную пластичность. Непосредственно перед штамповкой заготовку зажима нагревают до 900-950°C. Выбор указанного диапазона температур получен опытным путем и обусловлен тем, что штамповка при температуре в указанных пределах позволяет достигнуть наилучшего качества заготовки. При нагреве заготовки до температуры выше 950°C материал заготовки размягчается так, что при штамповке происходит его разбрызгивание, из-за чего возникает вероятность неполного заполнения объема штампа. При нагреве заготовки до температуры ниже 900°C материал заготовки еще недостаточно пластичен и в процессе штамповки полностью не заполняет объем штампа. В том и другом случаях получается бракованное изделие. После штамповки полученные изделия загружаются в печь и подвергаются закалке путем постепенного нагрева в течение 2,5 часов до 900°C, выдерживания при этой температуре не менее 40 минут и последующего охлаждения в воде. При сокращении времени выдержки в печи при указанной температуре может произойти неравномерный прогрев заготовок всей партии, что ведет к нестабильности характеристик всей партии и к возможному браку. При искусственном старении - время выдержки при заданной температуре определяется так же, как и при закалке, в зависимости от размеров заготовки и конструкции печи. Указанный интервал температур определяется свойствами материала. При выходе из заявляемого интервала температур и времени как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения падают механические характеристики штамповки и электропроводность материала.

Вышеизложенное доказывает, что совокупность отличительных от прототипа признаков обеспечивает возможность использования заявляемых технических решений в контактных сетях российских железных дорог для соединения между собой и поддержки проводов контактной подвески, т.е. они соответствуют критерию изобретения "промышленная применимость".

Заявляемые изобретения осуществляются следующим образом. Для изготовления токоведущей арматуры, например зажима контактной сети электрифицированных железных дорог, используют заготовку из сплава на основе меди по патенту RU 2224039, который содержит в масс.% следующие ингредиенты:

Никель 2,2-2,8 Кремний 0,5-0,9 Хром 0,4-1,0 Цирконий 0,05-0,25 Магний 0,05-0,25 Нанодисперсный фуллероидный материал 0,0001-0,5 Медь остальное

Заготовку вышеуказанного состава для штамповки изготавливают из предварительно закаленного прокатного прутка. Предварительную закалку прутка осуществляют способом, описанным в патенте RU 2378403, путем выдерживания заготовки при температуре 800-1000°C в течение 15 мин до 2 часов со скоростью охлаждения не менее 30°C/сек. В процессе закалки заготовка получает максимальную пластичность. Непосредственно перед штамповкой заготовку зажима нагревают до 900-950°C. Выбор указанного диапазона температур получен опытным путем и обусловлен тем, что штамповка при температуре в указанных пределах позволяет достигнуть наилучшего качества заготовки. При нагреве заготовки до температуры выше 950°C материал заготовки размягчается так, что при штамповке происходит его разбрызгивание. При нагреве заготовки до температуры ниже 900°C материал заготовки недостаточно пластичен и в процессе штамповки полностью не заполняет объем штампа. В том и другом случае получается бракованное изделие. После штамповки полученные изделия загружаются в печь и подвергаются закалке, путем постепенного нагрева в течение 2,5 часов до 900°C, выдерживания при этой температуре не менее 40 минут и последующего охлаждения в воде. Для получения необходимых электрических и механических характеристик изделия подвергают старению, для чего его в течение 1,5 часов разогревают до температуры 495±2°C и выдерживают при этой температуре 4 часа, после чего изделия охлаждают на воздухе. Время выдержки изделия при термообработке определяется опытным путем, исходя из размеров изделия и конструкции печи. Указанные перепады температур при термообработке определяются свойствами применяемого материала. При проведении старения изделий особое внимание уделяют поддержанию температуры изделий в указанных пределах - в случае нарушения температурного режима происходит снижение электропроводности и механических характеристик материала до недопустимых пределов.

Таким образом, изделия токопроводящей арматуры, изготовленные с использованием заявляемых технических решений, обладают повышенными эксплуатационными свойствами: имеют высокие массогабаритные характеристики и высокие электрические свойства.

Заявляемая группа изобретений относится к области электрификации железных дорог, а именно к токопроводящей арматуре из медьсодержащих сплавов, соединяющей между собой и поддерживающей провода контактной подвески, и может быть использована, в частности, для изготовления зажимов и других изделий токопроводящей арматуры. Задача - повышение качества токоведущих соединений за счет повышения электропроводности токоведущей арматуры, изготовленной горячей штамповкой из сплава на основе меди. Арматуру формируют из сплава, содержащего никель 2,2-2,8%, кремний 0,5-0,9%, хром 0,4-1,0%, цирконий 0,05-0,25%, магний 0,05-0,25%, нанодисперсный фуллероидный материал 0,0001-0,5%, медь - остальное путем горячей штамповки. Сначала заготовку подвергают предварительной закалке путем выдерживания ее при температуре 800-1000°C в течение от 15 мин до 2 часов со скоростью охлаждения не менее 30°C/сек. и перед штамповкой нагревают до температуры 900-950°C. После горячей штамповки полученное изделие подвергают закалке путем постепенного нагрева в течение 2,5 часов до температуры 900°C, выдерживания его при этой температуре не менее 40 минут и охлаждения в воде. Затем полученную штамповку подвергают искусственному старению, для чего ее постепенно в течение 1,5 часов разогревают до температуры 495±2°C и выдерживают при этой температуре в течение 4 часов с последующим охлаждением на воздухе. 2 н.п. ф-лы.

1. Токопроводящая арматура контактной сети электрифицированных железных дорог, сформированная горячей штамповкой из сплавов на основе меди, отличающаяся тем, что изготовлена из сплава, содержащего никель 2,2-2,8%, кремний 0,5-0,9%, хром 0,4-1,0%, цирконий 0,05-0,25%, магний 0,05-0,25%, нанодисперсный фуллероидный материал 0,0001-0,5% и медь - остальное.

2. Способ изготовления токопроводящей арматуры контактной сети электрифицированных железных дорог, включающий формирование арматуры из сплавов на основе меди путем горячей штамповки, отличающийся тем, что заготовку, полученную из предварительно закаленного прокатного прутка, выполненного из сплава на основе меди, перед штамповкой нагревают до температуры 900-950°C, после осуществления горячей штамповки полученное изделие подвергают закалке путем постепенного нагрева в течение 2,5 часов до температуры 900°C, выдерживания его при этой температуре не менее 40 минут и охлаждения в воде, затем изделие токопроводящей арматуры подвергают старению, для чего его постепенно в течение 1,5 часов разогревают до температуры 495±2°C и выдерживают при этой температуре в течение 4 часов с последующим охлаждением на воздухе, причем в качестве материала для формирования арматуры горячей штамповкой используют заготовку, изготовленную из известного сплава, содержащего никель 2,2-2,8%, кремний 0,5-0,9%, хром 0,4-1,0%, цирконий 0,05-0,25%, магний 0,05-0,25%, нанодисперсный фуллероидный материал 0,0001-0,5%, медь - остальное, а предварительную закалку прокатного прутка осуществляют с использованием известных режимов путем выдерживания при температуре 800-1000°C в течение от 15 мин до 2 часов со скоростью охлаждения не менее 30°C/сек.