Композитный контактный провод Российский патент 2019 года по МПК B60M1/13 

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 (σ_В) 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 σ_В 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:

первый слой - это расположенный вдоль продольной оси провода сердечник из упрочняющего компонента, выполненного из высокопрочного сплава на основе меди (сплав Cu-Mg),

второй слой - это наружный кольцевой периферийный слой провода, выполненный из низколегированного сплава на основе меди (сплав Cu - 0.1%Ag), расположенный вокруг данного сердечника.

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:

первый слой - это расположенный вдоль продольной оси провода сердечник из электротехнической меди,

второй слой - это кольцевой упрочняющий компонент, расположенный вокруг данного сердечника,

третий слой - наружная оболочка из коррозионностойкого материала.

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:

заменой сплошного кольцевого слоя высокопрочного компонента на композицию из нескольких прутков,

заменой сплошного высокоэлектропроводного сердечника из электротехнической меди на сердечник в виде матричного каркаса,

размещения прутков из высокопрочного наноструктурного сплава на основе меди с легирующими компонентами в виде волокон из Nb или Fe внутри сердечника.

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:

уменьшение объемной доли наружной оболочки менее 0,2 приводит к недопустимо быстрому истиранию контактного провода при эксплуатации с изменением условий контакта между токоприемником и контактным проводом, что может привести к повышению скорости износа материала токоприемника при непосредственном контакте с высокопрочным компонентом провода,

увеличение объемной доли наружной оболочки более 0,8 приводит к тому, что требуемые прочностные свойства не будут достигнуты.

Выбор предельных значений объемной доли упрочняющего компонента в контактном проводе обусловлен следующим:

уменьшение объемной доли упрочняющего компонента менее 0,17 приводит к тому, что требуемые прочностные свойства не будут достигнуты

увеличение объемной доли упрочняющего компонента более 0,75 приводит к тому, что происходит уменьшение объемной доли, либо наружной оболочки, либо высокоэлектропроводного сердечника менее их соответствующих предельных значений.

Выбор предельных значений объемной доли высокоэлектропроводного матричного элемента в контактном проводе обусловлен следующим:

уменьшение объемной доли высокоэлектропроводного матричного элемента менее 0,03 приводит к тому, что не удается 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,

увеличение объемной доли высокоэлектропроводного матричного элемента более 0,63 приводит к тому, что происходит уменьшение объемной доли, либо наружной оболочки, либо высокоэлектропроводного сердечника менее их соответствующих предельных значений.

Выбор предельных значений количества волокон из ниобия или железа в соответствующем наноструктурном сплаве, из которого состоит упрочняющий элемент в контактном проводе, обусловлен следующим:

при уменьшении содержания ниобия менее 5 масс. % или железа менее 3 масс. % не достигается эффект аномально высокого повышения механической прочности соответствующего сплава, и, соответственно, не достигается требуемая прочность контактного провода,

при увеличении содержания ниобия более 25 масс. % или железа более 20 масс. % имеет место резкое снижение технологичности процессов получения упрочняющих компонентов из соответствующих наноструктурных сплавов, выражающееся в массовых обрывах компонентов, что приводит, соответственно, к массовой обрывности контактного провода и неравномерности механических и электропроводящих свойств по его длине

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:

номинальная площадь поперечного сечения провода - 120 мм²,

предел временной прочности - 610 МПа,

проводимость - 85% IACS,

толщина коррозионно- и износостойкой оболочки провода в зоне износа - около 2 мм,

толщина прослоек из высокоэлектропроводного матричного материала сердечника между упрочняющими элементами - 0,025 мм,

приведенный диаметр упрочняющих элементов - 0,343 мм.

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.

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.

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. %.