SIECI TRAKCYJNYCH COPPER-SILVER TROLLEY WIRES FOR HIGH MECHANICAL ARTUR KAWECK TADEUSZ KNYCH

Transkrypt

1 ARTUR KAWECK TADEUSZ KNYCH ANDRZEJ MAMALA I Rudy Metle R nr 4 UKD : :620.17: : : : PRZEWODY JEZDNE Z MIEDZI SREBROWEJ DO WYSOKOOBCIĄŻALNYCH MECHANICZNIE I PRĄDOWO SIECI TRAKCYJNYCH Artykuł poświęcony jest dniom odporności cieplnej przewodów jezdnych przeznczonych do zstosowni w nowocze- orz prądowej. Eksplotowny oecnie system sieci snych siecich trkcyjnych o wysokiej ociążlności mechnicznej trkcyjnych w Polsce wykorzystuje elementy nośne i przewodzące wykonne z miedzi elektrolitycznej. Chociż posid to swoje uzsdnienie z uwgi n włsności elektryczne miedzi, to tkie rozwiąznie jest niewystrczjące ze względu n zyt niską odporność cieplną w przypdku nowo projektownych trktów kolejowych wchodzących w skłd europejskich koryt- z- rzy trnsportowych. Nowoczesne sieci trkcyjne dużej prędkości jzdy orz zwiększonych ms towrowych wymgją stosowni mteriłów n elementy przewodzące o podwyższony ch prmetrch wytrzymłościowych przy jednoczesnym zpewnieniu możliwie njwyższej przewodności elektrycznej, co wynik z konieczności zpewnieni ezzkłóceniowego od- ioru prądu przez odierk prądu z sieci w wrunkch dużej prędkości orz z fktu, że krjowy system zsilni trkcji wynosi 3 kv DC. Jednym z mteriłów zpewnijących korzystną relcję cłego zespołu włsności mechnicznych, elektrycznych, reologicznych i triologicznych przewodu jezdnego jest miedź srerow gt. CuAg0,10. Bdni prowdzone yły n przewodch jezdnych nowej genercji wykonnych z miedzi srerowej o przekroju 100 mm 2, przeznczonych do stosowni w wrunkch podwyższonej tempertury ich eksplotcji orz dl porównni n trdycyjnych przewodch jezdnych wykonnych z miedzi elektrolitycznej. W prcy przedstwiono chrkterystyki zmin włsności mechnicznych przewodów poddnych dziłniu tempertury i czsu ekspozycji, tkże po testch miejscowego ngrzewni prądowego przewodu jezdnego przez nkłdkę stykową ślizgcz odierk prądu symulujących wrunki odioru prądu z sieci. N podstwie przeprowdzonych dń stwierdzono, że dodtek srer do miedzi w ilości 1000 ppm podwyższ temperturę rekrystlizcji przewodów jezdnych o ok. 150 C w stosunku do przewodów jezdnych z miedzi elektrolitycznej. Przekłd się to n możliwość zwiększeni ociążlności prądowej sieci trkcyjnej wykorzystującej elementy przewodzące wykonne z miedzi srerowej gt. CuAg0,10 o pond 30 %, przy jednoczesnym zpewnieniu stilności wysokich włsności mechsieci dl szykich pojzdów szynowych. nicznych pozwljących n spełnienie złożeń konstrukcyjnych Słow kluczowe: włsności mechniczne przewodów, odporność ciepln, sieci trkcyjne, przewody jezdne, miedź srerow COPPER-SILVER TROLLEY WIRES FOR HIGH MECHANICAL AND CURRENT-CARRYING CAPACITY TRACTION LINES The pper is dedicted to reserches of trolley wires het resistnce devoted for modern trction lines with high mechni- nowdys in Polnd used mechnicl nd conductive cl nd current-crrying cpcity. System of trction lines opertes elements mde from electrolytic copper. Although it s well grounded y electricl properties of cooper, ut this solution is not efficient ecuse of low het resistnce in cse of new-design trction lines which constitutes prt of the Europen trnsport corridors. Modern high-speed rilrods nd incresing commodity mss demnds ppliction of mterils for conductive elements with higher performnce properties with simultneously ssurnce the highest possile electricl conduction. It is the re sult of necessity not-distured current trnsf er y pntogrph contct tip from grid in conditions of high-speed nd power consumption conditions pproximte 3 kv DC. One of the mterils tht ssures dvntgeous reltion of whole prosperity group mechnicl, electricl, rheol ogicl nd triologicl of trolley wire is copper-silver 2 Cu Ag0.10. Reserches were conducted on new-genertion trolley wires mde from copper-silver with re 100 mm, dedi- nd in comprison to trditionl trolley wires mde from cted to use in conditions of higher temper ture their exploittion electrolytic copper. In pper the chrcteristics of tempertur e sujected trolley wires mechnicl properties chnges nd exposition time were shown, s well s test of locl electricl heting trolley wire y pntogrph contct tip current collec- Bsed on crried reserch it is possile to stte tht sil- tors simulting conditions of current trnsfer from the power grid. ver ddition to the copper in quntity of 1000 ppm increse the recrystlliztion temperture of trolley wire y out 150 C in reltion to trolley wire from electrolytic copper. It is corresponded to the incresing possiility the current cpc- of trction lines which uses the conductive elements mde from copper-silver CuAg0.10 for more thn 30 % with simul- ity tneous ssurnce stility of high mechnicl properties llowing to fulfill trction construction ssumptions for high- rilrod vehicles. speed Keywords: mechnicl properties of conductors, het stility, contct lines, contct wires, silver copper Mgr inż. Artur Kwecki, dr h. inż. Tdeusz Knych, prof. nzw., dr inż. Andrzej Mml Akdemi Górniczo-Hutnicz, Ktedr Przeróki Plstycznej i Metloznwstw Metli Nieżelznych, Wydził Metli Nieżelznych, Krków. 189

2 Wprowdzenie Nowoczesny system wysokoociążlnych mechnicznie i ciepl- musi chrkteryzowć się zwięk- nie sieci trkcyjnych w Polsce szoną ociążlnością prądową. Związne jest to z udową i modernizcją trktów kolejowych n duże prędkości jzdy pociągów orz plnownym przewozem zwiększonych ms towrowych. Tworzony oecnie europejski system trnsportu kolejowego, zwier w soie 10 korytrzy trnsportowych, z których 4 przeterytorium Polski (rys. 1). Są to: korytrz I łączący iegją przez krje łtyckie z północnymi rejonmi Polski, korytrz II łąiegnący z Berli- czący Berlin, Wrszwę i Moskwę, korytrz III n przez Wrocłw, Krków, Lwów do Kijow orz korytrz VI łączący północne terytorium Polski z Czechmi, Słowcją i Austrią. Strtegi rozwoju krjowej sieci kolejowej nrzuc konieczność prędkości jzdy pociągów n głównych linich, sięgjącej km/h. W rzeczywistości wynosi on oecnie mksymlnie 160 km/h n niewielu odcinkch i jest limitown między innymi poprzez przestrzłą i nie modernizowną od lt infrstrukturę kolejową. Zwiększnie prędkości pociągów psżerskich, ms i prędkości pociągów towrowych orz gęstości ich kursowni stwrzją konieczność zwiększni mocy przesyłnej przez sieć trkcyjną. Krjowy system kolejowy, niezmiennie od początków elektryfikcji n terytorium Polski, zsilny jest npięciem 3 kv DC. Aktulnie stosown sieć trkcyjn n terytorium Polski posid ociążlność prądową mx. 1,7 ka. Wzrost pooru mocy do 6 MW, plnowny dl wysokoociążlnych cieplnie i mechnicznie linii kolejowych, stwrz konieczność podwyższeni ociążlności prądowej trkcji. Oecnie stosowny mterił n przewodzące elementy górnej sieci trkcyjnej (zwłszcz n przewody jezdne), jkim jest miedź elektrolityczn gt. ETP, nie spełni zostrzonych wymgń dotyczących odporności cieplnej. W związku z tym, od mteriłów przeznczonych n elementy górnej, wysokoociążlnej mechnicznie orz prądowo sieci trkcyjnej, oprócz wysokiej przewodności elektrycznej ze względu n minimlizcję strt energii poiernej przez lokomotywę z sieci orz mniejsze ngrzewnie się elementów przewodzących i nośno-przewodzących trkcji, wymg się dodtkowo: podwyższo nych włsności wytrzymłościowych, zwiększonej odporności n nrżeni cieplne, większej odporności n ściernie orz pełznie. Chrkterystyk współprcy przewodów jezdnych z odierkiem prądu Przewody jezdne, zwne tkże trolejmi, są osttnim nieru- chomym elementem sieci trkcyjnej zsiljącym elektrowozy pierwszym ruchomym elementem jest nkłdk stykow ślizgcz odierk prądu, zwnego pntogrfem, umocownego n lokomo- stosowne są przede wszystkim w trns- tywie. Przewody jezdne porcie torowym kolejowym lu miejskim (trmwje i trolejusy) orz w siecich jezdnych w koplnich [1, 2]. W skłd sieci trkcyjnej wchodzą przewody jezdne, liny nośne orz konstrukcje wsporcze i sieć powrotn, czyli szyny kolejowe i ich połączeni przewodzące prąd elektryczny w trkcji (rys. 2). Anliz zgdnieni wpływu prędkości jzdy pojzdów szynowych (również n dynmikę prcy ukłdu pntogrf przewód jezdny) orz wpływu przewożonych ms towrowych n ociążlność prądową sieci trkcyjnej, pozwl n sformułownie szeregu wymgń, jkie powinien spełnić mterił n przewody jezdne przeznczone do tych sieci. Uzysknie cłego zespołu wymgnych włsności (mechnicznych, cieplnych, użytkowych) przewodu jezdnego, umożliwijących jego stosownie w siecich trkcyjnych przeznczonych do dużych prędkości jzdy pociągów o wysokiej ociążlności prądowej orz mechnicznej, musi, w relich polskiego systemu zsilni trkcji prądem stłym (3 kv), uwzględnić rdzo wysoką przewodność elektryczną tkiego mteriłu. Wymgni eksplotcyjne stwine przewodom jezdnym definiowne są: wysoką wytrzymłością n rozciągnie, odpowiednią plstycznością wykzywną w próie rozciągni i w testch technologicznych n skręcnie, przeginnie i nwijnie, wyjątkową odpornością n ściernie, podwyższoną wrtością tempertury rekrystlizcji, podwyższoną odpornością reologiczną, wysoką przewodnością elektryczną. Rys. 1. Mp kolejowych korytrzy trnsportowych przeiegjących przez terytorium Polski; źródło: Fig. 1. Rilwy mp of trnsport corridors crossing through polish territory 190

3 zsilni silników lokomotyw o dużej mocy, ez zncznego przyrostu tempertury trących powierzchni. Nie ez znczeni pozo- nkłdek orz powszechność mteriłu. stje fkt niskich kosztów eksplotcyjnych, łtwości mocowni, wyminy Zd ecydownie negtywną cechą nkłdek miedzinych jest, z ich sprwą, przyspieszone zużywnie się przewodów jezdnych. Rys. 2. Krjow lini kolejow, sposó rozwieszeni (zukosownie) górnej sieci trkcyjnej nd torem Fig. 2. Polish rilwy line, method of hnging the upper trction net over the trck (zig-zg) Oecnie powszechnie stosowne w Polsce przewody jezdne z miedzi elektrolitycznej gtunku ETP typu Djp100, czyli przewody profilowe, wykonne z wlcówki miedzinej o średnicy 18,00 20,00 mm cechuje żywotność ok lt, przy oecnym świtowym stndrdzie sięgjącym lt prcy. Pondto, przewody te posidją zespół włsności mteriłowych nie pozwljący n zstosownie ich w siecich trkcyjnych do dużych prędkości jzdy pociągów. Wymgne włsności wytrzymłościowe przewodu jezdnego zwieszonego w przęśle sieci jezdnej są funkcją jego odporności cieplnej, odporności n zużycie, odporności reologicznej, wrunków tmosferycznych, jkości osprzętu, montżu, połączeń itp. Wymóg wysokiej odporności cieplnej przewodów jezdnych wynik wprost z ich współprcy z odierkiem prądu. Przepływ prądu o dużym ntężeniu, rozruch lokomotywy, zwiększony poór mocy z sieci n skutek grzni w okresie zimowym, dużej prędkości jzdy, zncznych przewożonych ms towrowych, powstwnie łuku elektrycznego n kontkcie trących powierzchni powoduje loklny wzrost tempertury w przewodzie jezdnym, mogący w dłuższym okresie powodowć spdek jego włsności wytrzymłościowych. Dl przewodu jezdnego mksymlne tempertury, występujące w punkcie styku przewodu z nkłdką odierk nie powinny przekroczyć tych, dl których może nstąpić zmin struktury krystlicznej mteriłu przewodu. Mterił w wrstwie przystykowej o zrekrystlizownej strukturze ulegć ędzie łtwo procesom niszczeni, polegjącym n ścierniu i wyrywniu cząstek mteriłu z powierzchni przewodu w wrunkch trci podczs ślizgni się po przewodzie nkłdki odierk prądu. Ciepło wydzielne skutkiem rezystncji zestyku zleży silnie od czynników mogących zwiększć opór n drodze prądu, tkich jk tlenki miedzi, żelz, nloty popiołu, węgl, krzemionk, pyły z hut, cementowni, sirki w powietrzu, w temperturch ujemnych również lód i sdź (rys. 5) [1, 2]. Stosowne n lokomotywch pntogrfy posidją zzwyczj trzy lu cztery nkłdki stykowe, ślizgjące się po przewodch jezdnych i poierjące z nich prąd elektryczny (rys. 3, 4). W trkcji trmwjowej w przewżjącym stopniu spotyk się rozwiązni konstrukcyjne pntogrfów, w których mocowne są dwie nkłdki stykowe. Dotychczsowy system udowy pntogrfów w Polsce opier się n nkłdkch miedzinych. Podyktowne jest to oowiązującym systemem zsilni, który wymusz zstosownie elementów przewodzących prąd o jk njwyższej przewod- moż- ności elektrycznej. Ze względu n niską rezystncję zestyku, liwe jest przewodzenie prądu o dużym ntężeniu, koniecznego do Rys. 3. Ogólny widok n ukłd: odierk prądu-sieć jezdn Fig. 3. Generl view on rrgement: current collector-overhed trction contct line Rys. 4. Zliżenie n kontkt pry: przewód jezdny-nkłdk stykow ślizgcz odierk prądu Fig. 4. Closeup on contct pir: trolley wire-pntogrph contct tip current collectors Rys. 5. sposó zużyci przewodu jezdnego, chemiczny chrkter środowisk miejsc rozwieszen i przewodów Fig. 5. the method of wer the trolley wire, the chemicl chrcter of environment the plce of hnging the wire 191

4 Ścierne wzjemnie miedzine powierzchnie (przewodu jezdnego orz nkłdki stykowej) chrkteryzują się chropowtością, występowniem rys, dziur powodownych wyplniem przez łuk elektryczny, tkże nierównomiernym stopniem zużyci mechnicznego, między innymi n skutek nierzdko niedosttecznej ilości środk smrnego (rys. 5). Środkiem smrującym współprcujące elementy (przewód jezdny orz nkłdki stykowe odierk prądu) stosownym w polskich kolejch jest smr grfitowy, wykonny wg PN-59/C Dlsze stosownie w polskich odierkch prądu nkłdek miedzinych jest nie do przyjęci ze względu umowy międzynrodowe, w myśl których wyposżenie toru PKP musi yć dostosowne do stndrdów europejskich, zgodnie z którymi nkłdki stykowe wykonuje się ze smosmrujących się kompozytów węglowo-metlicznych. Dltego też, lterntywnym rozwiązniem, jest wprowdzenie w niedługim czsie n polski rynek kolei, pntogrfów z nkłdkmi stykowymi wykonnymi z węgl metlizownego. Tki m- terił, z łożony z osnowy grfitowej, impregnownej metlem lu stopem metli jest smosmrowny, przez co nie wymg żdnego dodtkowego smrowni. Oecność metlu w kompozycie nie tylko polepsz przewodność elektryczną nkłdki, le również zpewni odpowiednią odporność n ściernie tkich nkłdek, ntomist grfit sprwi, że powierzchni roocz przewodu jezdnego jest głdk, pozwion ruzd orz zszczepień. Tkie rozwiąznie pociąg jednk z soą wzrost tempertury zestyku: przewód jezdny-nkłdk ze względu n wyższą rezystncję. Z tego względu korzystny jest wyór przewodów jezdnych z miedzi srerowej o zncznie podwyższonej odporności cieplnej. Modernizcj przewodów jezdnych Od wielu lt trwją dni nd nowymi mteriłmi o zncz- nie lepszych prmetrch eksplotcyjnych, mogącymi z powodzeniem zstąpić oecnie używne. Njlepszym rozwiązniem yły mterił łączący w soie njlepsze cechy użytkowe, tkie jk nisk gęstość, wysok wytrzymłość n rozciągnie i jk njwyższ przewodność elektryczn. W przeszłości w Polsce prowdzono dni nd miedzią kdmową, o zwrtości kdmu ok. 0,7 %, który podwyższł włsności mechniczne przewodów jezdnych, jednkże zrzucono ten mterił z oczywistych względów szkodliwości kdmu n zdrowie. Próowno tkże wprowdzić n rynek trolejów przewody z miedzi modyfikownej gt. M1M, gdzie dodtek tytnu, cyny i niklu podwyższł temperturę rekrystlizcji, zpewnił zncznie lepsze włsności mechniczne, jednkże zdecydownie, podonie jk kdm, oniżł przewodność elektryczną. Istniły tkże powżne prolemy z uzyskniem jednolitego skłdu chemicznego i przewody te nie uzyskły szerokiego zstosowni prktycznego. W kolejch jpońskich stosuje się od lt przewody imetlowe, stlowo- -luminiowe, stlowo-miedzine, umożliwijące podwyższenie stosunku nprężeni nciągu do gęstości (stosunek ten decyduje o możliwościch kinemtycznych sieci). Tkże w Polsce produkowno przewody jezdne imetlowe, stlowo-luminiowe, stlowo-miedzine, dl sieci trolejusowej orz kolejowej w czsie, kiedy miedź ył mteriłem strtegicznym [3]. W krjch o ogtych trdycjch i doświdczenich w dziedzinie trnsportu szynowego, tkich jk Niemcy, Frncj, Stny Zjednoczone, Jponi, nieustnnie trwją dni nd nowymi mteriłmi z mikrododtkmi, tworzącymi stopy miedzi utwrdzlne i nieutwrdzlne wydzieleniowo, n zie srer, mgnezu, cynku, cyrkonu czy chromu, które z jednej strony powodują z nczny wzrost włsności wytrzymłościowych, odporności n ściernie, podwyższenie odporności n dziłnie podwyższonych tempertur, z drugiej zś gwrntują wystrczjący poziom prze- elektrycznej [6]. wodności Odpowiednie normy zwierją szereg propozycji stopów miedzi, z których produkowć możn przewody jezdne. Wśród pierwistków stopowych dodwnych do miedzi o przeznczeniu elektrycznym wymienić nleży m.in. srero, mgnez, cynę, kdm, Skłd chemiczny mteriłów n przewody jezdne typu Djp100 [7] Mteril chemicl composition of trolley wires Djp100 type Tlic 1 Tle 1 Oznczenie mteriłu Skłd chemiczny, % inne pierwistki 3) symol numer Cu 1) P Bi O P rzem z wyłączeniem min 99,90 Ag, O CuETP CWO04A mx 0,005 0,0005 0,040 2) 0,03 1) Łącznie ze srerem, nie więcej niż do 0,015 % Ag 2) Po uzgodnieniu między zmwijącymi dostwcą dopuszcz się zwrtość tlenu do 0,060 % 3) Uwg: zwrtość innych pierwistków rzem (innych niż miedź) określono jko sumę: Ag, As, Bi, Cd, Co, Cr, Fe, Mn, Ni, O, P, P, S, S, Se, Si, Sn, Te orz Zn, o ile nie wskzno wyłączeni któregoś z pierwistków Skłd chemiczny mteriłów n przewody jezdne typu DjpS 100 [7] Mteril chemicl composition of trolley wires DjpS100 type Tlic 2 Tle 2 Oznczenie mteriłu Skłd chemiczny, % inne pierwistki 1) symol numer Cu Ag Bi O P rzem z wyłączeniem min reszt 0,08 Ag, O CuAg0,10 CWO13A mx 0,12 0,0005 0,040 0,03 1) Uwg: zwrtość innych pierwistków rzem (innych niż miedź) określono jko sumę: Ag, As, Bi, Cd, Co, Cr, Fe, Mn, Ni, O, P, P, S, S, Se, Si, Sn, Te orz Zn, o ile nie wskzno wyłączeni któregoś z pierwistków 192

5 cyrkon, tellur, fosfor, żelzo, cynk, ołów, eryl, kolt, nikiel, krzem. Jednkże nie wszystkie z wymienionych gtunków stopów ndją się do kżdego typu sieci trkcyjnej. Specyfik loklnych rozwiązń konstrukcyjnych w zkresie systemu zsilni trkcji, projektownej dopuszczlnej prędkości jzdy, chrkteru ociążeni, ilości poiernej mocy z sieci orz rngi dnej linii, sprwi, że wyór mteriłu n elementy przewodzące sieci trkcyjnej nie jest łtwy. W wyniku prowdzonych od kilku lt dń n Wydzile Metli Nieżelznych AGH nd nowymi mteriłmi n przewody jezdne wytypowny zostł stop miedzi srerowej o zwrtości 1000 ppm Ag stnowiący konkurencję dl miedzi elektrolitycznej [4, 5]. Mterił do dń, zkres dń Bdni odporności cieplnej przewodów jezdnych o przekroju poprzecznym 100 mm 2 prowdzono dl dwóch gtunków mteriłów, minowicie: z miedzi elektrolitycznej gt. ETP (typ Djp100), oecnie powszechnie stosownej n polskim rynku kolejowym, orz z miedzi srerowej gt. CuAg0,10 (typ DjpS100), stnowiącej trkcyjną ofertę do produkcji przewodzących elementów dl wysokoociążlnych cieplnie orz mechnicznie sieci trkcyjnych [8, 9]. W tlicch 1 i 2 zmieszczono skłd chemiczny mteriłów n przewody jezdne, ntomist w tlicy 3 przedstwiono zestwienie włsności mechnicznych (R m, R 0,2, A 100, HB) i elektrycznych (ρ) przewodów jezdnych, przy czym symol PP ozncz przekrój poprzeczny, symol PW przekrój wzdłużny próki. Bdni prowdzono w dwóch etpch. Pierwszy dotyczył wygrzewni przewodów jezdnych w piecu z tmosferą ochronną w zkresie tempertury możliwej do uzyskni w wrunkch eksplotcyjnych, co pozwoliło n dokonnie oceny stilności ich włsności mechnicznych. W tlicy 4 przedstwiono prmetry testu wygrzewni przewodów jezdnych w zkresie tempertur od 50 do 440 C w czsie od 1 do 1000 h. Drugi etp dń mił n celu uzysknie chrkterystyk wpływu wielkości ntężeni prądu elektrycznego odiernego przez przewód jezdny w zdnym czsie przez nkłdkę stykową odierk prądu n zminę włsności mechnicznych przewodów jezdnych. W tlicy 5 zmieszczono zestwienie wrtości ntężeni prądu i czsu jego przepływu przez zestyk: przewód jezdny-nkłdk stykow. Ay odwzorowć prądowe wrunki eksplotcyjne pnujące w siecich trkcyjnych zstosowno metodę dwczą, symulującą rzeczywiste wrunki współprcy przewodu jezdnego z nkłdką stykową odierk prądu. Eksperyment zostł tk zprojektowny, y mógł symulowć ngrzewnie przewodów jezdnych przez nkłdkę stykową odierk prądu zwiększonego ( w skrjnych wrunkch eksplotcyjnych) pooru mocy z sieci przez pojzd szynowy. Sytucj tk może mieć miejsce podczs postoju lokomomiejscowym, tywy (długi czs punktowego ngrzewni), szczególnie w okresie zimowym, tkże przy jej rozruchu. W tym celu przeprowdzono testy polegjące n krótkotrwłym ngrzewniu prądowym przewodów jezdnych n skutek przepływu prądu przez zestyk: pojedynczy AC-100 nkłdk stykow z kompozytu węglowo-metlicznego (zwrtość miedzi ok. 20 % wg., reszt grfit, oporność elektryczn 6 μωm). Rodzj nkłdki stykowej wykorzystnej do dń, wykonnej z kompozytu węglowo-metlicznego, stosowny jest w eksplotcji w europejskich linich kolejowych. Zstosownie nkłdki stykowej z kompozytu węglowo-metlicznego umożliwiło, z uwgi n wysoką rezystncję mteriłu nkłdki, osiągnie tempertur, przy których możliwe ędzie porównnie odporności cieplnej dnych gtu nków przewodów jezdnych. W celu pełnego opisu zmin włsności mechnicznych przewodów jezdnych, konieczne yło zstosownie tkich wrto- ś ci ntężeni prądu i czsu jego dzi łni, które yły niezędne do wywołni rekrystlizcji w mterile. Bdni prowdzono dl ntężeni prądu od 100 do 1000 A i czsu ngrzewni od 15 do 100 s. W czsie przepływu prądu Tlic 3 Włsności mechniczne i elektryczne dnych przewodów jezdnych Tle 3 Mechnicl nd electricl properties of sujected trolley wires Włsności mechniczno-elektryczne Mterił R m R 0,2 A 100 HB ρ MP MP % PW PP nωm CuETP ,8 106, ,388 CuAg0, ,2 112,7 116,2 17,656 Tlic 4 Prmetry ekspozycji przewodów jezdnych w różnej temperturze i czsie Tle 4 Exposition prmeters of trolley wires in different tempertures nd time periods Mterił. Prmetry dń tempertur wygrzewni T, C czs t, h mterił 100; 130; 150; 170; 180; 200; 210; 220; 230; 250; 260; 280; 300; 320; ; 120; 140; 150; 170; 180; 200; CuETP 50; 70; 100; 120; 140; 150; ; 100; 120; 150; ; 280; 300; 320; 340; 350; 360; 370; 380; 390; 400; 410; 420; ; 200; 250; 280; 300; 320; 340; 360; CuAg0,10 100; 150; 200; 250; 280; 300; 320; ; 200; Tlic 5 Prmetry dń odporności przewodów jezdnych z miedzi gt. ETP orz CuAg0,10 n krótkotrwły przepływ prądu o dużym ntężeniu Tle 5 Reserches prmeters of resistnce trolley wires mde from electrolytic copper ETP grde nd copper-silver CuAg0,10 grde on short-terms electricl current flows of high mperge Sił docisku nkłdki stykowej do powierzchni przewodu jezdnego F, N 100 Czs przepływu prądu t s 15; 20; 30; 40; 60; 80; 100 Ntężenie prądu elektrycznego I A 0; 100; 200; 300; 400; 500; 600; 700; 800; 900; 1000 rejestrowno przyrosty tempertury w przewodzie jezdnym w ezpośrednim kontkcie z nkłdką stykową. Przyjęty w testch przedził wrtości ntężeni prądu (dl jednej nkłdki orz jedneg o przewodu), szczególnie powyżej 200 A, odieg od wrunków normlnego pooru prądu przez lokomotywę z sieci jezdnej, jedł on przyjęty w celu uzyskni pełnej informcji o dyn- nk zost mice spdku włsności wytrzymłościowych przewodów jezdnych podnych miejsco wemu ngrzewniu prądowemu. Wyniki dń, nliz N rysunku 6 i przedstwiono wykresy ziorcze zleżności 193

6 Rys. 6. Ziorcze zleżności odporności cieplnej przewodów jezdnych, poddny ch ekspozycji w temperturch C w czsie h: CuETP, CuAg0,10 Fig. 6. Overll reltion het resistnce of trolley wire, sumitted on temp erture exposition C for h: CuETP, CuAg0, 10 Rys. 7. Ziorcze chrkterystyki zmin twrdości przewodów jezdnych, poddnych ekspozycji w temperturch C w czsie h: CuETP, CuAg0,10 Fig. 7. Overll reltion hrdness HB trolley wire, sumitted on temperture exposition C for h: CuETP, CuAg0,10 zmin wytrzymłości n rozciągnie orz grnicy plstyczności przewodów z miedzi elektrolitycznej orz srerowej wygrzewnych w temperturze od 50 do 440 C w czsie od 1 do 1000 h. Anlizując uzyskne chrkterystyki zuwżyć możn wyrźne, zrówno w przypdku R m jk i R 0,2, w porównniu do przewodów wykonnych z miedzi elektrolitycznej, przesunięcie zkresu stilnych, wysokich włsności wytrzymłościowych przewodów jezdnych z miedzi srerowej w kierunku wyższych tempertur prcy o ok C niezleżnie od czsu wygrzewni. Wydłużnie czsu ekspozycji przewodów jezdnych w dnej temperturze oniż rzecz jsn, temperturę rekrystlizcji dnych mteriłów, jednkże konfigurcj: tempertur-czs, powodując cłkowitą utrtę umocnieni przewodów gt. ETP, jest dl przewodów gt. CuAg0,10 konfigurcją jeszcze nie powodującą wyrźnego spdku pierwotnych włsności mechnicznych nytych w procesie ciągnieni. Anlizując przedstwione n wykresch dne możn stwierdzić, że rdzo długi czs wygrzewni przewodów sprwi, że ezpieczn tempertur z punktu widzeni zchowni wysokich włsności wytrzymłościowych dl miedzi elektrolitycznej spd poniżej 80 C, ntomist dl miedzi srerowej wynosi on lisko 200 C. M to istotne znczenie prktyczne, świdczy owiem o stilności włsności mechnicznych przewodów z miedzi srerowej, poddwnych nrżeniom cieplnym w czsie eksplotcji. Anlizując uzyskne wyniki dń stwierdzono podoną, co oczyw iste, tendencję w ewolucji zmin twrdości jk w przypdku zmin włsności wytrzym łościowych. W szczególności, z wykresu przestwionego n rysunku 7 dotyczącego przewodów z miedzi srerowej wynik przesunięcie ich chrkterystyk o ok C (w porównniu do przewodów gt. ETP) w st ronę wyższych tempertur. DjpS100 zchowuje twrdość uzyskną w procesie ciągnieni dl tempertur y 150 C w czsie ekspozycji t = 1000 h; dl tempert ury 250 C i czsu ekspozycji t = 100 h; dl tempertu- ry 280 C i czsu ekspozycji t = 10 h orz dl tempertury 320 C i czsu ekspozycji 1 h. Z podonej nlizy przeprowdzonej dl przewodów Djp100 wynik, że już tempertur 80 C w czsie t = 1000 h powoduje początek spdku jego twrdości. Utrzymnie twrdości przewodów miedzinych n poziomie uzysknym w procesie ciągnieni jest możliwe dl nstępujących konfigurcji tempertury i czsu ekspozycji: 120 C dl t = 100 h, 150 C dl t = 10 h orz 180 C dl t = 1 h (rys. 7). Orzy struktur (rys. 8 10) przewodów jezdnych poddnych oróce cieplnej, w pełni odzwierciedlją różnice we włsnościch mechnicznych dnych gtunków przewodów. Struktur przewodu z miedzi elektrolitycznej po wygrzewniu w temperturze 250 C w czsie 1 h o zirnch wielkości ok. 40 μm przedstwi 194

7 Rys. 8. Mikrostruktur przewodu jezdnego w stnie po ciągnieniu, gt. CuETP, gt. CuAg0,10; przekrój wzdłużny Fig. 8. Microstructure of trolley wire fter drwing; CuETP, CuAg0,10; longitudinl section Rys. 9. Mikrostruktur przewodu jezdnego po oróce cieplnej: 250 C/1 h, gt. CuETP, gt. CuAg0,10, przekrój wzdłużny Fig. 9. Microstructure of trolley wire fter het tretment; 250 C/1 h; CuETP, CuAg0,10; longitudinl section Rys. 10. Mikrostruktur przewodu jezdnego po oróce cieplej: 340 C/1 h: gt. CuETP, gt. CuAg0,10, przekrój wzdłużny Fig. 10. Microstructure of trolley wire fter het tretment; 340 C/1 h; CuETP, CuAg0,10; longitudinl section 195

8 orz mteriłu wyrżonego, ntomist wyższ tempertur wy- grzewni, 340 C w czsie 1 h powoduje silne rozrośnięcie ziren do wielkości μm. Nie zuwż się ntomist prktycznie żdnych zmin w orzie struktury przewodu z miedzi srerowej poddnemu ekspozycji w tej smej temperturze i czsie. Przewody jezdne z miedzi gt. CuAg0,10 ze względu n wyższą temperturę rekrystlizcji, przede wszystkim stilną wrtość grnicy plstyczności w czsie, chrkteryzują się zncznie niższym zużyciem mechnicznym n drodze ścierni do przewodów z miedzi elektrolitycznej. Tkie zchownie się tych mteriłów możn tłumczyć między innymi poprzez zjwisko loklnego mięknięci przewodów jezdnych z miedzi ETP n powierzchni styku z nkłdką ślizgcz. Wrstw wierzchni części rooczej przewodu jezdnego n skutek dziłni tempertury może wykzywć odmienne, niższe włsności mechniczne od reszty przewodu. W wrstwie przypowierzchniowej trcie generuje znczne ilości ciepł, wzrost tempertury prowdzi do loklnej rekrystlizcji umocnionego mteriłu. W przypdku miedzi gt. CuAg0,10 tomy srer nie dopuszczją do rozrostu ziren, hmują proces zdrowieni i odudowy silnie zdeformownej struktury w temperturch, w których przewody gt. ETP już wykzują cechy mteriłu wyżrzonego. N gruncie teorii trci, polegjącej n ścinniu mikronierówności, rdziej ędzie ścierł się ten metl, który ędzie mił niższą grnicę plstyczności. Pondto, przewód z miedzi gt. ETP, posidjący wytrzymłość n rozciągnie metlu miękkiego orz znczne wydłużenie, nie ndje się już w tym momencie jko mterił n przewody Rys. 11. widok n elementy tworzące zestyk: przewód jezdny-nkłdk stykow z węgl metlizownego, tkże sposó pomiru tempertury w przewodzie jezdnym; ziorczy wykres ngrzewni przewodów jezdnych pod wpływem prądu elektrycznego o różnym ntężeniu przepływjącego przez nkłdkę stykową z węgl metlizownego Fig. 11. view on creting electric contct elements: trolley wire contct trip from metl-cron composite nd lso method of temperture control in trolley wire; Overll figure heted up trolley wire under the influence of electricity in different current cpcity flowing through contct trip from metl-cron composite Rys. 12 Krzywe rozciągni przewodów jezdnych z miedzi poddnych miejscowemu ngrzewniu prądowemu dl różnego czsu przepływu prądu elektrycznego o ntężeniu 400 A, AC-100 gt. ETP, AC-100 gt. CuAg0,10 Fig. 12. Chrcteristic of extension trolley wires mde from copper sumitted to electricl het tretment loclly for different flowing electric current time periods in mperge 400 A, CuETP, CuAg0,10 196

9 Rys. 13. Zmin wytrzymłości n rozciągnie przewodów jezdnych poddnych krótkotrwłemu miejscowemu ngrzewniu prądem o różnym ntężeniu przepływjącym przez nkłdkę stykową z węgl metlizownego, AC-100 gt. ETP, AC-100 gt. CuAg0,10 Fig. 13. Chnges of endurnce of extension trolley wires sumitted to short-term locl het tretment y electricl current with different intensity through contct trip from metl-cron composite przesunięcie dopuszczlnych wrtości ntężeni prądu i czsu jego dziłni w stronę wyższych wrtości dl przewodów z miedzi srerowej (rys. 13 i ). Jk wynik z przedstwionych chrkterystyk, możliwy jest chwilowy, o 15-sekundowy odiór prądu o ntężeniu 800 A przez nkłdkę węglową ez zuwżlnego oniżeni R m dl przewodów z miedzi gt. CuAg0,10 (w tym czsie przewód ngrzew się do tempertury ok. 300 C). W przypdku przewodów z miedzi gt. ETP w tym smym czsie może yć ezpiecznie, tzn. ez pogorszeni włsności wytrzymłościowych, odierny prąd o ntężeniu co njwyżej 600 A. Podonie, dl czsu przepływu prądu równego 40 s, możliwy jest przepływ prądu rtości 500 A orz 400 A przez 60 s ez uszczerku dl R m (CuAg0,10), podczs gdy dl przewodów gt. ETP prąd o ntę- żeniu A może płynąć jedynie w czsie do 30 s ez nie- zmin jego włsności wytrzymłościowych. ezpieczeństw W czsie do 80 s przewody miedzine mogą ezpiecznie przek- prąd o ntężeniu jedynie do 300 A. Przez pojedynczy zywć przewód jezdny z miedzi srerowej może ezpiecznie przepływć prąd o ntężeniu 600 A przez okres 30 s, zś w przypdku miedzi elektrolitycznej wrtość mksymlnego prądu musi yć ogrniczon do 500 A. Zuwżyć przy tym nleży, że dopiero przepływ prądu o ntę- C o w żeniu 900 A w czsie 15 s, powoduje cłkowitą utrtę umocnieni przewodów DjpS100, co jest związne z fktem, że w tym czsie osiąg on loklnie temperturę ok. 650 C. Dl porównni, Djp100 trci pierwotne włsności mechniczne już przy ntężeniu prądu 700 A i podonym czsie jego przepływu. Nleży mieć n uwdze, że przedstwione zleżności dopuszczlnych wrtości ntężeni prądu i czsu ich przepływu n zminę włsności mechnicznych przewodów jezdnych zostły uzyskne dl konfigurcji zestyku: jeden przewód jezdny-pojedyncz nkłdk stykow z kompozytu węglowo-metlicznego. Eksperyment mił n celu jedynie wykznie różnic w odporności cieplnej dnych gtunków przewodów jezdnych podczs ngrzewni prądowego. W wrunkch rzeczywistych, odiór prądu przez lokomotywę z sieci jezdnej, z zzwyczj dwóch przewodów jezdnych, odyw się z pomocą większej liczy miedzinych nkłdek stykowych, tk więc ociążenie prądowe przypdjące n pojedynczy zestyk jest zncznie mniejsze od występującego w ekspe- jezdne do zwieszeni w trkcji, gdyż ulegnie on zerwniu pod przyłożonym nciągiem. Ay zweryfikowć zróżnicownie odporności cieplnej między dnymi gtunkmi przewodów jezdnych, przeprowdzono eksperyment polegjący n krótkotrwłym, miejscowym ngrzewniu prądowym przewodu jezdnego w miejscu kontktu z nkłdką stykową odierk prądu. Jk wykzły pomiry, przepływjący prąd elektryczny spowodowł znczny przyrost tempertury w przewodzie jezdnym w miejscu styku z nkłdką. Anlizując krzywe ngrzewni pokzne n rysunku 11 możn zuwżyć, że prąd o ntężeniu 100 A, nwet po czsie 100 s nie spowodowł przekroczeni tempertury 100 w przewodzie jezdnym. Jednkże wzrost ntężeni prądu ujwni zdecydowny wpływ czsu jego przepływu n wzrost tempertury zestyku. I tk, dl ntężeni prądu od 200 do 600 A, po czsie 15 s przewód ngrzewł się do tempertury ok. 100 C, ntomist po czsie 100 s tempertur przewodu osiągł już wrtość pond 350 C. Dlsze zwiększnie ntężeni prądu spowodowło gwł- wzrost tempertury w przewodzie zleżny od czsu n- towny grzewni. Prąd o dużym ntężeniu, A, po czsie 15 s, ngrzewł loklnie przewód do tempertury ok. 350 C, ntomist wydłużenie czsu jego przepływu do 100 s doprowdziło do osią- gnięci w przewodzie (w miejscu styku z nkłdką, rys. 11) tem- pertury pond 900 C. N rysunku 12 zmieszczono krzywe rozciągni przewodów jezdnych po miejscowym ngrzewniu wywołnym płynącym prądem elektrycznym o ntężeniu 400 A w czsie od 15 do 100 s. Jk widć, w przypdku przewodów gt. ETP dl przepływu prądu o ntężeniu 400 A już po upływie 40 s (tempertur miejsc styku ok. 200 C) pojwi się początek spdku włsności wytrzymłościowych, po ok. 80 s nstępuje cłkowit utrt włsności wytrzymłościowych. Dl porównni, t sm wrtość ntężeni prądu płynącego przez zestyk: przewód gt. CuAg0,10-nkłdk stykow z węgl metlizownego, ż do 80 s prktycznie w ogóle nie degrduje włsności wytrzymłościowych przewodu, dopiero prąd płynący przez 100 s powoduje ok. 50-procentowy spdek włsności wytrzymłościowych. Jk wynik z nlizy dnych doświdczlnych, zwiększnie zrówno ntężeni prądu, jk i czsu jego przepływu przez zestyk: przewód jezdny-nkłdk stykow może doprowdzić do degr- poziomu wytrzymłości n rozciągnie prze- dcji pierwotnego wodów jezdnych. Anlizując uzyskne chrkterystyki zmin wytrzymłości n rozciągnie dnych przewodów jezdnych, zuwż się wyrźne rymencie lortoryjnym. Skutki krótkotrwłych wielokrotnych nrżeń termicznych wywołnych przez przepływ prądu o dużym ntężeniu orz wyłwłsno- downi łukowe, mogą ujwnić się w postci zmin ści mechnicznych wrstwy wierzchniej, nwet zncznej części 197

10 Rys. 14. Widok przewodu jezdnego poddnego miejscowemu ngrzewniu prądowemu, miejsc pomiru twrdości przewodu Fig. 14. View on trolley wire sumitted het up tretment loclly, plces of hrdness mesurement w odległości 20 mm od źródł ciepł przewody gt. CuAg0,10 chrkteryzują się pierwotnymi włsnościmi mechnicznymi (stn po ciągnieniu). Przedstwione wyniki dń twrdości pozostją w logicznym związku z prezentownymi wcześniejszymi wynikmi dń doświdczlnych dotyczących zmin włsności wytrzymłościowych przewodów jezdnych. Znjduje to swoje wyrźne przełożenie w zróżnicowniu odporności n ściernie oydwu gtunków przewodów jezdnych. Mjąc n uwdze, że zużywnie przewodów jezdnych odyw się n drodze ścierni wrstwy przypowierzchniowej, przewody jezdne z miedzi elektrolitycznej ścierją się zncznie intensywniej w porównniu do przewodów wykonnych z miedzi srerowej. Brdziej miękk wrstw przewodów z miedzi gt. ETP ścier się szyciej, równocześnie n skutek ieżących nrżeń cieplnych pojwi się kolejn stref metlu o oniżonych włsnościch, i tk w sposó ciągły, ż do utrty wlorów eksplotcyjnych przewodów. Wżnym wnioskiem prktycznym płynącym z przedstwionych wyników jest spostrzeżenie, że silne ngrzewnie prądowe może wpłynąć loklnie n oniżenie włsności wytrzymłościo- Dltego w szykich siecich trkcyj- wych przewodu jezdnego. nych, które chrkteryzują się zncznym poorem mocy, wym- co przekłd się n wymgni wysokich włsności mechnicz- gne są znczne siły nciągu przewodów jezdnych i lin nośnych, nych orz wysokiej odporności cieplnej woec mteriłów, z których są one wykonne. Podsumownie Rys.15. Przeieg zmin twrdości HB przewodów jezdnych poddnych ngrzewniu prądowemu, w zleżności od odległości oszrów pomirowych od źródł ciepł Fig. 15. Course of chnges in hrdness HB trolley wires sumitted to electricl het up in reltion to distnce etween mesurement re nd het source przewodu jezdnego. Dne literturowe wskzują, że powierzchni przewodu jezdnego, loklnie, może osiągć temperturę z przedziłu C, mjącą swoje źródło w prędkości trci z nkłdką ślizgową odierk prądu, orz wielkości ntężeni przewodzonego prądu elektrycznego. Efekt ten może yć przyczyną utrty wymgnych włsności użytkowych przewodu jezdnego, owiem zmięknięcie wrstwy umocnionego w procesie ciągnieni mteriłu, mjącej kontkt z nkłdką stykową, prowdzić może do przyspieszonego jej zużyci. Dltego przeprowdzono dni mjące n celu oserwcję zmin twrdości przewodów jezdnych n ich przekroju poprzecznym w zleżności od odległości punktu pomirowego od źródł ciepł, jkim yło miejsce kontktu z nkłdką stykową odierk prądu. Pomir twrdości odywł się n przekroju wzdłużnym w określonej odległości od miejsc kontktu z nkłdką. Rysunek 14 przedstwi fotogrfię przewodu jezdnego poddnego miejscowemu ngrzewniu prądowemu; pokzne zostły również miejsc i sposó pomiru twrdości przewodu. W celu oszcowni oszru ojętego wpływem tempertury n zminę włsności przewodów jezdnych n ich długości (odległości od źródł ciepł) sporządzono wykresy zmin twrdości n ich przekroju wzdłużnym w zleżności od ntężeni prądu płynącego w różnym czsie przez zestyk. N podstwie nlizy chrkterystyk przedstwionych n rysunku 15 stwierdzono, że w przypdku konfigurcji zrówno 300A/60s, jk i 300A/120s, przewody z miedzi elektrolitycznej w miejscu styku z nkłdką, więc w oszrze njwiększej gęstości prądu, chrkteryzują się cłkowitą utrtą umocnieni. Tymczsem twrdość przewodów z miedzi srerowej dl konfigurcji 300 A/60 s w miejscu styku z nkłdką prktycznie nie uleg zminie (3 % spdek HB). Jedynie dl ukłdu 300A/120s oserwuje się ok. dwudziestotrzyprocentowe oniżenie ich twrdości, le już 1. Przewody jezdne gt. CuAg0,10 chrkteryzują się wyższą o ok. 160 C temperturą rekrystlizcji w stosunku do przewodów z miedzi elektrolitycznej niezleżnie od czsu wygrzewni. 2. Zstosownie przewodów jezdnych gt. CuAg0,10 umożliwi, w porównniu do przewodów jezdnych z miedzi gt. ETP, przesłnie przez zestyk: przewód jezdny-nkłdk stykow prądu o ok % większym ntężeniu ez oniżeni włsności mechnicznych przewodów jezdnych. 3. Stwierdzon wysok odporność ciepln przewodów gt. CuAg0,10 pozwl n większą ociążlność prądową sieci trkcyjnej, co przekłd się n możliwość zstosowni lokomotyw o większej mocy. 4. Stilność wysokich włsności mechnicznych przewodów jezdnych gt. CuAg0,10 w podwyższonych temperturch poprwi ezpieczeństwo eksplotcji wysokoociążlnych mechnicznie i prądowo siecich trkcyjnych dużej prędkości jzdy. Litertur 1. Głowcki K., Onderk E.: Sieci trkcyjne, Emtrk Krków, Siemiński T., Jrosz T.: Odierki prądu i ich współprc z siecią jezdną, WKiŁ Wrszw Podoski J. (red.): Histori elektryki polskiej, Trkcj elektryczn, t. V, WNT Wrszw, Kwecki A., Knych T., Mml A.: Bdni porównwcze odporności cieplnej przewodów jezdnych Djp100 i DjpS100, SEMTRAK XI Ogólnopolsk Konf. Nuk. Trkcji Elektrycznej i III Szkoł Komptyilności Elektromgnetycznej w Trnsporcie, Krków-Zkopne, Mt. konf., t. 1, s Kwecki A., Knych T., Mml A.: Wpływ tempertury i czsu n włsności wytrzymłościowe przewodów jezdnych wykonnych z miedzi w gt. ETP i CuAg0,10. XXXII Szkoł Inżynierii Mteriłowej, Krków- -Krynic, Mt. konf., s DIN 17666:1983 Niedriglegierte Kupfer-Knetlegierungen. Zusmmensetzung. 7. PN-EN 50149:2002 Zstosowni kolejowe. Urządzeni stcjonrne-trkcj elektryczn-profilowne druty jezdne z miedzi i jej stopów. 8. PN-64 E-90090:1964 Przewody jezdne miedzine. 9. ZN-KFK-019: 2000 Przewody jezdne z miedzi srerowej. 198