范文一:受电弓滑板行业现状
受电弓滑板行业现状
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目录
受电弓滑板行业现状 ............................................................................................ 2
第一节 行业介绍 .......................................................................................... 2
一、受电弓滑板行业的描述及定义 .................................................... 2
二、受电弓滑板行业特点及主要问题 ................................................ 2
(1)机械磨损...................................................................................................... 2
(2)电气磨损...................................................................................................... 3
第二节 国家产业政策及行业运行环境 ...................................................... 4
一、政策环境 ........................................................................................ 4
二、宏观环境 ........................................................................................ 4
第三节 受电弓滑板产品所处产业生命周期 .............................................. 6
一、受电弓滑板产品发展周期展示 .................................................... 6
二、受电弓滑板产品所处生命周期位置 ............................................ 6
第四节 受电弓滑板产品产业链现状及分析 .............................................. 7
第五节 受电弓滑板行业市场竞争分析 ...................................................... 7
第六节 受电弓滑板行业市场进入/退出壁垒 ............................................ 8
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受电弓滑板行业现状
第一节 行业介绍
一、受电弓滑板行业的描述及定义
受电弓滑板是电力机车重要的集电元件,安装在受电弓的最上部,直接与接触导线接触,在滑动状态下从接触导线上获得100-1000A的电流为机车供应电力。随着列车速度的不断提高,对受电弓滑板的综合性能提出了越来越高的要求。列车高速运行,一方面,滑板表面摩擦产生的热量大大增加,致使滑板表面升温,引起滑板表面状况恶化;另一方面,当受电弓滑板遇到接触网上的“硬点”(分段绝缘器等)时会产生阶跃式的冲击,造成瞬间离线拉弧现象,在接触点处产生3000℃以上的高温,导致接触点软化甚至熔融,电烧蚀严重,致使滑板表面质量下降,摩擦因数增加,磨损加剧,因此对其材料性能有着十分苛刻的要求。滑板一般应满足以下性能:良好的导电性;抑制离线电弧的产生和抗电弧烧伤性;良好的减磨耐磨性;足够的强度;对自然环境强的适应性;小的电阻率和接触电阻;便于实现轻量化和标准化,对接触网导线损伤小,价格低等。
二、受电弓滑板行业特点及主要问题
滑板在滑动中从接触网导线上获得电流,与接触网导线构成了一对机械与电气耦合的特殊摩擦副,这种摩擦副中主要存在着两种性质的磨损—机械磨损与电气磨损。
(1)机械磨损
机械磨损是滑板在接触网导线上滑动时由于二者之间发生摩擦或冲击而引起的磨损。摩擦是一种能量转换过程,有物理、化学、电化学等复杂现象。其中包括摩擦副材料及周围介质之间的相互作用,表层材料的转移等,摩擦结果导致磨损。 在压力作用下,相互接触的两物体表面因为摩擦,接触点产生瞬时高温,引起两特体发生粘着,相互移动时又将被剪切断开,使两物体发生滑溜。摩擦就是粘着与剪断交替进行的跃动式过程。摩擦时粘着点的形成和破坏导致磨损。摩擦表面有磨粒磨损痕迹,出现薄片状磨屑,在摩擦过程中加剧磨损。由于滑板沿导线高速滑行,其高温粘着,冲击碎裂倾向十分严重,由此造成的磨损在滑板总
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磨损中占有相当比重,可见提高抗粘着性和机械强度是减小滑板磨损的有效途径。
(2)电气磨损
受电弓滑板与接触网导线的工作特性在本质上属于电接触范畴。其磨损情况也突出地表现出电磨损的特点。滑板与导线因某种原因接触不良或离线等将产生火花或电弧,引起电气磨损,并且会产生小雨滴状的磨屑。在接触受流时由于电流通过引起温升,据实际测定,滑板摩擦面上的温度可达250~600℃,导致接触表面物理状态发生变化,如氧化等,造成附加机械磨损,从而加大了总磨损。电气磨损的特点是磨损随受流量、离线时间及离线频率的增加而增大,因此接触导线电气磨损较为严重的情况一般在容易发生离线、导线与滑板接触质量较差处发生。此外,导线及滑板的缺陷处也往往是电气磨损严重的部位。磨耗与滑板的材料密切相关,还受到霜露雪等水分环境的氧化、腐蚀磨损。
电力机车使用的第一代滑板为金属滑板,由软钢制成,由于对导线磨损严重,后改用第二代滑板-碳滑板,但碳滑板冲击韧性差,易断裂。在此期间又研制了第三代滑板-粉末冶金滑板,它是用金属粉末为基体,加入多种金属和非金属材料,通过成形、烧结等工艺制成,但对接触导线磨耗十分严重。在前几代滑板的基础上研制了第四代滑板-浸金属碳滑板,浸金属碳滑板集中了碳材料和金属材料的优点,基本解决了碳滑板机械强度低的问题,耐磨性大大提高,但抗冲击能力不足,易掉块。为有效增强浸金属碳滑板的整体抗冲击性,用合金铝框与整根碳条粘接在一起,以增加碳条强度,虽然滑板的强度有所提高,但是它对导线磨损仍然较大。
目前,在线上运行的机车部分使用的还是粉末冶金滑板,主要有铜基滑板和铁基滑板。它是以铜和铁等金属的粉末为基体,并加入多种金属和非金属材料,通过成形,烧结等工艺加工制成。这种滑板有良好的导电性,并且有一定的耐磨性和冲击韧性,但润滑性太差,对接触网磨耗十分严重。在实际运用中,一般使用润滑条,配合金属粉末滑板共同使用,可以缓解磨耗。这种滑板最突出的缺陷是在与带电的接触网接触时容易产生电弧,导致滑板表面被烧出很多坑洼不平小坑,增加磨耗程度,降低滑板使用寿命。特别是遇有雨,雪,霜,雾等不良天气
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范文二:受电弓滑板材料发展小史
铁路的电气化和高速化是目前世界铁路运输发展的趋势。随着中国经济的快速发展,中国的铁路电气化建设也进入了一个崭新的发展时期,同时也对弓网系统提出了更高的要求。弓网系统是电气化列车运行的主要动力来源,它主要由接触网和受电弓两部分构成,接触网线大多采用纯铜或铜合金材料,而作为电力机车从接触网线导入电能的滑板材料,其发展经历了一个漫长而复杂的过程。在受电弓滑板的研究和应用方面,其材料主要经历了纯金属滑板、粉末冶金滑板、纯碳滑板、浸金属碳滑板等发展过程。下面我们就从国内外受电弓滑板材料的研究历程了解一下这个电气化列车动力之翼的发展。
首先提一下我们的邻国日本。日本电气化列车的受电弓滑板材料就经历了由纯铜、石墨、粉末冶金材料到浸金属碳滑板材料的过程。最早期,列车使用的是纯铜材料的滑板。纯铜滑板材料相对于硬铜的接触导线,纯铜的亲和力大,易引起粘着磨损,因此接触导线磨损严重,现在已被淘汰。二战中,为了节约战略物资铜,日本开发了导电性与自润滑性较好的石墨滑板材料,其优点是对接触导线的磨损小, 1945年以后该材料在私营铁路上得到了广泛的应用。但是由于石墨存在电阻系数较大、集电容量小、耐冲击性差等问题,所以,在1949-1951年,铁道电气化协会适时推出了替代石墨的铜系粉末冶金滑板材料。其电阻系数比石墨滑板小,冲击韧性较石墨滑板有了一定的提高。在1964年日本新干线的开通之后,在列车的高速行驶中,含铜量多的铜系滑板材料和铜接触导线间亲和力较强,接触导线磨损严重;而石墨滑板材料的抗冲击能力较差,无法达到要求。这时,铁系滑板材料应运而生,铁系滑板材料在高速滑动时形成的铁氧化物减少了粘着磨损,从而使滑板材料磨损减轻。1981-1984年日本高速列车的最高运行速度达到了210-240km/h,铁系滑板材料的磨耗值也达到了以往的3倍,为此日本研究人员向铁基粉末冶金材料中加入一些耐磨成分,但由于这种滑板材料对接触网导线的磨损十分严重,因此日本又开始研发新的滑板材料。20世纪80年代以来,日本开始致力于电阻系数小、机械强度高的新型碳质滑板材料的研究,开发了浸金属碳滑板材料。该材料是在压力作用下利用金属液将碳质压块中的气孔填满而形成的,组织致密。虽然浸金属碳滑板材料由于制备方法的限制,含碳量过大、自身磨耗较大,但兼有纯碳滑板材料润滑性能好与铜系合金烧结滑板材料强度高、导电性好等优点,是一种较为理想的高速列车用受电弓滑板材料,这一开发也为将来对新型滑板材料的研发指明了道路。
继日本之后,20世纪70年代欧洲各国也竞相发展了高速铁路,滑板材料也得到相应的发展。法国的TGV,德国的ICE和西班牙的AVE都是具有代表性的高速铁路。起初,他们所使用的受电弓滑板材料为铜合金和纯碳滑板,由于铜合金滑板材料对接触网导线的亲和力大,现在其使用也在逐渐受到限制。20世纪90年代中期,欧洲也继日本之后开发了浸金属碳滑板材料,其电阻率低、强度高,磨耗率小,该材料在英国电气化铁路建设中得到了较为广泛的应用。
在国内方面,我国从20世纪50年代末开始发展电气化铁路。1961年第一条电气化铁路宝凤段开通,当时路网导线选用铜质导线,滑板为软钢滑板。由于导线的磨损严重,在1967年改用碳滑板材料。但是碳滑板材料的机械强度较低,冲击韧性较差,并且在运行中会出现滑板折断和破裂,使用寿命低,特别是在雨季和潮湿地区,因摩擦力增大,常出现弓网故障。因此研究人员研制了粉末冶金滑板材料,在20世纪80年代初,铜基粉末冶金滑板在国内得到了广泛的应用。20世纪90年代以后,我国高速电力机车开始采用组织致密的浸金属碳滑板材料,这种滑板集碳材料和金属材料的优点于一体,因此,综合性能比较优越。近几年, 我国高速电气化路线使用的滑板材料基本上都是浸金属碳滑板材料。
而近年来,又出现了一些新的受电弓滑板潜在应用材料:
首先是Ti3SiC2材料受到了研究人员的关注。它是一种结构、导电和自润滑多功能合一的新型材料。其强度、电阻率和自润滑性能指标皆优于碳基材料和其他受电弓滑板材料,其耐高温性、抗氧化性及可加工性是现用受电弓滑板材料无法相比的,也有望成为制作高速电力机车的受电弓滑板材料,这对解决高速机车受电弓滑板的摩擦和电弧灼蚀损伤问题具有重要指导意义。
另一种潜在应用材料是碳-金属纤维滑板。它是以金属纤维、金属粉末、金属丝网或它们的混合物增强碳基体,采用适当的混料方式使增强剂均匀地分布于基体中,然后进行冷压或热压,再经过高温烧结得到的复合材料。20世纪90年代初有日本研究人员制备了一种碳基体分布着钢纤维的复合材料,这种滑板综合了纯碳滑板和金属滑板各自的优点,从而改善了滑板的性能。
再一种潜在应用材料就是C/C复合材料了。C/C复合材料是碳纤维强化的碳复合材料,它将碳纤维布重叠起来,经过压缩成型和烧结而制备的碳系复合材料。C/C复合材料与现用的碳系滑板相比,电阻率稍高一点,但是其密度小,而且质量轻,弯曲强度和耐冲击强度均为现用碳系滑板的2倍,从而展现了良好的应用前景。
电气化铁路的不断发展势必会推动受电弓滑板材料的不断创新。而受电弓滑板的材料的更新和改善也会对铁路的运行带来更快的速度和更安全的保障。正是有无数的材料科研工作者的不断努力和奋斗,才有了我们生活的便捷与舒适。未来,新材料必将会使受电弓滑板这一高速列车之翼更有力,让高速列车更安全更强劲,从而让我们的出行和运输更快捷更和谐。
范文三:受电弓滑板行业现状报告
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目录
受电弓滑板行业现状 ............................................................................................ 3
第一节 行业介绍 .......................................................................................... 3
一、受电弓滑板行业的描述及定义 .................................................... 3
二、受电弓滑板行业特点及主要问题 ................................................ 3
(1)机械磨损...................................................................................................... 3
(2)电气磨损...................................................................................................... 4
第二节 国家产业政策及行业运行环境 ...................................................... 5
一、政策环境 ........................................................................................ 5
二、宏观环境 ........................................................................................ 5
第三节 受电弓滑板产品所处产业生命周期 .............................................. 7
一、受电弓滑板产品发展周期展示 .................................................... 7
二、受电弓滑板产品所处生命周期位置 ............................................ 7
第四节 受电弓滑板产品产业链现状及分析 .............................................. 8
第五节 受电弓滑板行业市场竞争分析 ...................................................... 8
第六节 受电弓滑板行业市场进入/退出壁垒 ............................................ 9
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受电弓滑板行业现状
第一节 行业介绍
一、受电弓滑板行业的描述及定义
受电弓滑板是电力机车重要的集电元件,安装在受电弓的最上部,直接与接触导线接触,在滑动状态下从接触导线上获得100-1000A的电流为机车供应电力。随着列车速度的不断提高,对受电弓滑板的综合性能提出了越来越高的要求。列车高速运行,一方面,滑板表面摩擦产生的热量大大增加,致使滑板表面升温,引起滑板表面状况恶化;另一方面,当受电弓滑板遇到接触网上的“硬点”(分段绝缘器等)时会产生阶跃式的冲击,造成瞬间离线拉弧现象,在接触点处产生3000℃以上的高温,导致接触点软化甚至熔融,电烧蚀严重,致使滑板表面质量下降,摩擦因数增加,磨损加剧,因此对其材料性能有着十分苛刻的要求。滑板一般应满足以下性能:良好的导电性;抑制离线电弧的产生和抗电弧烧伤性;良好的减磨耐磨性;足够的强度;对自然环境强的适应性;小的电阻率和接触电阻;便于实现轻量化和标准化,对接触网导线损伤小,价格低等。
二、受电弓滑板行业特点及主要问题
滑板在滑动中从接触网导线上获得电流,与接触网导线构成了一对机械与电气耦合的特殊摩擦副,这种摩擦副中主要存在着两种性质的磨损—机械磨损与电气磨损。
(1)机械磨损
机械磨损是滑板在接触网导线上滑动时由于二者之间发生摩擦或冲击而引起的磨损。摩擦是一种能量转换过程,有物理、化学、电化学等复杂现象。其中包括摩擦副材料及周围介质之间的相互作用,表层材料的转移等,摩擦结果导致磨损。 在压力作用下,相互接触的两物体表面因为摩擦,接触点产生瞬时高温,引起两特体发生粘着,相互移动时又将被剪切断开,使两物体发生滑溜。摩擦就是粘着与剪断交替进行的跃动式过程。摩擦时粘着点的形成和破坏导致磨损。摩
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擦表面有磨粒磨损痕迹,出现薄片状磨屑,在摩擦过程中加剧磨损。由于滑板沿导线高速滑行,其高温粘着,冲击碎裂倾向十分严重,由此造成的磨损在滑板总磨损中占有相当比重,可见提高抗粘着性和机械强度是减小滑板磨损的有效途径。
(2)电气磨损
受电弓滑板与接触网导线的工作特性在本质上属于电接触范畴。其磨损情况也突出地表现出电磨损的特点。滑板与导线因某种原因接触不良或离线等将产生火花或电弧,引起电气磨损,并且会产生小雨滴状的磨屑。在接触受流时由于电流通过引起温升,据实际测定,滑板摩擦面上的温度可达250~600℃,导致接触表面物理状态发生变化,如氧化等,造成附加机械磨损,从而加大了总磨损。电气磨损的特点是磨损随受流量、离线时间及离线频率的增加而增大,因此接触导线电气磨损较为严重的情况一般在容易发生离线、导线与滑板接触质量较差处发生。此外,导线及滑板的缺陷处也往往是电气磨损严重的部位。磨耗与滑板的材料密切相关,还受到霜露雪等水分环境的氧化、腐蚀磨损。
电力机车使用的第一代滑板为金属滑板,由软钢制成,由于对导线磨损严重,后改用第二代滑板-碳滑板,但碳滑板冲击韧性差,易断裂。在此期间又研制了第三代滑板-粉末冶金滑板,它是用金属粉末为基体,加入多种金属和非金属材料,通过成形、烧结等工艺制成,但对接触导线磨耗十分严重。在前几代滑板的基础上研制了第四代滑板-浸金属碳滑板,浸金属碳滑板集中了碳材料和金属材料的优点,基本解决了碳滑板机械强度低的问题,耐磨性大大提高,但抗冲击能力不足,易掉块。为有效增强浸金属碳滑板的整体抗冲击性,用合金铝框与整根碳条粘接在一起,以增加碳条强度,虽然滑板的强度有所提高,但是它对导线磨损仍然较大。
目前,在线上运行的机车部分使用的还是粉末冶金滑板,主要有铜基滑板和铁基滑板。它是以铜和铁等金属的粉末为基体,并加入多种金属和非金属材料,通过成形,烧结等工艺加工制成。这种滑板有良好的导电性,并且有一定的耐磨性和冲击韧性,但润滑性太差,对接触网磨耗十分严重。在实际运用中,一般使
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范文四:受电弓滑板细分市场调研
受电弓滑板细分市场调研
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受电弓滑板细分市场调研 . ................................................................................... 2
第一节 纯碳质滑板 . ..................................................................................... 2
一、产品特性 . ....................................................................................... 2 二、市场前景 . ....................................................................................... 2 三、消费模式 . ....................................................................................... 2 四、消费者需求发展趋势 . ................................................................... 3 第二节 粉末治金滑板 . ................................................................................. 3
一、产品特性 . ....................................................................................... 3 二、市场前景 . ....................................................................................... 3 三、消费模式 . ....................................................................................... 4 四、消费者需求发展趋势 . ................................................................... 5 第三节 浸渍金属碳滑板 . ............................................................................. 5
一、产品特性 . ....................................................................................... 5 二、市场前景 . ....................................................................................... 5 三、消费模式 . ....................................................................................... 6 四、消费者需求发展趋势 . ................................................................... 8
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受电弓滑板细分市场调研
第一节 纯碳质滑板
一、产品特性
纯碳质滑板对降低导线磨耗、延长导线使用寿命具有积极意义。但机械强度较低,在冲击力作用下,易出现断裂、掉块的现象,引发弓网故障的概率较大,同时还存在滑板的不均匀磨耗现象,如果整形不及时,会使受电弓离线率增大,加剧滑板与导线的电气磨损,使用寿命较短,而且因损伤更换数量极多,使用范围受到限制。 二、市场前景
目前,纯碳质滑板是我国电气化铁路上广泛使用的主要滑板之一,是非金属中导电较好的材料,当前有哈尔滨电碳厂、北京电碳和自贡东新电碳厂进行生产。纯碳滑板工作时磨下来的粉末粘附在接触导线表面,形成一层很薄的碳膜,起到了良好的自润滑作用,能够减轻对导线的磨耗。据统计,使用纯碳滑板的网线寿命至少是50年,它对导线的磨耗仅为0.006mm/万次,并且对无线电话及无线电视干扰小。因此,欧洲等一些国家如荷兰从1934年,德国从1935年便开始使用纯碳滑板,而目前不论交流或直流供电的电气化铁路道在铜导线上都采用了纯碳滑板。在日本,私营铁路全部使用纯碳滑板。可见,纯碳滑板不失为一种优良的滑板材料。 三、消费模式
哈碳厂、北京电碳厂和东新电碳厂成产的纯碳板基本能够满足我国电气铁路需求。同时根据用户要求,可生产不同规格制品。
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四、消费者需求发展趋势
图表- 1:2015-2019年纯碳质滑板消费者需求发展趋势分析
中元智盛整理
第二节 粉末治金滑板
一、产品特性
粉末冶金滑板是采用某种金属粉末为基体,加入多种金属和非金属材料,通过成型、烧结等工艺制成。粉末冶金滑板自身磨耗不大,对导线磨耗较小,从磨耗机理看,粉末冶金滑板在使用中可不断形成润滑膜,降低摩擦副的摩擦系数,起到减摩的作用。
铁基粉末冶金滑板机械强度较好,表面硬度稍高,不易出现断裂、不均匀磨损等现象,而且自身含有润滑材料,能减轻对导线的磨耗。但表面硬度远高于铜线硬度,即使在润滑作用较好的前提下,对铜导线的磨耗作用也是较大的。不少电力机务段在铜导线区段仍然采用这种滑板,主要是为避免弓网故障的发生。
铜基粉末冶金滑板用于铜导线区段,因其机械强度较好,表面硬度适中,滑板磨损率很低,但是对铜导线的磨耗作用较大,价格偏高。 二、市场前景
由于纯碳滑板难以运用在各种混架导线区段,这就要求有新得滑板弥补不足。在这种情况下1980年铁科院与北京粉末冶金厂在西安铁路局的配合下,针对钢
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范文五:DSA250受电弓滑板的材料改进方案
摘 要
世界上第一条高速铁路是1964年开通的日本东海岛新干线,发展至今已有53年。近年来国内高速铁路飞快发展,随着列车速度的提高,受电弓与接触网关系的问题日益突出。动车组是通过受电弓从接触网上获取电能,所以良好的弓网接触是保证列车取流的必要条件,受电弓的滑板成了重中之重,列车运行时如何减少受电弓滑板的损耗,提高受电弓滑板质量已经成为高速铁路技术的重要问题。
动车组受电弓滑板材料如今各国都在加紧研发,它所涉及的材料学问题是其解决受电弓滑板损耗的基础,早期接触网线多采用纯铜或铜合金材料,而在受电弓滑板方面,其材料经历了纯金属滑板、粉末冶金滑板、纯碳滑板、浸金属碳滑板邓发展过程。
本毕业设计通过对国内和国外高速动车组受电弓的分析、介绍,对DSA250型高速动车组受电弓结构、作用方面做出论述,对比国外先进的材料学技术,提出自己的优化、改良方案。
关键词:DSA250型受电弓;石墨烯;改良型石墨烯受电弓
目 录
摘 要......................................................................................................................
第 1 章 绪 论.......................................................................................................... 1
1.1 研究背景......................................................................................................... 1
1.2国内外高速动车组受电弓滑板材料发展...................................................... 1
1.3 国内外受电弓材料研究现状......................................................................... 2
1.4 本毕业设计的主要工作................................................................................. 2
第2章 基础理论.......................................................................................................... 3
2.1 DSA250型受电弓原理................................................................................... 3
2.2 DSA250型受电弓滑板材料学研究............................................................... 3
2.3 滑板材质电阻................................................................................................. 4
2.3.1 磨粒磨损.............................................................................................. 4
2.3.2 电磨损.................................................................................................. 4
第3章 DSA250受电弓介绍......................................................................................... 6
3.1 DSA250型受电弓........................................................................................... 6
3.2 受电弓模型的种类......................................................................................... 6
第4章 新型材料石墨烯.............................................................................................. 7
4.1 石墨烯的概述................................................................................................. 7
4.2 石墨烯的发现历史......................................................................................... 7
4.3 石墨烯的各种功能特性................................................................................. 8
4.4 石墨烯新材料的结构特点............................................................................. 8
第5章 DSA250型受电弓滑板材料工艺................................................................... 12
5.1 DSA250受电弓的发展历程...................................................................... 12
5.2 DSA250型受电弓的优缺点......................................................................... 12
第6章 优化改进后的DSA250型受电弓滑板.......................................................... 14
6.1 受电弓碳滑条检修的正常标准................................................................... 14
6.2 改进建议....................................................................................................... 14
6.2.1. 快速降弓阀的改进建议..................................................................... 14
6.2.2 改变DSA250型受电弓滑板............................................................ 15
参 考 文 献:............................................................................................................ 16
致 谢 .................................................................................................................. 17
DSA250型受电弓滑板的材料改进方案
第 1 章 绪 论
1.1 研究背景
1897年,第一台电力机车在柏林世博会上问世,相比于内燃机车,电力机车节约能量、绿色环保、牵引力大、过载能力强而且维修量少,在许多发达国家得到了广泛应用。一个多世纪以来,世界各国的电气化铁路取得了突飞猛进的发展。时至今日,全世界的高速电气列车毫无例外采用弓网系统获取电能。动车组受电弓需要在高速运行的条件下从接触网获取电能,并确保良好的受流特性,以保证列车安全平稳运行。只有保持受电弓滑板与接触网间的可靠接触,才能保证弓网系统良好的受流特性。否则,可能发生离线现象,产生严重后果。
众所周知,列车通过与接触网接触获取电能,受电弓滑板一旦与接触网不能充分接触,首先会对列车的通讯线路造成影响,其次影响动车组列车的正常供电,甚至可能导致车内产生过电压,影响行车安全。弓网离线瞬间可能发生燃弧,造成受电弓滑板烧蚀,缩短其使用寿命。
受电弓滑板材料学作为高速列车弓网关系的研究核心,是影响弓网受流质量的关键因素。良好的弓网受流特性,要求受电弓滑板具有较好的导电性与耐磨性。
我国在受电弓滑板材料方面的研究起步较晚,目前我国动车组使用的受电弓大多是引进于德国、法国的。研究动车组受电弓滑板材料是很有必要的。
1.2国内外高速动车组受电弓滑板材料发展
在1964年日本新干线的开通之后,在列车的高速行驶中,含铜量多的铜系滑板材料和铜接触导线间亲和力较强,接触线磨损严重;而石墨滑板材料的抗冲击能力较差。这时,铁系滑板材料应用而生,铁系滑板材料在高速滑动时形成的铁氧化物减少了磨损,从而使滑板材料磨损减轻。进入20世纪80年代,高速列车运行速度达到210-240km/h,铁系材料磨耗值也达到新高,不得已又开发了浸金属碳滑板材料。
继日本之后,20世纪70年代欧洲各国也发展了高速铁路,法国的TGV ,德国的ICE 和西班牙的AVE 都具有代表性的高速铁路。起初他们使用的受电弓滑板材料为铜合金和纯碳滑板,由于铜合金滑板材料对接触网导线的亲和力大,现在也由于磨损逐渐受到限制。20世纪90年代欧洲也发明了浸金属碳滑板材料,其电阻率低、强度高、磨耗率小,得到广泛应用。
国内方面,1961年第一条电气化铁路选用铜质导线,滑板材料为软钢滑板。在1967年改用碳滑板材料,但由于碳滑板材料的机械强度较低,冲击韧性差,很快被淘汰。20世纪80年代初,铜基粉末冶金滑板材料在国内得到广泛运用,20世纪90年代开始采用组织致密的浸金属碳滑板材料,近几年,我国高速电气化铁路使用的滑板材料基本上都是浸金属碳滑板材料。
1.3 国内外受电弓材料研究现状
首先是Ti3SiC2材料。它是一种结构、导电和自润滑多功能混一的新型材料。其强度、电阻率和自润滑性能指标皆优于碳基材料和其他受电弓滑板材料,其耐高温性、抗氧化性及可加工性是现用受电弓滑板材料无法相比的。
另一种潜在应用材料是碳-金属纤维滑板。它是以金属纤维、金属粉末、金属丝网或它们的混合物增强碳基体,采用适当的混料方式均匀的分布在基体中,然后进行冷压或热压,再经过高温烧结得到的复合材料。
再一种应用材料就是C/C符合材料。C/C复合材料是碳纤维强化的碳复合材料,它将碳纤维重叠起来,经过压缩成型和烧结而制备的碳系复合材料。C/C复合材料与现用的碳系滑板相比,电阻率稍高一些,但其密度小,而且质量轻,弯曲强度和耐冲击强度均是现用碳系滑板的2倍,从而展现了良好的应用前景。
1.4 本毕业设计的主要工作
在分析论证的基础上,着重对高速动车组受电弓滑板进行分析,分析其滑板材料的导电性以及耐磨性等方面。分析以DSA250型高速受电弓为例,主要完成以下内容,分析DSA250型受电弓的组成结构,提出新型材料石墨烯,并对材料进行说明阐述,对目前DSA250型受电弓进行分析,对其优缺点加以说明,提出优化改良后的新型受电弓滑板材料。
第2章 基础理论
2.1 DSA250型受电弓原理
目前采用的DSA250型受电弓,能适应中国既有线路和客运专线接触网。单列动车组采用单弓受流方式,每台受电弓具有为全列车供电的能力。
表1受电弓参数
工作原理:受电弓配备了一个压缩空气驱动的自动升降装置,当接触带破裂时驱动装置将降低受电弓。在接触带的摩擦块中央有一条沟槽里面充满来自驱动装置的压缩空气,如果摩擦块断裂压缩空气就会泄露,底部驱动装置就会通过一个快速排气阀将受电弓降低,同时主断路器被触发以免由于电弧引起损坏。同样的方式当绝缘舵杆损坏时以相同的方式进行控制,该自动升降装置通过塞门在运行状态时进行隔离。
受电弓所有功能以及监控是通过各自的阀控制模块实现。受电弓升起是通过一个安装在控制阀 模块输入电缆中的电磁阀实现。升弓时间通过输入电缆中的电抗装置。降弓时间以及静态接触力以及自动升降装置中的压力开关的压力通过阀控制面板设置。阀控制模块所需的压缩空气由MR 管提供,当列车准备时辅助空气压缩就会被使用。
2.2 DSA250型受电弓滑板材料学研究
分析设计合理的受电弓参受电弓材料学研究的主要任务是建立受电弓滑板新材料的数学模型,通过对新型材料的结构组数,在保证受电弓轻量化的前提下改善受电弓的滑板性能,确保受电弓的平稳受流,为高速受电弓的主动控制
及弓网的结构选型匹配和参数优化提供理论基础。对于受电弓碳滑板材料学的研究主要采用以下方法:研究与计算机模拟结合;实验比列模型进行材料学实验;现场新材料学实验。三种方法各有其特点,需要合理选择与运用才能在保证经济性的前提下得到比较准确的结果。
2.3 滑板材质电阻
路网导线是铜质材料制成的,具有良好的导电性能,作为摩擦副的另一方滑板材料的不同材质,具有不同的电阻率,将不同程度地影响集电性能。路网导线电压25kv ,电流400A 以上。这么高的电流将在滑板上形成不同的电压降,滑板材质电阻越大,电压降越高,滑板温度升高,再加上高速摩擦生热,将破坏了滑板和导线的表面特性,使摩擦接触面磨损增加。
滑板电阻高,将造成电阻率比较低。全国7000多台电力机车由此带来的电损耗比较严重。高速列车总功率9600kw ,要求大电流提供强劲动力,如果滑板电阻高,会使有效功率降低,对列车高速行驶带来不利的影响。
2.3.1 磨粒磨损
外界硬颗粒或者对表面上的硬突起物或粗糙峰在摩擦过程中引起表面材料的脱落的现象,称为磨粒磨损。分为二元磨损和三元磨损,二元磨损是指摩擦副各自的凸部相互切削作用引起的磨损,三元磨损是指在摩擦副之间存在某种之类第三种硬质粒子引起的磨损。
滑板磨粒磨损与其材料材质有很大关系,与金属难起粘结作用的碳基滑板的磨损,主要是硬粒磨损。碳基滑板由不同粒径的颗粒组成,颗粒之间由粘结剂结合。粘结剂形成的碳,较易氧化,将使碳颗粒之间的结合力减弱,造成颗粒磨损。
2.3.2 电磨损
高速列车在高速行驶过程中,滑板与网线之间的相对磨损以机械磨损为主,但是在大电流的作用下,所造成的电磨损不可忽视。高速列车功率强劲,需要网线与滑板之间大电流传输。集电材料的磨损率与接触表面产生的热有关,载流条件下摩擦副在摩擦过程中的热主要来自3个方面:电弧热、摩擦热和电流产生的热。载流条件下摩擦表面在电流、电弧的影响下温度较高,会使摩擦表
面的材料软化。在真正接触处受到软化的宽阔范围内容易引起粘结,因为受到粘结部的剪切而使材料强度下降,磨损就会增加。
列车高速行驶过程中,弓网关系变得复杂,离线频率增高,在网线与滑板之间产生电弧,电弧产生时在电弧放电周围温度极高,会引起滑板与网线中低熔点元素产生融化与蒸发,在随后的凝固过程中形成微粒子,造成摩擦副之间的三元磨损,进一步加剧磨粒磨损。摩擦副接触面会因电弧放电而产生电蚀坑,表面氧化膜和气孔等,破坏了材料表面特性。
第3章 DSA250受电弓介绍
3.1 DSA250型受电弓
DSA250型受电弓由赛德公司在2001年 就从德国STEMMANN 公司技术引进,并且于2002年完成了国产化工作,该弓广泛运用于和谐号动车组,其设计时速为250km/h,最大实验速度为275km/h。该受电弓由底座架、升弓装置、框架、弓头等部分组成。气动升弓装置安装在底架上,通过钢丝绳作用于位于下臂杆下部的线导板,实现升弓动作。
图1 DSA250型受电弓结构
3.2 受电弓模型的种类
受电弓的数学模型应能关注频率范围内的受电弓动力学特征,可以是离散的归算质量模型,也可以是多刚体模型,有限元模型,或者是受电弓的传递函数。此外,还有多元模型。一元受电弓模型仅能反映受电弓的低频振动特性,在进行高速受电弓动力学研究时,应选用非线性受电弓动力学模型或多元受电弓模型。
第4章 新型材料石墨烯
4.1 石墨烯的概述
石墨烯是一种二维晶体,人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的,石墨的层间作用力较弱,很容易相互剥离,形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后,这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。石墨烯第一次被人们熟知是在2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功的在实验室中从石墨中分离出来,证实了它可以单独存在。
石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收
2.3%的光;导热系数高达5300W/(m ·k ),高于碳纳米管和金刚石,常温下其电子迁移率超过15000cm/(V ·s ),为世上电阻率最小的材料之一。因为它的电阻率极低,电子跑到速度极快,因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。
图2 石墨烯和石墨结构图
4.2 石墨烯的发现历史
20世纪初,X 射线晶体学创立以来,科学家就已经开始接触石墨烯了。 1918年,库斯库特和汉尼详细地描述了石墨氧化物质的性质。
1948年,G ·Ruess 和F ·Vogt 发表了最初用穿透式电子显微镜拍摄的少层石墨烯图像。
最初,科学家试着使用化学剥离法来制造石墨烯。将大原子或大分子嵌入
石墨,得到石墨层间化合物。在其三维结构中,每一层石墨可以被视为单层石墨烯。经过化学反应处理,除去嵌入的大原子或大分子后,会得到一堆石墨烯烂泥。由于技术不成熟以致提取石墨烯被搁置。
2004年,曼彻斯特大学和俄国切尔诺戈洛夫卡微电子理工学院的两组物理团队共同合作,首先分离出单独石墨烯平面。海姆和团队成员偶然的发现了一种简单易行的制备石墨烯的新方法。他们将石墨片放置在塑料胶带中,折叠胶带粘住石墨薄片的两侧,撕开胶带,薄片也随之一分为二。不断重复这一过程,就可以得到越来越来薄的石墨薄片,而其中部分样品仅由一层碳原子构成─他们制的了石墨烯。
2004年,康斯坦丁·诺沃肖洛夫教授和安德烈·海姆教授首次分离出石墨烯。他们利用胶带剥离石墨上的薄层,而后将其放在硅片上并借助显微镜进行确认。
2005年,曼彻斯特大学团队与哥伦比亚大学的研究者证实石墨烯的准粒子是无质量迪拉克费米子。
4.3 石墨烯的各种功能特性
1. 导电性,石墨烯稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道上移动时,不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间的作用力非常强,常温下,即使周围碳原子发生碰撞,石墨烯电子受到的干扰也非常小。
2. 机械特性,石墨烯时人类已知强度最高的物质,比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高100倍。研究人员将石墨烯样品放在晶体薄板上,用金刚石制成的探针施加压力,以测试它的承受能力。
在石墨烯样品微粒开始碎裂前,它们每100纳米距离上可承受大约2.9微牛。这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。如果用石墨烯制成包装袋,那么它将能承受大约两吨重的物品。
4.4 石墨烯新材料的结构特点
石墨烯是由碳六元环组成的两维周期蜂窝状点阵结构,它可以翘曲成零维的富勒烯,卷成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨,因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元,石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元
环,是最理想的二维纳米材料。
理想的石墨烯结构是平面六边形点阵,可以看作是一层被剥离的石墨分子,每个碳原子均为sp2杂化,并贡献剩余一个p 轨道上的电子形成大π键,π电子可以自由移动,赋予石墨烯良好的导电性。二维石墨烯结构可以看作是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。
石墨烯的结构非常稳定,碳碳键仅为1.2A 。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧,当施加外力于石墨烯时,碳原子面会弯曲变形,使得碳原子不必重新排列来适应外力,从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构是石墨烯具有优秀的导热性。
科学家首次拍到单个分子的清晰照片,同时可看见把分子结构紧密连在一起的原子键。美国国际商用机器公司(IBM) 设在瑞士苏黎世的研究实验室用一种名为“非接触式原子力显微术”的技术探索一个分子的内部情况,把分子和原子的研究推向最小。
图3 分子内部情况图 主要应用:随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破,石墨烯的产业化应用步伐正在加快,基于已有的研究成果,最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。
1. 物理学基础研究,石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义,它使得一些此前只能在理论上进行论证的量子效应可以通过实验经行验证。在二维的石墨烯中,电子的质量仿佛是不存在的,这种性质使石墨烯成为了一种罕见的可用
于研究相对论量子力学的凝聚态物质——因为无质量的粒子必须以光速运动,从而必须用相对论量子力学来描述,这为理论物理学家们提供了一个崭新的研究方向:一些原来需要在巨型粒子加速器中进行的试验,如今可以在小型实验室内用石墨烯进行。 石墨烯还具有所谓的量子霍尔效应,这种诺贝尔奖量级的重要效应以往是要在极低温下才能显现的,石墨烯却能将它带到室温下。
2. 石墨烯晶体管,石墨烯可以用来制作晶体管,由于石墨烯结构的高度稳定性,这种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。相比之下,目前勇挑大梁的以硅为材料的晶体管在10nm 左右的尺度上就会失去稳定性;石墨烯中电子对外场的反应速度超快这一特点,又使得由它制成的晶体管可以达到极高的工作频率。例如IBM 公司在2010年2月就已宣布将石墨烯晶体管的工作频率提高到了100GHz ,超过同等尺度的硅晶体管。
3. 柔性显示屏,消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目,成为未来移动设备显示屏的发展趋势。柔性显示未来市场广阔,作为基础材料的石墨烯前景也被看好。韩国研究人员首次制造出了又多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片基底组成的柔性透明显示屏。韩国三星公司和成均馆大学的研究人员在一个63cm 宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上,制造出了一块电视机大小的纯石墨烯。他们表示,这是迄今为止“块头”最大的石墨烯块。随后,他们用该石墨烯块制造出了一块柔性触摸屏。研究人员表示,从理论上来讲,人们可以卷起智能手机,然后像铅笔一样将其别在而后。
4. 新能源电池,新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板,可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本,这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外,石墨烯超级电池的成功研发,也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题,极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。
5. 航空航天,由于高导电性、高强度、超轻薄等特性,石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。前不久美国NASA 开发出应用于航天领域的石墨烯传感器,就能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺
陷等进行检测。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用。
6. 石墨烯感光元件,2013年,新加坡南洋理工大学学者,研发出了一个以石墨烯作为感光元件材质的新型感光元件,可望透过特殊结构,让感光能力比现有CMOS 或CCD 提高上千倍,而且损耗的能源也仅需原本10%。这项技术将被应用在监视器与卫星成像领域中,不久的将来可以应用于照相机、智能手机等。
7. 石墨烯复合材料,基于石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向, 其在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出了优良性能, 具有广阔的应用前景。目前石墨烯复合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物复合材料和石墨烯基无机纳米复合材料上, 而随着对石墨烯研究的深入, 石墨烯增强体在块体金属基复合材料中的应用也越来越受到人们的重视。
第5章 DSA250型受电弓滑板材料工艺
5.1 DSA250受电弓的发展历程
DSA250型受电弓是由地理机车受电弓发展而来,同样它经历许多发展改进阶段。刚开始高速受电弓由日本新干线首次尝试用铜作为受电弓滑板的材料,由于日本刚经历了二战,铜作为战略物资被广泛使用,后来,日本开发了导电性与自润滑性较好的石墨滑板材料,其特点是对接触导线的磨损小。1964年日本新干线的最高试验速度提高到256km/h,为此日本又开发了向铁系烧结合金材料中加入耐磨的FeMo 、FeCr 、FeTi 、Cr 等成分的新铁系。随着铁路高速化发展,已有的受电弓滑板材料组织疏松的弱点越来越突出,上世纪80年代,日本铁道综合技术研究所、车辆事务所、日本碳素公司、三菱金属公司、日立化成工业株式会社等先后开始致力于电阻系数小、机械强度高的新型碳质滑板材料的研究,开发了浸金属碳滑板材料。
虽然浸金属碳滑板材料由于制备方法的限制,含碳量过大、自身磨耗较大,但滑板材料和铜接触导线间亲和力较强,直到现在日本新干线还在使用这种材料。
5.2 DSA250型受电弓的优缺点
表2 DSA250型受电弓的优缺点
在铁路线路横向即左右方向上,运行的受电弓滑板一般随电力机车头左右随机性摆动不超过±200mm 。根据弓网动态试验数据显示,在传统设计施工的接
触网系统中,接触线越远离受电弓滑板的中心,弓网动态接触压力越小,反之亦然,接触线越接近受电弓滑板的中心,弓网动态接触压力越大,即形成滑板越中心其相应的磨耗越大,总体趋势也必然呈新月凹形磨耗,这是新月凹形磨耗形成的次要机理。
第6章 优化改进后的DSA250型受电弓滑板
6.1 受电弓碳滑条检修的正常标准
一、在检测受电弓作业时,应认真测量碳滑条的高度尺寸,碳滑条的厚度不小于5mm ,超过时应及时更换。严格检测并调整受电弓升弓压力,确保其规定范围之内,上下两压力平均值在70±5N。
二、对于破损碳滑条要仔细检查,确认无泄漏并且破损无过限时,应对破损位置进行认真打磨,消除碳滑条表面台阶现象,避免压力集中,破损严重时应及时更换。若更换受电弓的碳滑条及安装新的碳滑条时,必须按扭矩要求进行固定螺母的紧固安装,不可过紧,并且做好检漏工作。作业时应仔细检查弓头拉簧的拉力与两个碳滑条之间的水平保证相对拉簧预紧力均衡,两碳滑条高度差不得超过3mm ,超过限度时应及时更换。
三、 对于快速阀和ADD 阀应认真检查,如发现被外物击打造成变形裂纹导致漏风,应及时更换,做好清洁保养工作如有生锈卡死将更换配件,松动时应立即处理,并且做好检漏工作。
四、在作业过程中,应对各管路系统进行全面的查漏试验,保证管路连接处无泄漏,如发现配件损坏应立即更换,并再次做好查漏试验。
五、 如果出现受电弓已经升起,但是在MON 显示器没有升弓信号,或者是受电弓已正常升起,但升弓信号显示延长的情况(如在8月15日作业213604车就出现该故障),首先检查压力开关是否调整得当、作用是否良好,如发现配件损坏应立即更换,无法升弓时应进一步检查供风系统是否泄漏。
六、检查受电弓时,应注意检查弓头上的导流翼片、翼板是否断裂、变形或丢失,发现后应及时处理,保证受电弓正常使用。
6.2 改进建议
6.2.1. 快速降弓阀的改进建议
当发现受电弓ADD 快速降弓阀严重松动,并且供风管与ADD 快速降弓阀连接处出现漏风时,在处理过程中,由于快速降弓阀紧挨升弓装置气囊安装固定螺栓,不但将快速降弓阀的连接接头拆掉都无法转动,还要把升弓装置气囊固定螺栓拆掉才能转动,花费将近一个多小时,浪费了大量时间,也会影响作业
节点。因此,我提出改进建议是:将快速阀的位置向气囊外侧移动4~5厘米,这样在紧固或更换快速降弓阀的拆装提供方便,节省大量时间。
6.2.2 改变DSA250型受电弓滑板
当前DSA250型受电弓滑板都为水平的碳滑板,通过对DSA250型受电弓分析与论证,结合新型材料-石墨烯的相关特性,可以总结出,新型材料石墨烯具有硬度强、导电性好,同时它作为石墨家族的一员又具有石墨的特性,尤其在滑板润滑剂方面。今后的受电弓滑板材料发展方面,能够将石墨烯与现有的受电弓滑板材料相结合,具有创造性和新颖性,取得重大突破,以此解决国际性难题,在碳滑板材料组成中,软碳不耐磨,硬碳电阻率高,单纯石墨强度低。石墨烯的出现将能够大大较少路网导线与滑板的摩擦损耗,就目前而言,石墨烯唯一的缺点就是不能量产,并且在起步阶段,但这些问题随着科学技术的发展会得到很好的解决,为高速列车受电弓提供新型滑板材料。
参 考 文 献:
[1]沈曾明. 新型碳材料[M].北京:化学工业出版社,2003.
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[3]黄平. 摩擦学原理[M].北京:清华大学出版社,2002.
[4]钱洛芬. 碳素工艺学[M].北京:冶金工业出版社,2004.
[5]蔡成标. 高速铁路受电弓接触网系统动态性能仿真研究. 国内机车车辆艺[M].北京:中国铁道出版社,2005.
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[7]马行池. 何国求. 现代轨道交通摩擦集电材料及相关载流摩擦磨损研究进展
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致 谢 大学生活一晃而过,回首走过的岁月,心中倍感充实,当我写完这篇毕业设计的时候,有一种如释重负的感觉,感慨良多。 首先诚挚的感谢我的毕设指导老师曹老师。他在忙碌的教学工作中挤出时间来审查、修改我的论文。还有教过我的所有老师们,你们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样; 他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。 感谢三年中陪伴在我身边的同学、朋友、感谢他们为我提出的有意的建议和意见,有了他们的支持、鼓励和帮助,我才能充实的度过了三年的学习生活。