何育斌, 張 旭, 任萬(wàn)濱

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

電磁繼電器具有高轉(zhuǎn)換深度、低功率損耗、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于工業(yè)、家用、智能交通、5G通信等自動(dòng)控制系統(tǒng)中[1-3]。電磁繼電器的主要失效形式之一就是觸點(diǎn)熔焊失效[4]。觸點(diǎn)熔焊是指觸點(diǎn)在分合過程中,由于觸點(diǎn)間形成的電弧在短時(shí)間內(nèi)釋放大量的能量,致使觸點(diǎn)表面金屬迅速加熱進(jìn)而發(fā)生軟化與熔化,在閉合后迅速冷卻、凝固,最終使觸點(diǎn)粘接為一體,致其無法斷開的現(xiàn)象[5-6]。

影響觸點(diǎn)熔焊失效的因素有很多,包括觸點(diǎn)材料性能、繼電器的機(jī)械調(diào)整參數(shù)(如觸點(diǎn)開距、觸點(diǎn)壓力)、負(fù)載性質(zhì)(如純阻性、阻感性、容性、燈性)以及滅弧介質(zhì)等[7-8]。因此通過研究將上述觸點(diǎn)熔焊失效的影響因素,進(jìn)而提高觸點(diǎn)材料使用周期具有重要價(jià)值。

當(dāng)前主要應(yīng)用模型開關(guān)或觸點(diǎn)材料電性能模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展相關(guān)研究。Neuhaus等[9]通過改變負(fù)載電路、觸點(diǎn)閉合速度和靜壓力,發(fā)現(xiàn)觸點(diǎn)熔焊力隨燃弧時(shí)間和電流強(qiáng)度的增大而增大,決定電弧電流變化曲線的負(fù)載電路,從根本上影響著熔焊力的大小。課題組利用觸點(diǎn)材料電性能模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)銀氧化錫觸點(diǎn)材料進(jìn)行了電壽命實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在容性負(fù)載條件下觸點(diǎn)表面的侵蝕主要由陽(yáng)極電弧和陰極電弧的競(jìng)爭(zhēng)決定,材料轉(zhuǎn)移造成的接觸面積驟減是造成觸點(diǎn)熔焊失效的主要原因[10]。

在工業(yè)控制應(yīng)用中,以繼電器切換感性負(fù)載(如電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī)、電磁吸盤等)時(shí),其使用壽命降低明顯[11-12]。然而,目前對(duì)于此類工況下繼電器的電氣特性和觸點(diǎn)失效機(jī)理還未有報(bào)道。本文借助創(chuàng)新設(shè)計(jì)的觸點(diǎn)材料電性能模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),在感性負(fù)載條件下通過電壽命實(shí)驗(yàn)過程中監(jiān)測(cè)的燃弧能量、靜壓力和接觸電阻隨動(dòng)作次數(shù)的退化趨勢(shì),以及失效前的觸點(diǎn)電壓和電流波形,提出了一種觸點(diǎn)熔焊失效的物理機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方法

感性負(fù)載實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示。圖1中R為回路電阻,L為負(fù)載電感,I為負(fù)載電流,U為觸點(diǎn)兩端電壓,E為直流電源。

圖1 感性負(fù)載實(shí)驗(yàn)電路

本文所用的觸點(diǎn)材料電性能模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)文獻(xiàn)[10]已有詳細(xì)介紹。電性能模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 電性能模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)械裝置結(jié)構(gòu)框圖

該機(jī)械裝置通過控制直動(dòng)式電磁鐵的推桿動(dòng)作模擬繼電器動(dòng)觸點(diǎn)閉合和斷開的過程,電磁鐵側(cè)的微分測(cè)頭能夠?qū)崿F(xiàn)推桿空程和超程的調(diào)節(jié),驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)與調(diào)整機(jī)構(gòu)固定在Z軸位移滑臺(tái)上,能夠調(diào)節(jié)推桿在動(dòng)簧片Z軸方向的作用點(diǎn);動(dòng)、靜觸點(diǎn)分別鉚接在動(dòng)簧片及靜觸點(diǎn)座上,動(dòng)簧片固定在二維滑臺(tái)上,靜觸點(diǎn)座通過X軸位移滑臺(tái)2固定在二維滑臺(tái)上,機(jī)械系統(tǒng)可通過調(diào)節(jié)Y軸位移滑臺(tái)實(shí)現(xiàn)推桿作用點(diǎn)在動(dòng)簧片Y軸方向上的調(diào)節(jié),通過調(diào)節(jié)軸位移滑臺(tái)1實(shí)現(xiàn)超程的調(diào)節(jié),通過調(diào)整X軸位移滑臺(tái)2實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)開距的調(diào)節(jié),其中開距調(diào)節(jié)范圍為0～1.2 mm,超程調(diào)節(jié)范圍為0～1 mm,力傳感器能夠監(jiān)測(cè)靜觸點(diǎn)的動(dòng)態(tài)力信號(hào);系統(tǒng)能夠采集電壽命實(shí)驗(yàn)中分/合過程中的觸點(diǎn)電壓和觸點(diǎn)電流波形,并可提取燃弧時(shí)間、燃弧能量、回跳能量、接觸電阻等參數(shù)。系統(tǒng)單次采集深度120 ms,時(shí)間分辨率4 μs。

實(shí)驗(yàn)所用的觸簧組件外形尺寸如圖3所示。其中,觸點(diǎn)材料為銀氧化錫復(fù)合型鉚釘;動(dòng)簧片為鈹青銅材料,厚度為0.3 mm,寬度為5 mm,有效長(zhǎng)度為24.9 mm;靜簧片材料為黃銅材料,厚度為0.5 mm。

圖3 實(shí)驗(yàn)所用的觸簧組件外形尺寸

電壽命實(shí)驗(yàn)前設(shè)定觸點(diǎn)開距0.5 mm,初始觸點(diǎn)壓力1.6 N,觸點(diǎn)分合動(dòng)作頻率為1 s通1 s斷。圖1中電源電壓為28 V,負(fù)載電阻1.56 Ω,負(fù)載電感3 mH,回路穩(wěn)定電流18 A。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 典型波形分析

觸點(diǎn)先分?jǐn)嗪箝]合過程的電壓和電流波形如圖4所示。

圖4 觸點(diǎn)先分?jǐn)嗪箝]合過程的電壓和電流波形

在感性負(fù)載條件下,觸點(diǎn)在3 ms處開始分?jǐn)嗖⑷蓟?13 ms時(shí)電弧被拉斷,燃弧時(shí)間為10 ms。隨后電感產(chǎn)生電涌電壓,峰值達(dá)到65 V,電涌持續(xù)時(shí)間為1 ms。在阻性負(fù)載條件下,觸點(diǎn)在3.75 ms處開始分?jǐn)嗖⑷蓟?9 ms時(shí)電弧被拉斷,燃弧時(shí)間為5.25 ms,約為感性負(fù)載條件下燃弧時(shí)間的50%,并且阻性負(fù)載的過電壓峰值只有40 V,為回路中的分布電感所導(dǎo)致,遠(yuǎn)小于感性負(fù)載條件下的電涌電壓。

在觸點(diǎn)分?jǐn)噙^程中,若加載在觸點(diǎn)兩端的電壓超過12～20 V,將會(huì)在觸點(diǎn)間產(chǎn)生電弧,設(shè)燃弧時(shí)間為t1-t0,燃弧時(shí)觸點(diǎn)電壓為Uarc,觸點(diǎn)電流為Iarc,則燃弧能量Qarc可表示為

(1)

觸點(diǎn)閉合回跳過程的局部放大圖如圖5所示。

圖5 觸點(diǎn)閉合回跳過程的局部放大圖

在感性負(fù)載條件下,觸點(diǎn)電流的上升速度較慢,在1 003.78 ms處觸點(diǎn)閉合并發(fā)生回跳燃弧,1 003.93 ms時(shí)回跳結(jié)束,在0.15 ms的回跳燃弧過程中電流只上升至1.5 A,回跳燃弧能量較小。而在阻性負(fù)載條件下,回跳過程中電流上升速度快,在1 003.48 ms時(shí)觸點(diǎn)閉合并發(fā)生回跳燃弧,1 003.7ms時(shí)回跳結(jié)束,在約0.22 ms時(shí)回跳燃弧過程中電流上升至10 A,其回跳燃弧能量較大。

2.2 電壽命實(shí)驗(yàn)

觸點(diǎn)經(jīng)過61 014次動(dòng)作后發(fā)生熔焊失效,將實(shí)驗(yàn)過程中觸點(diǎn)主要性能參數(shù)進(jìn)行分析。觸點(diǎn)分?jǐn)嗳蓟∧芰亢腿蓟r(shí)間退化趨勢(shì)如圖6所示。燃弧能量和燃弧時(shí)間在變化趨勢(shì)上有著相當(dāng)高的一致性?？傮w來看,燃弧能量在1 250 mJ附近波動(dòng),在27 500次以前,燃弧能量較為平穩(wěn),沒有出現(xiàn)劇烈的波動(dòng);在27 500次附近,燃弧能量突增,趨勢(shì)線中出現(xiàn)了尖峰,此后燃弧能量的分布開始出現(xiàn)較為劇烈的波動(dòng),燃弧能量大于2 000 mJ情況頻繁出現(xiàn)。在最后的1 000次動(dòng)作中,燃弧能量迅速升高,個(gè)別值已超出4 000 mJ。

圖6 觸點(diǎn)分?jǐn)嗳蓟∧芰亢腿蓟r(shí)間退化趨勢(shì)

觸點(diǎn)靜壓力退化趨勢(shì)如圖7所示。靜壓力初始值設(shè)置為1.6 N,在27 500次附近,靜壓力下降至1.97 N后呈上升趨勢(shì),45 000次處穩(wěn)定在約2.9 N。此后靜壓力開始出現(xiàn)較大的波動(dòng),在壽命實(shí)驗(yàn)?zāi)┢陟o壓力出現(xiàn)了連續(xù)激增,最大值接近3.5 N。

觸點(diǎn)接觸電阻退化趨勢(shì)如圖8所示。接觸電阻初始值為7.5 mΩ,整個(gè)壽命試驗(yàn)過程中接觸電阻是不穩(wěn)定的,并未有顯著增大,40 000次以后接觸電阻呈下降趨勢(shì),熔焊失效前表現(xiàn)為顯著上升狀態(tài)。

圖7 觸點(diǎn)靜壓力退化趨勢(shì)

圖8 觸點(diǎn)接觸電阻退化趨勢(shì)

2.3 觸點(diǎn)熔焊失效過程分析

61 011次分?jǐn)噙^程中觸點(diǎn)電壓和電流波形如圖9所示。由圖9可見,從13～60 ms間,燃弧時(shí)間為47 ms,明顯高于初始值10 ms。且在20～60 ms間,觸點(diǎn)電壓出現(xiàn)了周期性的抖動(dòng)增加趨勢(shì),觸點(diǎn)電流出現(xiàn)了周期性的減小趨勢(shì)。

圖9 61 011次分?jǐn)噙^程中觸點(diǎn)電壓和電流波形

將實(shí)驗(yàn)裝置中動(dòng)簧片視為懸臂梁結(jié)構(gòu),由歐拉-伯努利梁方程可以得到其一階固有頻率計(jì)算式[13]為

(2)

式中:E——彈性模量;

I0——截面慣性矩;

ρ——密度;

S——橫截面積;

l——長(zhǎng)度。

對(duì)于鈹青銅材料,E取128 GPa,ρ取8.6×103kg/m3。

將動(dòng)簧片尺寸參數(shù)代入式(2)中可得,動(dòng)簧片一階固有頻率為301.5 Hz,與圖9中觸點(diǎn)電壓抖動(dòng)階段的頻率250 Hz較接近。動(dòng)觸點(diǎn)材料發(fā)生質(zhì)量轉(zhuǎn)移,造成觸點(diǎn)有效開距縮減,動(dòng)觸點(diǎn)返回到初始位置后,電弧持續(xù)燃燒,可以認(rèn)為電壓、電流的抖動(dòng)原因是釋放過程中動(dòng)簧片自由振動(dòng)的表現(xiàn)。分?jǐn)噙^程中動(dòng)簧片的自由振動(dòng)示意如圖10所示。

圖10 分?jǐn)噙^程中動(dòng)簧片的自由振動(dòng)示意

觸點(diǎn)熔焊失效前最后4次分合過程中,觸點(diǎn)電壓和電流波形如圖11所示。

圖11 觸點(diǎn)電壓和電流波形

在61 011次分?jǐn)嘀?出現(xiàn)了長(zhǎng)燃弧,燃弧時(shí)間T0約為45 ms,在熄弧后伴隨著62 V的電涌電壓,其燃弧時(shí)間為平均燃弧時(shí)間的4倍;61 012次分?jǐn)噙^程中,燃弧時(shí)間T1超過了采集深度120 ms,由接下來的閉合波形可以判斷電弧在此次閉合前已經(jīng)熄滅;61 013次分?jǐn)噙^程中,燃弧時(shí)間T2也超出了設(shè)備采集深度,在隨后的的閉合過程中,觸點(diǎn)電壓為18 V,電流為6 A,觸點(diǎn)間持續(xù)燃弧,可以確定61 013次過程中觸點(diǎn)帶電閉合;由61 014次分?jǐn)噙^程的觸點(diǎn)電壓和電流波形可知,發(fā)生了熔焊觸點(diǎn)分?jǐn)嗍　?/p>

觸點(diǎn)熔焊失效前靜壓力和燃弧時(shí)間如圖12所示。燃弧時(shí)間和靜壓力均存在上升趨勢(shì)?？梢酝茰y(cè),在壽命試驗(yàn)?zāi)┢?長(zhǎng)燃弧使得觸點(diǎn)表面出現(xiàn)嚴(yán)重的材料堆積,靜壓力迅速上升,觸點(diǎn)開距進(jìn)一步減小,使得電弧無法熄滅。

圖12 觸點(diǎn)熔焊失效前靜壓力和燃弧時(shí)間

綜上,感性負(fù)載條件帶來的燃弧時(shí)間的增加使得觸點(diǎn)表面材料轉(zhuǎn)移堆積較阻性負(fù)載條件更嚴(yán)重,從而觸點(diǎn)有效間隙縮減明顯,無法實(shí)現(xiàn)電弧拉長(zhǎng)分?jǐn)?。電弧的持續(xù)燃燒進(jìn)一步導(dǎo)致觸點(diǎn)帶電閉合,最終使得觸點(diǎn)熔焊失效。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文記錄了銀氧化錫材料觸點(diǎn)在感性負(fù)載條件下電壽命實(shí)驗(yàn)中的燃弧時(shí)間、燃弧能量、靜壓力、接觸電阻和回跳能量的變化趨勢(shì),所得的結(jié)論如下:

(1) 切換感性負(fù)載會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)分?jǐn)噙^程中燃弧能量的增加,使觸點(diǎn)比阻性負(fù)載條件下出現(xiàn)更嚴(yán)重的材料轉(zhuǎn)移。

(2) 感性負(fù)載條件下觸點(diǎn)的接觸電阻、靜壓力與分?jǐn)嗳蓟r(shí)間在壽命末期出現(xiàn)了急劇增加。

(3) 電弧侵蝕使得觸點(diǎn)表面出現(xiàn)凸包,進(jìn)而導(dǎo)致觸點(diǎn)有效間隙減小,造成電弧無法分?jǐn)?這就是引起觸點(diǎn)熔焊失效的物理機(jī)制。