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      電磁繼電器觸點(diǎn)接觸電阻分析

      2021-12-17 09:09:00楊光倫
      電子制作 2021年22期
      關(guān)鍵詞:觸點(diǎn)研磨繼電器

      楊光倫

      (貴州振華群英電器有限公司,貴州貴陽,550018)

      電磁繼電器是工業(yè)控制電氣系統(tǒng)中的重要裝置,但是由于其工作環(huán)境的影響,在運(yùn)行一段時(shí)間后容易因?yàn)槲廴?、磨損、電磁干擾等因素,出現(xiàn)許多故障。觸點(diǎn)接觸電阻異常增加就是常見的故障形式之一。通過分析導(dǎo)致接觸電阻增加的原因,進(jìn)而采取行之有效的解決措施,使電磁繼電器得以穩(wěn)定運(yùn)行,成為現(xiàn)階段電力維護(hù)人員必須要掌握的技能。

      1 電磁繼電器觸點(diǎn)接觸電阻的產(chǎn)生機(jī)理

      參照電接觸理論,電磁繼電器的接觸電阻主要取決于兩個(gè)指標(biāo),即收縮電阻和表面膜電阻,兩者之和即為觸點(diǎn)的接觸電阻。

      ■1.1 收縮電阻

      在電磁繼電器通電運(yùn)行時(shí),由于電流路徑收縮,產(chǎn)生了收縮電阻(RE),其計(jì)算公式如下:

      式(1)中,ρ為觸點(diǎn)的電阻率,a為觸點(diǎn)的微觀尖峰半徑,Sij為微觀面的間距。根據(jù)式(1)可知,收縮電阻主要與電阻率、微觀層面上接觸面的數(shù)量、尺寸等有關(guān)系。單位面積內(nèi),接觸面數(shù)目越多,相當(dāng)于觸點(diǎn)接觸面積越大,因此其電阻也會(huì)減小。

      ■1.2 表面膜電阻

      影響表面膜電阻(RF)的因素較多,可歸納為:(1)表面光潔程度。當(dāng)觸點(diǎn)表面膜受到灰塵、油垢的污染,或者是表面磨損導(dǎo)致凹凸不平的情況下,其電阻會(huì)有明顯的上升。前者是因?yàn)槲廴緦?dǎo)致觸點(diǎn)與工作面接觸不良,相當(dāng)于斷路,電阻趨近于無限大;而后者則是減小了觸點(diǎn)與工作面的接觸面積。而電阻值與接觸面積為反比,接觸面減小的情況下,引起了電阻值的增加。(2)無機(jī)化學(xué)膜。電磁繼電器使用一定年限后,觸點(diǎn)表面因?yàn)檠趸?、硫化等原因,形成了一層氧化膜、硫化膜,?dǎo)致觸點(diǎn)的導(dǎo)電率下降,電阻增加。(3)有機(jī)化學(xué)膜。在油液泄露或蒸發(fā)的情況下,部分油蒸汽附著在觸點(diǎn)表面,形成一層有機(jī)膜,也會(huì)影響正常的導(dǎo)電,使得電阻值上升。因此,要想保持觸點(diǎn)接觸電阻的穩(wěn)定,加強(qiáng)表面管理,保持觸點(diǎn)表面工況良好是一種可行的辦法。

      2 影響觸點(diǎn)接觸電阻的因素分析

      ■2.1 觸點(diǎn)形狀及材料

      不同類型的電磁繼電器,其觸點(diǎn)用材也有很大的不同,目前比較常見觸點(diǎn)材料有2種,一種是純銀,其特點(diǎn)是導(dǎo)電率高、接觸電阻比較穩(wěn)定,但是不耐磨損,并且大量使用也會(huì)導(dǎo)致成本攀升。另一種是銀合金,包括銀鎳合金,銀與氧化鎘的合金等,這類材料無論是在使用性能,還是成本價(jià)格等方面,均有一定的優(yōu)勢(shì)。通常來說,銀合金能夠滿足多數(shù)情況下電磁繼電器的使用要求,并且在耐磨性、抗電弧侵蝕性等方面性能比較出眾,可作為優(yōu)先考慮的觸點(diǎn)用材。另外,觸點(diǎn)形狀也會(huì)影響接觸面積,以及繼電器觸點(diǎn)斷弧能力,也是必須要考慮的因素之一。例如,圓形球面觸點(diǎn)的光滑性強(qiáng),不容易出現(xiàn)尖端拉弧的現(xiàn)象,因此繼電器運(yùn)行可靠性更高。對(duì)于負(fù)載能力要求較高的繼電器,也可選擇方形的觸點(diǎn),通過增大接觸面積來降低接觸電阻。

      ■2.2 觸點(diǎn)表面條件

      觸電表面的清潔度、光滑度等因素,是影響觸點(diǎn)接觸電阻的關(guān)鍵因素。隨著電磁繼電器使用年限的增加,空氣中漂浮的灰塵,會(huì)被零件表面的油液粘附,形成一層油垢。受到污染的觸點(diǎn),將會(huì)出現(xiàn)不導(dǎo)通、接觸不良的情況,阻值明顯增加。因此,電磁繼電器通常會(huì)安裝過濾裝置,防止靜電、油液吸塵,保證觸點(diǎn)表面維持較為清潔的狀態(tài)。另外,觸點(diǎn)表面的光滑度,也會(huì)因?yàn)橛绊懹|點(diǎn)接觸面積,進(jìn)而直接影響接觸電阻。正常情況下,電阻與接觸面積成反比關(guān)系,即接觸面積越大,則電阻越小。在觸點(diǎn)表面不光滑的情況下,只有凸起的極少部分接觸工作面,由此導(dǎo)致接觸電阻增加。除了上述兩項(xiàng)主要因素外,觸點(diǎn)硬度也會(huì)對(duì)接觸電阻有一定影響。

      ■2.3 觸點(diǎn)壓力

      觸點(diǎn)靜合壓力對(duì)接觸電阻也有一定的影響??傮w上來說,隨著觸點(diǎn)壓力的增加,接觸電阻會(huì)有較為明顯的下降,兩者關(guān)系曲線如圖1所示。

      圖1 觸點(diǎn)壓力與接觸電阻的關(guān)系曲線

      結(jié)合圖1可以發(fā)現(xiàn),觸點(diǎn)壓力為20mN時(shí),接觸電阻達(dá)到了50mΩ,而觸點(diǎn)壓力增加到30mN時(shí),接觸電阻迅速降低至15mΩ。其中,觸點(diǎn)壓力30mN為臨界點(diǎn),超過該值后,隨著觸點(diǎn)壓力的持續(xù)增加,接觸電阻的變化趨于緩和。除此之外,觸點(diǎn)直徑也是影響壓力接觸電阻變化曲線的一個(gè)重要因素。以圖1為例,φ2.2mm的觸點(diǎn),在觸點(diǎn)壓力超過30mN后,接觸電阻基本不再變化;而φ3.0mm的觸點(diǎn),在觸點(diǎn)壓力超過30mN后,仍然保持下降趨勢(shì),但是比之前有所緩和。

      3 電磁繼電器觸點(diǎn)接觸電阻的優(yōu)化策略

      ■3.1 觸點(diǎn)表面處理技術(shù)

      3.1.1 表面研磨

      要想達(dá)到理想的研磨效果,首先要根據(jù)觸點(diǎn)表面材質(zhì)選擇與之對(duì)應(yīng)的研磨材料。本文使用KC-1多刃多形態(tài)切削研磨材料,根據(jù)研磨狀態(tài)的不同,可分為垂直研磨和水平研磨2個(gè)步驟。有些電磁繼電器的觸點(diǎn)部分,由于生產(chǎn)工藝比較粗糙,表面存在毛刺。通過垂直研磨能夠有效去除毛刺,使表面更加光滑,改善導(dǎo)通效果。需要注意的是,研磨材料的用量要根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量來確定,產(chǎn)品質(zhì)量為2kg時(shí),KC-1研磨材料用量為250g;產(chǎn)品質(zhì)量為5kg時(shí),研磨材料用量380g。完成垂直研磨后,技術(shù)人員檢查觸點(diǎn)外觀,經(jīng)檢查確定表面光滑無問題后,再進(jìn)行水平研磨。經(jīng)過兩次研磨處理后,要求觸點(diǎn)表面要形成致密的微觀尖峰,峰頂和峰谷的高度差控制在5~10μm之間。在觸點(diǎn)獲得理想工作面的情況下,其收縮電阻和表面膜電阻都會(huì)有不同程度的降低,進(jìn)而使得觸點(diǎn)電阻降低,滿足正常使用的要求。

      3.1.2 表面防護(hù)

      研磨工序完畢后,還要進(jìn)行表面沖洗,將觸點(diǎn)表面殘留的粉末、灰塵等清理干凈,然后進(jìn)入表面防護(hù)工序。選擇理想的保護(hù)劑對(duì)提高觸點(diǎn)表面保護(hù)效果有直接影響,試驗(yàn)表明銀是一種導(dǎo)電性極好的理想材料。但是使用純銀材料制作觸點(diǎn),一方面是容易氧化、硫化,另一方面是耐磨損性差,一段時(shí)間后就會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)電效果明顯下降、接觸電阻異常升高的問題。因此,通常選擇在銀觸點(diǎn)表面鍍金的方式,達(dá)到保護(hù)觸點(diǎn)的效果。由于金的電阻率僅次于銀和銅,加上金的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不容易出現(xiàn)氧化、硫化問題,提高了觸點(diǎn)表面防護(hù)效果,延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。為了驗(yàn)證保護(hù)效果,選擇硫化氫溶液,使用毛刷蘸取后,分別涂刷到鍍金保護(hù)層和未進(jìn)行任何處理的觸點(diǎn)上,靜置6h后觀察效果,發(fā)現(xiàn)未處理的觸點(diǎn)有明顯的硫化變色現(xiàn)象,而覆蓋了保護(hù)層的觸點(diǎn)沒有任何變化。

      ■3.2 內(nèi)部零件清洗技術(shù)

      3.2.1 超聲波清洗的優(yōu)勢(shì)

      電磁繼電器由于長(zhǎng)時(shí)間出于比較惡劣的環(huán)境下運(yùn)行,容易受到油液、灰塵的污染,在表面形成粘性積垢,導(dǎo)致觸點(diǎn)接觸電阻增加。因此,需要定期進(jìn)行內(nèi)部零件的清洗,而常規(guī)清洗不僅難以將油泥、積垢徹底清除,而且殘留的清洗劑還有可能引發(fā)二次腐蝕。超聲波清洗是以高頻超聲波作為介質(zhì),對(duì)粘附在零件表面的污染物,進(jìn)行分散、乳化、剝離,清洗效率更高,而且無副作用。另外,超聲波還能夠穿透零件,深入到內(nèi)部,尤其是對(duì)于零件凹陷、拐角等隱蔽位置,也能夠達(dá)到理想的清洗效果。目前,基于超聲波原理的自動(dòng)清洗設(shè)備已經(jīng)廣泛使用,為電磁繼電器內(nèi)部零件的除油、除垢提供了便利。

      3.2.2 關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化

      超聲波清洗觸點(diǎn)雖然優(yōu)勢(shì)顯著,但是要想達(dá)到理想的效果,還要特別關(guān)注一些重要參數(shù)。其一是超聲波的頻率,頻率與超聲空化效果直接相關(guān),頻率越高,強(qiáng)度越大,清洗效果越好。需要注意的是,低頻超聲波通常用于處理大顆粒污物,而對(duì)于微小的雜質(zhì)則選擇高頻超聲波處理。試驗(yàn)表明,污染程度類似的電磁繼電器觸點(diǎn),在超聲頻率為40kHz時(shí),清洗時(shí)間設(shè)定為8min,直徑超過10μm的顆粒能夠控制在20個(gè)以內(nèi);而頻率達(dá)到80kHz時(shí),顆粒數(shù)可以降低到10個(gè)以內(nèi)。除此之外,超聲波清洗時(shí)間也是影響污物去除效果的關(guān)鍵因素。一般來說,清洗時(shí)間越長(zhǎng),則污物去除越徹底,但是實(shí)際中還要考慮成本,清洗時(shí)間與清洗效果如表1所示。

      表1 超聲波清洗時(shí)間對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

      4 結(jié)語

      電磁繼電器在使用一段時(shí)間后,觸點(diǎn)部位因?yàn)槭艿轿蹞p等原因,容易出現(xiàn)電阻增加的情況,影響電磁繼電器的正常使用。結(jié)合觸點(diǎn)動(dòng)作原理,可知影響其接觸電阻的因素主要有觸點(diǎn)本身的材質(zhì)、接觸面條件以及接觸壓力等。就接觸面而言,通過表面處理和超聲清洗,提供良好的接觸面環(huán)境,是保證觸點(diǎn)接觸電阻穩(wěn)定的一種有效措施。

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