基于觸頭動(dòng)態(tài)接觸壓力的觸頭彈跳分析

李俊峰 蘇秀蘋 鄭新芳 趙靖英

(1.電磁場與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河北工業(yè)大學(xué) 天津 300130 2.邯鄲學(xué)院機(jī)電學(xué)院 邯鄲 056005)

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基于觸頭動(dòng)態(tài)接觸壓力的觸頭彈跳分析

李俊峰1，2蘇秀蘋1鄭新芳2趙靖英1

(1.電磁場與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河北工業(yè)大學(xué) 天津 300130 2.邯鄲學(xué)院機(jī)電學(xué)院 邯鄲 056005)

根據(jù)彈性波原理，以CJ20-25型交流接觸器為試驗(yàn)品，采用以壓電薄膜為敏感元件制成的觸頭接觸壓力傳感器，分別測得一相主觸頭觸橋上兩個(gè)觸頭的動(dòng)態(tài)接觸壓力信號，用以研究該相主觸頭的觸頭彈跳情況；利用高速攝像機(jī)技術(shù)分析了觸頭運(yùn)動(dòng)過程中的擺動(dòng)和振動(dòng)情況；應(yīng)用小波工具箱對該觸頭接觸壓力信號進(jìn)行了降噪處理；研究了觸頭彈跳與觸頭斷通信號的關(guān)系以及觸頭彈跳與合閘相角的關(guān)系。由分析結(jié)果可見，觸頭動(dòng)態(tài)接觸壓力信號可揭示觸頭彈跳和斷通信號的變化原因，合閘相角為60°時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)綜合最差。

觸頭接觸壓力 觸橋 觸頭彈跳 壓電薄膜 危險(xiǎn)振動(dòng)

0 引言

觸頭在閉合過程中會(huì)產(chǎn)生類似彈跳的現(xiàn)象，稱為觸頭的機(jī)械振動(dòng)。觸頭振動(dòng)時(shí)接觸電阻周期性地變化，甚至分離產(chǎn)生電弧，使觸頭熔焊和燒損，嚴(yán)重影響觸頭工作。因此，必須了解觸頭彈跳的物理過程，分析影響彈跳的因素，以便采取適當(dāng)措施，減小或消除這種有害的機(jī)械振動(dòng)[1-5]。

目前，測量觸頭彈跳的方法有兩種，一種是周亮等[6，7]將動(dòng)、靜觸頭接入一個(gè)直流回路，通過測量回路中電阻兩端的電壓變化來反映接觸器在合閘過程中的彈跳情況。另一種是陳德為等[8-10]應(yīng)用高速攝像機(jī)技術(shù)，在動(dòng)觸頭觸橋側(cè)面設(shè)置首開相和非首開相標(biāo)記點(diǎn)，通過拍攝測量這些標(biāo)記點(diǎn)的位移得到觸頭的彈跳信息。但這些測量觸頭彈跳的方法都有一個(gè)誤區(qū)，就是將觸橋的彈跳作為觸頭的彈跳來研究，這是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

目前市場上主流的交流接觸器為雙E型直動(dòng)式接觸器，每個(gè)觸頭觸橋上有兩個(gè)動(dòng)觸頭。由于工作時(shí)交流接觸器一般是水平安裝的，因此觸橋是垂直于地面的，在此將某一相主觸頭觸橋上的兩個(gè)觸頭分別稱為“上觸頭”和“下觸頭”，橋式觸頭系統(tǒng)性能的優(yōu)劣要用“上、下兩個(gè)觸頭”的彈跳情況綜合評判。由于受測試方法和準(zhǔn)確度的限制，無論高速攝像機(jī)技術(shù)還是直流回路斷通法，都是以某一相主觸頭觸橋?yàn)檠芯繂挝唬瑹o法分開研究該相主觸頭觸橋上、下兩個(gè)觸頭的彈跳。本文提出彈性波測試方法，利用PVDF壓電薄膜分別測得上、下兩個(gè)觸頭的動(dòng)態(tài)接觸壓力信號，利用該信號同時(shí)研究上、下兩個(gè)觸頭的彈跳情況，進(jìn)一步揭示合閘相角、動(dòng)觸頭或支架運(yùn)動(dòng)速度、線圈電流電壓、負(fù)載和機(jī)械結(jié)構(gòu)等與觸頭彈跳之間的關(guān)系。

1 彈性波測試法

應(yīng)力波是擾動(dòng)或外力作用引起的應(yīng)力和應(yīng)變在彈性介質(zhì)中傳遞的形式。彈性介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)間存在相互作用的彈性力。當(dāng)某處物質(zhì)粒子離開平衡位置，即發(fā)生應(yīng)變時(shí)，該粒子在彈性力的作用下發(fā)生振動(dòng)，同時(shí)又引起周圍粒子的應(yīng)變和振動(dòng)，這樣形成的振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過程稱為“彈性波”[11]。

由動(dòng)、靜觸頭的振動(dòng)結(jié)構(gòu)可看出，動(dòng)、靜觸頭都是由軋制銅板制成，有一定的厚度和硬度。動(dòng)觸頭撞擊靜觸頭時(shí)，觸頭及支撐觸點(diǎn)的銅板都會(huì)受力變形和產(chǎn)生振動(dòng)。由彈性波的原理可知，振動(dòng)所到之處應(yīng)力和應(yīng)變會(huì)發(fā)生變化。將PVDF壓電薄膜粘貼在這個(gè)振動(dòng)結(jié)構(gòu)的適當(dāng)部位，有振動(dòng)時(shí)，PVDF壓電薄膜就能通過彈性波感受到振動(dòng)，間接地反映這個(gè)振動(dòng)的能量大小[12，13]；當(dāng)動(dòng)、靜觸頭碰撞、彈跳時(shí)，系統(tǒng)產(chǎn)生的振動(dòng)隨之變化，由此可反映出觸頭接觸壓力的動(dòng)態(tài)變化。

圖1 敏感元件安裝位置示意圖Fig.1 Sketch map of sensitive element installation location

選擇將PVDF壓電薄膜粘貼在靜觸頭上如圖1所示的兩個(gè)位置。放在1處可最大限度地得到銅板的塑性變形，放在2處則可得到撞擊時(shí)靜觸頭表面的彈性變形引起的縱向應(yīng)力波。由于1位置是彎曲的，考慮到折彎工藝很難保證每個(gè)靜觸頭的結(jié)構(gòu)都完全一致，使得該方法互換性較差，且該結(jié)構(gòu)的變形不是線性的，因此選擇2位置。

圖2是自行搭建的交流接觸器觸頭動(dòng)態(tài)接觸壓力測試系統(tǒng)示意圖。工作時(shí)交流接觸器是水平安裝的，測試時(shí)使用絕緣膠將一對由PVDF壓電薄膜做成的觸頭接觸壓力傳感器分別粘貼在被測交流接觸器一相主觸頭上、下兩個(gè)靜觸頭的下表面(如圖1所示的2位置)，根據(jù)其空間位置，這里分別稱為上觸頭接觸壓力傳感器和下觸頭接觸壓力傳感器。使用壓電傳感器專用屏蔽線從靜觸頭支架上的空隙中引出，再引入到多通道電荷放大器。選相合閘相角控制器執(zhí)行合閘程序后，觸頭閉合，觸頭接觸壓力傳感器上就會(huì)有電荷輸出，經(jīng)電荷放大器放大后輸入信號調(diào)理電路，再由高速數(shù)據(jù)采集卡輸入工控機(jī)，最后工控機(jī)按照編好的程序?qū)π盘栠M(jìn)行處理并顯示、存儲(chǔ)測試結(jié)果。壓電式傳感器的壓電常數(shù)d33和反饋電容C的值決定了電荷放大器的輸出值；時(shí)間常數(shù)RC決定了傳感器的低頻截止頻率。當(dāng)電荷量變化頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于(1/2π)RC時(shí)，電荷放大器的輸出電壓Vp為

Vp=q/C=d33Fp/C

式中，F(xiàn)p為垂直施加于傳感器表面的作用力，N；q為由PVDF壓電薄膜產(chǎn)生的電荷量，C。如果在三相主觸頭上都安裝該觸頭接觸壓力傳感器對，就可同時(shí)測量三相主觸頭的觸頭接觸壓力[14]。

圖2 交流接觸器觸頭動(dòng)態(tài)接觸壓力測試系統(tǒng)示意圖Fig.2 Sketch of AC contactor dynamic contact pressure testing system

由于直流回路斷通法需要該觸橋的上、下兩個(gè)觸頭同時(shí)接通才能出現(xiàn)高電平，因此無法說明斷和通是由于上觸頭的彈跳還是下觸頭的彈跳引起的。同文獻(xiàn)[14]中的觸頭動(dòng)態(tài)接觸壓力測試方法類似，應(yīng)用彈性波測試法也可得到觸頭動(dòng)態(tài)接觸壓力信號，但是該方法可同時(shí)觀察觸頭接觸壓力的變化和觸頭回路斷通的情況，還能帶載測試，這對于測量實(shí)際工作狀態(tài)時(shí)接觸器的觸頭接觸壓力變化是非常重要的。

2 用高速攝像機(jī)拍攝接觸器吸合時(shí)的觸頭彈跳過程及其結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)室使用高速攝像機(jī)系統(tǒng)對CJ20-25型交流接觸器的一相主觸頭進(jìn)行拍攝，具體方法是在接觸器一側(cè)正對一相主觸頭的位置開長方孔，使高速攝像機(jī)鏡頭對準(zhǔn)該相主觸頭拍攝，截圖畫面如圖3所示。

圖3 觸頭彈跳過程視頻截圖Fig.3 Video capture of the contact bounce

分析拍攝結(jié)果發(fā)現(xiàn)，接觸器吸合時(shí)，觸頭觸橋在支架的推動(dòng)下，逐漸加速，由于受到重力和推動(dòng)力的共同作用，如果動(dòng)觸頭觸橋的質(zhì)心不在觸橋彈簧的支點(diǎn)范圍內(nèi)，觸橋就會(huì)沿不同的方向擺動(dòng)。動(dòng)靜觸頭閉合的一瞬間，觸橋還會(huì)沿著其他不同的方向擺動(dòng)，或者說振動(dòng)。原因是觸橋是依靠螺旋彈簧提供的預(yù)緊力固定在支架上的，由于螺旋彈簧受力時(shí)，其支撐點(diǎn)是不穩(wěn)定的，使得觸橋在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)沿著不同的方向擺動(dòng)。為了說明這些擺動(dòng)的情況，可用圖4所示的六自由度觸橋系統(tǒng)來表示。設(shè)觸頭支架運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閤，垂直于地面的方向?yàn)閥，平行于地面且垂直于x、y軸的方向?yàn)閦。

圖4 觸頭觸橋系統(tǒng)六自由度振動(dòng)示意圖Fig.4 Sketch map of 6 degree of freedom vibration contacts contact bridge system

觸橋在向鐵心運(yùn)動(dòng)過程中，如果觸橋的質(zhì)心不在觸橋彈簧的支點(diǎn)范圍內(nèi)，如圖5所示，觸橋就會(huì)以z

軸為軸，在x-z平面轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5 觸頭觸橋系統(tǒng)以z軸為軸，在x-y平面轉(zhuǎn)動(dòng)示意圖Fig.5 Sketch map of contacts contact bridge system rotation in x-y plane with z axis as the axis

當(dāng)動(dòng)、靜觸頭接觸在一起時(shí)，伴隨著彈跳，觸橋會(huì)沿著y軸作上、下滑動(dòng)；觸橋更多的是以y軸為軸，在x-z平面擺動(dòng)，逐幀測量觸橋側(cè)面的明暗變化，就可以觀察到這個(gè)擺動(dòng)(扭動(dòng))過程，它是引起觸頭振動(dòng)的重要原因。由此可見，觸頭運(yùn)動(dòng)過程中的擺動(dòng)(扭動(dòng))及振動(dòng)是多自由度、非常復(fù)雜的，這種觸頭觸橋由螺旋彈簧支撐的結(jié)構(gòu)決定了這種振動(dòng)過程。

3 觸頭接觸壓力信號的處理與分析

將觸頭接觸壓力傳感器輸出的電壓信號通入示波器，選用濾波器濾波，可看出彈跳次數(shù)，但信號幅值大大降低。小波變換作為一種時(shí)頻局部化方法，其窗口是可變的，即在低頻部分具有較低的時(shí)間分辨率和較高的頻率分辨率，具有對信號的自適應(yīng)性。與傳統(tǒng)的信號分析技術(shù)相比，小波分析還能在沒有明顯損失的情況下，對信號進(jìn)行去噪和壓縮[15-17]，因此選用小波進(jìn)行降噪處理。

3.1 觸頭彈跳過程分析

觸頭動(dòng)態(tài)接觸壓力信號屬于隨機(jī)的連續(xù)信號，使用Matlab小波工具箱能很方便地進(jìn)行導(dǎo)入、去噪和導(dǎo)出。將觸頭動(dòng)態(tài)接觸壓力測試系統(tǒng)得到的波形導(dǎo)入小波工具箱，選用合適的小波進(jìn)行去噪處理，再放大信號細(xì)節(jié)，就可很方便地分析該觸頭接觸壓力信號。圖6是上觸頭接觸壓力信號一維連續(xù)小波降噪處理界面。圖6中最上面一條曲線是沒有經(jīng)過降噪處理的觸頭接觸壓力波形，其特點(diǎn)是有一個(gè)幅值很大的基波(工頻50 Hz的電磁干擾)。用小波降噪后可見，這個(gè)電磁干擾產(chǎn)生的基波被完全去除了。將降噪前后的曲線進(jìn)行對比可看出，如果不去除這個(gè)電磁干擾的基波，其最大幅值比接觸壓力曲線的最大值還大，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理帶來困難。

圖6 上觸頭接觸壓力信號一維連續(xù)小波降噪處理Fig.6 One dimensional continuous wavelet noise reduction processing of upper contacts contact pressure

圖7是進(jìn)一步放大的接觸壓力信號，將降噪前后的細(xì)節(jié)曲線進(jìn)行對比后可看出，降噪后曲線的毛刺大大減少，可清楚地看出觸頭彈跳的次數(shù)。

圖7 上觸頭接觸壓力信號細(xì)節(jié)Fig.7 Detail of upper contacts contact pressure

對比圖6和圖7可看出，經(jīng)過一維連續(xù)小波降噪處理后，觸頭接觸壓力信號很清晰地展示了觸頭彈跳的全過程。下面將一個(gè)放大的上觸頭接觸壓力信號在圖8中展示說明。

圖8 放大的上觸頭接觸壓力信號細(xì)節(jié)Fig.8 Amplified detail of upper contacts contact pressure

實(shí)驗(yàn)室采樣頻率為200 kHz，采樣點(diǎn)數(shù)為10 k，因此4 000點(diǎn)到6 000點(diǎn)對應(yīng)的觸頭閉合時(shí)間分別是20 ms、21 ms、22 ms、…、30 ms，如圖8所示，這里分為5個(gè)區(qū)間進(jìn)行描述。區(qū)間1：觸頭剛開始閉合時(shí)，4 560～4 800點(diǎn)(23～24 ms區(qū)間)，觸頭彈跳了三次(由于觸頭接觸壓力最大時(shí)，觸頭被壓縮量最大；觸頭接觸壓力開始變小時(shí)，觸頭開始被彈開；波谷出現(xiàn)時(shí)，是觸頭被彈開距離最大的時(shí)刻，因此可通過計(jì)算波谷的個(gè)數(shù)來統(tǒng)計(jì)彈跳的次數(shù))，且幅值較大，這是“一次彈跳”；區(qū)間2：4 800～5 000點(diǎn)(24～25 ms區(qū)間)，觸頭振動(dòng)了兩次，幅值開始減小，而且振動(dòng)周期開始加長；區(qū)間3：5 000～5 200點(diǎn)(25～26 ms區(qū)間)，明顯的振動(dòng)有2次，而且幅值又有所降低。區(qū)間4：26～27.8 ms區(qū)間內(nèi)，觸頭振動(dòng)趨向于停止，但還是略有起伏，這主要是由觸頭不斷地扭動(dòng)造成。區(qū)間5：在靠近5 600點(diǎn)(27.8 ms)附近，觸頭又開始有一個(gè)明顯的振動(dòng)，這是觸頭的“二次彈跳”(對于雙E型直動(dòng)式接觸器，動(dòng)鐵心彈跳時(shí)會(huì)引起動(dòng)觸頭的再次彈跳，稱為觸頭的二次彈跳)。這與以往的資料記載的觸頭彈跳過程相似，但該方法提供了更為全面、詳盡的觸頭彈跳信息。將電壓、電流、上觸頭接觸壓力信號、觸頭斷通信號和下觸頭接觸壓力信號放在一張圖中作橫向比較，如圖9所示是合閘相角為90°時(shí)觸頭彈跳和電路接通過程的全貌，可用來研究觸頭彈跳和其他參數(shù)的關(guān)系，為今后結(jié)合鐵心運(yùn)動(dòng)綜合分析交流接觸器的動(dòng)態(tài)特性提供了新的手段。

圖9 合閘相角為90°時(shí)觸頭彈跳過程Fig.9 Process of contact bounce when the closing phase angle is 90°

3.2 觸頭彈跳過程與觸頭斷通信號的關(guān)系研究

有了同一觸橋上、下兩個(gè)觸頭的接觸壓力信號，就可揭示應(yīng)用直流回路法獲得的觸頭斷通信號的變化原因，且從中可得到更多的觸頭彈跳的細(xì)節(jié)。圖10是同一觸橋上兩個(gè)觸頭的接觸壓力信號與觸頭斷通信號的對比。分析觸頭斷通信號時(shí)需明確，只有當(dāng)上、下觸頭同時(shí)穩(wěn)定接觸時(shí)，直流回路才會(huì)導(dǎo)通。

圖10 同一觸橋上兩個(gè)觸頭的接觸壓力信號與觸頭斷通信號對比Fig.10 Comparision of the two contacts contact pressure and the contacts break-connection signal

為了清楚地比較這3個(gè)波形，在圖10中畫出了5條標(biāo)記線，從左到右依次觀察這5個(gè)標(biāo)記線位置的波形。

標(biāo)記線1：在約4 560點(diǎn)(22.8 ms)處上、下觸頭同時(shí)開始接觸，此時(shí)直流回路瞬間接通，因此觸頭斷通信號有了第一次接通波形，但又馬上斷開，這主要是因?yàn)橛|頭表面有小的凸起，且觸頭接觸壓力還不夠大，因此電路導(dǎo)通并不穩(wěn)定。

標(biāo)記線2：隨著第一次動(dòng)、靜觸頭的碰撞，上、下兩個(gè)觸頭的接觸壓力同時(shí)到達(dá)峰值，此時(shí)上、下兩個(gè)觸頭同時(shí)穩(wěn)定接觸，因此直流回路再次導(dǎo)通。但是很快由于動(dòng)、靜觸頭碰撞后觸頭材料的形變，其彈性勢能快速轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，使得動(dòng)、靜觸頭又被快速彈開，因此上、下觸頭也同時(shí)彈開，此時(shí)觸頭斷通信號剛好斷開。在標(biāo)記線2和3之間的一段時(shí)間，直流回路一直沒有接通，是因?yàn)樯稀⑾掠|頭的彈跳步伐不一致，只有上、下觸頭同時(shí)接觸時(shí)，直流回路才有可能接通。

標(biāo)記線3：當(dāng)上、下觸頭接觸壓力信號同時(shí)經(jīng)過波峰開始下落時(shí)，上、下觸頭是同時(shí)接觸的，此時(shí)直流回路又再一次接通；從4 800點(diǎn)(24 ms)處開始到標(biāo)記線4之間，直流回路有數(shù)次通斷，這主要因?yàn)榇藭r(shí)上、下觸頭雖然都處于無危險(xiǎn)振動(dòng)區(qū)間，但由于上、下觸頭的快速擺動(dòng)(扭動(dòng))，使得直流回路的接通和斷開次數(shù)顯得極其不確定。這一段觸頭斷通信號反復(fù)變化，帶負(fù)載時(shí)極有可能引起電弧，對觸頭造成嚴(yán)重的損害，應(yīng)該盡量控制。

標(biāo)記線4：上、下觸頭在彈簧壓力作用下逐步趨于穩(wěn)定接觸，此時(shí)，直流回路穩(wěn)定接通，觸頭斷通信號不再有斷開現(xiàn)象。

標(biāo)記線5：雖然在5 600點(diǎn)(28 ms)附近上、下觸頭都發(fā)生了二次彈跳，但由于彈跳幅度小，且上、下兩個(gè)觸頭彈跳步調(diào)不一致，直流回路一直沒有斷開。這說明該交流接觸器試品很好地控制了二次彈跳。觸頭發(fā)生二次彈跳時(shí)動(dòng)、靜觸頭已經(jīng)閉合了一段時(shí)間，如果系統(tǒng)帶有大容量負(fù)載，觸頭上會(huì)流經(jīng)很大的負(fù)載電流，則由二次彈跳引起的電弧較大，電弧放電會(huì)造成觸點(diǎn)的局部熔化，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐捎|頭熔焊，最終導(dǎo)致接觸器觸頭系統(tǒng)功能失效。因此，接觸器的吸合控制和優(yōu)化設(shè)計(jì)都應(yīng)當(dāng)盡量減少可動(dòng)部件的彈跳，尤其是盡量避免觸頭的二次彈跳。

由以上分析可知，觸頭接觸壓力信號很好地揭示了觸頭斷通信號的變化原因，說明觸頭斷通信號并不能完全代表觸頭的彈跳，同一觸橋上的上、下兩個(gè)觸頭的綜合彈跳情況決定了直流回路的斷通。觸頭大幅度的彈跳集中在動(dòng)、靜觸頭首次接觸之后的1.5 ms時(shí)間段內(nèi)，此后的彈跳幅值和頻率都逐漸變小，且對電路穩(wěn)定接通沒有影響。由于帶負(fù)載時(shí)極有可能引起大的電弧，應(yīng)該盡量控制上、下兩個(gè)觸頭的快速擺動(dòng)(扭動(dòng))。

3.3 觸頭彈跳過程與合閘相角的關(guān)系研究

將不同合閘相角時(shí)上、下觸頭接觸壓力信號同勵(lì)磁電壓、電流和觸頭斷通信號放在一起加以比較，如圖9就可清晰直觀地解釋觸頭彈跳過程與合閘相角的關(guān)系。本文依次記錄了合閘相角為0°、60°、90°、180°、270°時(shí)上述信號的對比。并對以上信息進(jìn)行綜合分析，將結(jié)果記錄于表1。

表1 不同合閘相角時(shí)的觸頭彈跳過程Tab.1 Contact bounce at different closing phase angle

表1中總斷通次數(shù)代表直流回路中觸頭斷通的次數(shù)，因?yàn)閹ж?fù)載時(shí)，電路瞬時(shí)斷通，極有可能引起電弧，對觸頭的損害是最嚴(yán)重的，因此總的斷通次數(shù)是一個(gè)很關(guān)鍵的參數(shù)，應(yīng)盡量減少總的斷通次數(shù)?？偟臄嗤ù螖?shù)和上、下兩個(gè)觸頭的綜合彈跳情況有關(guān)，因此還要考察上、下兩個(gè)觸頭的彈跳。接通時(shí)長是指觸頭斷通信號從第一次接通到最終穩(wěn)定接通的時(shí)間。這個(gè)時(shí)間比較長時(shí)，會(huì)加大觸頭的損害幾率，因此要盡量縮短。上觸頭危險(xiǎn)振動(dòng)次數(shù)是指在接通時(shí)長內(nèi)上觸頭振動(dòng)(包括彈跳)的次數(shù)。不是每一次彈跳或者振動(dòng)都會(huì)引燃弧而對觸頭造成損害，但彈跳次數(shù)多，勢必增加觸頭的損害幾率，因此，該項(xiàng)指數(shù)也是要盡量小。下觸頭危險(xiǎn)振動(dòng)次數(shù)同理。二次彈跳危險(xiǎn)振動(dòng)次數(shù)是指造成二次彈跳時(shí)電路斷通的彈跳次數(shù)，這項(xiàng)指數(shù)也應(yīng)該盡量小。觸頭閉合時(shí)間是指從接觸器線圈通電到觸頭剛開始接觸(或用第一次觸頭斷通信號)這一段時(shí)間。這個(gè)時(shí)間較短，說明閉合時(shí)接觸器動(dòng)鐵心速度較小，有利于減少觸頭彈跳。因此這一相越小越好。由表1可看出，合閘相角為60°時(shí)總斷通次數(shù)最高，總接通時(shí)長也最長；上、下觸頭的危險(xiǎn)振動(dòng)次數(shù)一般為5～7，60°時(shí)最多；二次彈跳危險(xiǎn)振動(dòng)次數(shù)僅60°時(shí)有一次；觸頭閉合時(shí)間一般為17.3 ms左右，但是合閘相角為90°和270°時(shí)稍高。由此可見，合閘相角為60°時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)綜合最差，將在今后的實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論

觸頭接觸壓力是重要的觸頭參數(shù)，為了深入研究觸頭接觸瞬間觸頭接觸壓力同接觸電阻、振動(dòng)等其他參數(shù)之間的關(guān)系，必須得到其動(dòng)態(tài)全過程。在實(shí)驗(yàn)室以CJ20-25型交流接觸器為例進(jìn)行了觸頭接觸壓力的動(dòng)態(tài)測試，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波和小波降噪，去除交流脈動(dòng)干擾，提取關(guān)鍵信息，可得出以下結(jié)論：

1)提出的彈性波測試方法，將觸頭接觸壓力傳感器粘貼在靜觸頭的下表面，可同時(shí)觀察觸頭接觸壓力的變化和觸頭斷通的情況，還能帶載測試，這對于測量實(shí)際工作狀態(tài)下接觸器的觸頭接觸壓力變化是非常重要的。

2)應(yīng)用Matlab小波工具箱能夠很好地去除電磁干擾產(chǎn)生的基波，降噪后曲線的毛刺大大減少，有利于清楚地觀察觸頭彈跳的次數(shù)。

3)觸橋在向鐵心運(yùn)動(dòng)過程中，如果觸橋的質(zhì)心不在觸橋彈簧的支點(diǎn)范圍內(nèi)，觸橋就會(huì)以z軸為軸，在x，y平面轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)動(dòng)靜觸頭接觸在一起時(shí)，伴隨著彈跳，觸橋會(huì)沿著y軸作上、下滑動(dòng)；觸橋更多的是作以y軸為軸，在x，z平面擺動(dòng)。觸頭運(yùn)動(dòng)過程中的擺動(dòng)(扭動(dòng))及振動(dòng)是多自由度、非常復(fù)雜的，這種觸頭觸橋由螺旋彈簧支撐的結(jié)構(gòu)決定了這種振動(dòng)過程。

4)同以往的方法相比，將電壓、電流、上觸頭接觸壓力信號、觸頭斷通信號和下觸頭接觸壓力信號放在一張圖中作橫向比較，觸頭接觸壓力信號能夠給出更為全面、詳盡的觸頭彈跳信息，為優(yōu)化設(shè)計(jì)接觸器提供了參考。

5)觸頭斷通信號并不能完全代表觸頭的彈跳，同一觸橋上的上、下兩個(gè)觸頭的綜合彈跳情況決定了回路的斷通。觸頭大幅度的彈跳集中在動(dòng)、靜觸頭首次接觸之后的1.5 ms時(shí)間段內(nèi)，此后的彈跳幅值和頻率都逐漸變小，且對電路穩(wěn)定接通沒有影響。由于帶負(fù)載時(shí)極有可能引起大的電弧，應(yīng)盡量控制上、下兩個(gè)觸頭的快速擺動(dòng)(扭動(dòng))。這可為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)交流接觸器觸頭結(jié)構(gòu)提供理論支撐。

6)將不同合閘相角時(shí)上、下觸頭彈跳過程的細(xì)節(jié)信號同勵(lì)磁電壓、電流、和觸頭斷通信號放在一起加以比較，可看出，合閘相角為60°時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)綜合最差。

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Analysis of the Contact Bounce Based on Dynamic Contact Pressure

LiJunfeng1，2SuXiuping1ZhengXinfang2ZhaoJingying1

(1.Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability Hebei University of Technology Tianjin 300130 China 2.Department of Mechanical and Electrical Engineering Handan College Handan 056005 China)

By using polyvinylidene fluoride (PVDF) piezoelectric film as the sensitive element under an trial product of CJ20-25 AC contactor，the dynamic contact pressure signal of the two contacts on the bridge of one main contact are measured under the principle of elastic wave.The contact vibration and swing in the moving process are then recorded with high speed camera.The contacts contact pressure signal then undergoes noise reduction using wavelet toolbox.The relationship between the contact bounce and the break-connection of the contact and the closing phase angle are studied respectively.The results indicate that the dynamic contact pressure signal can reveal the reason for the change of the contact bounce and the break-connection signal，and 60° closing phase angle will lead to the worst overall performance.

Contact pressure，contact bridge，contact bounce，PVDF，dangerous vibration

國家自然科學(xué)基金(50577015)，浙江省低壓電氣產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟分項(xiàng)目(2010LM104-07)，河北省高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)領(lǐng)軍人才培育計(jì)劃(LJRC003)資助。

2014-12-19 改稿日期2015-01-31

TM315

李俊峰 男，1974年生，講師，博士研究生，研究方向?yàn)殡娖鳜F(xiàn)代設(shè)計(jì)與測試。

蘇秀蘋 女，1966年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娖鳜F(xiàn)代設(shè)計(jì)與測試。(通信作者)