關(guān)于交流接觸器加速壽命試驗(yàn)的研究

張 竟 杜吉祥 鄒 迅

格力電器(合肥)有限公司 安徽 合肥 230088

1 引言

接觸器是一種自動(dòng)化的控制電器,廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制電路。在空調(diào)系統(tǒng)中,交流接觸器是不可或缺的重要部件。在這里我們主要研究的是,在保證其性能的前提下,如何縮短交流接觸器電氣壽命試驗(yàn)的時(shí)間。

2 事件背景

交流接觸器在售后出現(xiàn)的主要異常為觸頭熔焊,而觸頭熔焊又是開關(guān)電器失效的主要形式之一,觸頭閉合過程中,由于閉合時(shí)的預(yù)擊穿電弧或觸頭彈跳過程中形成的電弧,使動(dòng)、靜觸頭接觸面金屬熔融而形成熔焊。當(dāng)觸頭的分?jǐn)嗔Υ笥谟|頭的熔焊力時(shí),所造成的熔焊可以恢復(fù),稱為可恢復(fù)的熔焊;反之,稱為不可恢復(fù)的熔焊[1]。

3 交流接觸器失效模式的分析

交流接觸器的失效點(diǎn)主要表現(xiàn)為過熱磨損和打火燒熔。產(chǎn)生觸點(diǎn)熔焊的原因是在觸點(diǎn)閉合時(shí),由于撞擊和振動(dòng),觸點(diǎn)之間不斷產(chǎn)生短電弧,其溫度高達(dá)上千攝氏度,時(shí)間稍長就會(huì)把觸點(diǎn)燒傷或熔化,并使動(dòng)、靜觸點(diǎn)粘黏,導(dǎo)致電路失控。導(dǎo)致觸點(diǎn)燒熔的原因有以下幾點(diǎn)：

①線路中有異常大電流,造成原因可能是由于用戶家的電壓不穩(wěn)定,使交流接觸器長期處于吸合的臨界點(diǎn),不斷拉弧灼燒觸點(diǎn),兩觸頭的金屬原子相互擴(kuò)散,并形成金屬鍵,冷卻時(shí)在接觸面之間形成共同的晶粒,使觸頭熔合在一起[2]。

②交流接觸器觸頭材料的影響,我司使用的觸頭材料基本為銀鎳合金,而Ni的熔化和結(jié)晶是關(guān)鍵因素。

③廠家加工工藝一致性存在波動(dòng),使得觸頭銀鍍層偏薄或分布不均勻,在使用過程中,影響觸頭的抗熔焊性下降,觸頭飛濺損耗大,最終導(dǎo)致觸頭失效。

而交流接觸器接觸器觸頭失效基本都是出現(xiàn)在售后,且周期較長,在我司廠內(nèi)只有進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)(電氣壽命實(shí)驗(yàn))才能檢測出,但是目前電氣壽命的時(shí)間較長,不具備及時(shí)性,需要進(jìn)行加速壽命試驗(yàn)的研究。

4 研究改進(jìn)的方向

目前電氣壽命試驗(yàn)周期較長,對于質(zhì)量管控的及時(shí)性和有效性還需要進(jìn)一步改善。我們擬定兩個(gè)實(shí)驗(yàn)思路：一是保證其它條件不變,減小通電線圈的實(shí)驗(yàn)電壓;二是不改變其它條件,只縮短動(dòng)靜觸點(diǎn)的接通與斷開的時(shí)間?？傊?就是通過改變單一變量,加劇試驗(yàn)環(huán)境,從而縮短試驗(yàn)時(shí)間。不管是哪種實(shí)驗(yàn)思路,我們都需要有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)作為評判,保證最后試驗(yàn)所得的結(jié)果是我們所想得要的。目前交流接觸器觸頭大多為銅基覆銀合金觸頭,其中最主要的元素就是銀。

5 進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、數(shù)據(jù)的分析

5.1 實(shí)驗(yàn)條件

①將交流接觸器按正常工作位置安裝,單極主電路通標(biāo)稱單相電源220V,主電路通6倍額定電流In,按額定控制電源進(jìn)行通斷操作,通電時(shí)間0.5 s,斷電時(shí)間5s,一通一斷為一周期,在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,我們將斷開時(shí)間由9s縮短至5s,理論上將實(shí)驗(yàn)總時(shí)間264h減少為152h,但由于觸頭斷開時(shí)間由9s縮短為5s,對觸點(diǎn)的考驗(yàn)必然會(huì)加大,電弧作用在觸頭表面上引起的溫升、相變(熔化、蒸發(fā)等)也更加嚴(yán)重,實(shí)驗(yàn)總時(shí)間將會(huì)進(jìn)一步縮短。

②同步安排兩組實(shí)驗(yàn),A 組實(shí)驗(yàn)按照我司之前的實(shí)驗(yàn)條件(通0.5s,斷開9s),B 組實(shí)驗(yàn)按照上敘條件進(jìn)行(通0.5s,斷開5s),通過對比兩組實(shí)驗(yàn)前后觸頭的物理變化及化學(xué)成分的變化,從而來確定壽命加速試驗(yàn)的大致時(shí)間(想要確定具體的縮短時(shí)間,還需要大量的實(shí)驗(yàn)來做參照)。

5.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)前,通過放大鏡觀察,A、B 兩組樣件的動(dòng)靜觸頭表面光澤度基本一致,對比兩組的觸點(diǎn)的銀鍍層厚度,均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)(根據(jù)繼電開關(guān)額定電流的大小,動(dòng)靜觸點(diǎn)的銀鍍層厚度也不盡相同)。

表1 試驗(yàn)前兩組觸點(diǎn)的鍍層厚度與材料對比

實(shí)驗(yàn)后,靜觸點(diǎn)的鍍層材料向動(dòng)觸點(diǎn)轉(zhuǎn)移并裸露銅基底,這是因?yàn)楫?dāng)觸頭開始斷開時(shí),接觸電阻變大,觸頭表面溫度升高,使接觸表面熔化而形成金屬液橋。隨著動(dòng)靜觸點(diǎn)間距增大,間隙中的觸頭金屬蒸汽被游離而出現(xiàn)金屬相電弧放電,帶電微粒主要是電子、金屬離子和金屬原子,金屬離子和電子在電場力作用下分別向動(dòng)觸點(diǎn)和靜觸點(diǎn)運(yùn)動(dòng),金屬離子沉積在動(dòng)觸點(diǎn)表面,形成尖峰,電子轟擊靜觸點(diǎn),使已加熱的動(dòng)觸點(diǎn)表面進(jìn)一步加熱,所以材料從靜觸點(diǎn)向動(dòng)觸點(diǎn)轉(zhuǎn)移,兩組樣品的動(dòng)觸點(diǎn)有明顯的材料堆積。試驗(yàn)后,A 組樣品電氣壽命為102100次,B 組樣品電氣壽命為45023次,從兩組動(dòng)靜觸點(diǎn)材料成分測試情況來看,動(dòng)靜觸點(diǎn)中的銀元素含量減少,鎳元素含量增大。在銀鎳合金中,鎳含量越高,抗熔焊性越好,但表面的接觸電阻就越大,長期試驗(yàn)后,溫升持續(xù)升高導(dǎo)致觸點(diǎn)粘黏。兩組樣品試驗(yàn)后金像和材質(zhì)對比相差不大,可以說明兩組實(shí)驗(yàn)具有一定的可比性。

表2 試驗(yàn)后兩組觸點(diǎn)的材料對比

5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

從上述實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看,對于研究如何縮短交流接觸器電氣壽命試驗(yàn)的時(shí)間是有一定的幫助和啟發(fā)的,只要積累大量的試驗(yàn)素材,完全可以制定標(biāo)準(zhǔn),縮短試驗(yàn)時(shí)間,加速整改進(jìn)度,提升產(chǎn)品質(zhì)量。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)售后及實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),交流接觸器突出故障為觸點(diǎn)燒融以及線圈開/短路。

(2)通過兩組實(shí)驗(yàn)樣品,對比了試驗(yàn)前后觸點(diǎn)的物理及化學(xué)變化,研究如何縮短交流接觸器電氣壽命試驗(yàn)的時(shí)間,減少了時(shí)間成本。

(3)提升交流接觸器的使用壽命,可以從控制觸點(diǎn)接觸電阻及溫升、觸點(diǎn)材料成分、及吸合、釋放動(dòng)作電壓幾個(gè)方面來入手。