Introdução
Os relés de sinal ferroviário são interruptores especiais usados para fechar ou abrir circuitos de controle de sinal. Eles são um dos principais componentes dos equipamentos do sistema ferroviário. Portanto, a vida elétrica e a confiabilidade dos produtos de relé sempre foram um tema importante para projetistas e usuários. Os pesquisadores realizaram muitas pesquisas sobre o mecanismo de falha dos relés. De acordo com aplicações industriais e estatísticas de testes, verifica-se que a soldagem do material de contato gerada durante a ação de comutação é um dos seus principais modos de falha.
SólidoContatos de cobresão um dos componentes mais críticos no sistema de contato do relé, portanto seu desempenho anti-soldagem afeta diretamente a confiabilidade e a vida útil do relé. A soldagem do material de contato refere-se ao fenômeno em que o material de contato dos dois pólos é rapidamente aquecido e derretido localmente sob a ação da fonte de calor e, em seguida, rapidamente resfriado e solidificado para conectar os dois pólos em um e não pode ser separado pela restauração externa vigor. Geralmente é dividido em soldagem estática e soldagem dinâmica. A soldagem estática é causada pelo efeito térmico da corrente durante o fechamento do contato. É extremamente raro no trabalho real. O fenômeno de soldagem dinâmica em que os materiais de contato são soldados entre si devido ao calor gerado pela descarga do arco durante o processo de fechamento ou desconexão é a principal causa de falha de contato.
O arco gerado quando o contato interrompe o circuito é a chave para iniciar a soldagem dinâmica. A energia do arco faz com que o material de contato derreta parcialmente para formar uma área fundida e, então, a rápida solidificação da área fundida pode formar uma solda na parte de contato do contato. Quando a força de soldagem for maior que a força de ruptura, será formada a soldagem dinâmica do material de contato. Acredita-se geralmente que quanto maior a força de soldagem do material de contato, pior será a resistência do material à soldagem. Sob certas condições de aplicação, a resistência à soldagem do material de contato está intimamente relacionada à sua composição, estrutura, resistividade, condutividade térmica e outras propriedades. Por um lado, afeta a geração e a intensidade do arco e, por outro lado, afeta o processo de soldagem e o tamanho da força de soldagem.
As pessoas conduziram pesquisas extensas e aprofundadas sobre o comportamento de soldagem de materiais de contato de óxido metálico de prata, como AgCdO, AgSnO2 e AgCuO, e propuseram modelos e teorias de soldagem. A ideia principal do projeto deste tipo de material é que a prata atue como uma fase condutora de corrente para conduzir eletricidade e calor, e a fase insolúvel, como o óxido, atue como um estabilizador para aumentar a viscosidade da fase fundida ou como um decompositor consumir energia do arco. Porém, com o aumento da potência, novos relés apresentam requisitos mais elevados para o desempenho anti-soldagem dos materiais de contato. Os materiais de contato tradicionais não atendem mais aos requisitos, e os materiais de contato de grafite impregnados de prata têm recebido cada vez mais atenção devido ao seu excelente desempenho. Os materiais de contato de grafite impregnados com prata geralmente envolvem prata impregnada no esqueleto de grafite como uma fase condutora de corrente, e a grafite como uma fase difícil de dissolver pode limitar o tamanho da poça fundida e consumir energia do arco. No entanto, a pesquisa sobre materiais de contato de grafite impregnados de prata não é aprofundada, especialmente a pesquisa sobre seu comportamento de soldagem raramente é relatada. Portanto, este estudo utilizou um dispositivo de teste de soldagem para estudar o comportamento dinâmico de soldagem de quatro materiais de contato de grafite impregnados de prata em diferentes correntes e tensões, e observou e caracterizou sistematicamente a morfologia superficial e microestrutura dos contatos. Através de análise comparativa, foram selecionados os materiais de contato de grafite impregnados de prata com excelente desempenho antissoldagem.
1. Experimente
1.1 Desempenho e caracterização estrutural de materiais de contato de grafite impregnados de prata
Uma série de grafite impregnado de prataRebites de cobreos materiais foram preparados por processo de prensagem isostática a quente utilizando matriz de grafite com diferentes porosidades e estruturas de poros. Os indicadores de desempenho dos materiais são mostrados na Tabela 1. A microestrutura dos materiais de contato de grafite impregnados de prata e a morfologia da superfície após o teste de desempenho da soldagem por fusão foram observadas e caracterizadas por microscópio metalográfico e microscópio eletrônico de varredura.
1.2 Teste de desempenho de soldagem e coleta de dados
Quatro tipos de materiais de contato de grafite impregnados de prata foram processados em contatos estáticos com uma superfície de trabalho de 3,5 mm × 4,1 mm. Eles foram combinados com rebites elétricos de cobre feitos de prata metálica. O desempenho de soldagem dos materiais de contato foi testado sob condições de uma corrente de carga de 80 A a 100 A e uma tensão correspondente de 80 V a 100 V usando um dispositivo de teste de força de soldagem desenvolvido pelo Harbin Institute of Technology (ver Figura 1). Durante o teste, um novo contato foi utilizado para cada teste para garantir que a superfície de contato estivesse no estado inicial. Os sinais de tensão, corrente e força de contato durante o processo de fechamento de contato foram coletados usando um osciloscópio multicanal KEYSIGHT DSOX3024T.
No dispositivo de teste, o cobre elétrico estáticoContatos de rebitesão fixados no acessório giratório, e o acessório giratório é fixado na extremidade móvel do sensor de força através de uma sede isolante. A extremidade estática do sensor de força é fixada em uma corrediça de ajuste que pode ajustar a posição na direção plana através de um assento de montagem. O sensor de força coleta o estado de força do contato estático para obter a pressão de contato e a força de soldagem. A palheta é fixada em um assento fixo isolante e depende do eletroímã de acionamento para empurrar o contato estático a ser testado para completar a ação de fechamento. Depois que o eletroímã de acionamento é desligado, ele depende de sua própria redefinição de rigidez para desconectar. Como o curso do eletroímã de acionamento é fixo, este dispositivo altera a força de contato entre os contatos ajustando a posição do eletroímã de acionamento. Durante o teste, o sensor de deslocamento a laser é usado para medir o deslocamento da palheta para monitorar o curso de contato. As extremidades fixas das peças acima são fixadas na base para garantir que a posição relativa de cada peça seja estável. Durante o teste, o eletroímã primeiro aciona o contato móvel e o contato estático para fechar com a carga a uma determinada velocidade, depois desliga a fonte de alimentação da carga e move o sensor de força para ajustar o slide para separar lentamente os contatos fechados.
A curva de mudança da força de contato durante o processo de separação dos contatos é mostrada na Figura 2. Os contatos que estão no estado fechado na condição inicial mantêm o contato sob uma certa pressão; à medida que o slide se move, a força de contato diminui gradualmente do ponto B e diminui para 0 no ponto E, e os contatos móveis e estáticos começam a se separar; se não houver soldagem entre os contatos, os contatos se separarão diretamente e a força de contato será 0. Se houver soldagem entre os contatos, a força de contato continuará diminuindo e a força no contato estático mudará de pressão para tensão; o ponto W é a posição onde os contatos que possuem soldagem começam a se separar, e o valor da tensão neste momento atinge o máximo; então a área de soldagem do contato é rapidamente separada, a força de soldagem diminui rapidamente e é completamente separada no ponto S. Durante todo o processo de quebra de soldagem, a diferença entre a força de contato dinâmica mínima antes dos contatos móveis e estáticos estão fora de contato (ponto W) e a força de contato dinâmica após a separação (ponto S) é a força máxima de soldagem após o material de contato ser soldado.
2 Resultados e discussão
2.1 Microestrutura de materiais de contato de grafite impregnados de prata
A fotografia metalográfica do grafite impregnado de prata Copper SilverContato RebiteO material é mostrado na Figura 3, onde a área branca brilhante é prata metálica e a área cinza-preta é a matriz de grafite. O processo de impregnação de prata por prensagem isostática a quente pode preencher totalmente os poros da matriz de grafite com prata metálica e formar uma estrutura interconectada de prata metálica em forma de rede. No entanto, devido às diferenças na estrutura dos poros e na porosidade da matriz de grafite, as microestruturas dos quatro materiais de contato de grafite impregnados de prata são significativamente diferentes: o tamanho dos poros da matriz de grafite do material AgC (30) é relativamente uniforme, e o tamanho da área de prata metálica é de cerca de dezenas de mícrons; existem áreas de prata metálica de grande porte maiores que 100 μm no material AgC (40); e há muitas áreas de prata metálica com menos de 10 μm nos materiais AgC (50) e AgC (60).
A diferença na microestrutura dos materiais de contato de grafite impregnados de prata é a chave para suas diferenças de desempenho. Em particular, à medida que o teor de carbono aumenta, o AgC(60) atinge mais de 16 vezes o do AgC(30), o que está relacionado com a diminuição do teor de prata metálica como fase condutora de corrente. Porém, as propriedades condutoras do material não apresentam relação proporcionalmente igual com o teor de prata metálica. Portanto, as propriedades condutoras do material de contato de grafite impregnado de prata são o resultado do efeito sinérgico da prata metálica e da grafite e estão intimamente relacionadas às propriedades condutoras e à estrutura dos poros do material de grafite.
2.2 Desempenho de soldagem de materiais de contato de grafite impregnados de prata
A mudança da força de soldagem dos materiais de contato de grafite impregnados de prata com a corrente é mostrada na Figura 4. Como pode ser visto na Figura 4, quando a corrente está abaixo de 80 A, nenhum fenômeno de soldagem ocorre entre os pontos de contato dos quatro materiais de contato. Quando a corrente aumenta para 90 A, AgC(60) exibe fenômeno de soldagem com uma força de soldagem de 0,8×10-3 N. Quando a corrente atinge 95 A, todos os quatro materiais de contato exibem fenômeno de soldagem, mas a força de soldagem varia em magnitude e é organizado de maneira escalonada. Quando a corrente aumenta para 100 A, a força de soldagem do AgC30 atinge 1,5×10-3 N, enquanto a força de soldagem do AgC(60) aumenta para 6,61×10-3 N.
A Figura 5 mostra a morfologia da superfície de quatro contatos elétricos de cobre grafite impregnados de prata após soldagem por fusão a uma corrente de 100 A. Como pode ser visto na Figura 5, a área de erosão do arco de todos os materiais é preta no centro e branco na borda, mas o tamanho e a microestrutura da área de erosão dos diferentes materiais são diferentes. A área da superfície AgC (30) erodida pelo arco é a menor, com diâmetro de cerca de 0,943 mm. A borda são as partículas de prata formadas pela prata metálica na área central, derretendo sob a ação do arco e espalhando-se ao redor do ponto de contato durante o processo de soldagem por fusão dinâmica. À medida que o teor de Ag diminui, o tamanho das partículas de prata pulverizadas diminui gradualmente. A área de erosão secundária começa a aparecer no centro da área de erosão em arco de AgC (50). A área de erosão secundária na superfície do AgC (60) é mais evidente e se desenvolve no interior do material. Isso mostra que vários fenômenos de erosão por arco ocorreram durante o processo de soldagem por fusão dinâmica, ou seja, o processo de soldagem por fusão dinâmica saltitante.
A força de soldagem é proporcional à área da seção transversal da prata metálica que derrete no material e se conecta durante o processo de resfriamento. À medida que a corrente aumenta, a área de erosão do arco aumenta e o teor de prata fundida na área aumenta. Portanto, a área da seção transversal da prata metálica que se conecta durante o processo de resfriamento também aumenta e a força de soldagem aumenta proporcionalmente. Porém, a geração e a resistência do arco estão intimamente relacionadas à microestrutura e às propriedades do material. A condutividade aprimorada aumentará a tensão gerada pelo arco. Portanto, na condição de tensão de 90 V correspondente a 90 A, apenas AgC (60) com maior resistividade apresenta fenômeno de soldagem. O efeito do tamanho da grafite que separa a prata metálica pode afetar a distribuição do arco na superfície de contato. Ao mesmo tempo, o efeito de purga causado pelo CO2 gerado pela oxidação da grafite pode afetar a distribuição do arco e reduzir a intensidade do arco. Os efeitos combinados destes dois efeitos na distribuição e resistência do arco, juntamente com a condutividade térmica do material, requerem mais pesquisas sistemáticas. Os resultados da pesquisa atual mostram que a redução da porosidade e do tamanho dos poros da grafite não melhora o desempenho anti-soldagem. Quando a fração mássica de prata for inferior a 40% e o tamanho dos poros for inferior a 10 μm, o fenômeno de soldagem ocorrerá sob condições de corrente mais baixas e a força de soldagem aumentará em mais de 3 vezes.
De acordo com pesquisas bibliográficas, a força de soldagem do material de contato AgCuO é de {{0}},2 N a 0,4 N a uma tensão de 12 V e uma corrente de 10 A a 25 A. A força de soldagem dinâmica do contato de cobre e prata de grafite impregnado de prata para material de chave testado sob esta condição experimental está abaixo de 0,01 N, que é 2 ordens de magnitude menor do que a força de soldagem do material de contato AgMeO tradicional. Portanto, em comparação com o material de contato AgMeO, o material de contato de grafite impregnado de prata tem uma corrente de soldagem inicial mais alta e uma força de soldagem extremamente baixa, e é um material de contato elétrico com excelente desempenho anti-soldagem. A análise comparativa da força de soldagem e da morfologia da área de erosão do arco mostra que o AgC(30) tem o melhor desempenho anti-soldagem.
3 conclusões
(1) A corrente inicial de soldagem do material de contato de grafite impregnado de prata é 90 A e a força de soldagem é inferior a 0,01 N, o que apresenta excelente desempenho anti-soldagem.
(2) Para o mesmo material de contato de grafite impregnado de prata, à medida que a corrente aumenta, a força de soldagem aumenta. Reduzir a corrente de contato pode reduzir a força de soldagem, melhorando assim seu desempenho anti-soldagem.
(3) Para diferentes materiais de contato de grafite impregnados de prata, a força de soldagem aumenta com o aumento do teor de carbono, o que está intimamente relacionado à estrutura e propriedades de sua matriz de grafite. Neste estudo, o material AgC(30) apresenta o melhor desempenho anti-soldagem.
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