Износ контактов

Содержание:

 

стр.

1. Классификация контактов................................................................................3
2. Контактная поверхность и физические явления при контактировании.......5
3. Переходное сопротивление контакта............................................................11
4. Износ контактов..............................................................................................13

4.1. Износ контактов при малых токах

4.2. Износ контактов при больших токах

4.3. Износ контактов при размыкании

4.4. Износ контактов при замыкании

5. Работа контактных систем, в условиях короткого замыкания...................19
6. Материалы для контактных соединений.......................................................21

Список используемой литературы.......................................................................24

 

Электрические контакты

 

Электрическим контактом называется соединение двух проводников, позволяющее проводить ток между ними. Соприкасающиеся проводники называются контактами или контакт-деталями.

 

1. Классификация контактов

 

По назначению контакты подразделяются на: 

• Соединительные
• Коммутирующие

1. Соединительные служат только для проведения тока.

• Взаимно неподвижные неразъёмные
• Взаимно подвижные скользящие (катящиеся)

2. Коммутирующие выполняют задачи включения, отключения или переключения цепей.

Контакты электрических цепей могут быть разделены на 3 группы:

• Разборные
• Коммутирующие
• Скользящие

1. Разборные – это те контакты, у которых в процессе работы детали не перемещаются относительно друг друга, а остаются надежно скрепленными. (боковое соединение шин, присоединение проводников к зажимам.)

2. Коммутирующие - это контакты, которые в процессе работы замыкают, размыкают или переключают цепь в которой течет или может протекать ток. (контакты выключателей, контакторов, рубильников.)

3. Скользящие – разновидность коммутирующих контактов, у которых одна из деталей перемещается (скользит) относительно другой, но электрический контакт при этом не нарушается. (контакты реостатов, щеточный контакт электрических коллекторных машин.)

По форме контактирования различают 3 вида контактов:

• Точечный
• Линейный
• Поверхностный

1. Точечный - электрический контакт, при котором соприкосновение рабочих поверхностей контакт-деталей происходит в точке. Следовательно, контактирование происходит только в одной точке – площадке (рис.1,а), например, соприкосновение таких поверхностей, как сфера - сфера, сфера - плоскость, вершина конуса - плоскость и т.п.

2. Линейный - электрический контакт, при котором сопротивление рабочих поверхностей контакт-деталей происходит по линии (рис.1,б), например, цилиндр – цилиндр (по образующей), цилиндр – плоскость, виток – виток и т.д. Физическая картина контактирования здесь представляет собой ряд точек – площадок (минимум две), расположенных на одной линии.

3. Поверхностный - электрический контакт, при котором соприкосновение рабочих поверхностей контакт-деталей происходит по поверхности (рис.1,в). Физическое контактирование происходит здесь в ряде точек площадок (минимум в трёх), расположенных на этой поверхности.

 

Рис.1. Типы контактов

 

 

Тип контакта определяется его назначением, значениями тока и контактного нажатия, конструкции контактного узла и всего аппарата. При этом следует иметь в виду, что многоточечное контактирование обеспечивает более надежный контакт.

 

2. Контактная поверхность и физические явления

при контактировании

 

В технике под поверхностью понимают границу между реально существующими телами и окружающей их средой. Простейшая форма поверхности – плоскость. Практически невозможно получить строго заданную форму поверхности, часто в этом и нет необходимости.

В технике поверхности принято делить на:

• Ровные - гладкие
• Ровные - шероховатые
• Неровные

Лишь некоторые поверхности оптических приборов условно могут быть отнесены к гладким. Поверхности электрических контактов, как правило, являются шероховатыми.

В зависимости от назначения все поверхности можно разделить на группы:

• Активная
• Пассивная

1. Активная группа в процессе эксплуатации работает на износ, воспринимает нагрузки и испытывает трение. Эти детали со сравнительно хорошей макро- и микрогеометрией. К ним относятся и поверхности электрических контактов.

2. Поверхность пассивной группы в процессе эксплуатации не взаимодействует с другими поверхностями, однако, улучшает внешний вид изделий и защищает их от коррозии.

На рис.2 изображена модель контактной поверхности. Вся поверхность контакта представляет собой кажущуюся контактную поверхность, так как, вследствие шероховатости, действительное соприкосновение контактирующих частей происходит только на отдельных участках а, б и в, представляющих собой в сумме истинную контактную поверхность.

Действительная поверхность соединения двух проводников в местах а и б состоит из:

• Контактных участков (пятен) с металлическим контактом, электросопротивление которых определяется удельным сопротивлением металлов пары и через которые протекает электрический ток без заметного переходного сопротивления;
• Контактных пятен с квазиметаллическим контактом, покрытым тонкими адгезионными и хемсорбированными плёнками, легко пропускающими электрический ток благодаря туннельному эффекту. Электрическое сопротивление этих пятен значительно.

 

Рис.2. Схема поверхности контакта: а – чисто металлический контакт;

б – квазиметаллический контакт;  в – изолирующие плёнки;

г – кажущаяся поверхность; д-д, е-е – линии тока.

 

 

Действительная поверхность электрического контакта меньше действительной поверхности контактирующей пары трения, потому что на этой поверхности имеются ещё контактные пятна с практически непроводящими плёнками окислов, сульфидов и т.п. Эта часть поверхности тока не проводит (участок в) или вовсе не контактирует (участок г). Таким образом, контактирующие поверхности металлов состоят из участков с различной электропроводностью.

Основная особенность контактной поверхности – её шероховатость, выступы которой можно рассматривать как конусы со сферическими вершинами (рис.3,а), располагающиеся на некоторой волнистой поверхности (рис.3,в).

 

Рис.3. Физические явления при контактировании.

 

Волнистость – это совокупность периодических, регулярно повторяющихся и близких по размерам (высота 0,03…500 мкм) возвышенностей и впадин, расстояние между которыми (0,25…300 мкм) значительно больше, чем расстояние между микронеровностями. Фактические размеры мест соприкосновения точек (выступов) равны 2…3 мкм. Наиболее тщательно отделанные, шлифованные и полированные поверхности всё же имеют неровности высотой 0,005…0,1мкм. Более грубые поверхности имеют выступы до 100…200 мкм.

Качество контактной поверхности зависит от чистоты (микрогеометрии) и физико-химических свойств металла в тонких верхних слоях (твёрдость, микроструктура, остаточные напряжения и т.п.). Форма неровностей контактной поверхности значительно влияет на следующие эксплуатационные свойства электрических контактов: износоустойчивость трущихся поверхностей, усталостную прочность, сопротивляемость эрозии, коррозионную устойчивость.

В процессе эксплуатации под влиянием сил сжатия контактных поверхностей происходит деформация металла в местах выступов (шероховатостей) и превращение их в маленькие поверхности – очаги (перешейки) проводимости или пропускания тока (рис.3,б). Чем больше силы сжатия контактных поверхностей, тем большее количество выступов деформируется. При этом металл деформируется частично пластически, частично упруго.

При упругих деформациях, возникающих при сравнительно небольших силах сжатия, выступающие участки поверхностей входят в механическое соприкосновение. Пластические деформации возникают при возрастании давления на контактирующие поверхности, достигающие предела упругости. В результате появляется остаточная деформация, и материал начинает течь. Величина деформации обратно пропорциональна твёрдости металла. Деформация контактов определяется напряжением смятия металла контактов.

Зависимость между силой FК, приложенной к контактам, и контактной поверхностью SД, воспринимающей давление, имеет следующий вид:

FK = S Д f ,                                                      (1)

где f – среднее удельное давление, зависящее от кривизны поверхности контактных частей, их волнистости, приложенной силы и модуля упругости материала. Контактная поверхность, воспринимающая давление, во много раз меньше кажущейся поверхности контактов (рис.2,г), легко поддающейся измерению. Давление в разных точках контактной поверхности распределяется неравномерно.

Твёрдый металл, соприкасающийся с газообразной средой, имеет переходную пограничную зону. На контактной поверхности под воздействием кислорода, озона, азота, серы и прочих химических реагентов образуются плёнки, которые принято разделять на: адгезионные, плёнки потускнения, пассивизирующие, водяные, плёнки граничной смазки и пр. Получить действительно чистые контактные поверхности (контакты) чрезвычайно трудно, как и идеально ровные поверхности твёрдого тела (рис.3). Для поверхности контактов наиболее характерны плёнки: окисные, образующиеся при реакции с кислородом; сульфидные (реакция с H2S), кислородные (слой осаждённых из воздуха молекул кислорода), хлоридные и другие соединения. Плёнки имеют толщину 10…15 нм и удельное электрическое сопротивление

ρ=10-5 Ом·см.

С течением времени толщина образующихся плёнок увеличивается. Плёнки химически реагируют с металлом, образуя плёнки окислов металла. У разных металлов эта плёнка имеет разное удельное сопротивление. Скорость нарастания плёнок на контактных поверхностях зависит от температуры и влажности воздуха, состояния и химического состава среды и др.

Формирование окисной плёнки происходит по-разному. Для никеля, например, в нормальных условиях это очень медленный процесс, ускоряющийся с ростом температуры. Для алюминия характерен быстрый рост плёнки Al2O (десятки секунд) до толщины 2…2,5 нм. Дальнейший рост плёнки происходит значительно медленнее: при комнатной температуре через 20-30 дней её толщина достигает 6…10 нм.

Плёнки стойки к температуре, механически прочны и обладают изоляционными свойствами. Бронза существенно не окисляется. Не вступают в реакцию с кислородом такие металлы, как вольфрам, золото, платина. При температуре меньше 200 ºС образуется слой Cu2O, толщина которого зависит от температуры нагрева и приобретает значения 10…1000 нм. Электрическая проводимость образований Cu2O и CuO очень мала и сопротивление плёнок может достигать 106 Ом. Благородные металлы также подвержены окислению, однако, процесс окисления протекает медленнее. Слой Ag2O толщиной 2…3 нм прочен и легко разлагается при нагревании.

Слой оксидов является практически непроводящим. Однако под давлением он может быть частично разрушен, так как металл способен деформироваться пластически, сохраняя сцепление; слой же оксидов не может следовать этой деформации вследствие хрупкости. Поэтому, при давлении на контакты происходит скалывание инородного слоя; появляются трещины, в которые проникает металл, образуя проводящие контактные точки. По мере увеличения давления, число контактных точек и проводящая поверхность увеличиваются. При наличии скольжения между контактами образование трещин облегчается, так как при этом появляются касательные напряжения, и происходит срез. Чем толще плёнка, тем труднее проникновение металла в трещины.

К сульфидным плёнкам относятся, например, тёмные пятна на серебре. Возникают они в контактных условиях и представляют собой Ag2S. Сульфидизация серебра происходит при наличии в атмосфере H2S или SO2 и незначительной влажности. Продукты потускнения Ag2S намного легче самого серебра, поэтому разрушаются механическим путём при замыкании контактов. Хотя сульфид серебра Ag2S относится к группе полупроводников, его удельное сопротивление всё же очень велико – 108 Ом·см.

Пассивирующие плёнки, занимающие промежуточное положение между адгезионными плёнками и плёнками потускнения, возникают иногда на поверхности некоторых металлов с валентностью 2 и более (например, цинк) и имеют более или менее постоянную толщину, равную 1,0…1,5 нм. Электрическое сопротивление пассивирующих плёнок изменяется со временем в зависимости от степени включения туннельного эффекта.