【摘 要】
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触点(亦称触头)是各类高低压电器开关中完成导通和分断电流功能的执行部件。由于金属表面粗糙的本质,触点间的接触只发生在表观面积的局部,产生的接触电阻将使得电接触位置出现焦耳热或信号插入损耗。近年来,随着控制继电器在“高可靠、长寿命”方向的持续发展,长期保持低而稳定的接触电阻已成为高端电器产品的要求。接触电阻问题涉及金属材料学、弹塑性力学、界面物理学等多学科领域的交叉,具有典型的复杂性与不确定性特征。
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目《粗糙表面微纳尺度接触电阻奇异性模型与原位分析方法的研究》;
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触点(亦称触头)是各类高低压电器开关中完成导通和分断电流功能的执行部件。由于金属表面粗糙的本质,触点间的接触只发生在表观面积的局部,产生的接触电阻将使得电接触位置出现焦耳热或信号插入损耗。近年来,随着控制继电器在“高可靠、长寿命”方向的持续发展,长期保持低而稳定的接触电阻已成为高端电器产品的要求。接触电阻问题涉及金属材料学、弹塑性力学、界面物理学等多学科领域的交叉,具有典型的复杂性与不确定性特征。已有的静态接触电阻分析方法已不完全适用于微观尺度条件下的研究与应用,无法实现触点接触电阻精确计算与电接触性能科学评价。本文针对上述问题,基于微凸体重构触点粗糙表面的方法实现了接触电阻的精准建模,同时开发了触点接触界面原位观测系统和接触电阻高通量精密测量系统,实现了触点接触电阻的自动化测试与电接触性能的评价。首先,建立了光滑表面触点的接触电阻理论分析模型。针对点接触和线接触两种典型电接触形式,应用接触力学理论和电接触理论建立了触点接触电阻的理论计算模型,并根据有限元仿真结果提出了基于四阶多项式函数的考虑触点尺寸特征的接触电阻修正模型。分析了接触体外形特征和压力载荷对接触电阻的影响,确定了在小压力载荷下线接触相比点接触具有更好的导电能力。在此基础上,应用悬臂梁理论建立了触簧系统的接触电阻和回路电阻计算模型,发现了使推杆作用点靠近动触点(或固定端)可增大配对触点接触压力进而降低触簧系统的接触电阻。然后,提出了粗糙表面触点的接触电阻数值建模方法。根据实际触点表面形貌特征提出了椭球形微凸体识别方法(MPEP),通过最小二乘法计算了微凸体的中心坐标和曲率半径,实现了触点粗糙表面的数值重构。通过探究表面分辨尺度对粗糙表面数值重构的影响,确定了识别点间距应不大于等效接触直径的1/10。在此基础上,基于微凸体接触单元建立了粗糙表面触点的接触电阻数值计算模型,并以粗糙弧面触点与光滑平面触点接触为例,明确了接触斑点数量是使得接触电阻随接触压力呈分段变化的根本原因。进一步探讨了斑点数量和尺寸对接触电阻的影响,结果表明在接触面积固定的情况下,通过提高斑点数量可有效降低触点的接触电阻。其次,为明确粗糙表面微凸体对接触斑点与真实接触面积的影响,设计并搭建了接触界面原位观测系统,实现了弧面铆钉触点与蓝宝石平板接触界面的实时观察。在此基础上,开发了接触斑点特征提取算法,实现了接触斑点分布可视化和真实接触面积计算。计算结果表明接触斑点数量增加和接触斑点汇聚扩展均会使得真实接触面积线性增长。随后,针对触点接触电阻测量困难和测试效率低的问题,创新地设计了触点接触电阻高通量精密测量系统。开发了动触点空间运动控制和触点压力柔性加载等基本模块,设计了自适应动触点夹具和多工位静触点夹持装置,提出了微弱电压信号调理技术和多模式高通量自动测量方法。进一步研究了接触电阻测量不确定度的评定方法,通过标准电阻验证了系统的测量准确性,发现了增大负载电流和接触压力均有利于降低触点接触电阻的测量不确定度。最后,提出了基于接触电阻与接触压力关系的触点电接触性能评价方法。实验研究了微型继电器用镀金触点在弱接触压力条件下接触电阻的分阶段变化规律,并从微观角度阐释了微凸体高度差异是引起接触电阻抖动下降的根本原因,进而通过提取接触电阻曲线中阶段III(过渡接触阶段)和阶段IV(线接触阶段)的特征参数实现了考虑触点表面粗糙度的电接触性能定量评价。另外,实验获取了功率型继电器用银基触点接触电阻的分段线性曲线,通过提取Ag、Ag Sn O2和Ag Ni触点接触电阻曲线的特征参数实现了触点材料宏观物理性质和表面处理工艺对电接触性能影响的定量评价。本研究对于宏观和微观尺度静态电接触理论的发展具有学术价值,同时对于触点表面状态与电接触性能的改善具有参考价值。
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