ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТАКТ НА ОСНОВЕ ГРАФИТА

Полезная модель относится к устройствам железнодорожной автоматики, в частности к электромагнитным реле первого класса надежности типов НМ, НМШ и РЭЛ, имеющим контакты из графита.
Во всех устройствах железнодорожной автоматики, обеспечивающих безопасность движения поездов, применяются реле первого класса. Электромагнитные реле должны исключать опасные отказы. Для этого они должны удовлетворять, при наличии в электрической цепи постоянного тока 2 А, при напряжении 24 В или переменного тока 0,5 А и напряжении 220 В (согласно имеющимся эксплуатационном техническим требованиям (ЭТТ)) следующим основным требованиям:
- фронтовые и общие контакты не должны свариваться при любых условиях эксплуатации. Для фронтовых контактов применяется графит с металлическим наполнением (в основном серебро), а для общих и тыловых контактов серебро или его сплавы;
- переходное сопротивление фронтовых контактов не более 0,3 Ом, тыловых контактов не более 0,03 Ом;
- скольжение контактов, для их самоочистки, у фронтовых контактов должно быть не менее 0,25 мм, а у тыловых контактов не менее 0,2 мм;
- контактное давление фронтовых контактов не менее 0,294 Н (30 гр.), а тыловых контактов не менее 0,147 Н (15 гр.);
- реле должно устойчиво работать при температуре окружающего воздуха от -40 до +60°С и относительной влажности до 95% (Сороко В.И., Милюков В.А. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики: Справочник: в 2 кн. Кн. 1, - 3-е изд. - М.: НПФ «Планета», 2000).
В работе («Контакты в реле железнодорожной автоматики» авторов Н.И. Пивоварчик, В.С. Фадеев, Интернет ресурс http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/63587) проведены исследования переходного сопротивления контактов реле с графито-серебряными контактами. Исследования переходного контактного сопротивления проводились на работающих реле, имеющих различные электрические и механические нагрузки, а также на работающих реле без электрических нагрузок (холостой прогон), кроме этого исследовалось переходное сопротивление на контактах реле, находящихся на хранении (не работающих). Получены следующие результаты:
- при различных нагрузках, как механических, так и электрических, переходное сопротивление, в основном, увеличивается. По мере износа сопротивление растет незначительно, находясь в пределах допуска;
- при длительном хранении не работающих реле переходное сопротивление контактов реле с графито-серебряными контактами увеличивается;
- при работе реле, без электрических нагрузок, переходное контактное сопротивление контактов увеличивается и может превышать допустимые значения.
Исходя из требований ЭТТ, контакты в процессе работы должны самоочищаться, что и происходит при работе реле под нагрузкой. При замыкании и размыкании контактов, при образовании электрической дуги, происходит эрозия графитовых контактов. Относительное перемещение контактов приводит к появлению новых окисленных поверхностей, с более высоким контактным электрическим сопротивлением. Это отражают полученные результаты, незначительный рост контактного электрического сопротивления.
Основной причиной нестабильного электрического контактного сопротивления, при длительном хранении и работе реле при отсутствии электрических нагрузок является образование окисных пленок на поверхности контакта с участием различных веществ, находящихся в атмосфере и плохо проводящих электрический ток.
Решение проблемы по стабилизации и снижению электрического контактного сопротивления контактов реле путем увеличения контактного нажатия (давления), и увеличения длины пути скольжения контактов неприемлемо, такое решение ведет к изменению ЭТТ, и конструктивному изменению реле, что недопустимо.
В работе «Электрические контакты», авторы Н.К. Мышкин, В.В. Кончин, М. Браунович на стр. 484 со ссылкой на автора Сеноуси A (Senouci А) и др.» приводят дополнительный фактор влияния электрического поля на износ и изменение контактного электрического сопротивления в контакте графит-медь. «При трении без электрического поля (в нашем случае это работа контактов без электрической нагрузки) базовые поверхности графита в пересеченном слое ориентированы по направлению скольжения (фиг. 1). При включении тока электрическое поле поворачивает базовые поверхности графита, стремясь увеличить электрическую проводимость. Это было зафиксировано с помощью АСМ. Плоскости графита ориентированы перпендикулярно, когда ток превышает критическую величину, создавая эффективное электрическое поле в контакте (фиг. 2)». Приведенные результаты исследований говорят о том, при скольжении контактов, один из которых выполнен из графита, без электрической нагрузки, на поверхности образуются микрочастицы графита с ориентированием базовых плоскостей по направлению скольжения, образуя диэлектрические пленки. При многократном проскальзывании металлического контакта на поверхности графита диэлектрические пленки формируются в виде островков. Такая контактная поверхность обладает повышенным контактным сопротивлением. Решение проблемы снижения контактного сопротивления путем увеличение электрического тока, электрическое поле которого развернет базовые поверхности графита и уменьшит контактное электрическое сопротивление, неприемлемо из необходимости изменения ЭТТ.
В работе («Электрические контакты», авторы Н.К. Мышкин, В.В. Кончин, М. Браунович стр. 16-19, 82-83) предлагается формировать дополнительные граничные слои на твердой поверхности контакта путем нанесения смазочного материала. В качестве смазочных материалов предлагается использовать, как газообразные, жидкие, так и твердые материалы. Основным механизмом формирования граничных слоев является адсорбция (физическая и химическая). В процессе химической адсорбции энергия взаимодействия достаточно велика (80-400 кДж/моль) и на поверхности обычно формируется монослой, который удаляется с большим трудом даже при высокой температуре. При нанесении поверхностно-активных веществ (ПАВ) имеет место проникновение активных молекул среды по микротрещинам на некоторую глубину во внутреннюю поверхность твердого тела, что приводит к резкому снижению предела текучести поверхностного слоя твердого тела (рис. 1.2, стр. 18, Там же). В данном случае формируются контакты, состоящие из основы и граничного слоя из адсорбированных молекул поверхностно-активного вещества. Однако в данной работе нет указаний, какой вид молекулярного слоя необходимо формировать на поверхности контакта с целью стабилизации контактного сопротивления реле, находящихся на хранении, и контактах реле, работающих без электрических нагрузок.
Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Задачей заявляемого технического решения является повышение надежности работы электромагнитных реле первого класса надежности типов НМ, НМШ и РЭЛ.
В процессе решения поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в стабилизации контактного сопротивления на графитовых контактах реле, находящихся на хранении, и контактах реле, периодически работающих без электрической нагрузки.
Указанный технический результат достигается электрическим контактом на основе графита, состоящим из основы и адсорбированного граничного слоя поверхностно-активного вещества, при этом адсорбированный граничный слой состоит из анионов ди-(алкилполиэтиленгликолевого) эфира фосфорной кислоты марки КД-6. Кроме этого граничный слой получен из спиртового раствора ди-(алкилполиэтиленгликолевого) эфира фосфорной кислоты марки КД-6, граничный слой получен из водного раствора ди-(алкилполиэтиленгликолевого) эфира фосфорной кислоты марки КД-6.
На работающих реле, при отсутствии электрической нагрузки на контактах, на процесс образования окисной пленки накладывается механическое взаимодействие контактов, приводящее к микроскопическим выкрошиваниям графитовых материалов, которые остаются в зоне контакта. При включении в электрическую сеть таких контактов происходит пробой поверхностных пленок, контакты начинают самоочищаться и переходное электрическое сопротивление снижается. Однако следует отметить, что такое снижение электрического сопротивления не происходит при первом замыкании контактов, а происходит постепенно. Такая задержка снижения контактного сопротивления во времени может привести к отказам систем автоматики. Реле железнодорожной автоматики конструктивно имеют большое число контактов. При работе реле некоторые контактные пары работают «вхолостую». Такой режим работы может продолжаться некоторое время, а потом на такие контактные пары подается электрическая нагрузка и они должны, при замыкании, иметь электрическое сопротивление в пределах нормы. Предварительная «тренировка» данных контактов под электрической нагрузкой не производится. Поэтому очень важно, чтобы реле начинало нормально работать с первого замыкания контактов.
Проведенные авторами данного технического решения исследования контактных поверхностей графитовых контактов выявили следующее. Толщина вторичных пленок, образующихся на поверхности контакта при его работе без электрической нагрузки, составляет десятые доли микрон, пленки очень слабо удерживаются на поверхности. Поверхности контактов, выполненных из графита, имеют большое число пор, неровностей, развитую рельефную микроструктуру, отдельные микрочастицы не связаны механически с поверхностью, а удерживаемых на поверхности за счет статического электричества. Кроме этого за счет адсорбции поверхностью контакта микроскопических капель газообразных веществ, находящихся в атмосфере, на поверхности образуются поверхностные соединения, нерастворимые в воде и имеющие повышенное электрическое сопротивление (фиг. 3 и 4).
2
2
n
В данном техническом решении предлагается на поверхности электрического контакта формировать граничный слой из анионов ди-(алкилполиэтиленгликолевого) эфира фосфорной кислоты марки КД-6 поверхностно-активного вещества (ПАВ) оксифоса, структурная формула [RO(CHCHO)] 2Р, где R - алкильная группа, содержащая 8-10 атомов углерода; n в среднем равно 6. Для формирования ионных слоев ПАВ используют водные и спиртовые растворы. При растворении в воде ПАВ происходит диссоциация молекул на ионы, имеющие гидрофобные остатки (хвосты). При смачивании поверхности контакта раствором ПАВ происходит прилипание гидрофобных остатков к неровностям контактной поверхности, образуя защитный электрически нейтральный слой. В дальнейшем, при испарении воды, образуются слои ионов с направлением гидрофобного остатка молекул наружу, в результате образуется гидрофобизированная электрически нейтральная поверхность.
При формировании граничного ионного слоя ПАВ, происходит покрытие всех неровностей поверхности контакта, включая внутренние стенки пор. Граничный слой формируется на отдельных микрочастицах графита, а также на капельках конденсированных газообразных веществ, находящиеся на поверхности. Поскольку ионы ПАВ притягиваются головной частью к поверхности контакта и частицам, находящимся на поверхности, поверхность контакта становится электрически нейтральной. Кроме этого происходит обезжиривание поверхности, и дальнейшая адсорбция поверхностью контакта микроскопических капель из газообразных веществ, находящихся в атмосфере, не происходит.
2
На работающих реле, при отсутствии электрической нагрузки на графитовых контактах, имеющих граничный анионный слой ПАВ, процесс образования окисной пленки уменьшится. Наличие механического взаимодействия контактов приводит к микроскопическим выкрошиваниям графитовых материалов, которые остаются в зоне контакта, из которых в дальнейшем происходит образование диэлектрических пленок. Ранее отмечалось (Senouci А.), что при многократном проскальзывании металлического контакта по поверхности графита формируются диэлектрические пленки в виде островков. Приведенные авторами исследования графитовых контактов, имеющих граничный слой из анионов ПАВ, показали (фиг. 4), что количество пленок значительно уменьшается, образование островков практически отсутствует, а сформировавшиеся островки по площади имеют малый размер (менее 5 мкм). Такая контактная поверхность обладает стабильным контактным сопротивлением. Если применить механизм Senouci А. то получается, что при включении тока электрическое поле поворачивает базовые поверхности графита, стремясь увеличить электрическую проводимость. Для ориентации перпендикулярно плоскостей графита, не требуется увеличивать силу тока, достаточно значений тока в пределах нормативного значения. Такой механизм работы контактов реле, имеющего граничный анионный слоя ПАВ на поверхности, согласуется с уменьшением количества и размеров базовых поверхностей графита, ориентированных в плоскости движения контактов, и проведенными исследованиями по определению переходного контактного сопротивления.
Результаты исследований представлены в таблице 1, где представлено контактное электрическое сопротивление контактной пары реле в Ом, полученные после формирования на контактной поверхности анионного слоя ПАВ.
Данное техническое решение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана ориентация кристаллитов в направлении скольжения после работы в нормальной атмосфере без электрического тока (Senouci А.). Здесь 1 - металлический (медный) контакт, 2 - зона графитового контакта с высокой ориентацией плоскостей микропленок графита в направлении относительного перемещения контактов. Стрелками показано направление скорости движения и направление силы контактного давления.
На фиг. 2 показана дезориентация кристаллитов электрическим током выше критической величины (Senouci А.). Здесь 1 - металлический (медный) контакт, 3 - зона графитового контакта с высокой дезориентаций плоскостей микропленок графита электрическим полем, создаваемым электрическим током в момент замыкания контактов. Стрелками показано направление силы контактного давления.
На фиг. 3 и 4 показана поверхность графитового контакта, на поверхности которого образовались плоскости микропленок графита в результате относительного перемещения контактов без электрической нагрузки, имеющие повышенное электрическое сопротивление. Здесь 4 - плоскость графитового контакта, имеющая микропленки графита в виде островков, 5 - плоскость графитового контакта, не имеющая микропленки графита.
2
2
n
Опытная партия контактов реле с графитовыми контактами, на поверхности которых сформирован граничный слой из анионов ПАВ водного раствора ди-(алкилполиэтиленгликолевого) эфира фосфорной кислоты марки КД-6 из [RO(CHCHO)] 2Р, где R - алкильная группа, содержащая 8-10 атомов углерода; n в среднем равно 6, проходят производственные испытания в системе автоматики и телемеханики на дорогах ОАО РЖД.
.