КОНТАКТ-ДЕТАЛЬ НИЗКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО РЕЛЕ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к электрическим контактам низковольтных электрических реле, в частности реле железнодорожной автоматики.
Для обеспечения условий безопасности во всех устройствах железнодорожной автоматики, обеспечивающих безопасность движения подвижного состава, применяются реле первого класса. Для этого они должны удовлетворять, при наличии в электрической цепи постоянного тока 2 А и 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).
Известны и широко применяются реле, в которых контакт-деталь для фронтовых контактов представляет собой элемент, в виде тела вращения, выполненный методом порошковой металлургии из композиции серебро -графит, запрессованную в держатель в виде чашеобразной наклепки,указанная композиция содержит 38-44% серебра (ТУ 16-538.158-72) (Сороко В.И., Милюков В.А. Аппаратура железнодорожной автоматики и телемеханики: Кн.1 НПФ «Планета», 2000 - стр. 256).
Недостаткам контактов являются: нестабильность переходного сопротивления. На стадии приработки в паре с серебром, сопротивление составляет 0,1 Ом, в процессе эксплуатации может скачкообразно увеличиваться до 0.3 Ом, затем опять уменьшиться. Имеется большой разброс по коммутационному ресурсу (количеству срабатываний контактов) от 1,4 до 2,0 млн. Разброс коммутационного ресурса обусловлен технологическими условиями закрепления контакт-детали в держателе. Большой разброс по размерной точности изготовления контактов (недостаток изготовления изделий методом порошковой металлургии) не позволяет создавать идентичные условия закрепления контакт-деталей в держателе.
Электрический контакт между стенками чашеобразного держателя и контакт-деталью обеспечивается за счет упругого прижатия кромок чашеобразного держателя к поверхности контакт-детали. Чтобы обеспечить стабильный электрический контакт, за счет действия сил упругости стенок чаши, необходимо приложить значительные усилия для деформации стенок чаши и материала контакт - детали. Проконтролировать усилия необходимые для деформации стенок при обжатии чашеобразного держателя практически невозможно, т.к. обжатие чаши происходит на прессе, и усилие обжатия задается ходом пуансона пресса. Поскольку все детали выполнены с определенным допуском на размеры, то усилия обжатия на каждой детали получаются различными, поэтому чтобы создать надежный контакт идут по пути повышения прочностных свойств материала, создавая необходимый запас прочности контакт - детали при ее деформировании в процессе запрессовки. Увеличение прочностных свойств возможно за счет увеличения металлической составляющей в композиции серебро-графит, что не желательно, т.к. появляется вероятность сваривания контактов.
Нестабильность свойств также связана со свойствами материала и технологией изготовления контакт деталей. Установлено, что в разнородной контактной паре, где один из контактов которой выполнен из чистого серебра, а второй из серебро-графит содержащей композиции, уменьшение серебра в композиции с 55% (марка СГ) до 40% (марка СГ-60 - вариант 112Д -ВАР 112Д) приводит к увеличению износостойкости контактной пары, а именно, к увеличению числа срабатываний с 200 тыс.до 1,4-2 млн. Дальнейшее снижение серебра в композиции графит - серебро не приводят к повышению износостойкости и уменьшению переходного сопротивления с сохранением стабильности этих параметров в процессе эксплуатации контактов (Дымковский Н.В., Милованова Ю.В. Электрические контакты на железнодорожном транспорте. Электротехника, - 1965, №10, с. 33.). Это обусловлено качественным состоянием графита, который находится в составе композиционного материала (сажа, графит, пек каменноугольный, бакелитовый лак), которое не позволяет получать постоянные электротехнические и механические свойства материала по технологии порошковой металлургии. Уменьшение графитовой составляющей в композиционном материале, ведет к удорожанию материала, и приводят с одной стороны к повышению стабильности свойств, но значительно увеличивают свариваемость контактов.
Известна контакт-деталь, способ и инструмент ее изготовления из мелкозернистого плотного графит, полученного высокотемпературной технологией, свойства которого удовлетворяют требованиям, предъявляемым к контактным материалам. Контакт-деталь из композиционного материала в виде тела вращения ограничена боковой поверхностью с образующей, состоящей из прямолинейных и (или) криволинейных отрезков, и двумя параллельными поверхностями оснований, выполнена из мелкозернистого плотного графита с удельным электрическим сопротивлением не более 16,0 мкОм⋅м, прочностью на сжатие не менее 60 МПа, зольностью не более 0,3% и объемной пористостью не более 20%, удельное электрическое сопротивление и прочность на сжатие контролируют в направлении оси тела вращения. Способ изготовления контакт-детали заключающийся в том, что готовят плоскую заготовку из спеченного мелкозернистого графита с определенными свойствами, толщиной, равной высоте контакт-детали, устанавливают заготовку в приспособление и с одной стороны вырезают часть контакт-детали, затем заготовку переустанавливают и вырезают оставшуюся часть контакт-детали с другой стороны, базирование заготовки при переустановке осуществляют по поверхностям ранее вырезанной части контакт-детали. Инструмент для изготовления контакт-детали, состоит как минимум из одного режущего элемента, смещенного относительно оси вращения инструмента, режущие кромки которого при его внедрении в заготовку формообразуют боковую поверхность контакт-детали (Патент RU2420823 по заявке 2009124800 от 30.06.2009 г. МПК Н01Н 1/021).
Данное техническое решение позволяет повысить износостойкость контакт детали, исключить возможность сваривания контактов, и точность Изготовления контакт детали. По мере износа контактов, содержание металлических продуктов износа в контактной зоне не увеличивается, что стабилизирует переходное сопротивление между контактами. Использование мелкозернистого плотного графита, меняет всю традиционную технологию изготовления композиционных контакт-деталей, когда каждая контакт-деталь изготавливается методом порошковой металлургии (стр. 191-192. Г.А. Либенсон. Производство порошковых изделий М. Метллургия. 1980.-240). Это связано с тем, технология изготовления мелкозернистого плотного графита значительно отличается от технологии получения контакт деталей получаемых методом порошковой металлургии. Высокая прочность на сжатие мелкозернистого плотного графита позволяет повысить качество закрепления контакт детали в держателе.
Недостатком данного технического решения является высокое удельное сопротивление контакт детали. Это объясняется отсутствием в основе материла контакт-детали токопроводящих металлов.
Известен способ изготовления электрических контактов на основе графита и металлических добавок, заключающийся в получении заготовок размерной обработкой, где одним из физических или химических методов осаждения металлов вносят в основу металлические добавки, а в случае образования сплошного слоя на поверхности, предназначенной для контактирования с ответным контактом, методом размерной обработки удаляют этот слой (RU 2380781 по заявке 2008139279 от 03.0208 г. МПК Н01Н 1/02).
Недостатком данного способа является то, что металлические добавки, распределенные в объеме основы дискретно и неравномерно, имеют максимальную концентрацию в поверхностных слоях и уменьшаются от поверхности вглубь основы до нуля, а при образовании сплошного слоя металла на поверхности, предназначенного для контакта с ответной поверхностью другого контакта, необходимо удалять этот слой.
2
Известен способ изготовления электрического контакта, заключающийся в том, что первоначально методом размерной механической обработки изготавливают контакт-деталь из мелкозернистого плотного графита, контакт-деталь пропитывают водным раствором нитрата серебра, помещают в контейнер, засыпают древесным углем, проводят восстановительное прокаливание при температуре не выше плавления серебра, при этом перед пропитыванием проводят предварительную дегазацию контакт-детали и раствора нитрата серебра в течение 20-25 мин, контакт-деталь помещают в раствор нитрата серебра, пропитывают по режиму: в вакууме - 7…10 мин, при атмосферном давлении - 1…2 мин, повторяют смену вакуум - атмосфера в течение 30-40 минут, проводят восстановительное прокаливание по режиму: нагрев в течение 75-80 минут до температуры 100°-105°С, выдержка не менее 60 минут, нагрев до 465°-470°С в течение 150-160 минут, выдержка при данной температуре не менее 3 часов, охлаждение до 370°-375°С в течение 30-35 минут, и до 270°-275°С в течение 50-60 минут, и до 170°-175°С в течение 150-160 минут, выгружают контакт-деталь при температуре в печи не более 110°С, проводят пропитку контакт-детали водным раствором нитрата серебра с последующим восстановительным прокаливанием по приведенному режиму 2…3 раза, контролируя привес массы, по достижению привеса массы контакт-детали не менее 7% пропитку контакт-детали водным раствором нитрата серебра с последующим восстановительным прокаливанием прекращают, затем проводится фиксирующий отжиг по режиму: нагрев в течение 150-160 минут до температуры 465°-475°С, выдержка 45-50 минут, нагрев до 870°-875°С в течение 130-135 минут и выдержка не менее 50 минут, охлаждение до 370°С в течение 115-120 минут, до 270°С в течение 50-60 минут, до 170°-175°С в течение 150-160 минут, выгружают контакт-деталь при температуре в печи не более 110°С. Кроме этого, концентрация водного раствора нитрата серебра равна не менее 50%, а предварительную дегазацию контакт-детали и раствора нитрата серебра, пропитку контакт-детали водным раствором нитрата серебра проводят при достижении вакуума ≤-1,0 кгс/см. Для практической реализации заявляемой контакт-детали и способа ее изготовления использовали в качестве материала основы конструкционный графит марки МПГ7, имеющий объемную пористость 18%, удельное электросопротивление 12 мкОм⋅м, прочность на сжатие не менее 60 МПа, зольность не более 0,3% (RU 2451355 по заявке 2011112313 от 31.03.2011 г. МПК Н01Н 1/02, МПК Н01Н 11/06).
Предлагаемый способ насыщения контакт-детали металлическим серебром позволил получить равномерное распределение в порах графитовой основы чистого серебра, при этом заполнение пор металлическими частицами составило не менее 7% по массе. В результате такого заполнения пор произошло контактирование между собой частиц с образованием отдельных цепочек, имеющих хорошую прочность сцепления с внутренней поверхностью пор. Такое распределение металлического серебра привело к снижению удельного электрического сопротивления и, как следствие, к снижению контактного электрического сопротивления. Кроме этого, повысилась механическая прочность контакт-детали.
Недостатком данного технического решения является:
- 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.
Данные недостатки были исследованы в работе («Контакты в реле железнодорожной автоматики» авторов Н.И. Пивоварчик, B.C. 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).
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.
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.
Известно техническое решение, направленное на устранение указанных недостатков. Электрические контакты на основе графита, состоят 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. (RU 170476 по заявке 2016103009 от 21.01.2016 г., МПК Н01Н 1/00).
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.
2
При формировании граничного ионного слоя ПАВ, происходит покрытие всех неровностей поверхности контакта, включая внутренние стенки пор. Граничный слой формируется на отдельных микрочастицах графита и 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. На работающих реле, при отсутствии электрической нагрузки на графитовых контактах, имеющих граничный анионный слой ПАВ, процесс образования окисной пленки уменьшится. Наличие механического действия на контакты приводит к микроскопическим разрушениям графитовых материалов, которые остаются в зоне контакта, из которых в дальнейшем происходит образование диэлектрических пленок. 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, 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. 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.
Недостатком данного технического решения является отсутствие в основе токопроводящих материалов с высокой электропроводностью.
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 повышении механической прочности и износостойкости контактов, в стабилизации контактного сопротивления на контактах реле, из пористого мелкозернистого графита, поры которого наполнены металлами, как в работающих контактах реле, так и контактах реле периодически работающих без электрической нагрузки, а также реле находящихся на хранении.
Технический результат достигается контакт-деталь низковольтного электромагнитного реле, состоящей из основы в виде тела вращения, ограниченного боковой поверхностью и двумя параллельными поверхностями оснований, из пористого мелкозернистого графита, объемной пористостью не более 20%, наполненных серебром, массовая доля которого составляет 6-9% и адсорбированного граничного слоя поверхностно-активного вещества, из анионов ди-(алкилполиэтиленгликолевого) эфира фосфорной кислоты. Кроме этого граничный слой получен из спиртового раствора ди-(алкилполиэтиленгликолевого) эфира фосфорной кислоты, граничный слой получен из водного раствора ди-(алкилполиэтиленгликолевого) эфира фосфорной кислоты, основа имеет удельное электрическое сопротивление не более 16,0 мкОм-м, прочность на сжатие не менее 60 Мпа, удельное электросопротивление и прочность на сжатие контролируют в направлении оси тела вращения контакт-детали, графит имеет зольность не более 0,3% масс, боковая поверхность контакт детали образована вращающимся режущим инструментом.
Авторами предлагаемого технического решения установлено, что наполнение пор основы металлами с высокой электропроводностью, оказывает влияние на стабильность контактного электрического сопротивления, механическую прочность материала основы. Наполнение пор может быть выполнено различными металлами (серебро, медь и другие) и различными технологическими способами. Уровень заполнение пор в основе, распределение материала наполнителя в объемах основы, какой материал должен находиться в порах и способ наполнения пор определяются в зависимости от условий и режимов работы реле. В данном случае, для устройств железнодорожной автоматики, обеспечивающих безопасность движения подвижного состава, использующих реле первого класса, наполнение пор должно проводиться чистым серебром в количестве 6-9% масс, находящегося в порах графитовой основы, в виде отдельных вкраплений, имеющих хорошую прочность сцепления с внутренней поверхностью пор, контактирующих между собой с образованием отдельных цепочек. Такое наполнение пор чистым серебром способствует повышению механической прочности и износостойкости контактов, и стабилизации контактного электрического сопротивления на контактах реле.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена контакт-деталь низковольтного электромагнитного реле. Контакт-деталь состоит из основы 1 выполненой в виде тела вращения, ограниченного боковой поверхностью и двумя параллельными поверхностями оснований и адсорбированного граничного слоя 2 поверхностно-активного вещества.
Для практической реализации заявляемой контакт-детали низковольтного электромагнитного реле, в качестве материала основы используется конструкционный графит марки МПГ7, имеющий объемную пористость 18%, удельное электросопротивление 12 мк⋅Омм, прочность на сжатие не менее 60 МПа, зольность не более 0,3%. Наполнение пор основы металлическим серебром проводили вакумированием контакт-деталей в 50% раствора нитрата серебра, последующей промывкой в дистиллированной воде, просушиванием, и восстановительным прокаливанием в атмосфере углерода до получения привеса массы контакт-детали 7 мас. %, с частицами серебра образующих в порах отдельных металлические цепочки. Полученные контакт-детали имели пониженное удельного электрического сопротивления и повышенную механическую прочность. Далее на поверхности электрического контакта из водного раствора (возможно формирование из спиртового раствора) формировали граничный слой из анионов ди-(алкилполиэтиленгликолевого) эфира фосфорной кислоты марки КД-6 поверхностно-активного вещества (ПАВ) оксифоса. При смачивании поверхности контакта раствором ПАВ происходит прилипание гидрофобных остатков к неровностям контактной поверхности, образуя защитный электрически нейтральный слой. В дальнейшем, при испарении воды, образовывались слои ионов с направлением гидрофобного остатка молекул наружу, образуя гидрофобизированную электрически нейтральную поверхность. При формировании граничного ионного слоя ПАВ, происходит покрытие всех неровностей поверхности контакта, включая внутренние стенки пор. Также происходит обезжиривание поверхности, и дальнейшая адсорбция поверхностью контакта микроскопических капель из газообразных веществ, находящихся в атмосфере, не происходит.
Таким образом, предлагаемая контакт-деталь низковольтного электромагнитного реле имеет не высокую трудоемкость изготовления, повышенную механическую прочность и коммутационную стойкость, повышенную стабильность переходного электрического сопротивления в процессе коммутаций, как в работающих контактах реле, так и контактах реле периодически работающих без электрической нагрузки, а также реле находящихся на хранении.