高壓直流大功率繼電器觸頭動熔焊現(xiàn)象研究.pdf

1、統(tǒng)計表明接觸系統(tǒng)失效是電磁繼電器最主要的失效模式，而接觸系統(tǒng)失效中60％以上為觸頭粘接失效。導致觸頭粘接失效的主要原因是繼電器閉合過程中觸頭發(fā)生機械回跳從而引起“液橋回跳”和“電弧回跳”，伴隨回跳過程中產(chǎn)生的高溫，動、靜觸頭材料出現(xiàn)局部熔化區(qū)域。熔化區(qū)域在最終穩(wěn)定閉合時會重新凝固而發(fā)生熔焊。當繼電器觸頭需要再次分斷時，如果電磁系統(tǒng)提供的電磁力小于熔焊力，繼電器無法正常分斷，即發(fā)生動熔焊。因此，本文針對繼電器觸頭動熔焊機理和熔焊力展開仿真

2、分析與實驗研究，提出熔焊力數(shù)值預計方法，獲得觸頭分合過程中不同因素對熔焊力的影響規(guī)律。
　　熔焊區(qū)域的體積是進行熔焊力數(shù)值預計的前提，因此，需要確定特定的電弧電壓與電流條件下，電弧回跳引起的動熔焊區(qū)域體積。根據(jù)磁流體動力學理論(MHD)建立回跳電弧電、熱作用下陰極觸頭與陽極觸頭表面熔池形成過程的數(shù)學模型，并利用FLUENT軟件建立相應的仿真模型。通過模型求解，得到熱力學平衡條件下熔池最終尺寸與體積，該熔池最終體積即為熔焊區(qū)域的體積

3、。
　　然后，利用Marc有限元軟件建立基于固體力學理論的觸頭熔焊力仿真模型，計算得到觸頭熔焊力預計值。首先，根據(jù)熔焊區(qū)域體積和尺寸建立熔焊區(qū)域幾何模型，設置觸頭材料的密度、楊氏模型以及屈服強度等物理屬性，確定動熔焊區(qū)域的固定約束與加載條件。然后，采用網(wǎng)格自動重分和自適應技術相結合的動網(wǎng)格技術實現(xiàn)熔焊區(qū)域拉斷過程中的形變模擬。最后，基于完全牛頓-拉夫遜迭代算法和Von Mises屈服準則得到熔焊區(qū)域拉斷時應力，根據(jù)拉斷應力確定動熔

4、焊力的預計值。基于該模型研究動熔焊區(qū)域體積變化，熔焊區(qū)域體積恒定但形狀變化，以及熔焊區(qū)域形狀不變但屈服強度改變等三種情況下熔焊力預計值的變化規(guī)律。利用該規(guī)律解釋了某型號產(chǎn)品熱處理不完全導致的熔焊失效問題。
　　根據(jù)觸頭動熔焊力的時域特征設計并開發(fā)熔焊力測試系統(tǒng)、分析算法及程序。該系統(tǒng)采用響應快且耐高溫的壓電式動態(tài)力傳感器直接安裝于靜觸頭后測試熔焊力；采用電荷—電壓轉(zhuǎn)換電路進行力信號調(diào)理與放大；采用高速 A/D板卡記錄熔焊力的動態(tài)波

5、形。為了研究動熔焊力與觸頭動態(tài)特性及回跳特性之間的關系，系統(tǒng)采用高精度激光位移傳感器測試動觸頭運動及回跳過程，采用高速 A/D板卡記錄動觸頭的“位移—時間”關系。最后，進行整體機械裝置優(yōu)化以保證系統(tǒng)的絕緣性以及力學穩(wěn)定性。
　　最后，利用該實驗系統(tǒng)研究觸頭開距、磁吹強度以及觸頭分斷速度等分斷參數(shù)對于觸頭動熔焊力的影響規(guī)律。通過控制觸頭開距、磁吹強度以及分斷速度三個因素單獨變化，研究各因素對熔焊力分布的影響規(guī)律。采用正交實驗方法設計