2.2. Контакты и контактные элементы

Контакт — место прохождения тока из одной токоведущей час- 1м в другую. В электрических аппаратах контактами называют так­же' токоведущие детали, при соприкосновении которых замыкает-

• н электрическая цепь.

По ГОСТ 9219—88 контакты аппаратов подразделяют на ком­мутирующие, замыкающие и размыкающие цепи в процессе работы электрооборудования; контактные соединения — на разборные сое­диняемые и разъединяемые элементы цепи при монтаже и демон- иже частей электрооборудования, и неразборные, соединяемые и разъединяемые только при изготовлении и ремонте. Применительно к тяговым аппаратам разборные и неразборные контактные соединение при работе постоянно замкнуты.

На условия токопрохождения влияет состояние контактных поверхностей. На поверхностях практически всегда имеются неровное- hi—следствие обработки, изнашивания, пластических деформа­ций. Кроме того, поверхности контактов покрыты пленкой окислов и загрязнителей, образующейся как под воздействием кислорода и озона, так и при случайном попадании на них различных загрязни­телей. Толщина такой пленки зависит от многих факторов, но обыч­но находится в пределах 10~⁶ — 10^_б мм; она имеет значительное удельное электрическое сопротивление, достигающее 10^б Ом • см.

Под воздействием силы F_K, сжимающей соприкасающиеся де­тали, на их поверхностях образуются контактные пятна — места непосредственного соприкосновения суммарной площадью s. Зависимость этой площади от давления р_к создаваемого силой F_к, представлена на рис. 2.12. Сравнительно небольшая часть тока проходит через пленку, покрывающую поверхность, основная его часть — через отдельные токопроводящие точки (токопроводящие каналы), в которых поверхностные пленки разрушены силой на­жатия или в результате электрического пробоя. Таким образом, распределение тока по соприкасающимся поверхностям неравномер­но и имеет случайный характер. При нормальном состоянии контактных поверхностей число

Рис. 2.12. Зависимость общей площади контактных пятен от давления

токопроводящих точек доста­точно велико и в пределах каждого контактного пятна примерно пропорционально его площади.

Прохождение тока только через контактные пятна при­водит к тому, что ток, рав­номерно распределенный по площади сечения контактных деталей, стягивается к кон­тактным пятнам; это вызы­вает местное повышение его плотности. Соответствен но возникает электрическое со­противление стягивания r_ст. Полное сопротивление кон­такта

r_к = r_пл + r_ст,

где - сопротивление в контактных пятнах, вызванное неполным разрушением поверхностных пленок.

Выбрав определенную форму контактных поверхностей, кон­тактному соединению можно придать требуемые свойства. Сущест­вуют три основных вида контактов.

1. Точечный контакт образуется, если контактирующим поверх­ностям придать форму сфер или сферы (рис. 2.13, а) и плоскости (рис. 2.13, б). Геометрически такие поверхности соприкасаются в точке, что и дало наименование виду контакта. Однако под воздей­ствием силы F_K происходит деформация контактных деталей, и теоретически они соприкасаются площадкой в виде окружности с радиусом а. Величина радиуса а определяется уравнением Беляева- Герца. Так, для наиболее частого случая, когда обе контактные де­тали из одного и того же материала, но одна из них имеет форму сферы радиусом R, а другая — плоскость,

(2.15)

где Е модуль упругости материала деталей.

Для тех же условий, но при сферической форме обеих поверх­ностей,

(2.16)

Предполагают, что при точечном контакте возникает лишь одно контактное пятно нерегулярной формы и для его получения необ­ходимо нажатие F_K. На самом деле, особенно при увеличении радиу­са R (рис. 2.13, в), когда увеличивается и радиус а, возможно образование нескольких контактных пятен. Радиус а можно увеличить, повышая силу F_K, но это связано с переходом от упругих деформации контактных деталей к пластическим. При этом точечный контакт теряет свои свойства и становится поверхностным. Наибольшие давление в месте соприкосновения

(2.17)

Этим определяется наибольшее допустимое значение радиуса

. (2.18)

где - предельное допустимое напряжение смятия.

У точечных контактов ограничено число и размеры контактных Uluru, что ограничивает и расчетные значения допустимых токов. И условиях тяговых аппаратов точечные контакты применяют пре­имущественно в цепях управления. При медных контактных дета* t*ix допустимые токи в месте контакта I_д 6 8 А; при контактах, выполненных из серебряных сплавов, I_д 100 120 А.

2. Линейный контакт образуется, если контактирующие поверхности имеют цилиндрическую форму и соприкасаются по образующим(рис. 2.14, а) или цилиндрической образующей с плоскостью (рис. 2.14,6). Соприкасаются такие поверхности по прямой линии.

Сжатие контактов силой F_K сопровождается их деформацией и превращением контактной линии в площадку, имеющую приблизительно форму прямоугольника (рис. 2.14, в). Его большая сто­рона равна ширине контакта b, а меньшая определяется как:

(2.19)

Числовой коэффициент перед знаком радикала возрастает по мере увеличения R. Его значение 0,2 относится к случаю соприкосновение цилиндра с плоскостью. Обычно в тяговых аппаратах \ 0,1 0,3 мм.

И действительности ток проходит не по всей поверхности сопри­косновения, а через отдельные контактные пятна (см. рис. 2.14, в).

Рис. 2.13. Точечный контакт Рис. 2.14. Линейный контакт

Рис. 2.15. Поверхностные контакты:

в —стыковой; б — клиновой; в — ножевой; г — штепсельный

Их число и площадь зависят от состояния поверхностей контакти­рующих деталей.

Наибольшая допустимая сила F_{K ma}x определяется наибольшим давлением

(2.20)

Для того чтобы не возникало пластических деформаций, должно выдерживаться условие .Теоретически линейные кон­такты можно использовать при любых токах, так как число кон­тактных пятен и их общая площадь увеличиваются с увеличением ширины контактов Ь. Однако значение Ь, особенно если контакти­руют две цилиндрические поверхности, ограничивается трудностью обеспечения точной параллельности их осевых линий. При взаим­ном перекосе длина поверхности соприкосновения уменьшается почти до нуля. Поэтому в тяговых аппаратах обычно принимают b 25 30 мм. Если необходимо увеличивать их ширину, приме­няют не одну, а несколько контактных пар, соединяя их парал­лельно.

При линейном контакте сравнительно просто место первоначаль­ного соприкосновения контактных деталей при замыкании и их раз­мыкании отдаляется от места рабочего соприкосновения. Кроме того, успешно осуществляется самозачистка (притирание) контакт­ных поверхностей. Поэтому линейные контакты являются основ­ными в силовых цепях коммутационных тяговых аппаратов. При то­ках более 1—2 кА применяют поверхностные контакты.

3. Поверхностными контактами (рис. 2.15) называют такие, в которых предусмотрено геометрическое соприкосновение контакт­ных деталей по какой-то поверхности даже при отсутствии силы F_к, Поверхностные контактные соединения появились ранее других видов контактов, постепенно уступая им место в коммутирующих аппаратах. В тяговых аппаратах их используют преимущественно

как разборные.

Поверхностные контакты соприкасаются не всей поверхностью, контактными пятнами. Количество, площадь и расположение контактных пятен случайны и зависят преимущественно от состояния контактирующих поверхностей и от давления, создаваемого силой нажатия F_K. Для стыкового контакта и некоторых других типов ми давление

(2.21)

где S — площадь контакта.

В разборных контактных соединениях увеличение суммарной площади контактных пятен достигается в результате пластических деформаций контактных поверхностей. Для этого контактные поверхности покрывают слоем более мягкого металла — лудят их мягкими припоями. При плоскостных, в частности стыковых контактах, как правило, наряду с более мелкими возникают три явно выраженных основных контактных пятна. Это следствие статической уравновешенности системы на трех опорах.

И контактах любых видов возникают местные переходные сопро­тивления которые обычно называют контактными. Эти сопротивление по своей природе относятся к случайным величинам. Они зависят от материала контактных деталей, состояния контактных поверхностей (их обработки, степени окисления и загрязнения),

• илы нажатия и ее распределения по контактной поверхности. Эмпи­рически для контактов всех видов установлена следующая зависи­мость:

(2.22)

где _к — коэффициент контактного сопротивления, зависящий от материла контактных деталей (контактной пары), значения которого приведены в шГ>л. 2.6; т — показатель, определяющий степень зависимости контактного сопротивление от силы F_K (для точечных контактов т 0,5, для линейных m 0,7 0,85 и для поверхностных m ).

В табл. 2.6 наименьшие значения относятся к абсолютно чистым поверхностям, наибольшие — к их предельным эксплуатационным состояниям. Относительные значения коэффициентов

,

Где = 0,8 1 Ом Н—коэффициент контактного сопротивления для контактной пары из абсолютно чистой меди.

Соответственно r_к = к_мк

При выборе материала контактных деталей учитывают не только сопротивления чистых контактов, но и изменения этих сопротивле­ний при окислении контактных поверхностей. Окислы большинства металлов обладают значительно большими контактными сопротив­лениями, чем металлы, т. е. чистые поверхности. Наихудшие свой­ства в этом отношении имеет алюминий, который практически нельзя использовать для коммутирующих аппаратов, исключая те случаи, когда контактная деталь непрерывно механически зачищается при работе (например, контактные вставки токоприемников).

Наименьшая разница между контактными сопротивлениями окисленных и неокисленных контактов присуща серебру. Так, до температур 180 °С на поверхности серебра образуется очень тонкий слой окисла Ag₂0, не ухудшающий существенно свойства кон­такта. При температуре выше 180 °С окисел разлагается на исход­ные элементы. Аналогичными свойствами, но в меньшей степени обладает олово. Серебро и олово в чистом виде для контактов не применяют.

По усредненным опытным данным получена зависимость r_K(F_K) для линейного контактного соединения при разных материалах кон­тактных деталей (рис. 2.16). Наряду с медными и серебряными испытаны некоторые металлокерамические контакты, полученные спеканием смеси порошков проводниковых металлов (серебра, ме­ди) с порошками материалов, имеющих высокие тепло- и износо­стойкость (вольфрам, окислы различных металлов).

Для разборных контактных соединений с поверхностным кон­тактом применяют преимущественно Луженые медные наконечники, основные типы которых представлены в табл. 2.2. Большинство коммутирующих контактов силовых цепей изготовляют из твердо­тянутой профильной меди, обладающей сравнительно высокой твердостью и износостойкостью. В тяговых аппаратах также полу­чают все большее распространение контакты с металлокерамичес­кими напайками. Они повышают долговечность контактных дета­лей приблизительно в 2—3,6 раза по сравнению с медными контак­тами. При их применении в результате меньшего износа лучше со­храняются первоначальные форма и размеры, т. е. более стабильны и основные характеристики аппарата.

В цепях управления применяют скользящие пальцевые контакт­ные соединения (они состоят из неподвижного стального контак-

Рис.2.16 Зависимости сопротивлений линейных металлокерамических контактов при b = 20 мм:

MВ-70 (медь—вольфрам); 2 — СВ-50 (серебро — вольфрам); В — медь и СОК-15 (серебро-окись кадмия); 4 — СВ-70; 5 —CGM-10 (серебро-окись меди); 6 — серебро.

Рис. 2.17. Допустимые падения напряжения контактных соединений коммутирующих (кривая 1), разборных и неразборных (кривая 2)

На пружины и подвижного медного), а также стыковые одиноч­ные или мостиковые контакты с серебряными напайками.

И тяговых аппаратах состояние контактов имеет по существу ( I у чайный характер, поэтому состояние их необходимо периоди­чески проверять. Основной показатель качества контактного соеди­нении падение напряжения в нем I'm- ‘Л10. Зависимости сопротивлений линейных металлокерамических кон-

U_K = Ir_K.

Удовлетворительному состоянию контактных соединений соот­ветствуют при номинальном токе аппарата I_ном допустимые паде­ния напряжения

r_K

Значения для коммутирующих, разборных и не разборных контактных соединений, приведенные на рис. 2.17, яв­ляются предельными: их нельзя превышать.