CN111347187B - 用于触点材料熔焊模拟的试验装置及过程参数测量方法 - Google Patents

Abstract

用于触点材料熔焊模拟的试验装置及过程参数测量方法，属于电工材料技术领域。本发明是为了解决由于无法获得触点材料熔焊过程中的关键参数变化，造成对触点材料熔焊方面的研究受限的问题。包括基座、工业相机、动触点安放单元和静触点安放单元，工业相机、动触点安放单元和静触点安放单元均设置在基座上；动触点安放单元用于实现动触点试件的安装测试，使动触点试件可沿空间坐标系的X轴方向运动；静触点安放单元用于实现静触点试件的安装测试，使静触点试件可沿空间坐标系的三个维度方向调整位置，并与动触点试件位置相对应；工业相机用于获取每一次试验后静触点试件熔焊痕迹的图像。本发明用于实现触点材料熔焊的模拟。

Description

用于触点材料熔焊模拟的试验装置及过程参数测量方法

技术领域

本发明涉及用于触点材料熔焊模拟的试验装置及过程参数测量方法，属于电工材料技术领域。

背景技术

触点是各类高低压电器开关内部完成导通和分断电流的执行部件。触点材料熔焊问题一直受到电工材料界和科学界的关注，了解触点材料熔焊焊核的变化特性以及触点电流和触点压力对触点材料熔焊的影响成为业界最为关注的前沿问题。

目前，由于触点材料熔焊试验装置无法同时提供监测获得熔焊过程中的关键参数变化的技术手段，致使对触点材料熔焊方面的研究还存在一定的局限性。所述关键参数包括触点熔焊力、触点熔焊面积、触点压力、触点电流及等触点材料熔焊焊核的变化特性。

因此，需要提供一种装置来实现触点材料熔焊模拟，并能够同时获得触点材料熔焊焊核及相关关键参数的变化特性。

发明内容

本发明是为了解决由于无法获得触点材料熔焊过程中的关键参数变化，造成对触点材料熔焊方面的研究受限的问题，提供了一种用于触点材料熔焊模拟的试验装置及过程参数测量方法。

本发明的第一种技术方案：

本发明所述用于触点材料熔焊模拟的试验装置，包括基座、工业相机、动触点安放单元和静触点安放单元，

所述工业相机、动触点安放单元和静触点安放单元均设置在基座上；动触点安放单元用于实现动触点试件的安装测试，使动触点试件可沿空间坐标系的X轴方向运动；静触点安放单元用于实现静触点试件的安装测试，使静触点试件可沿空间坐标系的三个维度方向调整位置，并与动触点试件位置相对应；

所述工业相机用于获取每一次试验后静触点试件熔焊痕迹的图像。

根据本发明所述的用于触点材料熔焊模拟的试验装置，所述动触点安放单元包括支架、动触点电动滑台、绝缘支架、静态力传感器、绝缘连接件、柔性加载模块、动触点连线片和动触点夹具，

所述支架固定在基座上，支架上设置动触点电动滑台，动触点电动滑台上滑动连接绝缘支架的水平段，绝缘支架的竖直段上沿所述X轴方向依次螺纹连接静态力传感器、绝缘连接件、柔性加载模块和动触点夹具，动触点连线片设置在柔性加载模块和动触点夹具之间，动触点夹具用于夹固动触点试件，动触点试件的首端与动触点连线片连接，末端作为测试端。

根据本发明所述的用于触点材料熔焊模拟的试验装置，所述柔性加载模块包括阶梯轴、阶梯孔套和弹簧，所述阶梯轴的小端与绝缘连接件螺纹连接，阶梯孔套套接于阶梯轴的外表面，阶梯孔套的内表面与动触点夹具螺纹连接，动触点夹具夹固的动触点试件首端与阶梯轴大端轴心处连接的弹簧连接。

根据本发明所述的用于触点材料熔焊模拟的试验装置，所述静触点安放单元包括静触点连线片、静触点夹具、绝缘连接座、动态力传感器、绝缘支座、三维滑台和静触点电动滑台；

所述静触点电动滑台固定在基座上，静触点电动滑台设有空间坐标系的Y轴方向导轨，三维滑台设置于所述Y轴方向导轨上，三维滑台的上表面连接绝缘支座，绝缘支座的竖直分段依次螺纹连接动态力传感器、绝缘连接座和静触点夹具，静触点连线片设置在绝缘连接座和静触点夹具之间，静触点夹具用于夹固静触点试件，静触点试件的首端与静触点连线片连接，末端作为测试端。

根据本发明所述的用于触点材料熔焊模拟的试验装置，所述绝缘支架、绝缘连接件、绝缘连接座和绝缘支座均采用聚酰亚胺制成。

本发明的第二种技术方案：

本发明所述用于触点材料熔焊模拟的过程参数测量方法，基于所述用于触点材料熔焊模拟的试验装置实现，包括：

将动触点试件旋紧在动触点夹具内，通过动触点连线片与电负载正极连接；将静触点试件旋紧在静触点夹具内，通过静触点连线片与电负载负极连接；

调节动触点电动滑台使动触点试件到达预定位置；再调节三维滑台和静触点电动滑台，使静触点试件到达预定位置，并使动触点试件与静触点试件对中，并且设定两个触点试件测试端距离为触点开距；

分别对动触点试件与静触点试件进行静熔焊模拟和动熔焊模拟，

在模拟过程中，通过静态力传感器测量两个触点试件闭合后的压力，通过动态力传感器测量两个触点试件在分断过程中产生的熔焊力，通过动触点电动滑台测得动触点试件的动态位移，同时测量静熔焊模拟过程中两个触点试件的动态接触电阻。

根据本发明所述的用于触点材料熔焊模拟的过程参数测量方法，还包括：

在每一次熔焊模拟试验后，通过静触点电动滑台和三维滑台调节静触点试件的位置，使其与工业相机对中，采用工业相机获取静触点试件的当前图像，并对当前图像进行处理，获得静触点试件每一次熔焊模拟试验后的轮廓特征和熔焊面积；

对所有测量的数据进行处理，获得触点材料的触点熔焊力和熔焊面积随动作周期的变化规律。

根据本发明所述的用于触点材料熔焊模拟的过程参数测量方法，所述静熔焊模拟包括：

启动动触点电动滑台，使动触点试件测试端由初始预定位置起，在设定的速度、行程和推力下运动，与静触点试件测试端闭合且稳定接触；

然后使闭合的两个触点通过设定的负载电流，再切断电流；再启动动触点电动滑台，使动触点试件在设定的速度、行程和推力下运动，与静触点试件分断。

根据本发明所述的用于触点材料熔焊模拟的过程参数测量方法，所述两个触点试件的动态接触电阻测量方法包括：

在动触点试件与静触点试件测试端闭合且稳定接触的同时，给两个触点试件施加100mA恒流源，并外接四线法回路，测量获得所述动态接触电阻。

根据本发明所述的用于触点材料熔焊模拟的过程参数测量方法，所述动熔焊模拟包括：

为触点负载回路提供电源使触点负载回路通过设定负载电流；启动动触点电动滑台，使动触点试件测试端由初始预定位置起，在设定的速度、行程和推力下运动，在带电的情况下与静触点试件测试端闭合且稳定接触；然后断电；再启动动触点电动滑台，使动触点试件在设定的速度和行程下运动，与静触点试件分断。

本发明的优点：本发明装置可实现动触点试件和静触点试件的位置调整和参数设置，实现触点材料熔焊的模拟，还可对触点材料在熔焊试验动作过程中的关键参数进行实时监测；具有原理可靠，结构简单、紧凑的优点。本发明不但具有良好的科研应用价值，而且对电工材料领域了解触点材料熔焊焊核的变化特性以及触点电流和触点压力对触点材料熔焊的影响有重要意义。

本发明中通过工业相机获得触点材料的烧蚀面轮廓特征和熔焊面积，可兼容触点材料静熔焊和动熔焊两种熔焊模式。

附图说明

图1是本发明所述用于触点材料熔焊模拟的试验装置的结构示意图；

图2是柔性加载模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述用于触点材料熔焊模拟的试验装置，包括基座1、工业相机2、动触点安放单元和静触点安放单元，

所述工业相机2、动触点安放单元和静触点安放单元均设置在基座1上；动触点安放单元用于实现动触点试件11的安装测试，使动触点试件11可沿空间坐标系的X轴方向运动；静触点安放单元用于实现静触点试件12的安装测试，使静触点试件12可沿空间坐标系的三个维度方向调整位置，并与动触点试件11位置相对应；

所述工业相机2用于获取每一次试验后静触点试件12熔焊痕迹的图像。

进一步，结合图1所示，所述动触点安放单元包括支架3、动触点电动滑台4、绝缘支架5、静态力传感器6、绝缘连接件7、柔性加载模块8、动触点连线片9和动触点夹具10，

所述支架3固定在基座1上，支架3上设置动触点电动滑台4，动触点电动滑台4上滑动连接绝缘支架5的水平段，绝缘支架5的竖直段上沿所述X轴方向依次螺纹连接静态力传感器6、绝缘连接件7、柔性加载模块8和动触点夹具10，动触点连线片9设置在柔性加载模块8和动触点夹具10之间，动触点夹具10用于夹固动触点试件11，动触点试件11的首端与动触点连线片9连接，末端作为测试端。

如图1所示，支架3、动触点电动滑台4和绝缘支架5沿空间坐标系的Z轴方向可以依次通过螺钉安装固定。所述动触点电动滑台4上设置有沿X轴方向滑动的导轨，可以带动动触点试件11沿X轴方向的运动。

所述动触点电动滑台4可以在两个触点试件产生熔焊后，以设定的匀速分离焊核，进而获得焊核的力学特性，即熔焊力与拉伸位移的对应关系。后期可以用于分析分离速度对于力学特性的影响。

作为示例，结合图2所示，所述柔性加载模块8包括阶梯轴18、阶梯孔套19和弹簧20，所述阶梯轴18的小端与绝缘连接件7螺纹连接，阶梯孔套19套接于阶梯轴18的外表面，阶梯孔套19的内表面与动触点夹具10螺纹连接，动触点夹具10夹固的动触点试件11首端与阶梯轴18大端轴心处连接的弹簧20连接。

本实施方式中，所述阶梯轴18的小端加工有外螺纹，与绝缘连接件7的内螺纹对应连接；阶梯孔套19加工有内螺纹，与动触点夹具10的外螺纹对应连接。柔性加载模块8的设计，可使动触点试件11和静触点试件12之间的触点闭合压力实现柔性加载。

本实施方式中，应用弹簧的好处在于：第一，使动触点试件与静触点试件闭合时的压力可控，进而实现弹性接触。后期可以用于分析闭合压力对焊核的力学特性的影响；第二，由于电器触点实际闭合过程中均存在机械弹跳，并由此产生强烈的电弧，这是造成触点熔焊的根本原因。为此在动熔焊模拟试验时引入弹簧，动触点电动滑台带动动触点闭合时会产生相似的弹跳和电弧，从而达到真实的模拟效果。

再进一步，结合图1所示，所述静触点安放单元包括静触点连线片9-1、静触点夹具10-1、绝缘连接座13、动态力传感器14、绝缘支座15、三维滑台16和静触点电动滑台17；

所述静触点电动滑台17固定在基座1上，静触点电动滑台17设有空间坐标系的Y轴方向导轨，三维滑台16设置于所述Y轴方向导轨上，三维滑台16的上表面连接绝缘支座15，绝缘支座15的竖直分段依次螺纹连接动态力传感器14、绝缘连接座13和静触点夹具10-1，静触点连线片9-1设置在绝缘连接座13和静触点夹具10-1之间，静触点夹具10-1用于夹固静触点试件12，静触点试件12的首端与静触点连线片9-1连接，末端作为测试端。

本实施方式中，静触点电动滑台17、三维滑台16和绝缘支座15沿所述Z轴方向可以依次通过螺钉安装固定。所述三维滑台16上设置有沿X方向、Y方向和Z方向上滑动的导轨，三个方向上均设置有调节旋钮，使静触点试件12实现三个维度上位置的调整；静触点电动滑台17为有底板的电动滑台，设置有沿Y方向上滑动的导轨，用于调整静触点试件12与工业相机2的位置对准。由此，可通过工业相机获得静触点材料的烧蚀面轮廓特征和熔焊面积，并可兼容触点材料静熔焊和动熔焊两种熔焊模式。

作为示例，所述绝缘支架5、绝缘连接件7、绝缘连接座13和绝缘支座15可以采用聚酰亚胺制成，从而实现组件之间相互绝缘的功能。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述用于触点材料熔焊模拟的过程参数测量方法，基于具体实施方式一所述用于触点材料熔焊模拟的试验装置实现，包括：

将动触点试件11旋紧在动触点夹具10内，通过动触点连线片9与电负载正极连接；将静触点试件12旋紧在静触点夹具10-1内，通过静触点连线片9-1与电负载负极连接；

调节动触点电动滑台4使动触点试件11到达预定位置；再调节三维滑台16和静触点电动滑台17，使静触点试件12到达预定位置，并使动触点试件11与静触点试件12对中，并且设定两个触点试件测试端距离为触点开距；

分别对动触点试件11与静触点试件12进行静熔焊模拟和动熔焊模拟，

在模拟过程中，通过静态力传感器6测量两个触点试件闭合后的压力，通过动态力传感器14测量两个触点试件在分断过程中产生的熔焊力，通过动触点电动滑台4测得动触点试件11的动态位移，同时测量静熔焊模拟过程中两个触点试件的动态接触电阻。

由于两个触点在闭合状态下需要承载电流，因此要求具有低而稳定的电阻。本实施方式提供了对静熔焊模拟过程中两个触点试件的动态接触电阻测试方法，有利于为触点材料熔焊方面的研究提供数据基础。获得动触点试件11与静触点试件12的动态接触电阻的好处在于，可以通过电参数间接反映焊核的力学特性。

所述动态位移是指动触点试件11与静触点试件12在熔焊模拟过程中动触点试件11产生的位移，目的是将产生的焊核拉开，拉开焊核需要一定的力和位移，获得拉开焊核的过程中动触点试件11产生的动态的位移后，可进一步获得力和位移关系曲线。

对于所述三维滑台16，可以通过其三个方向上的调节旋钮移动静触点试件12的位置，实现与动触点试件11的对中；以及静触点试件12和动触点试件11间触点开距和闭合后接触压力的控制，举例说明如下：

将触点开距设定为1mm，动触点电动滑台4运动行程设定为1.5mm，那么1.5-1＝0.5mm，则为弹簧20的变形，所述变形会产生触点闭合压力，改变动触点电动滑台4的位置即可改变触点压力，但最小值是触点开距。

动触点试件11与静触点试件12可以分别通过动触点连线片9和静触点连线片9-1与控制器连接，实现触点材料熔焊模拟试验动作过程中关键参数的实时动态监测的功能。

动触点电动滑台4可沿X方向做往复运动，且运动的速度、行程、频率和推力可控，由此，可使触点试件在设定的速度、行程、频率和推力下闭合和断开，实现触点材料熔焊模拟试验，并保证与原电器产品动作过程的最大相似。

进一步，在每一次熔焊模拟试验后，通过静触点电动滑台17和三维滑台16调节静触点试件12的位置，使其与工业相机2对中，采用工业相机2获取静触点试件12的当前图像，并对当前图像进行处理，获得静触点试件12每一次熔焊模拟试验后的轮廓特征和熔焊面积；

对所有测量的数据进行处理，获得触点材料的触点熔焊力和熔焊面积随动作周期的变化规律。

本实施方式中，启动静触点电动滑台17，可以使静触点试件12沿Y方向移动，直至与工业相机2位置对应，此时可微调工业相机2，获得静触点试件12的清晰图像。通过工业相机2采集的图像，可以获得触点材料熔焊焊核的变化特性，从而获得触点褪化数据。

所述工业相机2的设置，使静触点试件12的图像数据可以直接在线获取，而不必每一次取下来通过显微镜进行观察，可减小安装误差，确保试验数据的可靠性。

再进一步，所述静熔焊模拟包括：

启动动触点电动滑台4，使动触点试件11测试端由初始预定位置起，在设定的速度、行程和推力下运动，与静触点试件12测试端闭合且稳定接触；

然后使闭合的两个触点通过设定的负载电流，再切断电流；再启动动触点电动滑台4，使动触点试件11在设定的速度、行程和推力下运动，与静触点试件12分断。

再进一步，所述两个触点试件的动态接触电阻测量方法包括：

在动触点试件11与静触点试件12测试端闭合且稳定接触的同时，给两个触点试件施加100mA恒流源，并外接四线法回路，测量获得所述动态接触电阻。

再进一步，所述动熔焊模拟包括：

为触点负载回路提供电源使触点负载回路通过设定负载电流；启动动触点电动滑台4，使动触点试件11测试端由初始预定位置起，在设定的速度、行程和推力下运动，在带电的情况下与静触点试件12测试端闭合且稳定接触；然后断电；再启动动触点电动滑台4，使动触点试件11在设定的速度和行程下运动，与静触点试件12分断。两个触点试件闭合稳定后，再启动动触点电动滑台4的时间可以是1s，也可以是10s，具体使用中根据情况进行选择。

本发明所述测量方法获得的数据，可比较不同的触点材料在单次静熔焊模拟试验或动熔焊模拟试验过程中，出现的触点熔焊力和熔焊面积；也可以比较触点闭合压力、负载电流等级等试验条件参数对触点熔焊的影响。重复进行动熔焊模拟过程，可以得到电寿命试验模式下，触点材料触点熔焊力和熔焊面积随动作周期的变化规律。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (8)

1.一种用于触点材料熔焊模拟的试验装置，其特征在于，包括基座(1)、工业相机(2)、动触点安放单元和静触点安放单元，

所述工业相机(2)、动触点安放单元和静触点安放单元均设置在基座(1)上；动触点安放单元用于实现动触点试件(11)的安装测试，使动触点试件(11)可沿空间坐标系的X轴方向运动；静触点安放单元用于实现静触点试件(12)的安装测试，使静触点试件(12)可沿空间坐标系的三个维度方向调整位置，并与动触点试件(11)位置相对应；

所述工业相机(2)用于获取每一次试验后静触点试件(12)熔焊痕迹的图像；

所述动触点安放单元包括支架(3)、动触点电动滑台(4)、绝缘支架(5)、静态力传感器(6)、绝缘连接件(7)、柔性加载模块(8)、动触点连线片(9)和动触点夹具(10)，

所述支架(3)固定在基座(1)上，支架(3)上设置动触点电动滑台(4)，动触点电动滑台(4)上滑动连接绝缘支架(5)的水平段，绝缘支架(5)的竖直段上沿所述X轴方向依次螺纹连接静态力传感器(6)、绝缘连接件(7)、柔性加载模块(8)和动触点夹具(10)，动触点连线片(9)设置在柔性加载模块(8)和动触点夹具(10)之间，动触点夹具(10)用于夹固动触点试件(11)，动触点试件(11)的首端与动触点连线片(9)连接，末端作为测试端；

所述柔性加载模块(8)包括阶梯轴(18)、阶梯孔套(19)和弹簧(20)，所述阶梯轴(18)的小端与绝缘连接件(7)螺纹连接，阶梯孔套(19)套接于阶梯轴(18)的外表面，阶梯孔套(19)的内表面与动触点夹具(10)螺纹连接，动触点夹具(10)夹固的动触点试件(11)首端与阶梯轴(18)大端轴心处连接的弹簧(20)连接。

2.根据权利要求1所述的用于触点材料熔焊模拟的试验装置，其特征在于，所述静触点安放单元包括静触点连线片(9-1)、静触点夹具(10-1)、绝缘连接座(13)、动态力传感器(14)、绝缘支座(15)、三维滑台(16)和静触点电动滑台(17)；

所述静触点电动滑台(17)固定在基座(1)上，静触点电动滑台(17)设有空间坐标系的Y轴方向导轨，三维滑台(16)设置于所述Y轴方向导轨上，三维滑台(16)的上表面连接绝缘支座(15)，绝缘支座(15)的竖直分段依次螺纹连接动态力传感器(14)、绝缘连接座(13)和静触点夹具(10-1)，静触点连线片(9-1)设置在绝缘连接座(13)和静触点夹具(10-1)之间，静触点夹具(10-1)用于夹固静触点试件(12)，静触点试件(12)的首端与静触点连线片(9-1)连接，末端作为测试端。

3.根据权利要求2所述的用于触点材料熔焊模拟的试验装置，其特征在于，所述绝缘支架(5)、绝缘连接件(7)、绝缘连接座(13)和绝缘支座(15)均采用聚酰亚胺制成。

4.一种用于触点材料熔焊模拟的过程参数测量方法，基于权利要求2所述用于触点材料熔焊模拟的试验装置实现，其特征在于包括：

将动触点试件(11)旋紧在动触点夹具(10)内，通过动触点连线片(9)与电负载正极连接；将静触点试件(12)旋紧在静触点夹具(10-1)内，通过静触点连线片(9-1)与电负载负极连接；

调节动触点电动滑台(4)使动触点试件(11)到达预定位置；再调节三维滑台(16)和静触点电动滑台(17)，使静触点试件(12)到达预定位置，并使动触点试件(11)与静触点试件(12)对中，并且设定两个触点试件测试端距离为触点开距；

分别对动触点试件(11)与静触点试件(12)进行静熔焊模拟和动熔焊模拟，

在模拟过程中，通过静态力传感器(6)测量两个触点试件闭合后的压力，通过动态力传感器(14)测量两个触点试件在分断过程中产生的熔焊力，通过动触点电动滑台(4)测得动触点试件(11)的动态位移，同时测量静熔焊模拟过程中两个触点试件的动态接触电阻。

5.根据权利要求4所述的用于触点材料熔焊模拟的过程参数测量方法，其特征在于还包括：

在每一次熔焊模拟试验后，通过静触点电动滑台(17)和三维滑台(16)调节静触点试件(12)的位置，使其与工业相机(2)对中，采用工业相机(2)获取静触点试件(12)的当前图像，并对当前图像进行处理，获得静触点试件(12)每一次熔焊模拟试验后的轮廓特征和熔焊面积；

对所有测量的数据进行处理，获得触点材料的触点熔焊力和熔焊面积随动作周期的变化规律。

6.根据权利要求4所述的用于触点材料熔焊模拟的过程参数测量方法，其特征在于所述静熔焊模拟包括：

启动动触点电动滑台(4)，使动触点试件(11)测试端由初始预定位置起，在设定的速度、行程和推力下运动，与静触点试件(12)测试端闭合且稳定接触；

然后使闭合的两个触点通过设定的负载电流，再切断电流；再启动动触点电动滑台(4)，使动触点试件(11)在设定的速度、行程和推力下运动，与静触点试件(12)分断。

7.根据权利要求6所述的用于触点材料熔焊模拟的过程参数测量方法，其特征在于

所述两个触点试件的动态接触电阻测量方法包括：

在动触点试件(11)与静触点试件(12)测试端闭合且稳定接触的同时，给两个触点试件施加100mA恒流源，并外接四线法回路，测量获得所述动态接触电阻。

8.根据权利要求4所述的用于触点材料熔焊模拟的过程参数测量方法，其特征在于所述动熔焊模拟包括：

为触点负载回路提供电源使触点负载回路通过设定负载电流；启动动触点电动滑台(4)，使动触点试件(11)测试端由初始预定位置起，在设定的速度、行程和推力下运动，在带电的情况下与静触点试件(12)测试端闭合且稳定接触；然后断电；再启动动触点电动滑台(4)，使动触点试件(11)在设定的速度和行程下运动，与静触点试件(12)分断。

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