CN113408196A - 一种电接触接头的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电接触接头的设计方法，建立典型服役环境与特征参数集合之间的对应关系数据库；设计N类材质各不相同的电接触接头；制备L种具有不同初始表面粗糙度的电接触接头，获得N*L种电接触接头；针对所述电接触接头中的每一种，制备至少M个电接触接头；根据所述对应关系数据库，在所述M个电接触接头的表面分别制备具有相应特征参数集合的氧化层，获得至少N*L*M个电接触接头；分别进行电接触摩擦试验，并记录接触电阻超过预设失效值时的摩擦次数；检查、筛选，获得满足服役寿命要求的电接触接头。本发明可有效帮助设计者筛选出满足要求的电接触接头材质和表面粗糙度工艺设计参数，有助于获得更多且更优的电接触接头设计方案。

Description

一种电接触接头的设计方法
技术领域
本发明涉及本发明涉及一种电接触接头的设计方法，属于电接触学领域。
背景技术
电接触是所有电力电子线路中不可或缺的重要组成部分,其可靠性极为重要。由于载荷类型、接触面积、环境状态的差异，材料种类繁多，因而电接触存在极为复杂的物理、化学过程。电接触材料的基本要求是：(1)良好的导电导热性能；(2)低的接触电阻和温升；(3)抗熔焊和抗环境介质污染。
电接触触头(电接触接头)在使用前或使用时因储存方式或工作环境复杂等原因，绝大部分情况下都不是一个绝对洁净的抛光表面。在触头的表面往往覆盖有一定量的氧化层以及其粗糙度较大。因此，有必要在对电接触结构设计时考虑到其表面氧化层对预设计结构的性能影响。
同时，由于电子设备在使用过程中难以避免经受各种恶劣环境如外界振动、磁致伸缩、脉冲等，电子元件连接处难免发生相对位移幅值极小的相对运动，简称“微动”。这种微动现象给电器元件的电接触性能带来的危害是极其致命的。
部分特殊的电接触设备需要服役的工作环境较为复杂，在其服役过程中的表面都可能存在着一定量的氧化物。氧化物将会直接影响该电接触材料在所需的工作环境中的电接触性能，恶化电子设备作业时的信号传输稳定性。若选材时没有对材料氧化造成的影响进行考虑，仅通过材料的硬度、导电率等固有参数直接选择电接触结构的材料可能会遇到不可预知的恶化问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电接触接头的设计方法，以获得适用服役环境且在目标服役寿命内具有能稳定导电功能的电接触接头设计方案，解决因电接触接头表面粗糙度和氧化层不同导致的电接触接头的失效问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种电接触接头的设计方法，包括如下步骤：
S1、将标准电接触接头置于典型服役环境H1下服役时间T0后，检测并获取该标准电接触接头表面的氧化层的特征参数集合A1；
将标准电接触接头置于典型服役环境H2下服役时间T0后，检测该标准电接触接头表面的氧化层的特征参数集合A2；
……
将标准电接触接头置于典型服役环境HM下服役时间T0后，检测该标准电接触接头表面的氧化层的特征参数集合AM；
其中，所述特征参数集合的元素包括氧化层厚度、氧化层成分组成和氧化层表面粗糙度中的几种；所述标准电接触接头是在典型服役环境下的服役寿命不短于服役时间T0的电接触接头；M为≥2的正整数；
S2、根据S1获得的数据，建立典型服役环境与特征参数集合之间的对应关系数据库；
S3、设计N类电接触接头，所述N类电接触接头的材质各不相同；
其中，N为≥3的正整数；
S4、针对所述N类电接触接头中的每一类，制备L种具有不同初始表面粗糙度的电接触接头，获得N*L种电接触接头；
其中，L为≥3的正整数；
S5、针对所述N*L种电接触接头中的每一种，制备至少M个电接触接头；
根据所述典型服役环境与特征参数集合之间的对应关系数据库，在所述M个电接触接头的表面分别制备具有相应典型服役环境下的特征参数集合的氧化层，获得至少N*L*M个电接触接头；
S6、对所述至少N*L*M个电接触接头分别进行电接触摩擦试验，并记录接触电阻超过预设失效值时的摩擦次数；
S7、根据S6的试验结果，检查是否有满足目标典型服役环境下服役寿命要求的电接触接头种类，若有1种以上，则使用粒子群优化算法选择成本和服役寿命全局最优的种类；若没有，则重复S2-S6，直至设计出满足目标典型服役环境下服役寿命要求的电接触接头。
进一步地，S1中，所述典型服役环境的参数指标包括温度、湿度、空气质量参数、年降雨量中的几种；进一步地，所述温度为年平均温度，所述空气质量参数为PM2.5含量，所述湿度为年平均相对湿度。
进一步地，S1中，所述标准电接触接头由铜合金制成。
进一步地，所述标准电接触接头是在典型服役环境下的服役寿命不短于服役时间T0且有效开关次数不小于P次的电接触接头；M为≥2的正整数；P为标准电接触接头在典型服役环境下的服役时间为T0时，可有效开关次数的最小值，P为正整数，更进一步地P为200-500。
进一步地，S3中，所述N类电接触接头的材质为铜合金；进一步地，采用超拉丁矩阵，获得N类不同配方的铜合金。可选地，所述铜合金为同系列铜合金(元素组成相同但元素配比不同)或不同系列的铜合金(元素组成和元素配比均不同)。
进一步地，所述铜合金为H62黄铜合金。所述H62黄铜合金的元素组成为：Cu 60-64％；Fe0.008-0.012％；Pb 0.06-0.10％；P 0.13-0.17％；S 0.003-0.007％；Bi 0.001-0.003％；Zn余量(各百分数为质量百分数)。
进一步地，S3中，所述N类电接触接头为经过筛选后满足结构强度设计要求、可加工性要求和导电性要求的电接触接头。
进一步地，S4中，采用砂纸对电接触接头进行打磨，获得具有目标初始表面粗糙度的电接触接头。例如，采用不同型号的砂纸对电接触接头进行打磨，获得具有不同表明粗糙度的电接触接头。
进一步地，S5中，针对所述N*L种电接触接头中的每一种，制备n*M个电接触接头；所述n为不小于1的自然数。即可针对M种典型服役环境中每一种，分别制备n个电接触接头，当n≥2时，即即存在多个平行电接触接头。
进一步地，S5中，制备具有相应典型服役环境下的特征参数集合的氧化层的方法如下：对电接触接头的表面进行氧化处理，通过控制氧化处理的温度和时间，控制氧化层的厚度；进一步通过对氧化气氛的调控，控制氧化层的成分组成；氧化处理后，对氧化层进行打磨，控制氧化层的表面粗糙度。
进一步地，S6中，通过电接触微动摩擦试验机进行电接触摩擦试验，并记录接触电阻超过预设失效值时的摩擦次数。
进一步地，S6中，进行电接触摩擦试验期间，保持试验环境符合各典型使用环境。
进一步地，S7中，若没有满足目标典型服役环境下服役寿命要求的电接触接头种类，则重新设计电接触接头的材质或降低服役寿命预期，重复S2-S6，直至设计出满足目标典型服役环境下服役寿命要求的电接触接头。
本发明通过设计一种考虑氧化层影响的电接触接头，使之在预定的使用环境和服役寿命内具有能稳定导电功能。
进一步地，所述电接触接头为用于轨道交通车辆的电接触接头。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明可有效帮助设计者对典型使用环境和氧化层影响问题进行前期评估，通过改变电接触表面的粗糙度和电接触接头材质构成设计，借助模拟试验方法，筛选出满足各典型使用环境和服役寿命要求的电接触接头材质和表面粗糙度工艺设计参数，避免在使用周期内出现失效问题，有助于获得更多且更优的电接触接头设计方案，具有工程实用价值。
附图说明
图1为不同初始粗糙度的电接触接头经不同氧化处理后的表面粗糙度情况图。
图2为不同初始粗糙度的电接触接头经不同氧化处理后的均值接触电阻的情况图。
具体实施方式
以下将结合实施例来详细说明本发明。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。
实施例1
本实施例以常见的铜合金材质的某电子产品的电接触接头为例，进一步详细说明典型服役环境H1下电接触接头的设计方法，具体包括如下步骤：
S0、建立电接触接头的典型服役环境数据库，有M种典型服役环境，M＝3。所述典型服役环境的参数指标包括温度、湿度、空气质量参数、年降雨量；所述温度为年平均温度，所述空气质量参数为PM2.5含量，所述湿度为年平均相对湿度，具体如表1所示。
表1典型服役环境数据库
Figure BDA0003111907960000051
S1、将标准电接触接头置于典型服役环境H1下服役时间T0(T0＝3个月)后，检测并获取该标准电接触接头表面的氧化层的特征参数集合A1；
将标准电接触接头置于典型服役环境H2下服役时间T0后，检测该标准电接触接头表面的氧化层的特征参数集合A2；
将标准电接触接头置于典型服役环境H3下服役时间T0后，检测该标准电接触接头表面的氧化层的特征参数集合A3；
其中，所述特征参数集合的元素包括氧化层厚度、氧化层成分组成和氧化层表面粗糙度中的几种；所述标准电接触接头是在典型服役环境下的服役寿命不短于服役时间T0且有效开关次数不小于P次(P＝300次)的电接触接头；P为标准电接触接头在典型服役环境下的服役时间为T0时，可有效开关次数的最小值，P为正整数；
S2、根据S1获得的数据，建立典型服役环境与特征参数集合之间的对应关系数据库，具体如表2所示；
表2典型服役环境与特征参数集合之间的对应关系数据库
Figure BDA0003111907960000061
S3、设计N类电接触接头，所述N类电接触接头的材质各不相同；所述N类电接触接头的材质为同系列的铜合金；采用超拉丁矩阵，对每种合金的合理占比范围内，进行离散值分布，获得N种元素组成相同而元素配比不同的铜合金；N类电接触接头的材质与标准电接触接头为同系列的铜合金；其中，N＝2；
S4、针对所述N类电接触接头中的每一类，制备L种具有不同初始表面粗糙度的电接触接头，获得N*L种电接触接头；
其中，L＝4；
S5、针对所述N*L种电接触接头中的每一种，制备M＝3个电接触接头；
根据所述典型服役环境与特征参数集合之间的对应关系数据库，在所述M个电接触接头的表面分别制备具有相应典型服役环境下的特征参数集合的氧化层，获得至少N*L*M个电接触接头；
S6、对所述至少N*L*M个电接触接头分别进行电接触摩擦试验，并记录均值接触电阻超过预设失效值(1000mΩ)时的摩擦次数，具体情况如表3所示；
表3电接触摩擦试验情况
Figure BDA0003111907960000062
Figure BDA0003111907960000071
Figure BDA0003111907960000081
S7、根据S6的试验结果，检查是否有满足目标典型服役环境H1下服役寿命要求的电接触接头种类，有6种，则使用粒子群算法选择成本和服役寿命全局最优的种类，表3中针对典型服役环境H1的全局最优种类为H1-N1-L3，即可按N1类H62黄铜合金和L3所指示的初始表面粗糙度设计电接触接头的材质和初始表面粗糙度；若没有，则重复S2-S6，直至设计出满足目标典型服役环境H1下服役寿命要求的电接触接头。
S3中，所述N类电接触接头中存在满足结构强度设计要求、可加工性要求和导电性要求的电接触接头。
S4中，采用砂纸对电接触接头进行打磨，获得具有目标初始表面粗糙度的电接触接头。
S5中，制备具有相应典型服役环境下的特征参数集合的氧化层的方法如下：将电接触接头置于烧结炉中进行氧化处理，通过控制氧化处理的温度和时间，控制氧化层的厚度；进一步通过对氧化气氛的调控，如在烧结炉内增加目标服役环境中的空气质量污染物成分和/或调控其浓度，控制氧化层的成分组成；氧化处理后，对氧化层进行打磨，控制氧化层的表面粗糙度。如图1所示，对N1铜合金的4种表面粗糙度进行不同氧化处理后，形成的氧化后的表面粗糙度，从中选取与典型环境中形成的氧化层特征参数对应的类型。
S6中，通过电接触微动摩擦试验机进行电接触摩擦试验，并记录接触电阻超过预设失效值时的摩擦次数；
期间，保持试验环境符合各典型服役环境。如图2所示，为N1铜合金电接触接头的不同表面粗粗度下，不同热处理后的氧化层的均值接触电阻，在电接触微动摩擦试验中，实时监测接触电阻的变化，并评估有没有超过预设失效值(1000mΩ)。
S7中，若没有满足目标典型服役环境H1下服役寿命要求的电接触接头种类，则重新设计/选择电接触接头的材质或降低服役寿命预期，重复S2-S6，直至设计出满足目标典型服役环境如H1下服役寿命要求的电接触接头。
S7中，所述各典型服役环境下的服役寿命用在服役寿命周期内电接触接头的有效开关次数表征。
S7中，所述粒子群算法是以成本和服役寿命两个变量为优化目标，以服役寿命最低值(10年，开关次数为1.08万次)为约束变量，以电接触接头的材质和表面粗糙度为多输入变量，进行全局选优计算。
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (10)

1.一种电接触接头的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将标准电接触接头置于典型服役环境H1下服役时间T0后，检测并获取该标准电接触接头表面的氧化层的特征参数集合A1；
将标准电接触接头置于典型服役环境H2下服役时间T0后，检测该标准电接触接头表面的氧化层的特征参数集合A2；
……
将标准电接触接头置于典型服役环境HM下服役时间T0后，检测该标准电接触接头表面的氧化层的特征参数集合AM；
其中，所述特征参数集合的元素包括氧化层厚度、氧化层成分组成和氧化层表面粗糙度中的几种；所述标准电接触接头是在典型服役环境下的服役寿命不短于服役时间T0的电接触接头；M为≥2的正整数；
S2、根据S1获得的数据，建立典型服役环境与特征参数集合之间的对应关系数据库；
S3、设计N类电接触接头，所述N类电接触接头的材质各不相同；
其中，N为≥3的正整数；
S4、针对所述N类电接触接头中的每一类，制备L种具有不同初始表面粗糙度的电接触接头，获得N*L种电接触接头；
其中，L为≥3的正整数；
S5、针对所述N*L种电接触接头中的每一种，制备至少M个电接触接头；
根据所述典型服役环境与特征参数集合之间的对应关系数据库，在所述M个电接触接头的表面分别制备具有相应典型服役环境下的特征参数集合的氧化层，获得至少N*L*M个电接触接头；
S6、对所述至少N*L*M个电接触接头分别进行电接触摩擦试验，并记录接触电阻超过预设失效值时的摩擦次数；
S7、根据S6的试验结果，检查是否有满足目标典型服役环境下服役寿命要求的电接触接头种类，若有1种以上，则使用粒子群优化算法选择成本和服役寿命全局最优的种类；若没有，则重复S2-S6，直至设计出满足目标典型服役环境下服役寿命要求的电接触接头。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，S1中，所述典型服役环境的参数指标包括温度、湿度、空气质量参数、年降雨量中的几种；进一步地，所述温度为年平均温度，所述空气质量参数为PM2.5含量，所述湿度为年平均相对湿度。
3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，S1中，所述标准电接触接头由铜合金制成。
4.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，S3中，所述N类电接触接头的材质为铜合金；进一步地，采用超拉丁矩阵，获得共计N类不同配方的铜合金。
5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，S3中，所述N类电接触接头为经过筛选后满足结构强度设计要求、可加工性要求和导电性要求的电接触接头。
6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，S4中，采用砂纸对电接触接头进行打磨，获得具有目标初始表面粗糙度的电接触接头。
7.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，S5中，针对所述N*L种电接触接头中的每一种，制备n*M个电接触接头；所述n为不小于1的自然数。
8.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，S5中，制备具有相应典型服役环境下的特征参数集合的氧化层的方法如下：对电接触接头的表面进行氧化处理，通过控制氧化处理的温度和时间，控制氧化层的厚度；进一步通过对氧化气氛的调控，控制氧化层的成分组成；氧化处理后，对氧化层进行打磨，控制氧化层的表面粗糙度。
9.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，S6中，通过电接触微动摩擦试验机进行电接触摩擦试验，并记录接触电阻超过预设失效值时的摩擦次数。
10.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，S7中，若没有满足目标典型服役环境下服役寿命要求的电接触接头种类，则重新设计电接触接头的材质或降低服役寿命预期，重复S2-S6，直至设计出满足目标典型服役环境下服役寿命要求的电接触接头。
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