RU225625U1 - Электрический контакт композиционный электромагнитного реле - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к электрическим контактам низковольтных электрических реле, в частности реле железнодорожной автоматики. Электрический контакт композиционный электромагнитного реле состоит из основы - высокоплотного графита, имеющего объемную пористость, транзитную пористость, и металла с высокой электропроводностью, находящегося в порах поверхностного слоя и объеме. Поверхностный слой имеет объемную пористость 16-22%, транзитную пористость 11-17%, с содержанием в порах соединения серебра с кадмием, с высокой электропроводностью 25-35 мас.%. Полезная модель позволяет повысить стабильность переходного электрического сопротивления контактной пары за счет высокой степени проникновения и заполнения пор мелкозернистого плотного графитового контакта соединениями серебра и кадмия, увеличение коммутационной стойкости контакт-детали. 5 з.п. ф-лы.

Description

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 млн 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.

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.

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 стабильности переходного электрического сопротивления контактной пары: композиционный графито-серебрянный или граффито-серебрянный-кадмиевый материал-серебряный контакт за счет высокой степени проникновения и заполнения пор мелкозернистого плотного графитового контакта серебром или соединениями серебра и кадмия, увеличении коммутационной стойкости контакт-детали.

Технический результат достигается электрическим контактом композиционным электромагнитного реле, состоящим из основы их высокоплотного графита, имеющего объемную пористость, транзитную пористость, металла с высокой электропроводностью находящегося в порах поверхностного слоя и объеме, отличающимся тем, что поверхностный слой имеет объемную пористость 16-22%, транзитную пористость 11-17% с содержанием в порах металлов, с высокой электропроводностью 25-35 мас.%.

Толщина поверхностного слоя составляет 2-3 мм. В порах находится серебро или

соединения металлов серебра и кадмия.

Зольность графита составляет не более 0,01%, удельное электрическое сопротивление поверхностного слоя составляет не более 11 мкОм⋅м, переходное электрическое сопротивление составляет 0,005-0,01Ом.

Коммутационный ресурс контакта с содержание металлического серебра составляет не менее 3,0 млн.

Коммутационный ресурс контакта с содержанием металлического серебра и кадмия составляет не менее 3,3 млн.

Авторами полезной модели 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 или соединениями серебра с кадмием в количестве 25-35 мас.%, в поверхностном слое толщиной 2-3 мм мас.%. Металлы, находящиеся в порах графитовой основы, в виде отдельных вкраплений, имеют хорошую прочность сцепления с внутренней поверхностью пор, контактируют между собой с образованием отдельных цепочек с выходом на контактные поверхности. Такое наполнение пор чистым серебром или соединений серебра с кадмием способствует повышению механической прочности и износостойкости контактов, и стабилизации контактного электрического сопротивления на контактах реле. Наличие повышенного содержания металлических добавок в поверхностном слое способствует быстрому образованию оптимального пятна контакта, а наличие пористости не способствует накоплению продуктов износа, к которым следует отнести образующиеся окислы внесенных металлов, и образованию непроводящего слоя приводящего к нарушению проводимости контактов. Оптимальное содержание металлических включений в порах должно находиться в пределах 25-35 об.%.

Примеры реализации предлагаемого технического решения

Контакт-детали изготавливали из мелкозернистого плотного графита. Технология изготовления контакт-детали, разработанная авторами, изложена в патенте на изобретение РФ 2420823.

Примеры 1-6

Контакты пропитывались раствором нитрата серебра. В таблице №1. представлены данные в зависимости от изменения указанных параметров и результаты испытаний на коммутационный ресурс. Коммутационный ресурс проводили на стендах, разработанных авторами. Стенды позволяли реализовать условия работы контактов соответствующих реальным условиям работы электромагнитным реле. Параметры коммутируемого тока: 24В, 2А.

Таблица№1

Характеристика процесса	Пример 1	Пример 2	Пример 3	Пример 4	Пример 5	Пример 6
Исходный графит
Транспортная пористость,%	16-22	16-22	16-22	16-22	16-22	16-22
Объемная пористость, %	20-29	20-29	20-29	20-29	20-29	20-29
Предел прочности при сжатии, МПа	≥60	≥60	≥60	≥60	≥60	≥60
Зольность, %	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01
Предлагаемое техническое решение
Переходное электрическое соединение, Ом	0,005-0,01	0,005-0,01	0,02-0,03	0,02-0,03	0,02-0,03	0,03-0,04
Содержание металлического серебра, %	25	35	15	19	17	18
Коммутационный ресурс с содержание металлического серебра	3,3 млн	3,5 млн	900 тыс	1,2 млн	1,3	950 тыс

Примеры 7-12

Контакты пропитывались смесью раствора нитрата серебра и нитрата кадмия. В таблице №2 представлены данные в зависимости от изменения указанных параметров и результаты испытаний на коммутационный ресурс. Коммутационный ресурс проводили на стендах, разработанных авторами. Стенды позволяли реализовать условия работы контактов соответствующих реальным условиям работы электромагнитным реле. Параметры коммутируемого тока: 24В, 2А.

Таблица№2

Характеристика процесса	Пример 7	Пример 8	Пример 9	Пример 10	Пример11	Пример 12
Исходный графит
Транспортная пористость, %	11-17	11-17	11-17	11-17	11-17	11-17
Объемная пористость, %	16-22	16-22	16-22	16-22	16-22	16-22
Предел прочности при сжатии, МПа	≥60	≥60	≥60	≥60	≥60	≥60
Удельное электросопротивление, мкОм⋅м	16	16	16	16	16	16
Зольность, %	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01	0,01
Предлагаемое техническое решение
Содержание металлического серебра и кадмия, %	25	35	15	18	16	17
Удельное электросопротивление, мкОм⋅м,	11	11	14	14	14	14
Переходное электрическое соединение, Ом	0,005-0,01	0,005-0,01	0,02-0,03	0,02-0,03	0,02-0,03	0,03-0,04
Коммутационный ресурс с содержание металлического серебра кадмия	3,4 млн Превышение переходного электрического сопротивления	3,6 млн Превышение переходного электрического сопротивления	1,1 млн Превышение переходного электрического сопротивления	1,2 млн Превышение переходного электрического сопротивления	1,0 млн Превышение переходного электрического сопротивления	700 тыс Превышение переходного электрического сопротивления

Результаты представленных испытаний по коммутационному ресурсу композиционных контактов электромагнитного реле на основе мелкозернистого плотного графита пропитанных серебром или соединением серебра с кадмием с контактной паре с контактом из чистого серебра изготовленные заявляемым способом, таблица №1, примеры 1 и 2, таблица №2, примеры 7 и 8 обладает ресурсом свыше 3, 3 млн. срабатываний.

Предлагаемое техническое решение позволяет получить контакт с удельным электрическим сопротивлением не более 11 мкОм⋅м, переходным электрическим сопротивлением не более 0,01 Ом, с количеством металлического серебра 25-35 мас.%, с коммутационным ресурсом более 3,3 миллионов срабатываний. Такой ресурс достигается за счет высокого содержания металлов, в транспортных порах соединяющий контактную торцовую поверхность с боковой контактной поверхностью находящейся в контакте с устройством крепления контакта и высокой стойкостью графитовой основы к контактному разрушению.

Claims (6)

1. Электрический контакт композиционный электромагнитного реле, состоящий из основы - высокоплотного графита, имеющего объемную пористость, транзитную пористость, металла с высокой электропроводностью, находящегося в порах поверхностного слоя и объеме, отличающийся тем, что поверхностный слой имеет объемную пористость - 16-22%, транзитную пористость - 11-17%, а содержание в порах соединения серебра с кадмием с высокой электропроводностью - 25-35 мас.%.

2. Электрический контакт по п.1, отличающийся тем, что толщина поверхностного слоя составляет 2-3 мм.

3. Электрический контакт по п.1, отличающийся тем, что зольность графита составляет не более 0,01%.

4. Электрический контакт по п.1, отличающийся тем, что удельное электрическое сопротивление поверхностного слоя составляет не более 11 мкОм⋅м.

5. Электрический контакт по п.1, отличающийся тем, что переходное электрическое сопротивление составляет 0,005-0,01 Ом.

6. Электрический контакт по п.1, отличающийся тем, что коммутационный ресурс контакта составляет не менее 3,0 млн.