Συστηματική Ανάλυση Υλικών Επαφής Ρελέ και διάρκεια ζωής

Τα ρελέ είναι από τα πιο συχνά χρησιμοποιούμενα εξαρτήματα ελέγχου σε μη-μη τυπικά αυτοματοποιημένα συστήματα ελέγχου, συστήματα ελέγχου ισχύος και βιομηχανικό εξοπλισμό. Ο πυρήνας της απόδοσης του ρελέ βρίσκεται στο σύστημα επαφής του. Η επιλογή των υλικών επαφής και η αντίστοιχη ηλεκτρική και μηχανική διάρκεια ζωής τους καθορίζει άμεσα την αξιοπιστία του ρελέ, τον κύκλο συντήρησης και τη σταθερότητα ολόκληρου του συστήματος. Η κατάλληλη επιλογή υλικών επαφής και δομικών μορφών συμβάλλει στη σημαντική μείωση του ποσοστού αστοχίας του εξοπλισμού και του κόστους συντήρησης.

 

 

Η διάρκεια ζωής του ρελέ χωρίζεται γενικά σε δύο κατηγορίες: τη μηχανική και την ηλεκτρική διάρκεια ζωής.

 

Η μηχανική διάρκεια ζωής αναφέρεται στον αριθμό των επαναλαμβανόμενων λειτουργιών που προκαλούνται μόνο από μηχανική ενέργεια κάτω από-συνθήκες χωρίς φορτίο, που συνήθως φτάνουν εκατομμύρια ή και δισεκατομμύρια φορές. Η ηλεκτρική διάρκεια ζωής, από την άλλη πλευρά, αναφέρεται στον αριθμό των φορών που οι επαφές ολοκληρώνουν τις ενέργειες μεταγωγής και διατηρούν κανονική λειτουργία υπό συνθήκες ονομαστικού φορτίου και είναι συνήθως σημαντικά χαμηλότερη από τη μηχανική διάρκεια ζωής.

 

Η τυπική αναμενόμενη ηλεκτρική διάρκεια ζωής των ρελέ-γενικής χρήσης και των ρελέ ισχύος δεν είναι γενικά μικρότερη από 100.000 κύκλους, αλλά αυτή η τιμή εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας. Όταν οι επαφές λειτουργούν υπό συνθήκες κάτω από το ονομαστικό φορτίο, η πραγματική ηλεκτρική διάρκεια ζωής τους μπορεί συχνά να παραταθεί πολλές φορές. Για παράδειγμα, οι επαφές υψηλής-ονομαστικής έντασης ρεύματος εμφανίζουν σημαντικά μειωμένη ενέργεια τόξου και βραδύτερους ρυθμούς διάβρωσης υλικού όταν αλλάζουν μικρότερα φορτία αντίστασης, επιτυγχάνοντας έτσι μια διάρκεια ζωής σε εκατομμύρια κύκλους.

 

Το τέλος της ηλεκτρικής ζωής συνήθως προκύπτει από τους ακόλουθους τρόπους αστοχίας: Η μετανάστευση υλικού λαμβάνει χώρα υπό επαναλαμβανόμενο τόξο, που οδηγεί σε συγκόλληση ή συγκόλληση. Η σοβαρή απώλεια υλικού από το πιτσίλισμα της επιφάνειας επαφής ή την αφαίρεση εμποδίζει τη σταθερή ηλεκτρική επαφή. Η αντίσταση επαφής αυξάνεται συνεχώς, υπερβαίνοντας το επιτρεπόμενο εύρος του συστήματος.

 

Στην πρακτική μηχανική, η ζωή επαφής μπορεί να παραταθεί αποτελεσματικά μέσω του ορθολογικού σχεδιασμού των υλικών επαφής, της πίεσης επαφής και των αντίστοιχων μέτρων καταστολής του τόξου.

 

 

Οι επαφές ρελέ μπορούν να χρησιμοποιήσουν διάφορα πολύτιμα μέταλλα και κράματα. Διαφορετικά υλικά παρουσιάζουν σημαντικές διαφορές στην αγωγιμότητα, την αντίσταση στο τόξο, τη συγκολλησιμότητα και την αντοχή στη φθορά. Οι κοινές μορφές περιλαμβάνουν απλές-μεταλλικές επαφές, επαφές σύνθετου υλικού και διμεταλλικές δομές, όπως Διμεταλλικές Ασημένιες Επαφές, Διμεταλλικά Πριτσίνια Επαφής και Διμεταλλικές Ασημένιες Επαφές, που χρησιμοποιούνται ευρέως σε βιομηχανικά ρελέ και ρελέ ισχύος.

 

Σε εφαρμογές μεσαίου-προς-υψηλού ρεύματος, τα σύνθετα υλικά με βάση το ασήμι-είναι η κύρια επιλογή, επιτυγχάνοντας καλή ισορροπία μεταξύ αγωγιμότητας και αντοχής στη διάβρωση του τόξου. Αυτά τα υλικά υπάρχουν συνήθως με τη μορφή σύνθετων επαφών ή ηλεκτρικών επαφών ακριβείας, που κατασκευάζονται μέσω μεταλλουργίας σκόνης ή διεργασιών ψυχρής κλάσης.

 

 

1. Οξείδιο του καδμίου αργύρου (AgCdO)

Το οξείδιο του καδμίου αργύρου είναι εδώ και πολύ καιρό ένα τυπικό υλικό για επαφές ρελέ μεσαίου-έως-υψηλού ρεύματος. Αυτό το υλικό χρησιμοποιεί μεταλλουργία σκόνης για την ομοιόμορφη κατανομή του αργύρου και του οξειδίου του καδμίου, συνδυάζοντας σχεδόν-την αγωγιμότητα του καθαρού αργύρου με την εξαιρετική αντίσταση συγκόλλησης. Τα πλεονεκτήματά του περιλαμβάνουν:

 

Κάτω από το τόξο, το οξείδιο του καδμίου αναστέλλει αποτελεσματικά τη μετανάστευση υλικού.

Έχει καλή ικανότητα κατάσβεσης τόξου-μειώνοντας σημαντικά τον κίνδυνο προσκόλλησης επαφής.

Υπό κατάλληλη πίεση επαφής, η αντίσταση επαφής παραμένει σταθερή.

 

Τυπικά, η περιεκτικότητα σε οξείδιο του καδμίου στο AgCdO είναι μεταξύ 10% και 15%. Καθώς το περιεχόμενο αυξάνεται, η αντίσταση συγκόλλησης βελτιώνεται, αλλά η ολκιμότητα και οι ιδιότητες ψυχρής εργασίας μειώνονται ανάλογα. Ως εκ τούτου, αυτό το υλικό χρησιμοποιείται συχνά σε δομές όπως το διμεταλλικό πριτσίνι για ρελέ για εξισορρόπηση της δυνατότητας επεξεργασίας και της ηλεκτρικής απόδοσης.

 

2. Οξείδιο κασσιτέρου αργύρου και οξείδιο κασσιτέρου αργύρου ινδίου (AgSnO, AgInSnO)

Με τους ολοένα και πιο αυστηρούς περιβαλλοντικούς κανονισμούς για τα υλικά του καδμίου, το οξείδιο του κασσίτερου αργύρου και το οξείδιο του κασσιτέρου ινδίου αργύρου έχουν γίνει σταδιακά σημαντικές εναλλακτικές λύσεις για το AgCdO. Αυτά τα υλικά έχουν υψηλότερη σκληρότητα και καλή ικανότητα συγκόλλησης, γεγονός που τα καθιστά ιδιαίτερα κατάλληλα για εφαρμογές με σημαντικό ρεύμα υπέρτασης και χαμηλό ρεύμα σταθερής-κατάστασης, όπως φορτία νήματος ή επαγωγικά φορτία.

 

Σε σύγκριση με το AgCdO, αυτά τα υλικά έχουν ελαφρώς υψηλότερη αντίσταση όγκου, αλλά παρουσιάζουν καλή αξιοπιστία σε ρελέ αυτοκινήτου και συστήματα συνεχούς ρεύματος, ιδιαίτερα κατάλληλα για δομές επαφών υψηλής{{0} αξιοπιστίας, όπως επαφές ασημί διακόπτη και σταθερές επαφές αργύρου.

 

 

Το καθαρό ασήμι έχει την υψηλότερη ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα από όλα τα μέταλλα, εξαιρετικά χαμηλή αντίσταση επαφής και σχετικά ελεγχόμενο κόστος. Έτσι, χρησιμοποιείται ευρέως σε ασημί ηλεκτρικές επαφές. Ωστόσο, τα μειονεκτήματά του περιλαμβάνουν την ευαισθησία στη θείωση, το θαμπό της επιφάνειας και τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα που περιορίζεται από το περιβάλλον.

 

Τα κράματα ασημιού-χαλκού, με την εισαγωγή χαλκού, βελτιώνουν την αντοχή στη φθορά και μειώνουν τη συγκολλησιμότητα, καθιστώντας τα κατάλληλα για μεσαίες- τρέχουσες εφαρμογές.

 

Τα ασημένια-υλικά βολφραμίου διαθέτουν εξαιρετικά υψηλά σημεία τήξης και αντοχή στο τόξο, αλλά απαιτούν υψηλή πίεση επαφής και έχουν σχετικά υψηλή αντίσταση επαφής, με αποτέλεσμα να χρησιμοποιούνται κυρίως σε εφαρμογές υψηλού φορτίου-κρούσης, όπως συρόμενες ηλεκτρικές επαφές ή επαφές δακτυλίου ολίσθησης.

 

Τα υλικά από ασήμι-νικελίου βελτιώνουν σημαντικά την αντοχή στη διάβρωση του τόξου διατηρώντας παράλληλα την αγωγιμότητα σχεδόν-καθαρού αργύρου.

 

Τα υλικά από ασήμι-παλλάδιο έχουν υψηλή σκληρότητα και χαμηλή φθορά, αλλά είναι πιο ακριβά, συνήθως χρησιμοποιούνται σε ρελέ ακριβείας με εξαιρετικά υψηλές απαιτήσεις διάρκειας ζωής.

 

Τα ασημένια-συστήματα χαλκού παρουσιάζουν καλή αντοχή στη διάβρωση σε κυκλώματα χαμηλού-ρεύματος, καθιστώντας τα κατάλληλα για εφαρμογές ελαφρού-φορτίου, όπως ηλεκτρικές επαφές ελατηρίου.

 

 

Οι σύγχρονες επαφές ρελέ συχνά χρησιμοποιούν διμεταλλικά ή σύνθετα σχέδια δομών, όπως Διμεταλλικές Επαφές Ag/Cu, Διμεταλλικές Επαφές Ψυχρής Κεφαλής και Διμεταλλικές Επαφές Πριτσινιών. Αυτές οι δομές επιτυγχάνουν μια βέλτιστη ισορροπία μεταξύ κόστους, αγωγιμότητας και διάρκειας ζωής διαιρώντας το υλικό μεταξύ του αγώγιμου υποστρώματος και του στρώματος επαφής εργασίας.

 

Σε πρακτικές εφαρμογές, η επιλογή των υλικών επαφής εξαρτάται όχι μόνο από το ονομαστικό ρεύμα αλλά και από την προσεκτική εξέταση του τύπου φορτίου (αντιστατικό, επαγωγικό, χωρητικό), την τάση λειτουργίας, τις περιβαλλοντικές συνθήκες και την αναμενόμενη διάρκεια ζωής. Για συστήματα υψηλής αξιοπιστίας, εκτός από την επιλογή υλικού, είναι συχνά απαραίτητο να ληφθούν υπόψη το κατάλληλο σχήμα επαφής, ο σχεδιασμός της πίεσης επαφής και οι στρατηγικές κατάσβεσης τόξου-.
 

 

Επαφές ρελέείναι κρίσιμα εξαρτήματα σε ηλεκτρικά συστήματα που είναι πιο επιρρεπή σε αστοχία, και το σύστημα υλικού τους καθορίζει άμεσα την ηλεκτρική ζωή του ρελέ και την αξιοπιστία του συστήματος. Με την επιστημονική επιλογή υλικών επαφής, την ορθολογική αντιστοίχιση των χαρακτηριστικών φορτίου και την υιοθέτηση ώριμων διμεταλλικών ή σύνθετων δομών επαφής, η διάρκεια ζωής των ηλεκτρονόμων μπορεί να παραταθεί σημαντικά. Με την ανάπτυξη της νέας ενέργειας, των ηλεκτρονικών αυτοκινήτων και του βιομηχανικού αυτοματισμού, η ζήτηση για ηλεκτρικές επαφές υψηλής απόδοσης{{2} και επαφές ευγενών μετάλλων θα συνεχίσει να αυξάνεται και η τεχνολογία των υλικών επαφής θα συνεχίσει να εξελίσσεται προς υψηλότερη αξιοπιστία και φιλικότητα προς το περιβάλλον.