稀有金属 2008,(03),320-326 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2008.03.005

Ag/La₂NiO₄基电触头使用中温度场的有限元分析和实验研究

管伟明 张昆华 郭迎春 耿永红

昆明贵金属研究所,昆明贵金属研究所,昆明贵金属研究所,昆明贵金属研究所,昆明贵金属研究所 云南昆明650106,云南昆明650106,云南昆明650106,云南昆明650106,云南昆明650106

摘 要：

通过对电触头使用过程中闭合电弧→接触电阻焦耳热→分断电弧→自然冷却过程的分析, 建立了一个可描述电触头使用过程中, 瞬态温度场的统一计算模型。通过对Ag/La2NiO4基电触头的电接触实验机和相关实验的测试、分析和计算, 得到进行该电触头使用中瞬态温度场计算所需的基本参数。在此基础上, 采用有限元方法进行了计算, 得到了该电触头的瞬态温度场的分布和演化特点。通过将计算结果与相关的实验测量结果进行分析和比较, 可以发现瞬态温度场对于Ag/La2NiO4基电触头材料的侵蚀机制、使用寿命的研究具有重要参考价值。

关键词：

电触材料;有限元;温度场;模型;

中图分类号： TB34

收稿日期：2007-10-15

基金：国家863基金资助项目 (2001AA320175);云南省自然科学重点基金项目 (1999E0007Z) 资助;

A Finite Element Calculation and Experiment Study of Transient Temperature Field of Ag/La₂NiO₄ Based Electrical Contacts During Operation

Abstract：

A common model for the calculation of transient temperature field of electrical contacts during operation was established by analysis the procedure of close arc→Joule heat of contact resistance→open arc→self-cooling. Fundamental parameters of Ag/La2NiO4 based electrical contact for calculation of transient temperature field were obtained with by electrical contact experimental instrument, and by other correlation experiments and calculations. The finite element method was applied to calculate the transient temperature field of this electrical contact during operation. The evolving features and distribution of the transient temperature field were obtained. According to the present study, it could be found that the transient temperature field was valuable for study on erosion mechanism and lifetime of Ag/La2NiO4 base electrical contact materials.

Keyword：

electric contact material; finite element; temperature field; model;

Received： 2007-10-15

Ag基电接触材料是一种广泛使用的电接触材料, 主要承担分断、 接通电路并承载电流的作用。 Ag基电接触材料主要有AgMeO系、 AgC系、 AgNi系 ^[1] , 其中AgMeO系使用的范围较广, 常见的有AgCdO, AgSnO₂, AgZnO等。 研究表明通过添加不同的金属氧化物, 可以控制电接触材料使用中出现电弧的特性 ^[1,2] 。 所以, 人们一直致力于研究不同金属氧化物对电接触材料各种性能的影响。 本研究小组和山东大学成功制备了新型Ag/La₂NiO₄电触头材料 ^[3,4] , 并采用昆明贵金属研究所研制的电接触实验机, 测量了该电触头材料在模拟使用过程中的各参量变化。 由于电触头材料使用中, 主要经历闭合电弧→接触电阻焦耳热→分断电弧→自然冷却过程, 电接触材料的侵蚀也发生在这一连贯作用过程中, 并且材料的侵蚀是多因素、 多物理场耦合作用的结果 ^[1,2] 。 特别是电接触材料的侵蚀问题一直是该研究领域中的重要问题, 并且直接决定了电触头的使用寿命, 因此对该问题研究一直是国内外电接触材料研究的重点和热点 ^[4,5,6,7,8] 。

目前国内外研究表明, 解决该问题首先需要建立可以描述电触头使用过程中的瞬态温度场模型;其次, 通过对该模型的分析计算并结合材料侵蚀方面的知识, 才有可能清楚了解侵蚀机制, 并最终解决电接触材料侵蚀问题这一基本问题。

目前, 国内外对于电接触材料使用中瞬态温度场的研究, 多采用实验和理论计算相结合的方法。 首先, 通过光谱分析、 SEM、 称重、 电接触实验机等手段 ^[3,4,5] , 测量材料在使用过程中的接触电阻、 电弧功率、 光谱和作用半径等重要参量 ^[1,8,9] ;在此基础上建立特定的数学模型 ^{[1,10,11,12,13]} , 并结合材料的基本物性参数, 采用有限差分、 有限元等方法进行求解 ^[14,15] ; 最后结合与实验结果的对比, 从而不断改进和完善模型。

国外在该方面进行的研究最早是Robertson ^[13] , Nied ^[14] 等; 近年来Borkowski ^[7] , Swingler ^[8] 建立了电弧作用的唯象模型, 并进行了相应的计算和分析。 国内, 从事过该方面的研究单位主要是西安交通大学和华中科技大学。 西安交通大学的孙明、 王其平和荣命哲研究组, 对接触电阻焦耳热产生的温度场进行了分析和计算 ^[1,11,12] , 同时建立了恒定大电流工作条件下, 电弧对材料作用的简化模型, 并采用有限差分法求解了温度场, 分析结果与实验结果符合较好 ^[11] 。 近年来, 华中科技大学李震彪研究组, 建立了较好的电弧作用模型, 并采用有限元方法进行了计算和分析 ^[6] , 取得了一些有价值的研究成果。

目前国内外的研究中存在如下一些问题: (1) 单独的、 孤立的研究电阻焦耳热或电弧作用下的温度场问题; (2) 建立的模型, 特别是电弧作用模型与实际还有一定距离, 例如: 电弧的作用半径恒定、 电弧功率恒定、 材料基本物性参数与温度无关等; (3) 实验中测量得到的许多实际数据都没有在计算中用到, 这使得计算结果与实测结果存在一定差距; (4) 同时在计算上也存在一定问题: 主要是人为划定的计算区域太小, 且对划定区域处人为设定了边界条件, 这与真实边界条件存在一定差异 ^[1,4,11] , 这都将导致计算结果不能完全反映实际情况; (5) 对于电触头实际使用过程中, 经历闭合电弧→接触电阻焦耳热→分断电弧→自然冷却整个过程的瞬态温度场模型没有建立起来。 本文首先初步建立了电触头实际使用过程中的瞬态温度场模型; 在此基础上, 将电接触实验机上测量得到的新型Ag/La₂NiO₄电触头材料的大量实验数据代入模型, 采用有限元方法进行了计算, 得到了该瞬态温度场分布; 最后, 通过对该温度场的分析, 以及相应实验结果的比较和分析, 得出一些有价值的信息, 这对于Ag/La₂NiO₄电接触材料的侵蚀、 使用寿命等方面的研究都具有一定参考价值。

1 试样的制备和实验

将La₂NiO₄粉末 (山东大学提供) 与Ag粉 (纯度≥99.95%) 按1∶9的比例混合, 经压结、 烧结、 二次挤压、 拉制等过程, 制成直径Φ1.4 mm的Ag/La₂NiO₄丝材, 然后墩制成Φ3.0×1.0+Φ1.5×2 (mm) 的触点, 其中动触头的端面为球形, 静触头的端面为平板形。 在昆明贵金属研究所研制的电接触实验机上对该电触头试验。 实验条件如下: 接触压力0.8 N, 直流18 V/10 A; 频率60 min^-1; 操作次数10000。 测试中可以测得电流、 电压、 接触电阻等参数。 并测量材料的热物性参数。

2 瞬态温度场的计算

2.1 瞬态温度场模型

通过分析电触头在使用中经历的闭合电弧→接触电阻焦耳热→分断电弧→自然冷却过程, 建立了相应的瞬态温度场模型如图1: 接触电阻焦耳热热流或电弧热流的总功率为P (t) ; 对于阳极或阴极, 通过半径为r (t) 的圆面进入电触头的功率P_f (t) =P (t) *η, 且热流密度J=k (t) (k (t) =P (t) η/πr (t) ²) 在圆面中分布均匀, 其中η是功率输入因子 (0<η<1) ; 电触头的其他表面保持绝热J=0或由于水冷而保持室温T=25 ℃的电触头柄部, 电触头初始温度为25 ℃, 电触头采用Ag/La₂NiO₄电触头材料制成。

特别值得注意的是模型中的热流作用功率P (t) 、 作用半径r (t) 、 热流密度k (t) 都随时间变化, 这反映了闭合电弧、 接触电阻焦耳热、 分断电弧连贯作用和特点, 也更接近实际使用过程, 也是本模型与以往的模型的重要区别。 同时本模型没有人为设置边界条件, 采用了真实的边界条件, 有效避免了以往多数模型中人为划定区域和设定区域边界条件的问题 ^[1,11] , 计算结果可以真实反映电触头上的温度场分布。 本模型是轴对称非线形瞬态温度场问题, 用焓法建立基本方程进行计算。 基本计算公式为 (1) :

?Η(Τ)?t=??(k(Τ)??Τ)???(1)

(其中 Η(Τ)=Τ∫0ρ?Cp(Τ)dt)

边界条件为 (2) , (3) , (4) :

-k?Τ?n=J=k(t)=Ρ(t)?η/πr(t)2 (电触头顶部表面的圆面内) (2)

T=25 ℃ (电触头柄部表面) (3)

-k?Τ?n=0 (电触头其他表面) (4)

初始条件为 (5) :

T=25 ℃ (整个电触头) (5)

图1 瞬态温度场计算模型示意图

Fig.1 Sketch of transient temperature field calculation model

2.2 瞬态温度场计算

通过差热分析和热导率测量仪的测量, 并通过计算得到了Ag/La₂NiO₄电触头材料的热导率K (图2) 、 热焓H (图3) 等参量; 其次, 主要通过电接触实验机的实测数据, 确定或推算出同时模型中的热流作用功率、 作用半径等参量。 闭合、 分断电弧作用时, 作用半径r (t) (μm) 可用电弧电流I (t) (A) 与作用半径的经验公式πr (t) ²=1.67×10³I (t) ^[1,2] 得到; 由于电弧输入两极的功率不同, 所以分别对η=0.5 (输入两极的功率相同) 和η=1.0 (功率只输入一极) 两种情况进行计算; 接触电阻焦耳热作用时, 可以通过材料的显微硬度HB=60推算出 ^[11] 为20 μm; 计算热流作用功率时, 认为接触电阻焦耳热输入两极的功率相同, 即η=0.5, 电弧、 接触电阻焦耳热总功率P (t) 均可以直接由电接触实验机测量。

在开路直流电压18 V, 闭路电流10 A的工作条件下, 通过电接触实验机对Ag/La₂NiO₄基电触头使用过程中的参量进行了测量, 并对相应的参数进行了计算。 图4, 5分别给出了电触头在经历闭合电弧 (0～20.3 ms) →接触电阻焦耳热 (20.3～465.8 ms) →分断电弧 (465.8～484 ms) →自然冷却 (t>484 ms) 过程中, 热流作用功率P (t) 、 作用半径r (t) 的关系。 从图4, 5中可发现在闭合、 分断电弧作用阶段, 作用功率P (t) 和作用半径r (t) 的数值较大, 且增加速度极快, 而接触电阻焦耳热作用阶段, 作用功率和作用半径基本为定值。

图2 Ag/La2NiO4材料的热导率

Fig.2 Thermal conductivity of Ag/La₂NiO₄ material

图3 Ag/La2NiO4材料的热焓

Fig.3 Enthalpy of Ag/La₂NiO₄ material

在以上参数的基础上, 就可采用有限元方法进行计算了 ^[15] 。 首先对图1中轴对称模型的区域进行网格划分, 特别是接近热流作用区域的网格密度较大 (单元尺寸为0.5 μm) , 而靠近触头柄部的网格密度较小 (单元尺寸为50 μm) ; 同时计算时间范围: 0～0.55 s, 时间步长范围: 0.20～20 ms, 计算程序采用Fortran编写, 分别对η=0.5和η=1.0两种情况进行了计算。

图4 电触头使用中作用在触头上的热流作用功率P (t)

Fig.4 Heat flux P (t) on contact during contact operation

图5 电触头使用中作用在触头上的热流的作用半径r (t)

Fig.5 Heat flux radius r (t) of on contact during contact operation

3 瞬态温度场的计算结果与分析

Ag/La₂NiO₄基电触头在使用过程中各时刻温度场的计算结果, 对于该电触头材料的侵蚀机制、 使用寿命等方面的研究, 具有重要的参考价值。 温度场计算结果显示触头顶部表面的中心位置是电触头最高温度点。 图6和7给出不同η值时, 该位置的温度与时间曲线, 从图6和7中可以发现: (1) 电触头在闭合、 分断电弧作用时段, 温度升高非常迅速, 达到最高, 并且最高温度的出现均发生在闭合、 分断电弧开始作用后1.0～10 ms之间; (2) 不同η值下, 接触电阻焦耳热作用时段, 温度变化幅度很小, 基本恒定在121 ℃左右; (3) 当η=0.5时, 在闭合电弧作用t=1.64 ms时, T_max=677.2 ℃, 分断电弧作用t=472.8 ms时, T_max=667.5 ℃, 最高温度均未达到材料中银的熔点, 没有液态银存在, 在闭合、 分断电弧作用时段与接触电阻焦耳热作用时段的交界处, 由于从电弧作用阶段转变为接触电阻焦耳热作用阶段, 导致热流作用功率、 面积均会发生突变, 使得温度也发生突变, 温度最低处分别为60.8和94.8 ℃; (4) 当η=1.0时, 在闭合电弧作用t=1.64 ms时, T_max=1403 ℃, 分断电弧作用t=472 ms时, T_max=1400 ℃, 最高温度均超过材料中银的熔点, 有液态银熔池出现会发生喷溅现象; 闭合电弧作用下液态银熔池出现时间在0.44～4.06 ms, 熔池存在3.62 ms, 而分断电弧作用下液态银熔池出现在468.4～477.5 ms, 熔池存在9.1 ms; 同样在闭合、 分断电弧作用时段与接触电阻焦耳热作用时段的交界处, 由于热流作用功率、 面积均会发生突变, 导致温度也发生变化但幅度很小, 最低处分别为95.7和121 ℃; (5) 值得注意的是η=0.5和η=1.0时, 分断电弧结束作用后6 ms, 电触头的温度就都降低到室温25 ℃, 考虑到电触头在实际使用中, 从完全分断后到再次闭合之间的间隔通常都远远大于6 ms, 所以电触头下一次工作时已基本全冷却。 图8给出了η=1.0时闭合电弧作用下, 电触头出现最高温度1403 ℃时 (t=1.64 ms) , 电触头的整体以及电弧作用区的温度场分布图。 图中只有离电弧作用区约5个作用半径的范围内的温度最高、 温度梯度最大, 其他绝大部分区域的温度在25～100 ℃之间; 且各等温面均为旋转椭球面。 图9给出了η=1.0时分断电弧作用下, 电触头出现最高温度1400 ℃时 (t=472 ms) , 电触头的整体以及电弧作用区的温度场分布图。 同样也发现电触头大部分区域的温度在25～100 ℃之间, 同样只有电弧作用区附近6个作用半径的范围内的温度最高、 温度梯度最大, 且等温面也均为旋转椭球面。

图10和11分别给出了η=1.0时, 在闭合、 分断电弧作用下出现最高温度时的熔池图, 而且此时的熔池体积也是最大的。 通过计算可以得到, 图10中的熔池体积为3.12×10⁴ μm³, 熔池质量约为2.8×10^-4 mg, 而图11中的熔池体积为3.84×10⁴ μm³, 熔池质量约为3.5×10^-4 mg。 比较图10和11中的熔池大小, 可以发现分断电弧作用下熔池的半径和深度都较大。 同时考虑到η=1.0时, 分断电弧作用下熔池存在9.1 ms是闭合电弧作用下熔池存在时间3.62 ms的2.5倍。 因此, 可以认为在同一η值时, 分断电弧作用下出现的熔池, 对于该工作条件下的电触头材料的侵蚀和寿命具有重要的影响和作用。

图6 18 V/10 A条件下Ag/La2NiO4电触头顶部中心处的温度 (η=0.5)

Fig.6 Temperature on center of Ag/La₂NiO₄ base contact top under 18 V/10 A (η=0.5)

图7 18 V/10 A条件下Ag/La2NiO4电触头顶部中心处的温度 (η=1.0)

Fig.7 Temperature on center of Ag/La₂NiO₄ base contact top under 18 V/10 A (η=1.0)

图8 η=1.0时闭合电弧作用下电触头出现最高温度时的温度场分布图Fig.8 Temperature map of Contact at the time of maximum temperature appear by close Arc whenη=1.0

(a) Whole body; (b) Arc action area

图9 η=1.0时分断电弧作用下电触头出现最高温度时的温度场分布图

Fig.9 Temperature map of Contact at the time of maximum temperature appear by open Arc when η=1.0 (a) Whole body; (b) Arc action area

图10 η=1.0时闭合电弧作用下最高温度时的熔池图

Fig.10 Melton pool map of Contact at the time of maximum temperature appear by close Arc when η=1.0

图11 η=1.0时分断电弧作用下最高温度时的熔池图

Fig.11 Melton pool map of Contact at the time of maximum temperature appear by open Arc when η=1.0

4 实验结果与计算结果的比较

在实验过程中, 电触头在闭合与分断过程中, 均可看见电弧。 如图12和13是阳极和阴极表面的形貌图, 从图12中可以发现电弧侵蚀后产生的裂纹、 喷溅后产生的凝固熔滴、 凝固过程中出现的气孔, 从图13中可以发现大量的电弧作用产生的大量片状凝固组织, 因此可以确定电接触材料的侵蚀主要是电弧作用的结果, 并且从电弧对材料的侵蚀程度上来看, 电弧对阴极的作用强度大于阳极; 同时通过称量电触头的重量, 发现工作10000次后, 阳极增重0.2 mg, 阴极减重0.2 mg, 每次工作阳极平均增加2×10^-5 mg, 可以确定主要是阴极型电弧在电弧侵蚀中占主导作用, 而这种电弧主要出现在分断电弧作用阶段, 且该电弧对阴极的侵蚀作用较明显, 表现为阴极失重而阳极增重, 这与以上计算中得出分断电弧的作用较重要的结论相印证。 同时考虑到只有η>0.5时才会出现熔池, 结合图12和13的分析结果以及称重结果, 可以认为直流18 V/10 A的工作条件下, 分断电弧起主要作用, 且对于阴极0.5<η_c<1, 而阳极0<η_a<0.5, 而η_c+η_a=1。

图12 工作5000次后阳极表面的形貌

Fig.12 Morphology of anode surface after 5000 time operation

图1 3 工作5000次后阴极表面的形貌Fig.13 Morphology of cathode surface after 5000 time operation

5 结 论

1. 建立了可以描述电触头经历闭合电弧→接触电阻焦耳热→分断电弧→自然冷却的实际使用过程的瞬态温度场模型。

2. 采用本计算模型和Ag/La₂NiO₄电触头材料的实测数据, 用有限元方法进行了求解。 通过对计算结果的分析, 得到了一些有价值的研究结果, 对于该电接触材料的侵蚀机理、 使用寿命的研究具有一定的参考价值。

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