Раздел I
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТАКТ.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Глава 1
КЛАССИФИКАЦИЯ, УСЛОВИЯ РАБОТЫ И ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ КОНТАКТАМ
- Основные понятия и определения
Электрическим контактом по ГОСТ 14312—79 называется соприкосновение тел, обеспечивающее непрерывность электрической цепи. Соприкасающиеся тела (чаще всего твердые) называются контакт-деталями, или контактными элементами. Элементы, соединенные с положительным и отрицательным зажимом цепи, называются анодными и катодными соответственно.
На электрические контакты, кроме их основной функции обеспечения электрического соединения, часто возлагаются и другие задачи. Они используются как элементы конструкции, опоры, монтажные и теплоотводящие элементы и т. д. Существует ряд классификаций электрических контактов по природе контакта, геометрии контактной поверхности, кинематике движения, конструктивно-технологическим признакам, характеру токовой нагрузки, области применения и т. д. [80, 275, 304]. В частности, по роду соприкосновения контакты могут быть разделены на подвижные и неподвижные (или контактные соединения); по геометрии контакта — на точечные, линейные и плоскостные; по кинематике относительного движения — на скользящие, катящиеся, разрывные; по конструктивным особенностям — на разъемные, зажимные, щеточные, троллейные и т. д.; по роду токовой нагрузки — на сильноточные (токосъемы) и слаботочные (при очень малых токах так называемые «сухие»).
Рис. 1.1. Классификация электрических контактов
В дальнейшем будем пользоваться терминологией, рекомендуемой ГОСТ 14312—79 и приведенной в электротехническом справочнике [311]. Общая классификация контактов представлена на рис. 1.1.
Более подробно рассмотрим основные виды скользящих электрических контактов (СК). Наиболее распространенными и важными СК являются контакты электрических машин, токосъемы транспортных и подъемно-транспортных устройств, а также СК радиоэлектронной аппаратуры, систем управления и автоматики. Если СК электрических машин и транспорта, как правило, предназначены для коммутации токов средней и высокой плотности, то СК радиоэлектронной аппаратуры, систем управления и автоматики обычно относятся к слаботочным.
Скользящие электрические контакты электрических машин выполняются в двух модификациях: щетка — коллектор и щетка — контактное кольцо, где щетки разной полярности скользят соответственно по одной дорожке трения и по разным кольцам. Материалом коллекторов в большинстве случаев является электролитическая медь или медь с небольшим добавлением кадмия, серебра, магния, циркония или теллура. Контактные кольца изготавливаются из сплавов меди с цинком, свинцом, алюминием, а в некоторых случаях (очень высокие окружные скорости) из черных металлов и их сплавов. Материалами щеток преимущественно выбираются многокомпонентные композиции из порошков графита, сажи, меди и кокса [292].
Важнейшими видами СК, применяемых на транспорте, служат контакты типа вставка пантографа — контактный провод и башмак—контактный рельс [43, 127, 304].
Условия работы обоих типов токосъема во многом сходны. Различие состоит в том, что в случае пары вставка пантографа — контактный провод один из ее элементов не является жестким, и нажатие на контакт зависит от формы, которую принимает подвешенный провод между опорами [142]. Кроме того, первый тип токосъема применяют в условиях действия различных климатических факторов (ветровые нагрузки, дождь, снег, обледенение), а второй — главным образом в тоннелях, шахтах и прилегающих к ним участках, защищенных от действия указанных факторов.
В узлах токосъема транспорта в основном используется медь и ее сплавы с кадмием и магнием для контактных проводов, мягкая мартеновская сталь — для контактных рельсов метрополитена, медь, угольно-коксовые материалы и металлокерамические материалы — для вставок пантографов, сталь—для башмаков метрополитена.
К слаботочным СК относится большое количество устройств, работающих в схемах автоматики, телемеханики, связи и т. д. Конструктивное разнообразие их очень велико и, несмотря на малую материалоемкость, они являются дорогостоящими элементами машин и аппаратов вследствие широкого использования в них драгоценных металлов. Условия работы слаботочных СК с механической точки зрения достаточно благоприятны, так как обычно скорости скольжения и нагрузки на контактные элементы невелики, а сами устройства защищены от действия вредных факторов среды.
Электрические контакты, являясь важнейшими элементами электрических машин, электротехнической и радиоэлектронной аппаратуры, обеспечивают эффективность работы практически всей техники, эксплуатируемой человеком. Исторически с необходимостью создания надежного электрического контакта человечество столкнулось впервые в начале XIX в. в связи с появлением первых электрических машин. Так, уже в 1834 г. Б. С. Якоби разрабатывал коммутирующие устройства, подобные коллектору со щетками [135]. Первые такие контакты изготавливались в основном из меди. Затем с развитием электромашиностроения наибольшее распространение получили контакты типа металл — углеграфитовый материал, которые успешно применяются и в настоящее время в большинстве электромашин и токосъемов. Развитие электротехники и радиотехники, появление электронных схем, устройств автоматики и телемеханики привели к необходимости широкого использования разъемных, разрывных и скользящих контактов новых типов: контактов реле, низковольтных и высоковольтных электрических аппаратов, реостатов, потенциометров, разъемов электронных схем и т. д. Токи и напряжения, при которых эксплуатируются контакты, перекрывают диапазон в десять порядков и более, условия окружающей среды включают и космический вакуум, и температуры в сотни градусов Цельсия, требования по стабильности и надежности контакта также качественно различны (достаточно сравнить, например, требуемую надежность бытового штепсельного разъема или коллектора микродвигателя в системе управления ракеты).
Разнообразие требований к контактам обусловило необходимость применения проводящих материалов — от графита до рения. Объем переработки только драгоценных металлов на материалы и покрытия контактов составляет в мире тысячи тонн.
Материаловедческий аспект проблемы электрических контактов не исчерпывает ее актуальности для современной техники. Другим важным аспектом является энергетический, поскольку выработка, распределение и потребление энергии сопровождаются колоссальными потерями ее в контактах. Для современной крупной электрической машины постоянного тока потери в щетках достигают 0,5% общей мощности. Только электрический транспорт железных дорог СССР потребляет более 5% всей электроэнергии страны, и значительная часть ее расходуется в скользящих контактах токосъем — провод и коллектор — щетка.
С появлением новых типов техники условия эксплуатации электрических контактов все более ужесточаются. Так, токосъемы новых униполярных электромашин должны пропускать токи плотностью в сотни и тысячи А/см2, а монорельсовые поезда требуют токосъемов, способных работать при скоростях более 100 м/с.
Несмотря на многочисленные попытки перейти в ряде электротехнических устройств к электронным бесконтактным схемам, надежность и стоимость последних не дают возможности предвидеть сужение области применения подвижных электрических контактов в будущем.
Рис. 1.2. Схема контакта твердых тел: Аа — номинальная площадь контакта; Ас — контурная площадь контакта; Аr — фактическая площадь контакта (ФПК); Аr — доля ФПК, проводящая электрический ток
Многообразие электрических контактов, образованных твердыми телами, сводится к образованию на поверхности их раздела участков, в пределах которых возможно прохождение тока. В связи с отклонениями поверхностей элементов контакта от идеальной геометрической формы вводятся понятия условной, или номинальной, контурной и эффективной, или реальной, площади контактирования. Условная площадь контактирования соответствует площади проекции номинальных габаритов меньшего контактного элемента. Из-за шероховатости различного масштаба, непроводящих пленок загрязнений и окислов реальная площадь контактирования в сотни раз меньше номинальной. Кроме того, в ней можно выделить участки чисто металлического и квазиметаллического контакта через тонкие пленки. Теоретически обладает проводящими свойствами из-за туннельного эффекта и термоэлектронной эмиссии тонкий зазор, окружающий пятна реального контакта.
На рис. 1.2 представлена схема, поясняющая приведенные выше положения.
В случае относительного движения контактных элементов величина площади реального контактирования определяется вероятностно-статистическим характером взаимодействия отдельных участков и ее общая величина в общем случае не постоянна. Вследствие этого изменяются во времени пропускаемый контактом ток и падение напряжения на нем. Нестабильность динамических значений тока и падения напряжения — серьезная причина шума и искажений коммутируемых сигналов в слаботочных скользящих контактах. Кроме того, еще одной причиной шума является протекание в контакте процессов электрофизической и электрохимической природы, обусловленных разнородностью контактирующих элементов (контактная электризация) термоэлектрическими, гальваническими и другими процессами.
Важнейшими параметрами и характеристиками электрических контактов, кроме упомянутых выше, являются контактное нажатие или нагрузка — сила, приложенная к двум элементам контакта перпендикулярно их поверхности соприкосновения, соответствующее нажатию номинальное и эффективное давление, а также переходное сопротивление контакта — электрическое сопротивление зоны контактирования, определяемое эффективной площадью и равное отношению переходного падения напряжения к току через переход. Для скользящих электрических контактов определяющую роль играет скорость перемещения.
Из анализа понятий, входящих в рассмотрение физической картины электрического контактирования, следует, что оно должно основываться на теоретических и прикладных результатах ряда научных дисциплин: механики и физики контактных явлений, теоретической электротехники, материаловедения. Важно отметить, что использование результатов научных дисциплин должно быть комплексным, ибо природа и характер процессов в электрическом контакте при одновременном действии механических и электрофизических факторов качественно отличны от простой суммы невзаимодействующих между собой процессов. Вклад в своеобразие общей картины электрического контактирования вносит и геометрический фактор — протекание контактных процессов на дискретной поверхности раздела и в тонких прилегающих к ней слоях материалов. При изучении подвижных электрических контактов с трением, неизбежным результатом которого является изнашивание, к этим дисциплинам необходимо добавить и теорию трения, изнашивания и смазки, совокупность практических приложений которой получила название триботехники. Это понятие включает расчет и разработку подвижных сопряжений, материалов, смазок и конструкций для них.
