电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试装置及其测试方法与流程

1.本发明属于电工材料技术领域，具体涉及一种电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试装置及其测试方法。


背景技术：

2.电接触过程中，两导体接触界面从分离到接触或从接触到分离时，一定条件下两者之间便会产生电弧。高能量、高温度的电弧会使接触材料表面熔化受损，恶化材料性能，降低材料使用寿命。因此，电接触材料的电弧烧蚀过程对评估电接触材料的使用寿命至关重要。
3.当前电接触材料的电弧烧蚀性能测试主要集中于受压接触的电弧烧蚀行为，主要针对高压电路的电触头材料，以提高接触力为目标来减少电弧烧损。随着电动汽车及其相应的充电桩产业的开发，因汽车振动产生的电弧、摩擦产生的电弧在所难免。采用原有评测方式，难以评估这类电弧损伤及其对安全性能的影响。国内也出现了带电摩擦测试电弧烧蚀性能的测试，简单地把摩擦磨损测试与电源连接进行往复式测试，进行最终质量烧损和体积烧损测量。但是这种方法不能有效体现电接触材料产生的电弧能量，另一方面不能有效去除磨屑对电弧烧蚀的负面影响，不能对电接触材料的抗电弧性能进行评估。
4.因此，从电动汽车产业需求出发，构建摩擦电弧测试方法，有着重要的现实意义。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试装置及其测试方法，以克服现有技术中存在的不足。
6.为实现前述发明目的，本发明实施例采用的技术方案包括：
7.本发明实施例提供了一种电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试装置，包括测试单元、数据采集单元和数据处理单元，所述数据采集单元与数据处理单元相连接，所述测试单元与所述数据采集单元电性连接；其中，所述测试单元包括可调速电机、测试电极、至少用于放置待测样品的样品台和电源，所述测试电极与可调速电机固定连接，所述测试电极设置于所述待测样品的上方，且所述测试电极在处于第一工位时能够与待测样品接触并产生摩擦和烧损。
8.本技术方案中，第一工位是指测试电极的下端部与待测样品的表面垂直接触时的位置。
9.进一步地，所述数据采集单元包括由电压测量装置、电流测量装置和电源组成的电路，以及补偿电路，所述补偿电路至少用于实现电压和电流的同时测试。
10.进一步地，所述数据处理单元至少用以实时记录数据和电压、电流和电弧曲线。
11.进一步地，所述测试电极采用钨电极。
12.更进一步地，所述测试电极与待测样品接触的一端部具有半球形结构。
13.进一步地，所述可调速电机上还设置有电机转盘，所述电机转盘上设置有限位块
并连接压力传感器，用以对测试电极的位置和初始接触状态进行限定。
14.进一步地，所述测试单元还包括样品固定装置，至少用以对待测样品的位置进行限定。
15.本发明实施例还提供了一种电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试方法，包括：
16.提供前述的电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试装置；
17.将待测样品固定于样品台上，将所述待测样品、测试电极和电源电性连接；
18.使所述电源通电，在等电压模式下，通过调节电压、电流、测试电极的转速，实现所述测试电极在处于第一工位时与待测样品接触并产生摩擦和烧损，并实时记录电压、电流和电弧曲线，进而完成电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试。
19.进一步地，所述的电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试方法，具体包括：将所述待测样品与电源的负极连接，将所述测试电极与电源的正极连接。
20.进一步地，所述的电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试方法，还包括：通过调节电源的脉冲宽度和频率，或者通过改变摩擦频率，实现电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试。
21.进一步地，所述制备方法还包括：在所述测试完成后，计算烧损质量，以及，测量烧蚀深度和烧蚀体积。
22.进一步地，所述的电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试方法，还包括：在进行测试前，对所述待测样品的表面进行打磨和清洗。
23.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
24.本发明通过低电压摩擦电弧烧损，与电触点材料的工作环境更为相似，而且通过旋转摆臂方式实现周期摩擦电弧，可以避免磨屑造成的烧损干扰，同时对实时数据的记录采集提供了更好的可行性，此外，采用本发明方法测试的摩擦电弧烧损更好地体现了电接触材料的抗电弧性能，对其安全性评估更准确。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本技术一实施方式中电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试装置的结构示意图。
27.图2是图1中测试单元的结构示意图。
28.图3是实施例2中样品烧蚀后的形貌图。
29.图4是实施例2中样品烧蚀表面的划痕深度分布图。
30.图5是实施例3中样品烧蚀后的形貌图。
31.图6是实施例3的样品烧蚀表面的划痕深度分布图。
32.图7是实施例4中样品烧蚀后的形貌图。
33.图8是实施例4的样品烧蚀表面的划痕深度分布图。
34.图9是本技术一实施方式中电压16v，电流2a下测试20ms的采样数据图。
35.图10是对比例对应的摩擦磨损测试的样品形貌图。
36.图11是对比例对应的摩擦磨损测试的样品划痕深度分布图。
37.附图标记说明：1.测试单元，11、可调速电机，12、样品台，121、负极接触点，122、减震弹簧，13、电机转盘，14、钨电极，15、样品夹具，2、数据采集单元，3、数据处理单元，4、待测样品，5、限位块，6、压力传感器。
具体实施方式
38.通过应连同所附图式一起阅读的以下具体实施方式将更完整地理解本发明。本文中揭示本发明的详细实施例；然而，应理解，所揭示的实施例仅具本发明的示范性，本发明可以各种形式来体现。因此，本文中所揭示的特定功能细节不应解释为具有限制性，而是仅解释为权利要求书的基础且解释为用于教示所属领域的技术人员在事实上任何适当详细实施例中以不同方式采用本发明的代表性基础。
39.鉴于现有技术的不足，本案发明人经过长期研究和实践，提出了一种电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试装置及其测试方法，通过低压带电摩擦产生电弧烧损，并通过旋转摆臂方式实现周期摩擦电弧，可以避免磨屑造成的烧损干扰，同时对实时数据的记录采集提供了更好的可行性，而且采用低压直流电源，与电动汽车等相关应用环境更具有可比性。如下将对本发明的技术方案更为详细的解释说明。
40.本发明实施例的一个方面提供了一种电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试装置，包括测试单元、数据采集单元和数据处理单元，所述数据采集单元与数据处理单元相连接，所述测试单元与所述数据采集单元电性连接；其中，所述测试单元包括可调速电机、测试电极、至少用于放置待测样品的样品台和电源，所述测试电极与可调速电机固定连接，所述测试电极设置于所述待测样品的上方，且所述测试电极在处于第一工位时能够与待测样品接触并产生摩擦和烧损。
41.在一些优选实施例中，所述数据采集单元包括由电压测量装置、电流测量装置和电源组成的电路，以及补偿电路，所述补偿电路至少用于实现电压和电流的同时测试。
42.在一些更为优选的实施例中，所述电源可以包括直流电源，但不局限于此。
43.在一些优选实施例中，所述数据处理单元至少用以实时记录数据和电压、电流和电弧曲线。
44.在一些优选实施例中，所述电源的正极与所述测试电极相连接，所述电源的负极与所述待测样品相连接。
45.在一些优选实施例中，所述测试电极采用钨电极。
46.在一些更为优选的实施例中，所述测试电极与待测样品接触的一端部具有半球形结构，优选的，所述半球形结构的直径为2
‑
8mm。
47.在一些优选实施例中，所述可调速电机上还设置有电机转盘，所述电机转盘上设置有限位块并连接压力传感器，用以对测试电极的位置和初始接触状态进行限定。
48.在一些更为优选的实施例中，所述测试单元还包括样品固定装置，至少用以对待测样品的位置进行限定；优选的，所述样品固定装置包括样品夹具。
49.在一些更为优选的实施例中，所述样品台可以采用自上而下设有紫铜触点和减震弹簧的样品台，但不局限于此，
50.本发明实施例的另一个方面提供了一种电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试方
法，包括：
51.提供所述的电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试装置；
52.将待测样品固定于样品台上，将所述待测样品、测试电极和电源电性连接；
53.使所述电源通电，在等电压模式下，通过调节电压、电流、测试电极的转速，实现所述测试电极在处于第一工位时与待测样品接触并产生摩擦和烧损，并实时记录电压、电流和电弧曲线，进而完成电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试。
54.在一些优选实施例中，所述电压为1
‑
50v，电流为0.5
‑
20a，测试电极的转速为0.5
‑
10hz。
55.在一些优选实施例中，所述的电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试方法，其特征在于具体包括：将所述待测样品与电源的负极连接，将所述测试电极与电源的正极连接。
56.在一些优选实施例中，所述待测样品由电接触材料制备形成；优选的，所述待测样品呈板带状或块状。
57.在一些优选实施例中，所述待测样品的长度在15mm以上，宽度在10mm以上，厚度在10mm以下。
58.在一些优选实施例中，所述的电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试方法，还包括：通过调节电源的脉冲宽度和频率，或者通过改变摩擦频率，实现电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试。
59.在一些优选实施例中，所述制备方法还包括：在所述测试完成后，计算烧损质量，以及，测量烧蚀深度和烧蚀体积。
60.在一些优选实施例中，所述的电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试方法，于还包括：在进行测试前，对所述待测样品的表面进行打磨和清洗；
61.优选的，所述清洗采用的清洗剂包括去离子水和无水乙醇。
62.本方法不仅适用于此规格的样品的测试原位，还可用于其他不同尺寸规格的板带状和块状材料。
63.本实验的工艺参数不仅可以调节电源脉冲宽度和频率，而且可以通过改变摩擦频率同样可以达到此效果。
64.其中，在一些更为具体的实施案例之中，本发明提供的电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试装置及测试方法具体包括以下步骤：
65.发明装置主要由测试单元、数据采集单元和数据处理单元三大部分组成(附图1)。
66.测试单元由可调速电机、测试电极、样品台和直流电源组成(附图2)，测试电极采用钨电极，固定在电机所配置的样品盘上，下端为直径2
‑
8mm的半球，样品采用的是电接触材料制备的板带或块状样，长不小于15mm，宽不小于10mm，厚不大于10mm。
67.数据采集单元采用高精度电压表和电流表组成的电路，并配有补偿电路实现电压和电流的同时测试。数据处理单元采用自主编程，实现实时数据和电压、电流、电弧曲线记录。
68.附图9是电压16v，电流2a下测试20ms的采样数据图，采样频率1000n。测试时首先对样品表面进行打磨清洗，以使其表面平整、清洁干燥且无氧化层，无明显大划痕，然后将样品夹在样品台固定，测量好样品高度及电极位置。连接好样品及测试电路，设定电源输出电流和电极转速，即可开始测试摩擦电弧。实时电弧的电流、电压、电弧数据可以给出一定
摩擦条件下的抗电弧能力，测试后的样品质量变化、磨痕和烧蚀坑测量可以给出抗烧蚀性能指标。而且，此数据可与摩擦磨损实验的磨痕数据相对比，从而去除摩擦磨损的影响，直接给出起弧造成的材料损失，为材料寿命计算提供可靠依据。
69.综上所述，本发明实施例通过摩擦电弧烧损，与电动汽车、充电装置等采用的电接触材料的工作环境更为相似，而且通过旋转摆臂方式实现周期摩擦电弧，可以避免磨屑造成的烧损干扰，同时对实时数据的记录采集提供了更好的可行性，此外，采用本发明实施例方法测试的摩擦电弧烧损可与摩擦磨损实验的磨痕数据相对比，直观地体现了电接触材料的抗电弧性能，对其安全性评估更准确。
70.实施例1
71.参阅图1，本发明实施例提供了一种电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试装置，包括测试单元1、数据采集单元2和数据处理单元3，其中，数据采集单元2与数据处理单元3相连接，测试单元1与数据采集单元2电性连接，具体地，如图1和2所示，测试单元1包括可调速电机11、钨电极14、至少用于放置待测样品4的样品台12和直流电源，其中，样品台12具有自上而下设置的负极接触点121和减震弹簧122；钨电极14与可调速电机11固定连接，钨电极14设置于待测样品4的上方，且钨电极14在处于第一工位时能够与待测样品4接触并产生摩擦和烧损；本实施例中，钨电极14与待测样品4接触的一端部具有半球形结构，且该半球形结构的直径为4mm。
72.可调速电机11上还设置有电机转盘13，电机转盘13上设置有限位块5并连接压力传感器6，用以对钨电极14的位置和初始接触状态进行限定，测试单元1还包括样品夹具15，至少用以对待测样品4的位置进行限定。
73.实施过程中，数据采集单元2包括由电压测量装置、电流测量装置和直流电源组成的电路，以及补偿电路，补偿电路至少用于实现电压和电流的同时测试；数据处理单元3采用自主编程，至少用以实时记录数据和电压、电流和电弧曲线。
74.实施例2
75.通过实施例1的电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试装置进行测试，待测样品4采用铸态cu
‑
te合金，首先使用电火花线切割从铸锭中切割出长宽高分别为45mm
×
16mm
×
8mm的块状试样，然后用砂纸将待测面打磨后再抛光，之后依次用去离子水和无水乙醇清洗吹干，称重后等待测试。
76.将试样夹持固定在样品台12上并将待测样品连接电源负极，夹持钨电极14装置连接电源正极。打开电源，设置电压，电压可根据实际需求进行调节，实际需求包括是否起弧、电弧能量以及应用环境考虑等。在本实施例中，电压设置为10v。打开电机电源，调节转速，转速可根据实际需求进行调节，在本实施例中，转速约为1r/s。测试时实时记录电压、电流和电弧曲线。
77.测试结束后，将待测样品4取下，放在精密电子天平上称重，计算烧损质量；用3d光学轮廓仪拍摄样品烧蚀后形貌，如图3和图4所示，并测量烧蚀深度，烧蚀体积等数据。
78.通过计算，本实施例中烧损量大约为0.2mg，烧损体积大约为1.06
×
10
‑2mm3，烧损深度为20.7μm。
79.实施例3
80.通过实施例1的电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试装置进行测试，待测样品4采
用冷轧高强cu
‑
zn
‑
sn
‑
ni
‑
co
‑
si合金带材，首先使用电火花线切割从铸锭中切割出长宽高分别为45mm
×
10mm
×
0.6mm的条状试样，将待测面抛光后依次用去离子水和无水乙醇清洗吹干，称重后等待测试。
81.将试样夹持固定在样品台12上并将待测样品连接电源负极，夹持钨电极14装置连接电源正极。打开电源，设置电压，电压可根据实际需求进行调节，实际需求包括是否起弧、电弧能量以及应用环境考虑等。在本实施例中，电压设置为10v。打开电机电源，调节转速，转速可根据实际需求进行调节，在本实施例中，转速同实施例2。
82.测试结束后，将待测样品4取下，放在精密电子天平上称重，计算烧损质量；用3d光学轮廓仪拍摄样品烧蚀后形貌，如图5和图6所示，并测量烧蚀深度，烧蚀体积等数据。
83.通过计算，本实施例中烧损量大约为0.2mg，烧损体积大约为1.36
×
10
‑2mm3，烧损深度为51.9μm。
84.实施例4
85.通过实施例1的电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试装置进行测试，待测样品4采用冷轧c5191锡磷青铜合金带材，首先使用电火花线切割从铸锭中切割出长宽高分别为45mm
×
10mm
×
0.3mm的条状试样，将待测面抛光后依次用去离子水和无水乙醇清洗吹干，称重后等待测试。
86.将试样夹持固定在样品台12上并将待测样品连接电源负极，夹持钨电极14装置连接电源正极。打开电源，设置电压，电压可根据实际需求进行调节，实际需求包括是否起弧、电弧能量以及应用环境考虑等。在本实施例中，电压设置为10v。打开电机电源，调节转速，转速可根据实际需求进行调节，在本实施例中，转速同实施例2。
87.测试结束后，将待测样品4取下，放在精密电子天平上称重，计算烧损质量；用3d光学轮廓仪拍摄样品烧蚀后形貌，如图7和图8所示，并测量烧蚀深度，烧蚀体积等数据。
88.通过计算，本实施例中烧损量大约为0.1mg，烧损体积大约为1.57
×
10
‑3mm3，烧损深度为52.2μm。
89.实施例5
90.通过实施例1的电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试装置进行测试，待测样品4采用铸态cu
‑
te合金，首先使用电火花线切割从铸锭中切割出长宽高分别为45mm
×
16mm
×
8mm的块状试样，然后用砂纸将待测面打磨后再抛光，之后依次用去离子水和无水乙醇清洗吹干，称重后等待测试。
91.将试样夹持固定在样品台12上并将待测样品连接电源负极，夹持钨电极14装置连接电源正极。打开电源，设置电流，电流可根据实际需求进行调节，实际需求包括是否起弧、电弧能量以及应用环境考虑等。在本实施例中，电压设置为电源容许最高安全电压，即45v。打开电机电源，调节转速，转速可根据实际需求进行调节，在本实施例中，转速约为1r/s。测试时实时记录电压、电流和电弧曲线。
92.测试结束后，将待测样品4取下，放在精密电子天平上称重，计算烧损质量；用3d光学轮廓仪拍摄样品烧蚀后形貌，并测量烧蚀深度，烧蚀体积等数据。
93.通过计算，本实施例中表面熔融物质量大约为0.26mg，烧损体积大约为2.3
×
10
‑2mm3，烧损深度约为65.9μm。
94.实施例6
95.通过实施例1的电接触材料摩擦电弧烧损的原位测试装置进行测试，待测样品4采用铸态cu
‑
te合金，首先使用电火花线切割从铸锭中切割出长宽高分别为45mm
×
16mm
×
8mm的块状试样，然后用砂纸将待测面打磨后再抛光，之后依次用去离子水和无水乙醇清洗吹干，称重后等待测试。
96.将试样夹持固定在样品台12上并将待测样品连接电源负极，夹持钨电极14装置连接电源正极。打开电源，设置电流，电流可根据实际需求进行调节，实际需求包括是否起弧、电弧能量以及应用环境考虑等。在本实施例中，电压设置为试样起弧最低电压，即6v。打开电机电源，调节转速，转速可根据实际需求进行调节，在本实施例中，转速约为1r/s。测试时实时记录电压、电流和电弧曲线。
97.测试结束后，将待测样品4取下，放在精密电子天平上称重，计算烧损质量；用3d光学轮廓仪拍摄样品烧蚀后形貌，并测量烧蚀深度，烧蚀体积等数据。
98.通过计算，本实施例中表面熔融物质量大约为0.016mg，烧损体积大约为1.4
×
10
‑3mm3，烧损深度约为10.9μm。
99.对比例
100.与实施例2相比，将实施例2中的测试装置替换为现有往复式摩擦磨损测试装置，测试条件为载荷2n，6mm纯铜球摩擦副，时间30min，频率2hz，划痕长度5mm，测试结果如图10和图11所示。
101.通过计算，本对比例中磨损体积大约为0.63mm3，最大磨损深度为130.9μm。
102.此外，本案发明人还参照前述实施例，以本说明书述及的其它原料、工艺操作、工艺条件进行了试验，并均获得了较为理想的结果。
103.尽管已参考说明性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本发明的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本发明的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示。因此，本文并不打算将本发明限制于用于执行本发明的所揭示特定实施例，而是打算使本发明将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。