彭亞濤，馬乾勛，陳東強(qiáng)

（廈門理工學(xué)院，福建 廈門 361024）

引言

交流接觸器在投入運(yùn)行后的穩(wěn)定性，特別是運(yùn)動(dòng)部件的性能對(duì)電器設(shè)備的正常運(yùn)行尤為重要[1]，通常情況下交流接觸器在原塑外殼的保護(hù)下無(wú)法直接觀測(cè)觸頭的彈跳情況，為此本研究通過(guò)增加彈跳視窗設(shè)計(jì)從而實(shí)現(xiàn)可視化的交流接觸器外殼結(jié)構(gòu)。在保證機(jī)械性能和電氣性能可靠的情況下，通過(guò)杠桿原理放大交流接觸器吸合時(shí)觸頭的振動(dòng)，然后利用傳感器和STM32處理變化的電壓，最后記錄數(shù)據(jù)。采用應(yīng)變片傳感器與振動(dòng)傳感器測(cè)取觸頭彈跳的線性機(jī)械參數(shù)與測(cè)取電壓、電流等非線性間接參數(shù)研究相對(duì)比，更加的準(zhǔn)確與直觀。

1 交流接觸器觸頭基本情況

交流接觸器屬于低壓電器中控制電器中的一種[1]，能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)開(kāi)斷電器，主要用于不受位置限制的反復(fù)操作和控制[2]。在電器的開(kāi)關(guān)過(guò)程中觸頭的彈跳能反映接觸器的的相關(guān)性能，觸頭的彈跳參數(shù)對(duì)其電氣性能有直接的影響。交流接觸器在合閘過(guò)程中動(dòng)、靜觸頭會(huì)進(jìn)行碰撞和彈跳，電磨損和機(jī)械磨損是觸頭最主要的損耗方式。為了防止損耗嚴(yán)重，一般選用導(dǎo)電性能好的材料和接觸電阻小的材料作為觸頭材料。靜觸頭閉合過(guò)程中因?yàn)榕鲎捕a(chǎn)生的觸頭彈跳會(huì)導(dǎo)致觸頭表面材料磨損及分合時(shí)產(chǎn)生的電弧高溫能使觸頭面上的合金材料熔化和噴濺，從而使得動(dòng)、靜觸頭無(wú)法緊密貼合影響電壽命和機(jī)器壽命，甚至直接對(duì)其造成損壞[3]。本論文通過(guò)可視化的外殼采集到觸頭的彈跳過(guò)程，判斷接觸器的工作性能，通過(guò)電氣參數(shù)測(cè)量來(lái)判斷是否出現(xiàn)由于長(zhǎng)時(shí)間使用的老化氧化、觸頭上有異物、燒弧造成的缺陷、運(yùn)動(dòng)部分有卡阻現(xiàn)象等一系列問(wèn)題[4]。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與搭建

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本文以最常見(jiàn)的上民CJX2-0910接觸器為研究對(duì)象，其額定電壓為380V/50Hz。利用前置的空氣開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)380V電源的閉合與開(kāi)斷，從而控制觸頭之間的吸合[5]。在彈跳測(cè)試中，同時(shí)通過(guò)串口觀測(cè)和屏幕顯示來(lái)觀測(cè)觸頭彈跳情況。屏幕實(shí)時(shí)顯示電壓值，而通過(guò)串口助手可以看到所有的變化值，方便后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如下圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.2 特殊接觸器外殼的選取

使用CAD繪制同等比例的特殊接觸器外殼，通過(guò)3D打印和亞克力板切割的2種原材料制作特殊交流接觸器外殼，分別使用了純3D打印、亞克力板結(jié)合3D打印、原注塑外殼結(jié)合亞克力板這3種方案，優(yōu)缺點(diǎn)如表1。

表1 3種方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

圖2 特殊接觸器外殼

2.3 振動(dòng)傳感器原理及測(cè)試

在振動(dòng)傳感器中，需要輸入5V的直流電壓，輸出的信號(hào)有LED指示?？蛇x擇TTL電平輸出或是模擬信號(hào)輸出。當(dāng)有振動(dòng)時(shí)，TTL輸出的信號(hào)為高電平，而模擬信號(hào)中輸出的電壓越高說(shuō)明振動(dòng)的幅度越大。振動(dòng)傳感器的靈敏度可以通過(guò)電位器調(diào)節(jié)，低靈敏度時(shí)，需要手用力敲擊才有輸出；高靈敏度時(shí)，有輕微振動(dòng)即有輸出。

2.4 應(yīng)變片彎曲傳感器原理及測(cè)試

應(yīng)變片是用于測(cè)量機(jī)械結(jié)構(gòu)變化的元件。通過(guò)應(yīng)變片的機(jī)械形變，轉(zhuǎn)化為電阻變化量，從而改變輸出電壓值。通過(guò)輸出電壓值的變化來(lái)判定應(yīng)變片的形變程度。常用的應(yīng)變片為電阻式應(yīng)變片。通常金屬絲原始電阻為

其中R為電阻，電阻率為ρ，長(zhǎng)度為l，截面積為s。當(dāng)金屬絲收到拉力后，長(zhǎng)度、電阻率、電阻值的變化分別為△l、△ρ、△R。應(yīng)變片的效應(yīng)表達(dá)式為

其中k0為金屬絲的靈敏系數(shù)，ε為金屬絲的軸向應(yīng)變。應(yīng)變片的電阻變化很微小，必須有放大電路檢測(cè)其微小的變化。將應(yīng)變片緊密貼合在彈跳放大杠桿上，選擇應(yīng)變片電阻的變化能對(duì)電路起到控制作用的電路，如惠斯通電橋。此電橋由4個(gè)電阻組成電橋，當(dāng)其中一個(gè)電阻發(fā)生變化后，電壓會(huì)輸出不平衡電壓，然后對(duì)此電壓進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯筇幚?，就可測(cè)出接觸器的彈跳量。在傳感器的選取上，若靈敏度的選取過(guò)小，則獲取不到彈跳信息；若靈敏度過(guò)大則，則獲取的彈跳信息會(huì)雜亂，包含許多干擾信息。在進(jìn)行多次預(yù)實(shí)驗(yàn)后，選取波形清晰的靈敏度。

2.5 STM32設(shè)計(jì)

STM32具有完善的底層函數(shù)庫(kù)，可以使用相關(guān)函數(shù)非常方便地調(diào)用所需功能。通用異步收發(fā)器UART，用于串口通信；模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，可以將模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量。通過(guò)開(kāi)發(fā)板外接傳感器模塊，傳感器的電壓變化通過(guò)I/O口輸入后處理。

圖3 數(shù)據(jù)處理序流程圖

STM32開(kāi)發(fā)板和傳感器的配合，可以初步實(shí)現(xiàn)對(duì)外部振動(dòng)的物件進(jìn)行模擬值電壓采集，再將采集的值換算成實(shí)際電壓，并通過(guò)串口保存電壓變化的數(shù)據(jù)。可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)傳感器和應(yīng)變片傳感器對(duì)不同程度振動(dòng)測(cè)試的靈敏性的對(duì)比，用LCD顯示屏的顯示電壓持續(xù)的變化值，為后續(xù)的采集和分析數(shù)據(jù)提供參考。

2.6 彈跳測(cè)試臺(tái)搭建

交流接觸器觸頭彈跳十分微小，肉眼看不出來(lái)[6]。為了得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，需要對(duì)彈跳進(jìn)行放大。以3維建模設(shè)計(jì)杠桿臂，用PLA材料打印出杠桿模型。

選擇長(zhǎng)臂端為傳感器接收力端，而短臂端與接觸器觸頭彈跳嵌入，與觸頭同時(shí)振動(dòng)?？紤]到實(shí)用性，設(shè)計(jì)了兩種臂長(zhǎng)度都為150 mm杠桿，直徑為10 mm的旋轉(zhuǎn)軸，短臂與長(zhǎng)臂比例為1∶2，為了配合觸頭和小窗測(cè)試，長(zhǎng)、短臂的厚度為1.5 mm，寬度為5 mm。支架的高度為150 mm，每隔20 mm設(shè)置5個(gè)圓孔，使得高度可調(diào)。如圖4。打印出來(lái)后發(fā)現(xiàn)比例為1∶4的杠桿由于短臂過(guò)于短，彈跳時(shí)容易發(fā)生脫離觸頭，最后選用1∶2的杠桿。

圖4 彈跳測(cè)試臺(tái)模型及三視圖

3 上電測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 接觸器上電開(kāi)關(guān)測(cè)試

通過(guò)振動(dòng)傳感器對(duì)上民CJX2-0910接觸器上電進(jìn)行測(cè)試，在不改變靈敏度的情況下進(jìn)行5次測(cè)試。經(jīng)過(guò)排除偏差最大的一條線后得到實(shí)際電壓折線圖如圖5-1。由圖可得知在正常的接觸器中，原始傳感器輸出電壓為0.59 V左右，觸頭閉合時(shí)，電壓在0.58～0.66 V之間；觸頭斷開(kāi)時(shí)，電壓在0.56～0.78 V之間。

圖5-1 振動(dòng)傳感器上電測(cè)試觸頭彈跳

通過(guò)應(yīng)變片傳感器對(duì)上民CJX2-0910接觸器上電進(jìn)行測(cè)試。進(jìn)行測(cè)試5組，選其中最為靠近的4組。得到實(shí)際電壓折線圖，如圖5-2。由于在應(yīng)變片傳感器中，杠桿粘合應(yīng)變片之中而始終無(wú)法完美貼合，整條曲線會(huì)往下平移，但并不影響電壓變化的觀測(cè)。由圖可知在正常的接觸器中，原始傳感器輸出電壓為0.23 ～0.28 V左右；觸頭閉合時(shí)，振幅在0.025～0.047 V之間；觸頭斷開(kāi)時(shí)，振幅0.04～0.06 V之間。

圖5-2 應(yīng)變片傳感器上電測(cè)試

觸頭彈跳分析：對(duì)上民CJX2-0910型號(hào)的接觸器動(dòng)觸頭的彈跳進(jìn)行上電測(cè)試，通過(guò)多次測(cè)試可得知正常的交流接觸器吸合和斷開(kāi)的時(shí)，接觸器彈跳都是在一定范圍內(nèi)，后續(xù)采用此數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)上電測(cè)試后，應(yīng)變片傳感器的靈敏度比振動(dòng)傳感器更大，而振動(dòng)傳感器波形類比彈跳效果好。后續(xù)使用2種傳感器進(jìn)行測(cè)試，振動(dòng)傳感器觀測(cè)觸頭彈跳的波形，而應(yīng)變片傳感器觀測(cè)彈跳的頻率。

3.2 接觸器上電開(kāi)關(guān)變量測(cè)試

3.2.1 接觸器觸頭彈簧

為了減少動(dòng)、靜觸頭之間的電弧燒蝕斷電后彈簧使觸點(diǎn)迅速分?jǐn)?，其高度固定，因此彈性形變也是固定的。通過(guò)壓縮彈簧的長(zhǎng)度來(lái)改變?cè)诰€圈斷電后使動(dòng)觸頭復(fù)位動(dòng)作，分別用振動(dòng)傳感器和應(yīng)變片傳感器對(duì)接觸器內(nèi)經(jīng)過(guò)改變的彈簧長(zhǎng)度進(jìn)行測(cè)試。在不改變靈敏度的情況下測(cè)試5次，排除偏差最大的一條線后得到實(shí)際電壓折線圖，選取合適的4次測(cè)試數(shù)據(jù)如圖6-1、圖6-2。

圖6-1 振動(dòng)傳感器上電測(cè)試（壓縮彈簧長(zhǎng)度）

圖6-2 應(yīng)變片傳感器上電測(cè)試（壓縮彈簧長(zhǎng)度）

從圖6-1可得知在彈簧縮短的接觸器中，原始傳感器輸出電壓為0.59 V左右，觸頭閉合時(shí)，電壓區(qū)間在0.58～0.63 V；觸頭斷開(kāi)時(shí)，電壓區(qū)間在0.58～0.78 V之間。從圖6-2可得知在縮短彈簧的接觸器中，觸頭閉合時(shí)，振幅在0.028～0.035 V之間；觸頭斷開(kāi)時(shí)，振幅在0.025～0.046 V之間。

分析：通過(guò)對(duì)接觸器長(zhǎng)度改變后，從折線圖分析得到，振動(dòng)傳感器測(cè)出的電壓變化區(qū)間變小，應(yīng)變片傳感器測(cè)出的幅度也比正常的小很多。彈簧力公式：

K為剛度系數(shù)，F(xiàn)0為預(yù)壓力。

由于剛度系數(shù)對(duì)彈簧力的貢獻(xiàn)主要由彈簧變形來(lái)實(shí)現(xiàn)，彈簧的變形由動(dòng)觸頭回彈產(chǎn)生，回彈的高度不大因此彈簧力變化??；預(yù)壓力直接對(duì)彈簧力起主要作用[7]。彈簧壓縮時(shí)，由于彈簧力的增大，使在觸頭與接觸碰撞時(shí)產(chǎn)生彈跳幅度減小。

3.2.2 橡膠襯墊片

交流接觸器的襯墊片主要起緩沖作用，減少接觸器的振動(dòng)與彈跳。而在直動(dòng)式接觸器，改變接觸器襯墊片厚度可改變鐵芯的行程，從而改變觸頭的超程。當(dāng)超程過(guò)長(zhǎng)或者過(guò)短時(shí)，觸頭不能可靠接觸?？赏ㄟ^(guò)改變橡膠襯墊片的厚度，來(lái)改變接觸器的穩(wěn)定性與接觸超程，從而測(cè)試的電壓范圍也會(huì)發(fā)生變化。分別用振動(dòng)傳感器和應(yīng)變片傳感器對(duì)接觸器內(nèi)變薄的橡膠村墊片的厚度進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試5次，排除偏差最大的一條線后得到實(shí)際電壓折線，選取合適的4次測(cè)試數(shù)據(jù)如圖7-1、圖7-2。

圖7-1 振動(dòng)傳感器上電測(cè)試（改變襯墊片厚度）

圖7-2 應(yīng)變片傳感器上電測(cè)試（改變襯墊片厚度）

從圖7-1可得知在橡膠墊片過(guò)于薄的接觸器中，振動(dòng)傳感器原始傳感器輸出電壓為0.59 V左右，觸頭閉合時(shí)，電壓區(qū)間在0.596～0.618 V之間；觸頭斷開(kāi)時(shí)，電壓區(qū)間在0.597～0.783 V之間。用應(yīng)變片傳感器測(cè)試得到實(shí)際電壓折線圖7-2可得知在橡膠墊片過(guò)薄接觸器中，觸頭閉合時(shí)，振幅在0.016～0.06 V之間；觸頭斷開(kāi)時(shí)，振幅在0.012～0.05 V之間。

分析：橡膠墊片厚度改變后，從折線圖分析可得知振動(dòng)傳感器測(cè)出的電壓變化區(qū)間變小，電壓下限上移，區(qū)間數(shù)值整體往高偏移；應(yīng)變片傳感器測(cè)出的幅度也比正常的大很多，閉合時(shí)觸頭振動(dòng)程度比斷開(kāi)時(shí)的振動(dòng)程度更大。在直動(dòng)式接觸器中，襯墊片會(huì)影響觸頭超程使觸頭無(wú)法可靠吸合、使觸頭振動(dòng)加劇，且橡膠墊片厚度變薄時(shí)，襯墊片無(wú)法起到充分的緩沖作用而使接觸器整體產(chǎn)生較大振動(dòng)。

3.2.3 欠壓

在額定電壓為380 V的交流接觸器中，當(dāng)電壓不足380 V時(shí)，最低可靠吸合電壓約為額定電壓的75%。在沒(méi)有欠壓脫扣器的情況下，無(wú)法檢測(cè)到是否是欠壓。下面就欠壓情況下開(kāi)合閘和欠壓情況下開(kāi)合閘臨界點(diǎn)250 V進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)做6次，去除離群數(shù)據(jù)后選取合適的5次數(shù)據(jù)。

如圖8-1可得知在250 V電壓運(yùn)行下，原始傳感器輸出電壓為0.59 V左右，觸頭閉合時(shí)，電壓區(qū)間在0.566～0.635V之間；觸頭斷開(kāi)時(shí)，電壓區(qū)間在0.569～0.776V之間。可得知在250 V電壓運(yùn)行下，原始傳感器輸出電壓為0.59 V左右，觸頭閉合時(shí)，電壓區(qū)間在0.566～0.635 V之間；觸頭斷開(kāi)時(shí)，電壓區(qū)間在0.569～0.776 V之間。用應(yīng)變片傳感器測(cè)試得到實(shí)際電壓折線圖8-2，可得知在250 V電壓下運(yùn)行，觸頭閉合時(shí)振幅在0.014～0.046 V之間；觸頭斷開(kāi)時(shí)振幅在0.012～0.038 V之間。

圖8-1 振動(dòng)傳感器上電開(kāi)合閘（欠壓）

圖8-2 應(yīng)變片傳感器上電開(kāi)合閘（欠壓）

分析：從振動(dòng)傳感器和應(yīng)變片傳感器測(cè)試得到的數(shù)據(jù)可知，在欠壓狀態(tài)下無(wú)論觸頭是在斷開(kāi)還是閉合的狀態(tài)下，整條曲線都有明顯的振動(dòng)，且在斷開(kāi)的瞬間尤其明顯。接觸器的吸力-反力特性是影響觸頭閉合的重要參數(shù)，由電磁吸力與接觸壓力關(guān)系:

Fi電磁力，F(xiàn)k反力彈簧斥力，mg為運(yùn)動(dòng)部件所受重力。

在250 V臨界欠壓條件下，線圈的電流值減小，電磁吸力F_i減小。在反力特性的作用下無(wú)法使觸頭可靠閉合，故在臨界點(diǎn)產(chǎn)生反復(fù)的振動(dòng)。當(dāng)曲線全程都不平整而是呈現(xiàn)振動(dòng)的狀態(tài)時(shí)，說(shuō)明已經(jīng)出現(xiàn)了電壓不穩(wěn)定的現(xiàn)象。若使用電壓、電流檢測(cè)單元，在電壓短時(shí)波動(dòng)時(shí)，瞬時(shí)值低于設(shè)定的電壓則會(huì)使脫扣器立即動(dòng)作。而用此機(jī)械檢測(cè)單元在電壓短時(shí)低于欠電壓，由于機(jī)械動(dòng)能是緩慢消減，瞬時(shí)不穩(wěn)定電壓對(duì)于整體檢測(cè)并不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大影響。

4 總結(jié)

試驗(yàn)使用的原塑外殼結(jié)合可視化亞克力板，并不影響接觸器的整體結(jié)構(gòu)，不會(huì)對(duì)其性能產(chǎn)生影響。在改變接觸器內(nèi)部條件的情況下與原始彈跳波形對(duì)比能夠以明顯的波形變化來(lái)反映出接觸器內(nèi)部參數(shù)的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在不同的參數(shù)影響下，觸頭的彈跳變化范圍有所不同，可根據(jù)此接觸器外殼模塊試驗(yàn)每一款CJ型號(hào)的接觸器彈跳數(shù)值是否正常，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的實(shí)用性。

⑴ 壓縮了接觸器內(nèi)部的觸頭彈簧，提升了彈簧的初壓力，減小接觸頭在碰撞時(shí)產(chǎn)生的彈跳。與原始彈跳波形相比波動(dòng)幅值減小許多。

⑵ 改變了接觸器內(nèi)部的橡膠襯墊后，使觸頭的超程參數(shù)改變，觸頭不能得到正常的閉合，產(chǎn)生的振動(dòng)比正常情況更加頻繁。且接觸器內(nèi)部動(dòng)作無(wú)法得到充分緩沖，使整體的振動(dòng)加劇。通過(guò)應(yīng)變片傳感器測(cè)試會(huì)得到的數(shù)據(jù)較為明顯，吸合與斷開(kāi)時(shí)的觸頭彈跳明顯變強(qiáng)，整條曲線的波動(dòng)明顯變大。

⑶ 當(dāng)在降壓供電的情況下，無(wú)論接觸器是否動(dòng)作，觸頭始終都有振動(dòng)，而動(dòng)作時(shí)相比正常情況下，振動(dòng)傳感器測(cè)出電壓的上限降低；應(yīng)變片傳感器測(cè)出，電壓變化范圍增大。當(dāng)接觸器吸合時(shí)，電壓過(guò)低導(dǎo)致無(wú)法提供足夠的電磁吸力，在反力作用下觸頭處于斷開(kāi)的臨界點(diǎn)，此時(shí)振動(dòng)十分頻繁且明顯。可得當(dāng)曲線發(fā)生持續(xù)振動(dòng)頻繁時(shí)，欠壓為其中的原因。且機(jī)械檢測(cè)單元在電壓短時(shí)波動(dòng)時(shí)，基本不受影響更具有準(zhǔn)確性。

本設(shè)計(jì)還存在一些可以改進(jìn)的地方，例如：選用更加輕薄的杠桿彈性材料，減少杠桿對(duì)彈跳的影響；選用其他類型傳感器如壓電薄膜傳感器等進(jìn)行波形對(duì)比分析；采用ADAMS仿真彈跳波形對(duì)比分析數(shù)據(jù)誤差。