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1、多功能高精度触点材料电性能测试仪研制答辩内容(一) 项目背景(二) 立项依据(三) 项目目的与创新点(四) 国内外现状分析(五) 相关技术的未来发展趋势(六) 市场分析(七) 研究基础及条件(八) 研究内容(九) 关键技术(十) 预期成果(十一) 进度安排及阶段目标(一) 项目背景随着我国电器工业的迅猛发展以及国外各大电器生产商陆续进入国内，对作为电器中关键部件的触点材料提出了越来越高的要求，电器生产商和触点材料生产商对触点材料的性能都非常重视。触点材料的性能实际上包括两部分，静态物理性能和动态电性能。由于触点材料的动态电性能与电器的设计和使用密切相关，相同的触点材料在不同电器中的表现情况差异
2、极大，因此，在我国的触点材料国标中仅仅对触点材料的静态物理性能作出了规定，而触点材料的动态电性能则由电器生产商与触点材料生产商自行协商。由于电器生产商往往仅对电器的设计、生产、检测等方面很熟悉，而对触点材料的设计、生产不太了解，因此，在触点材料的选型和应用方面需要触点材料生产商提供帮助。(一) 项目背景此时，触点材料生产商应能根据电器的实际情况，向电器生产商推荐触点材料或为电器生产商重新开发触点材料。这就要求触点材料生产商对触点材料在各种电器和各种负载条件下的表现情况有深入的研究。鉴于电器的种类和型号繁多，不可能针对每一种电器型号都进行触点材料的应用研究，可行的方法是将电器先按开关、接触器、继
3、电器等形式分类，再按相应的电器试验标准设计触点材料电性能模拟试验机，在触点材料电性能模拟试验机上按电器生产商提出的具体的电器设计参数进行触点材料电性能模拟试验，为电器生产商的设计和应用提供帮助。(一) 项目背景国外大规模的触点材料生产商都有自己的触点材料电性能试验室，可对各种类型的触点材料进行大量的电性能试验，获取详实的数据，积累丰富的经验，为其触点材料的开发和生产提供了有力的支持。由于历史原因，我国的触点材料生产商相对于国际著名的触点材料生产商在实力上有较大的差距，在触点材料电性能试验上几乎是空白。近几年来，随着触点材料行业的发展，国内的触点材料生产商和一些电器生产商在各大高校的帮助下，开展
4、了一些触点材料电性能试验方面的研究，取得了一些经验，但尚不系统，也鲜见公开报道。(二)立项依据多年来，关于触点材料性能与开关寿命的关系问题一直受到触点材料生产商 与开关电器生产商的关注。选择何种模拟试验的形式完成触点材料性能真实、准 确的评价也因此成为亟需解决的关键问题。触点内置于电器开关内，以往单独依 赖触点开合过程中的电压降和电流信号进行分析已很难全面阐释其失效物理机 理。因此，国内外众多触点材料生产商与开关电器生产商自主研发或者和高等院 校联合研发了模拟电器开关触点运动并测试反映材料电接触特性参数的触点材 料电性能测试仪，以实现开关电器结构设计参数和机构调整参数的最佳匹配，以 及触点材料
5、和气氛的选择。(二)立项依据结合上述问题，随着科技的发展，我们对触点材料电性能测试仪提出了更高的要求：（1）触点夹具设计上能够方便的实现对动、静触点的加持、安装和更换，并能控制接触电阻在较小的量级。（2）能够适应不同大小的拉压力、位移、分合速度、电流、电压等实验条件需要，如拉压力0.2N-120N，位移03mm，分断速度1260mm/s，闭合速度1mm180mm/s，电流0-200A，电压05000Vdc。（3）加入对气氛和磁吹对触点寿命影响的设计。（4）增加 CCD 相机拍摄系统，即触点表面材料转移实时测量系统。（5）增加保护电路，提高仪器的安全性。（6）能够实现接触力、接触电压/电阻、分断
6、力、动静触点位移的同步精确测量、采集、显示和储存，为后续实验研究提供了条件。（7）软件和算法方面，实现对燃弧时间和燃弧能量的精确计算，软件要有更好的集成化和可视化。(三)项目目的与创新点1. 项目目的通过研究、计算、设计、论证，创新地设计一套触点材料电性能测试系统，并应用能够精确地测量继电器闭合过程中的线圈电流、触点电压、触点电流、触点碰撞力、触点位移的动态波形，以及继电器释放过程中的触点电压、触点电流、 熔焊力的动态波形。以上述实时测量数据可获得继电器中所含触点材料的电弧与 电接触性能参数退化规律。该系统的扩展能力强，基本设计思路还可应用于各种 结构类型的开关电器中，以实现开关电器结构设计参
7、数和机构调整参数的最佳匹 配，以及触点材料和气氛的选择。本项目研究成果对于打破国外公司技术垄断， 降低研发成本，推动技术创新，促进我国的开关电器行业和触点材料行业的发展 具有重要意义。(三)项目目的与创新点2. 创新点（1）首创性的加入了分断力的测量，创新性的改进触点夹具设计，方便充入气氛，加入 CCD 相机拍摄系统，改进了触点闭合力的测试结构，这使得测试仪能获得更多的电器开关专有的工艺调整参数，功能更加强大，所得的结论可以直接应用于实际继电器的结构参数优化以及触点材料的选择；（2）采用了压电陶瓷电机(Piezo)的全新技术和高响应速度光栅尺，能准确模拟和测量实际电气开关的动作，大大增加了测试
8、仪的精确性；（3）对以往的触点材料电性能测试仪的核心算法进行改进和修正，开发出 一套适用于多参数测量的触点材料电性能测试软件系统，用户可以通过软件输入 测试的各种参数，改变以往装置同时测量结果实时的显示在软件中，大大增加软 件的集成化和可视化。(四)国内外现状分析1. 电接触理论的研究现状关于电接触的研究可追溯到 Ragnar Holm 1941年的电接触理论著作中18，时至今日，关于静态接触、滑动接触、可分合接触等传统电接触问题一直吸引着众多国内外学者的广泛关注。Pivin 和 Pollock 将宏观力学中硬度、弹塑性、韧性 等概念引入微观接触分析，将表面力的作用等效为载荷作用，由Hertz
9、 弹性接触理论得到了考虑表面力作用的弹性接触的修正公式及塑性接触关系式，并认为粘着能的存在也能够导致接触表面产生塑性变形19。在微纳尺度条件下材料内部结 构中的夹杂和微观缺陷使得表面间电子出现散射现象，Sharvin由此给出了散射电子输运过程的收缩电阻形式，Wexler 进而提出综合宏观表面收缩与微观散射效应的接触电阻计算式20。金属触点对在微接触压力和弱接触电流条件下，接触电阻将由通常的毫欧量级增加至几欧姆量级，因此接触电阻的蜕变规律是评价触点材料耐极端苛刻服役条件的重要依据之一。(五)相关技术的未来发展趋势1. 集成化将更多的电器开关专有的工艺调整参数（磁间隙、触点开距、机械反力、静压力等
10、）对动态特性以及熔焊力的影响关系，加入同一套系统中，这样所得的结论对于实际继电器的结构参数优化以及触点材料的选择更加精确。2. 模块化以往的测试系统是一个整体，可拓展性差，很难加入新的传感器和测试功能。未来的触点材料电性能测试仪的各部分是模块化的，像搭积木一样可以增加模块 和减少模块。3. 多功能化目前的测试系统只能模拟一般的电接触情况，对于滑动电接触和滚动电接触则无能为力，需要开发新的测试系统，分别测试不同的电接触情况。未来的测试 系统可以使用一套系统将各种类型的电接触集成在一起，功能更强大。4. 精确化目前由于受到传感器的响应速度的限制，一些参数的实时采集值与实际值还有些误差，随着传感器制
11、造工业的发展，触点材料电性能测试仪的测量参数将越 来越精确。(六)市场分析触点行业虽是一个相对狭窄、边缘的领域，但其制造工艺又是非常独特、专 业、综合的学科，行业竞争是全方位的，涉及到材料、电器、自动化、模具、管 理以及金融等多个学科。中国市场对电力能源的需求所引发的发电输变电行业的蓬勃发展，可预见仍将保持相当长一段时期，输变电行业的发展必然加大对开关电器的需求，而电触 点（包括高、中、低压）均是电器开关的关键核心部件，它对电器开关的质量与 可靠性有决定性影响。在中国，这一行业有着广阔前景和蓬勃发展的市场，而且 劳动力成本相对较低，平均劳动素质不低，很多外资触点企业纷纷瞄准了国内市 场。目前，
12、欧洲三大电触点制造商 Umicore、METALOR 和 DODUCO 已经在国内建 有工厂，并逐年加大投入；日本田中也开始筹备在我国建厂。外资企业的涌入，冲击着中国的触点材料生产企业，使国内生产企业无论在质量、价格、交期或是 服务上都逐渐失去优势，加之国内触点行业总体产能过剩，必然导致企业间的低 价竞销，这使得企业利润空间缩小，削弱企业创新能力，不利于企业核心竞争力 的提升。同时给触点制造企业提出了新的课题：如何在激烈的市场竞争中保持可 持续发展？(六)市场分析面临全球化竞争时代，企业要在激烈的市场竞争中获胜，就不能仅仅依靠低价竞销，必须提高产品质量和服务质量，延长产品使用寿命，提升产品的安
13、全性、可靠性，增加和完善产品功能等，引导消费需求，进而开辟和营造新的市场。本项目通过研究、计算、设计、论证，创新地设计一套触点材料电性能测试系统，并应用能够精确地测量继电器闭合过程中的线圈电流、触点电压、触点电流、触点碰撞力、触点位移的动态波形，以及继电器释放过程中的触点电压、触点电流、熔焊力的动态波形。以上述实时测量数据可获得继电器中所含触点材料的电弧与电接触性能参数退化规律。该系统的扩展能力强，基本设计思路还可应用于各种结构类型的开关电器中，以实现开关电器结构设计参数和机构调整参数的最佳匹配，以及触点材料和气氛的选择。本项目研究成果对于打破国外公司技术垄断，降低研发成本，推动技术创新，促进
14、我国的开关电器行业和触点材料行业的发展具有重要意义。(七)研究基础及条件1研究基础本项目组之前研制过一台触点电性能测试仪，如图1所示。该仪器已经运行多年，先后完成了多种规格的触点材料在不同电流电压不同气氛下的触点材料电弧和熔焊实验，具有力、位移、电流、电压等检测记录存储能力，积累了较多的设计与使用经验。在此基础上根据本项目的需要适当改进原有测试仪在使用过程中发现的问题，使之具有更完善的功能、更精确的测量、更安全的操作、更友好的软件使用体检，即可满足本项目所要实现的商业化的需要。(八)研究内容1. 系统功能与技术指标(1) 动、静触点的三维调整：采用三维手动滑台和L型支块的方式，能够实现X、Y、
15、Z 三个方向上至少25mm行程调整范围，配合采用25mm25mm孔阵列光学面包板，可以方便地调整动、静触点任意初始间距及其同轴度。采用 CCD 工业相机和光学调焦镜筒组合构成辅助光学观察系统，可以辅助实现对动、静触点初始间距和同轴度的精细调整。系统具体指标为：三维调整行程各25mm，工业相机像素为200 万、帧率为25帧/秒。 (2) 致动位移控制：采用压电陶瓷电机做致动器，驱动高精密滚珠滑台，并在滑台上安装直线光栅尺作为位置反馈，从而实现对位置的闭环控制。本测试仪拟采用的压电陶瓷电机分辨率1nm，直线光栅尺分辨率 至少5nm。(3) 隔震性能：垂直共振频率1.7Hz，水平共振频率7.0Hz，
16、垂直方向上 10Hz时为-27dB(95.66%)，水平方向上10Hz时为-4.5dB，稳定时间通常为15s。 (4) 触点夹具：动触点采用类似钻头夹的锁紧器夹持，这种夹持器采用黄铜料加工而成，具有导电率高、夹持力大的特点，因此能够很好的实现方便更换触点和较低附加电阻的要求。(5) 接触电压测量：接触电压采用 NI采集卡测量，采样频率2MHz。 (6) 接触力测量：采用应变式力传感器，得到力测量量程为-10+30N，精度为至少0.05gf，应变系数1.8gf/m。(7) 数据采集显示及存储：采用 LabVIEW 软件编写上位机软件，通过 RS232和 USB 等接口与NI采集卡和Piezo 电
17、机控制器的通信，实现数据的采集、显示和存储。数据采用 Excel 文件格式存储，采用 Matlab和 Origin9.0 等软件进行数据处理。(九)关键技术1. 机械系统设计（1）接触力的初始力受力平衡；（2）触点夹具设计便于更换触点；（3）气氛的密封设计。2. 测量与控制系统设计（1）压电陶瓷电机的控制方法研究与编程设计；（2）为了提高静压力的测试精度，消除震荡对测量的影响，用积分法实现 以压电式力传感器准确测量静压力的编程实现。3. 对以往的触点材料电性能测试仪的核心算法进行改进和修正。4. 开发出一套适用于多参数测量的触点材料电性能测试软件系统，用户可以通过软件输入测试的各种参数，同时测
18、量结果实时的显示在软件中，大大增加 软件的集成化和可视化。(十)预期成果1. 完成触点材料电性能测试仪的开发。该测试仪能够满足：（1）机械系统能够方便的实现对动、静触点的加持、安装和更换，并能控制接触电阻在较小的量级，能够实现更大范围的接触力和分断力控制，加入对气氛和磁吹对触点寿命影响的设计，增加 CCD 相机拍摄系统。（2）电气系统方面，增加保护电路，提高仪器的安全性。（3）测量与控制系统方面，能够实现接触力、接触电压/电阻、分断力、动 静触点位移的同步精确测量、采集、显示和储存，为后续实验研究提供了条件。（4）开发出一套适用于多参数测量的触点材料电性能测试软件系统，用户 可以通过软件输入测
19、试的各种参数，同时测量结果实时的显示在软件中，大大增 加软件的集成化和可视化。2. 在测试仪开发完成的基础上，申请发明专利 12 项。3. 使用新开发的触点材料电性能测试仪，做相关实验，发表SCI论文12篇。4. 提交关于研究成果的项目总结报告。(十一) 进度安排及阶段目标1. 2016 年 1 月2016 年 2 月：与相关产品的开发公司、使用产品的电器开关制造商和触点材料制造商以及相关高校的研究人员进行沟通，进行市场调研，制定系统整体方案。22016 年 2 月2016 年 3 月：采购开发产品所需要的元器件和相关设备，比如 XYZ 三轴滑台、压电陶瓷电机、力传感器等等。3. 2016 年 3 月2016 年 5 月：加工、组装产品，完成产品机械系统。42016 年 5 月2016 年 7 月：测试组装好的产品机械系统，完成产品控制与测量系统的调试。5. 2016 年 7 月2016 年 9 月：开发出一套适用于该产品的计算机软件；6. 2016 年 9 月2016 年 12 月：撰写专利申请书 12 项，使用产品做相关研究性实验，撰写学术论文 12 篇，撰写项目总结报告，进行项目最终答辩。
