Автореферат (Математические модели сбоев контактных систем)

1На правах рукописиЛюминарская Екатерина СтаниславовнаМатематические модели сбоевконтактных системСпециальность 05.13.05 – «Элементы и устройствавычислительной техники и систем управления»Авторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква 20152Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетномобразовательном учреждении высшего профессионального образования«Московский государственный индустриальный университет»Научный руководитель:доктор технических наук, профессор Дианов Вячеслав НиколаевичОфициальные оппоненты:Гродзенский Сергей Яковлевич– доктор технических наук, профессоркафедры метрологии и стандартизации Федерального государственногобюджетного образовательного учреждения высшего образования«Московский государственный университет информационных технологий,радиотехники и электроники» (МИРЭА)Савостин Петр Иванович – кандидат технических наук, доцент кафедрыинформационно-измерительных систем Федерального государственногобюджетного образовательного учреждения высшего профессиональногообразования «Московский государственный университет геодезии икартографии»Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетноеобразовательное учреждение высшего профессионального образования«Московский государственный технический университет имени Н.Э.Баумана»Защита состоится "8" октября 2015г.

в 11часов на заседаниидиссертационногосоветаД217.047.01воФГУП«Научноисследовательский и экспериментальный институт автомобильнойэлектроники и электрооборудования» по адресу: 105187, Москва, ул.Кирпичная д.39С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «Научноисследовательский и экспериментальный Институт автомобильнойэлектроники и электрооборудования»www.niiae.ruАвтореферат разослан " " ________ 2015 г.Ученый секретарьдиссертационного Совета Д 217.047.01доктор технических наук,старший научный сотрудникВарламов О.О.3Общая характеристика работыАктуальность работыВ автомобильной, авиационной, космической, бытовой и инойтехнике широко применяются миниатюрные механически управляемыепереключатели.

К их преимуществам относятся небольшой вес и малыегабариты. Однако плохое контактное соединение может привести к выходуиз строя приборов, от которых зависит работа всей сложной техники. Вбытовой технике это не приведет к серьезным проблемам, но вавиационных и космических аппаратах сбой контактной системы можетпривести к катастрофическим последствиям.Важнейшимпоказателемнадежностимикропереключателейявляется безотказность работы. Отказы микропереключателей возникаютиз-за тепловых, электрических, механических и химических явлений впереходной зоне электрических контактов.

В настоящее время большоераспространение получили слаботочные контакты, т.е. контакты, вкоторых протекают токи менее 0,1 А и напряжение не выше 5В. Отказы исбои в таких контактах появляются в основном из-за попадания вмежконтактное пространство пыли и других загрязнений, образованияпленок, не разрушающихся при замыкании контактов, внезапногоизменения силы прижатия контактов, из-за поломки упругого элементаили распорной пружины.Разработка математических моделей контактов при сбое даетвозможность оценивать надежность соединений в реальных условияхработы, выбирать основные параметры коммутационных элементов сучетом возможных загрязнений, а также разрабатывать новые и уточнятьимеющиеся методики обнаружения сбоев.Быстрое развитие вычислительной техники за последние 20 летспособствовало созданию более сложных математических моделейрассматриваемых объектов.

Современные возможности ЭВМ позволяютмоделировать сбои коммутационных систем, что повышает их надежность.Алгоритмы определения вероятности сбоев электрических контактовдолжны учитывать дискретный характер взаимодействия контактныхповерхностей, пластические деформации отдельных выступов, изменениехарактеристик поверхностей при повторном нагружении, возможностьпопадания на контактные поверхности частиц пыли и образованиеповерхностныхпленок, динамический характер взаимодействияподвижного и неподвижного контактов.Настоящая работа посвящена разработке методики определенияхарактеристик переходных зон электрических контактов и методикиопределения статических и динамических характеристик современныхмикропереключателей стержневого типа при нормальной работе и сбое,возникающем при деградации (уменьшении жесткости) упругих элементови попадания на контактные поверхности частиц пыли.4Целью работы является создание математических моделейконтактных систем при сбое на примере современных электронныхмикропереключателейстержневоготипа,исследованиеработымикропереключателей в реальных условиях эксплуатации и применениерезультатов исследований для выявления предвестников отказов.Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:разработать уточненную методику определения характеристикпереходной зоны электрических контактов в реальных условиях работы;провести теоретические исследования влияния запыленностиповерхностей контактов на вероятность сбоя в работе;разработать методики определения статических и динамическиххарактеристик современных микропереключателей стержневого типа,позволяющие выявлять предвестники отказов на этапе проектирования;разработать пакет программ, реализующих предложенные в работеметодики определения характеристик микропереключателей;провести экспериментальные исследования, подтверждающиеметодику определения динамических характеристик микропереключателя.Объектом исследования являются микропереключатели с упругимистержневыми элементами.Предметом исследования являются математические моделипереходной зоны электрических контактов и математические моделидинамики микропереключателей стержневого типа при нормальной работеи сбое.Методы исследованияВ работе применялись теоретические методы исследования сиспользованием ПЭВМ и экспериментальные методы.

В диссертациибыли использованы теория контактного взаимодействия шероховатыхповерхностей, теория электрических контактов, метод Бубнова-Галеркина,методы линейной алгебры и др. В работе использовались программныекомплексыMathcad,VisualFortran,Delphi,ANSYS.Приэкспериментальных исследованиях применялись методы математическойстатистики.Достоверность результатов подтверждена экспериментальнымиисследованиями,проведеннымивдиссертационнойработе,экспериментальными исследованиями других авторов и результатамирасчетов, полученными различными методами.Научная новизна заключается:в развитии методик теоретического исследования переходных зонэлектрических контактов в реальных условиях работы;в разработке алгоритмов определения характеристик переходнойзоны электрических контактов при нормальной работе и сбое;в получении теоретической зависимости вероятности сбояэлектрических контактов от поверхностных загрязнений;5в разработке методики расчета статических и динамическиххарактеристиксовременныхмикропереключателей,позволяющейисследовать их работу в реальных условиях;в выявлении предвестников отказов микропереключателей супругими стержневыми элементами из-за поломки упругих элементов ипопадания пыли на контактные поверхности.Практическая ценность работыПрактическая ценность диссертационной работы заключается:ввыявлениипредвестниковотказовсовременныхмикропереключателейсупругимистержневымиэлементами(предвестником поломки распорной пружины является увеличениевремени переключения и времени первого отрыва при дребезге;предвестником отказа из-за запыленности поверхностей являетсяувеличение времени переходного процесса силы прижатия контактов прикоммутации);в разработке методики определения основных характеристикпереходных зон электрических контактов, статических и динамическиххарактеристик стержневых микропереключателей при нормальной работеи сбое;в реализации предложенной методики в виде пакета прикладныхпрограмм для ЭВМ.Результаты проведенных исследований могут быть использованы присовершенствованииимеющихсяипроектированииновыхмикропереключателей, обеспечивающих надежную работу в реальныхусловиях эксплуатации.Реализация результатов работыРезультаты диссертационной работы использованы в АО “ ЦНИИАГ”при расчете слаботочных электрических контактов ламельных устройств супругими элементами, являющихся датчиками нулевого положенияшаговых двигателей электрических и электрогидравлических рулевыхмашин летательных аппаратов.Апробация работыОсновные положения и результаты работы были доложены иобсуждены:международном симпозиуме «Надежность и качество» Россия,Пенза, 23-31 мая, 2011;9-ммеждународномсимпозиумепоэлектромагнитнойсовместимости и электромагнитной экологии, Санкт-Петербург, 13-16сентября 2011;международной научно-практической конференции Инфо-2011,Россия, Сочи, 1-10 октября 2011;международной конференции «Менеджмент качества и менеджментинформационных систем» MQ-ISM-2012, 16-23 сентября 2012 г., Австрия,Вена;6Innovative information technologies, Prague, April 21-25, 2014.ПубликацииВсего опубликовано по теме диссертации 16 печатных работ, из них– 5 научных статей в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 5 публикацийна международных конференциях, 6 патентов на полезную модель.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по работе,списка использованной литературы и приложения.7СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении рассматривается актуальность диссертационнойработы, формулируются научная новизна и основные положения,выносимые на защиту.В первой главе представлен литературный обзор работ,посвященных теории электрических контактов, возможным отказам исбоям в их работе.

Рассмотрены существующие методы расчетахарактеристик переходной зоны. Проведен анализ методов расчетаупругих элементов, имеющих вид криволинейного стержня.Важнейшей характеристикой надежности работы контактных системявляется безотказность их работы. Отказ – это такое нарушениеработоспособности, при котором требуется ремонт, замена илирегулировка неисправного элемента. Одним из способов предотвращенияотказов является своевременное обнаружение сбоев в работе техническойсистемы и нахождение их источников.Сбои могут возникнуть в результате воздействия внешней среды иливсвязисопределеннымифизико-химическимипроцессами,протекающими в устройстве. К внешним воздействиям относятсямеханические вибрации, колебания напряжений источников питания,электромагнитные волны, увеличение температуры и влажности,запыленность и др.