Автореферат (1095051), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Современные электронные устройства насчитываютсотни тысяч электрических контактов. Сбои в их работе могут приводить кискажению передаваемого сигнала, появлению контактного шума и, вконечном итоге, к отказу.В слаботочных электрических контактах сбои в работе происходят изза случайных явлений: попадания в межконтактный зазор непроводящихчастиц пыли; образования пленок, неразрушающихся при замыкании;внезапного изменения контактного усилия; поломки упругих элементовконтактных систем и др.Исследованию отказов и сбойных состояний в коммутационныхсистемах посвящено достаточно много трудов.

К ним можно отнестиработы И.Е. Андреева, И.Е. Декабруна, В.Н. Дианова, Л.Г. Дубицкого, Т.К.Штремберга, и др. Одним из способов борьбы со сбоями,рассматриваемым в работах В.Н. Дианова, является обнаружение ирегистрация источников сбоев. Для обнаружения источников сбоев вэлектрических контактах необходимо разрабатывать математическиемодели сбойных состояний, на которых можно выявлять предвестникиотказов. Теории электрических контактов посвящены работы зарубежныхученых Дж. Гринвуда и Дж.

Вильямсона, В. Мерла, Р. Хольма, трудыотечественных ученых А.К. Белоусова, Н.Б. Демкина, В.В. Измайлова,В.В. Кончица, А.П. Левина, Н.К. Мышкина, В.С. Некрасова, В.С.Савченко, Б.С. Сотникова и др.8Во всех работах электрический контакт представляется в видеконтакта двух шероховатых поверхностей. Выступы двух поверхностейобразуют множество пятен контакта, через которые протекаетэлектрический ток.

Фактическая площадь контакта, равная суммеплощадей контакта отдельных микровыступов, значительно меньшеноминальной (кажущейся) площади, определяемой по формуле Герца длядвух взаимодействующих поверхностей.Кажущаяся поверхность контакта разделяется на участки сметаллическим контактом, квазиметаллическим контактом, контактомчерез изолирующие пленки и не контактирующие участки.Контактирующие поверхности покрыты пленками.

Под действиемконтактного усилия часть пленок разрушается.Основным критерием качества контактов является переходноесопротивление. Из анализа представленных работ следует, что переходнаяпроводимость обусловлена сопротивлением отдельных микровыступов. Научастках металлического контакта сопротивление микровыступа вызваностягиванием линий тока к площадке контакта и может быть определено поформуле, предложенной Р. Хольмом. На участках квазиметаллическогоконтакта переходное сопротивление микровыступа обусловленосопротивлением стягивания и сопротивлением поверхностной пленки.Переходное сопротивление многоточечного контакта шероховатыхповерхностей обычно определяют по схеме параллельного соединениясопротивлений отдельных выступов.Определению индуктивности и электроемкости переходной зоныэлектрических контактов посвящено небольшое количество работ.

К нимможно отнести труды Р. Хольма, А.П.Левина, В.В. Самойлова и др.А.П. Левин приводит формулу для приближенного определениядополнительной индуктивности многоточечного контакта Lnпер , изкоторой следует, что с увеличением количества контактирующих выступовn индуктивность увеличивается. Обоснование формулы в указаннойработе не приводится. С другой стороны, во многих работах используетсясхема замещения, в которой индуктивности одноточечных контактовсоединены параллельно. При параллельном соединении n одинаковыхиндуктивностей общая индуктивность уменьшается с ростом ихколичества. Несовпадение качественного характера изменения Lnпер сувеличением n при использовании формулы А.П. Левина и схемызамещениятребуетпроведениядополнительныхтеоретическихисследований.Рассматриваемые в диссертационной работе микропереключателиимеют упругие элементы в виде криволинейного стержня. Статическомурасчету таких элементов посвящены работы Н.А.

Алфутова, Л.Е.Андреевой, С.С. Гаврюшина, К.С. Колесникова, Г.П. Русанова, В.Н.Феодосьева и др. В работе Г.П. Русанова приводится методика9определения статических характеристик микропереключателей с упругимистержневыми элементами, в которой учитываются большие деформацииупругой линии балки и изменение положения зоны контакта в процессестатического нагружения.Необходимо отметить, что при деформации упругого элементамикропереключателей типа МП перемещения и углы поворота поперечныхсечений принимают небольшие значения. Однако на балку действует силасо стороны распорной пружины, которая направлена под малым углом купругой линии.

При расчете неустойчивых положений подвижногоконтакта необходимо учитывать продольную составляющую этой силы,т.к.она оказывает значительное влияние на изгибающий момент.Однимизважнейшихтребований,предъявляемыхкмикропереключателям, является быстродействие. Исследованию динамикиупругого взаимодействия контактных систем посвящено небольшоеколичество работ. В работе В.В. Осташявичюса приведены теоретическиеисследования динамики упругого взаимодействия элементов герконов.

Вработе В.И. Уланова рассматривается применение метода конечныхэлементов для моделирования динамики контактных систем. Расчетудинамики упругих систем, ограниченных односторонними связями,посвящены работы В.К.Асташева, В.М. Бабицкого, В.А. Баженова и др.Необходимо отметить, что моделирование колебаний подвижныхэлементов микропереключателей в реальных условиях работы (приналичии вибраций, запыленности поверхности, возможном поврежденииупругих элементов и т.д.) позволит на этапе проектирования выявлятьпредвестники сбоев.Во второй главе разработана математическая модель слаботочныхэлектрических контактов при сбое на основе комплексной методикиопределения взаимодействия контактных поверхностей.

Отказы и сбойныесостояния в таких контактах появляются в основном из-за попадания вмежконтактное пространство пыли и др. загрязнений, образования пленок,не разрушающихся при замыкании контактов.Предлагаемая методика определения контактного взаимодействияшероховатых поверхностей учитывает: возможность упругой, упругопластической и пластическойдеформаций отдельных выступов контактных поверхностей в зависимостиот нагрузки на них; упругую деформацию основания,на котором располагаютсясферические выступы, моделирующие шероховатые поверхности; изменение характеристик выступов при повторной нагрузке; возможность попадания пыли на контактные поверхности.При моделировании шероховатой поверхности реальная поверхностьзаменяется эквивалентной поверхностью.

Эквивалентная поверхностьпредставляется набором сферических сегментов, расположенныхслучайным образом на упругом основании.10Высота сферических выступов определяется случайной величиной  ,которая имеет функцию распределения(1)F ( )    1 ,где   p R p ; p – расстояние от поверхности вершин до вершины выступа;R p – высота сглаживания; ν – параметр опорной кривой.Радиусы всех сферических выступов считаются одинаковыми ивычисляются по формулеr  rп  rпр ,(2)где rпр , rп – радиусы кривизны вершин неровностей в продольном ипоперечном rп профилях.При расчете все выступы разделяются на три группы. К первой группеотносятся взаимодействующие между собой выступы, ко второй – невзаимодействующие выступы, т.е. выступы, между которыми имеетсязазор.

К третьей группе относятся выступы, между которыми расположенычастицы пыли.На рис. 1 представлена расчетная схема взаимодействия двухвыступов со следующими обозначениями: m1  m1 , m2  m2 –средниелинии;W1  W1 ,W2  W2 – линии вершин.Сближения сферических выступов вычисляются с помощьюпредложенной формулы через начальные зазоры между поверхностямивершин i , перемещения взаимодействующих выступов как жесткихоснцелых из-за деформации упругих оснований 1осни сближениеi ,  2iповерхностей вершин a:осн(3) i  a  i  1R p1   2 R p 2  1оснi  1i .Рис.1.

Схема взаимодействия выступов первой группыОтносительные величины силы взаимодействия двух выступов ∗ ,∗радиуса пятна контакта ∗ и среднего контактного давления сропределяются по следующим формулам, в зависимости от относительногосближения ∗ :в упругой области ∗ < 6.71744∗ ∗ = ∗ 3 2 ,ср= ∗ ,∗ = ∗ ;(4)3311в упругопластической области 6.717 < ∗ < 747.2∗6.72= 0.2 ∙∗23.2+ 0.8∗23.2,pср2 1 2  ln( ra ) ,3 3в пластической области ∗ ≥ 747.2∗ = 1.25 ∗ , ∗ = 3∗2 ,где ∗ = ∙2пр2Т3 ∙пр∗; ср= срТ; ∗ =2прТ2 ∙пр∗ =∗∗∙ ср∗ср= 3,∙ ; ∗ = пр∙ ;Т ∙пр;(5)(6)Т – пределтекучести материалов контактов; пр , пр – приведенный модуль упругостии приведенный радиус сферических выступов.оснПеремещения выступов из-за деформации упругого основания 1,осн2 определяются по формулам, используемым для расчета деформацииупругого полупространства при воздействии нормального давления.Частицы пыли моделируются шарами, диаметр которых d п считаетсяслучайной величиной.

Функции распределения диаметра пылинок вмикропереключателях приведены в работах И.Е.Андреева. Приопределении силы взаимодействия пылинки с выступами предполагается,что они имеют упругие деформации.Прочность шаров при их сжатии определяется максимальнымирастягивающиминапряжениями.Максимальныерастягивающиенапряжения возникают в центре шара. Если эти напряженияпревышают предел прочности материала пылинки, то она разрушается.Расчет выполняется следующим образом.

Задается сближениеконтактных поверхностей a. По формуле (3) определяются сближениявыступов шероховатых поверхностей. Далее по формулам (4)-(6)определяются силы взаимодействия, радиусы пятен контакта выступов иоснзначения средних контактных давлений на них. Перемещения 1оснi ,  2iзависят от реакций N i . Поэтому расчет выполняется итерационнымспособом.При снятии нагрузки после первого нагружения упругие деформацииисчезают, а пластические остаются. Поэтому после первоговзаимодействия микропрофили контактирующих поверхностей изменяютсвои характеристики. Высоты отдельных выступов уменьшаются, арадиусы вершин увеличиваются.Для определения остаточных деформаций выступов были проведенырасчетные исследования методом конечных элементов в системе ANSYS.Рассматривалась задача взаимодействия двух сферических выступоводинаковых радиусов.

Характеристики

Список файлов диссертации