Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические аппараты. Электрические контакты коммутационных аппаратов. Учебное пособие
.pdf
Соприкасающиеся поверхности двух контакт-деталей всегда имеют
некоторую шероховатость и волнистость, выступы и впадины, конфигурация которых, а также расположение и размеры зависят от структуры
металла и способа его обработки [3]. Как показывает практика, даже при
самой тщательной механической обработке рабочих поверхностей контакт-деталей (при изготовлении) на них всегда остаются микронеровно
сти высотой до 0,05…0,1 мкм. В электрических контактах в процессе их
размыкания и замыкания, а также возможного повреждения дугой шероховатость контактной поверхности контакт-деталей существенно изменяется.
При наложении одной поверхности контакт-детали на поверхность другой контакт-детали в соприкосновение вступают противостоящие выступы, сумма высот которых наибольшая. Под
действием
контактного нажатия два таких выступа будут постепенно деформироваться и в соприкосновение будут вступать все новые пары выступов. Такой процесс будет продолжаться до тех пор, пока контактное
нажатие, приложенное к соприкасающимся поверхностям, не уравновесится реакцией, создаваемой напряжением деформации микровыступов. В результате на поверхности образуется несколько
п пло-
к
щадок касания, которые будут воспринимать контактное нажатие.
Каждая из этих площадок называется единичной фактической по-
S
верхностью механического соприкосновения
произвольной кон-
ф
фигурации. Расположение единичных фактических поверхностей соприкосновения на поверхности и их число зависят от жесткости металла контакт-детали, силы контактного нажатия и места приложения силы контактного нажатия к контакт-детали, которые обусловливают деформацию микровыступов на контурной рабочей поверхности контакт-деталей.
Деформация микровыступов на контурной
поверхности рабочих по-
верхностей контакт-деталей может быть упругой или остаточной.
Установить вид деформации (упругая или остаточная) можно сопоставлением значения предела прочности на смятие металла контакт-деталей
тивной площади контактирования (удельного давления
() и величины давления, приходящегося на единицу эффек-
см
):Р
уд
-
41
к
F
F
F
F
а – условный радиус эффективной (фактической) площадки кон-
где
к
Ра
уд
,
(2.2)
2
к
тактирования, м.
Давление, приходящееся на единицу фактической поверхности,
зависит от деформации соприкасающихся выступов микрогеометрии
рабочих поверхностей контакт-деталей, и, следовательно, оно различно.
Если после снятия силы
контактного нажатия и давления
к
уд
приходящегося на единицу эффективной площади контактирования,
микровыступы на рабочих поверхностях контакт-деталей в полном объеме восстанавливают свою начальную форму, то деформация является
упругой, т. е.
уд см
.Р
(2.3)
,Р
Если после снятия силы
контактного нажатия и давления
к
Р
уд
приходящегося на единицу эффективной площади контактирования,
микровыступы на рабочих поверхностях контакт-детали остаются деформированными, то деформация – остаточная, т. е.
Р
уд см
. (2.4)
На практике в расчетных формулах суммарную фактическую поверхность принято представлять в виде поверхности круга. Радиус этого
круга называется условным радиусом суммарной фактической поверхности.
Упругая деформация. Радиус фактической площадки контактирования в случае упругой деформации (2.3) при сжатии контакт-деталей из
одинаковых материалов силой
с условием, что пленки окислов отсут-
к
ствуют на рабочих поверхностях контакт-деталей, можно определить:
а) при контактировании рабочей поверхности сферической контактдетали с рабочей поверхностью плоской контакт-детали
Fr
кк.д
3
1,1 1 , м
аE
к
42
; 2.5)
,
б) при контактировании рабочей поверхности сферической контакт-
Е
Е
Е
F
детали с рабочей поверхностью сферической контакт-детали одинакового радиуса
где
такт-деталей,
– модуль упругости металла контакт-детали,
r
– радиус кривизны контактирующих рабочих поверхностей кон-
к.д
м;
аE
к
(2.6)
2
Н/м
(табл. П2);
Fr
кк.д
3
0,86 , м,
в) при контактировании рабочей поверхности сферической контактдетали с рабочей поверхностью сферической контакт-детали одинакового радиуса; контакт-детали из разных материалов
1
22
11
311
3
а F
где
и 2 – коэффициенты Пуассона;
1
кк
4
материалов контакт-деталей,
12
EErr
121к.д 2к.д
Н/м
и
1
2
r
;
1к.д
и
r
2к.д
контактирующих рабочих поверхностей контакт-деталей,
, м,
(2.7)
– модули упругости
2
– радиусы кривизны
м.
Для большинства металлов и сплавов значение коэффициента Пуассона, характеризующего упругие свойства материала как зависимость
между продольными и поперечными деформациями при линейном
нагружении элемента, составляет
0,25...0,35 [3, 4].
В случае, когда рабочие поверхности контакт-деталей, выполненных из одинакового материала, образуют
чек) эффективного контактирования и сила нажатия
n одинаковых площадок (то-
к
равномерно
к
распределена между ними при упругой деформации и отсутствии пленок окислов на рабочих поверхностях контакт-деталей, радиус каждой
эффективной площадки контактирования будет равен:
а) когда каждая площадка эффективного контактирования образована рабочей поверхностью сферической контакт-детали с рабочей поверхностью плоской контакт-детали,
43
Fr
F
F
кк.д
аEn
к.
п
3
1,1 1 , м;
к
(2.8)
б) когда каждая площадка эффективного контактирования образована рабочей поверхностью сферической контакт-деталей с рабочей поверхностью сферической контакт-детали,
Fr
кк.д
аEn
п
к.
3
0,86 , м
к
. (2.9)
Остаточная деформация. Радиус эффективной (фактической) пло-
щадки контактирования в случае остаточной деформации (2.4) при сжатии контакт-деталей из одинаковых материалов силой
контактного
к
нажатия при условии, что пленки окислов отсутствуют на рабочих поверхностях контакт-деталей, можно определить так:
F
а
к
к
. (2.10)
см
В случае, когда имеется
ского контактирования и сила нажатия
n одинаковых площадок (точек) фактиче-
к
равномерно распределена
к
между ними при упругой деформации и отсутствии пленок окислов на
рабочих поверхностях контакт-деталей, радиус каждой эффективной
площадки контактирования будет равен
F
к
ап
к.
п
.
(2.11)
см к
Переходное электрическое сопротивление
Переходное сопротивление. Фактическая поверхность, по кото-
рой происходит механическое соприкосновение двух контакт-деталей, весьма неоднородна и состоит, по меньшей мере, из трех разнохарактерных участков, расположенных на этой поверхности:
44
1) участка с чисто металлическим соприкосновением контакт-дета-
лей (не покрытого какими-либо пленками), сквозь который ток проходит из одной контакт-детали в другую без заметного сопротивления;
2) участка с квазиметаллическим соприкосновением, покрытого
тонкой пленкой, сквозь которую ток может проходить вследствие туннельного эффекта и надбарьерной эмиссии независимо от проводимости
материала пленки; типичными пленками такого рода являются адгезионные слои атомов кислорода, образующиеся на воздухе на совершенно чистой поверхности металла;
3) участка, покрытого пленками, особенно пленками потускнения
(оксиды, сульфиды и др.), практически не проводящими электрического
тока, так как их сопротивление на несколько порядков выше сопротивления чистого металла.
Участки
нием, которые принято называть
с металлическим и квазиметаллическим сопротивле-
а-пятнами, являются той поверхно-
стью, сквозь которую ток из одной контакт-детали переходит в другую. Эта поверхность называется эффективной площадью контакти-
рования
S
эф.к
.
В месте перехода тока из одной контакт-детали в другую имеет место резкое уменьшение поперечного сечения и искривление линий
тока, обусловленное различными загрязнениями и окислением рабочих поверхностей контакт-деталей в условиях эксплуатации, а также
конструктивным выполнением контактных соединений и контактных
узлов.
При контактировании двух цилиндрических симметричных контакт-
деталей со сферической рабочей поверхностью (рис. 2.2) линии
тока (плотности тока) в удалении от места контактирования распределены по поперечному сечению контакт-детали равномерно (при постоянном токе) или с некоторым неравномерным распределением (при переменном токе). При подходе к месту электрического контакта линии
тока искривляются и сближаются (стягиваются), протекая через эффек
тивную площадь контактирования
S
. Зона, в которой линии тока
эф.к
-
начинают сближаться, называют зоной (объемом) стягивания. Вследствие уменьшения поперечного сечения в месте электрического контакта
и увеличения длины линий тока, обусловленного их искривлением,
45
сопротивление зоны оказывается бόльшим сопротивления участка кон-
R
R
такт-детали той же протяженности. Это сопротивление называется сопротивлением стягивания и определяется формулой Хольма [4, 5]
l
, Ом,
где
– удельное электрическое сопротивление металла при температуре
контакт-детали,
вания, м;
l а – протяженность зоны стягивания линий тока, м.
Ом м;
з.ст к
R
а – радиус фактической площадки контактиро-
к
з.ст
ст
2
a
2
2
a
к
к
(2.12)
а б
Рис. 2.2. Зона стягивания тока при соприкосновении двух контакт-деталей
Формула (2.12) получена в предположении, что поперечные раз-
меры контакт-деталей значительно больше диаметра
а-пятна, а также из
условия, что фактическая поверхность соприкосновения не покрыта
плохо проводящими пленками. Таким образом, сопротивлением квазиметаллической зоны в инженерных расчетах можно пренебречь.
Проводимость в зоне контактирования двух контакт-деталей равна
сумме проводимости зоны стягивания и квазиметаллической зоны:
111
RR
пер ст км
.
Переходное сопротивление контакта
RR
R
пер
ст км
ст км
46
.
R
Таким образом, сопротивление в месте перехода тока из одной ра-
R
R
бочей поверхности контакт-детали в другую, обусловленное сужением
сечения контакта в элементарных бугорках металла, через которые проходит ток, и сопротивлением масляных, сульфидных, газовых пленок
и пыли, называется переходным сопротивлением
RR
пер к ст
.
Упругая деформация. В случае упругой деформации (2.3) сопротив-
ление стягивания
в месте перехода тока из одной рабочей поверх-
ст
ности контакт-детали в другую, обусловленное сужением сечения эффективной площади контактирования в выступающих микронеровностях (бугорках) в результате стягивания линий тока, можно определить,
подставляя выражения для радиуса фактической площадки контактирования (2.5), (2.6) в (2.12):
а) при контактировании рабочей поверхности сферической контакт-
детали с
рабочей поверхностью плоской контакт-детали
3
Е
Fr
кк.д
;
0, 45 , Ом
R
ст
б) при контактировании рабочей поверхности сферической контактдетали с рабочей поверхностью сферической контакт-детали одинакового радиуса
3
Е
Fr
кк.д
n фактических площадок
к
0,58 , Ом.
R
ст
Сопротивление стягивания при наличии
(точек) контактирования в случае, когда они удалены друг от друга на
расстояние, практически исключающее взаимное влияние на стягивание
линий тока к каждому участку (точке), при упругой деформации (2.3)
и отсутствии пленок окислов можно определить по формуле
, Ом
R
ст.
п
2
an
к. к
п
47
, (2.13)
где
F
n – число фактических площадок (точек) контактирования, кото-
к
рое обусловлено видом контакт-детали: для контакт-детали, имеющей
сферическую рабочую поверхность,
щей цилиндрическую рабочую поверхность,
тали, имеющей плоскую рабочую поверхность,
1n ; для контакт-детали, имею-
к
2n ; для контакт-де-
к
3n ;
к
а – радиус
к.п
каждой действительной площадки (точки) контактирования, м.
Окончательно выражения для определения сопротивления стягивания при наличии
n фактических площадок (точек) контактирования
к
в случае упругой деформации (2.3) и при отсутствии пленок окислов
можно получить, подставив в формулу (2.12) выражения (2.8) и (2.9) для
радиуса одной площадки контактирования:
а) рабочие поверхности контакт-деталей – сферическая и плоская:
R
ст.
п
3
кк.дк
Е
rn
0, 45 ;
2
б) рабочие поверхности контакт-деталей – сферическая и сферическая одинакового радиуса:
R
ст.
п
3
Fr n
кк.дк
Е
2
0,58 , Ом.
Остаточная деформация. В случае остаточной деформации (2.4)
и при отсутствии пленок окислов сопротивление стягивания в месте перехода тока из одной рабочей поверхности контакт-детали в другую,
обусловленное сужением сечения эффективной площади контактирования в выступающих микронеровностях (бугорках) в результате стягивания линий тока, можно определить, подставляя выражения для радиуса
фактической площадки контактирования (2.10) в
0,5 , Ом.R
ст
см
F
к
Сопротивления стягивания при наличии
(2.12):
n фактических площадок
к
(точек) контактирования в случае остаточной деформации (2.4) и при
48
отсутствии пленок окислов можно получить, подставив в формулу (2.12)
формулу радиуса фактической площадки контактирования (2.11):
R
ст.
п
0,5 , Ом
см
F п
кк
.
При определении переходного контактного сопротивления по приведенным выше формулам надо учитывать принятые допущения: а) площадки контактирования имеют круглую форму; б) в местах контактирования отсутствуют пленки окислов; в) контакты не нагреваются протекающим по ним током; г) отдельные контактные точки находятся на расстоянии, при котором исключается их
взаимное влияние; д) сила нажатия
распределяется равномерно между площадками контактирования.
На практике эти условия, как правило, не выполняются. Поэтому
приведенные выше формулы применимы для приближенного определения переходного сопротивления контактов.
Переходное сопротивление хорошо зачищенного контактного соединения и коммутирующего контакта любого вида может быть определено по эмпирической формуле [3, 4].
Величина переходного
сопротивления для любого вида контакта
определяется выражением
R
к
, Ом,
m
F
к
(2.14)
где
– коэффициент, учитывающий физические свойства металла кон-
такт-деталей, состояние рабочей поверхности (степень окисления) и вид
контакта,
Н;
m
Ом кГ (табл. 2.1);
– эмпирический коэффициент, зависящий главным образом от
F – полная сила контактного нажатия,
к.пол
числа точек соприкосновения и типа контактов (табл. 2.2) [3–5].
Эмпирический коэффициент
существенно зависит от степени
окисления рабочих поверхностей контакт-деталей, увеличиваясь в десятки и сотни раз по сравнению со значениями при хорошо зачищенных
поверхностях. Такое увеличение коэффициента
особенно опасно для
контактов, длительное время находящихся в разомкнутом положении
(разъединителей, воздушных выключателей и контакторов), в которых
процесс окисления идет по всей рабочей поверхности.
49
Таблица 2.1
Значения эмпирического коэффициента
для различных пар
контакт-деталей с хорошо очищенными от оксидов
рабочими поверхностями
Материал контакта
Медь – медь (точечный контакт)
Медь – медь (плоскостной контакт)
Медь – медь (луженые поверхности)
Медь – латунь
Латунь – латунь
Серебро – серебро
Никель – никель
СОМ10 – СОК15 (металлокерамика)
, Ом кГ
(0,14...0,18)10
(0,08...0,14)10
(0,07...0,10)10
0,38 10
0,67 10
0, 06 10
0, 23 10
3
3
3
3
(0, 2...0, 3)10
3
3
3
3
Таблица 2.2
Значения коэффициента m, полученного опытным путем
для контактов разного вида
Вид контакта
m
Пакетно-пластинчатый 1
Розеточный 0,75
Пальцевый несамоуставливающийся 0,5
Пальцевый самоуставливающийся 0,5…0,67
Линейный 0,7
Стыковой (торцевой) несамоустанавливающийся 0,5
Стыковой самоустанавливающийся 1
Контакты шар – шар и шар – плоскость:
пластическая деформация
упругая деформация
0,5
0,33
Разборное контактное соединение 0,5…0,7
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]