Расчет износа контактов электрических соединителей

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.891:621.3.066

Расчет износа контактов электрических соединителей

В.П. Тихомиров, А.Л. Сафонов, О.А. Горленко

Аннотация

трение износ давление

Проанализирована природа трения и износа. Представлены необходимые для практического использования расчетные зависимости по определению удельных давлений в контактной паре и величины износа, связывающие воедино внешние характеристики процессов и свойства контактирующих поверхностей. Даны рекомендации по расчету контактных пар электрических соединителей на износ.

Ключевые слова: контактная пара, электрический соединитель, трение, изнашивание, расчет линейного износа.

Анализ причин выхода из строя в радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) электрических соединителей показал, что в 75 случаях из 100 он происходит вследствие изнашивания контактных пар. В связи с этим особое значение приобретает решение задачи обеспечения требуемой износостойкости контактных пар - одного из основных показателей надежности и долговечности электрических соединителей. Важной является разработка современных инженерных методов их расчета на износ, в которых бы учитывались физико-механические характеристики материалов контактов и их покрытий, режимы работы, внешние условия трения и конструктивные особенности фрикционного сочленения [1].

Разработка такой инженерной методики расчета деталей и контактных пар электрических соединителей на долговечность по износу позволит решить одну из основных проблем их надежности - проблему прогнозирования изменения работоспособности электрических соединителей в процессе эксплуатации. Данная методика должна состоять из ряда этапов. Уже на стадии проектирования на основе требований технического задания, отражающих условия эксплуатации, воздействие внешних факторов, электрических параметров и т.п., важно рассчитать срок службы отдельных элементов электрического соединителя и безотказность их работы и определить потерю соединителем работоспособности при различных условиях эксплуатации.

Расчет на износ деталей электрических соединителей должен базироваться на физических закономерностях изнашивания материалов покрытий деталей, применяемых для конкретных условий эксплуатации. При этом, во-первых, необходим расчет граничных условий, определяющих вид изнашивания фрикционных пар. На основании этого расчета можно было бы изменять параметры тех пар трения, в которых возможно возникновение недопустимых видов изнашивания (например, молекулярного схватывания). Во-вторых, необходимо иметь расчет интенсивности изнашивания покрытий контактных пар. Поскольку каждый из параметров, определяющих интенсивность изнашивания, является случайной величиной и имеет дисперсию, применяемая аналитическая зависимость должна рассматриваться как функция случайных аргументов.

Установлено, что для контактных пар электрических соединителей основным видом износа является абразивный износ [2]. Это связано с тем, что режимы эксплуатации прямоугольных электрических соединителей не предусматривают больших удельных контактных давлений и высоких скоростей относительного скольжения, температура эксплуатации находится в пределах -60…150 ⁰С. Кроме того, условие минимума электрического сопротивления контактного соединения предопределяет отсутствие смазочного материала в зоне контакта. Такой режим работы вызывает появление в зоне контакта абразива, представляющего собой микрочастицы материала покрытия и разрушенных окисных пленок. При этом особенности работы электрических соединителей не предусматривают специального выведения этого абразива из зоны контакта. Характерным также является тот момент, что соединение-разъединение контактов электрических соединителей осуществляется в ненагруженном (обесточенном) состоянии.

К настоящему времени разработан ряд методов расчета на износ. За рубежом широко используется закон Арчарда [3], согласно которому для абразивного изнашивания объемный износ V (м³) трущихся тел прямо пропорционален пути трения S (м) и силе контактного взаимодействия P (Н) и обратно пропорционален твердости по Бринеллю более мягкого материала пары трения HB (Па):

(1)

где k - коэффициент износа, представляющий собой безразмерную величину, характеризующую вероятность отделения частиц износа при трении. На значение коэффициента в первую очередь влияют характеристики применяемых материалов пары и геометрия соприкасающихся поверхностей (модуль упругости, твердость, характеристики прочности и усталости, параметры опорной поверхности и др.).

Разделив обе части равенства (1) на площадь фактического контакта тел, получим линейный износ U, м:

где p - удельное давление на поверхности трения, Па.

Износ материала покрытия контактов может характеризоваться и интенсивностью изнашивания I. Интенсивность изнашивания выражается безразмерной величиной, как отношение толщины истертого слоя к пути трения.

Сам износ материала покрытия может выражаться в линейных единицах (глубина истертого слоя) или весовых (потеря веса при износе поверхности).

Износ контактной пары происходит при трении двух сопряженных поверхностей, и изнашиваются обе поверхности одновременно. Это приводит к изменению взаимного положения контактов, изменению контактного давления и других электрических параметров. Износ контактной пары является характеристикой, которая непосредственно связана с потерей контактной парой и соединителем их начальных рабочих характеристик (контактное давление, переходное сопротивление, перегрев контактов, усилие сочленения соединителя и др.).

Для расчета контактной пары трения на износ необходимо в первую очередь знать характер эпюры удельных давлений между ножевым и гнездовым контактами. На практике очень трудно обеспечить приложение силы в центре пружинящего элемента контакта. Поэтому в общем случае, при определении нагружения контакта силой, задаются некоторым ее смещением x_p (рис. 1а). Определим эпюру удельных давлений и наибольшее значение давления p_max.

После сочленения гнездовой контакт с определенным усилием P прижимается к ножевому контакту. В результате деформации поверхностных слоев сопряженных контактов и износа в процессе сочленения-расчленения происходит их сближение, которое может характеризоваться величинами Д₁ и Д₂ [4]. Очевидно, что в изображенном на рис. 1а случае Д₁>Д₂, так как сила контактного давления P смещена в сторону Д₁.

Новые поверхности гнездового и ножевого контактов, образованные в результате деформации поверхностных слоев и их износа в процессе сочленения-расчленения, могут быть и криволинейными. Однако образующие и обязательно должны совпадать, так как это условие является условием касания поверхностей гнездового и ножевого контактов. Поэтому после их совмещения получаем как бы взаимное внедрение деформированного и изношенного объема одного тела в другое. Полученная область взаимного внедрения является трапецией (рис. 1б). Каждая ордината этой трапеции состоит из суммы износов (U₁ и U₂) и деформаций (д₁ и д₂) контактов в данной точке.

Если считать, что износ пропорционален удельному давлению p, что характерно для абразивного изнашивания, и что деформация поверхностных слоев контактов также пропорциональна p, то эпюра удельных давлений будет представлять собой трапецию (рис.1в). Зная характер эпюры, из уравнений статики легко определить максимальное (p₁) и минимальное (p₂) удельные давления. Проецируя силы на вертикальную ось, получим:

, (2)

где l₀ - длина контактирующей части гнездового контакта, м; a - ширина контактирующей части гнездового контакта, м.

Рис. 1. Расчетная схема для определения эпюры удельных давлений в контактной паре

Сумма моментов относительно средней точки:

. (3)

Решая систему уравнений (2) и (3), получим:

;

.

Теоретически можно предположить, что сила, с которой гнездовой контакт прижимается к ножевому контакту, действует строго симметрично относительно гнездового контакта, т.е. x_p=0. В этом случае

,

т.е. эпюра удельных давлений представляет собой прямоугольник с ординатой, равной

.

В процессе сочленения-расчленения соединителя гнездовой контакт совершает постоянный ход по длине ножевого контакта. Задачу расчета на износ элементов контактной пары в данном случае можно решить с достаточной для практики точностью, исходя из следующих условий:

1. Согласно закону Арчарда, при абразивном изнашивании величина износа пропорциональна пути трения и величине удельного давления, т.е.

где U - линейный износ поверхности трения, м; k - коэффициент износостойкости и условий изнашивания; p - давление в исследуемой точке поверхности трения, Па; S - путь трения, м; HB - твердость по Бринеллю материала покрытия электрических контактов, Па.

2.Начальная эпюра удельных давлений при изнашивании сохраняется, т.е. ее перераспределение в результате износа контактных поверхностей незначительно.

3.Известен путь трения (относительное движение контактов).

При определении формы изношенной поверхности и величины износа поверхностей контактной пары (гнездового и ножевого контактов) примем следующие обозначения (рис. 2):

l₀ - длина гнездового контакта (его рабочей части), м;

(L+l₀) - длина ножевого контакта (его рабочей части), м;

U_гнезд(l) - искомая величина линейного износа точки поверхности гнездового контакта с координатой , м;

U_I(x) - искомая величина линейного износа точки поверхности ножевого контакта с координатой (участок I), м;

U_II(x) - искомая величина линейного износа точки поверхности ножевого контакта с координатой (участок II), м;

p(l)=f(l) - эпюра давления на гнездовом контакте, Па;

N - количество циклов сочленения-расчленения (совместно с путем трения за один цикл можно определить путь трения за все время работы);

k_нож - коэффициент износа ножевого контакта;

Рис. 2. Схема для определения износа ножевой контактной пары

k_гнезд - коэффициент износа гнездового контакта.

Рассмотрим методику определения функций U_I(x), U_II(x) и U_гнезд(l), исходя из указанных условий.

Функция U_гнезд(l) определяется следующим образом. Каждая точка гнездового контакта изнашивается на протяжении всего пути трения, и на нее действует давление, определяемое уравнением p=f(l). Путь трения зависит от координаты l, так как точка В гнездового контакта (рис. 2) начинает взаимодействовать с ножевым контактом раньше других точек при сочленении соединителя и заканчивает позже всех при расчленении. Исходя из этого путь трения за один цикл сочленения-расчленения будет определяться так:

,

где - путь трения точки рабочей поверхности гнездового контакта с координатой l. Полный путь трения за N циклов работы:

.

Тогда линейный износ гнездового контакта за N циклов

. (4)

Для определения функции U_I(x) рассмотрим, как изнашивается участок ножевого контакта с координатой x (рис. 2). При перемещении гнездового контакта этот участок ножевого контакта изнашивается под действием давлений, определяемых той частью эпюры p(l), которая проходит над ним. Каждый элемент эпюры давлений длиной dl с координатой l при однократном перемещении изнашивает ножевой контакт на величину, пропорциональную величине p(x)dl. Тогда износ на участке I ножевого контакта от одного цикла сочленения-расчленения будет равен суммарному воздействию всех элементарных участков гнездового контакта:

.

Таким образом, износ на участке I ножевого контакта за N циклов сочленения-расчленения не зависит от координаты x и равен

. (5)

Несколько сложнее определить величину износа на участке II ножевого контакта, так как не вся рабочая поверхность гнездового контакта взаимодействует с его точками. Рассмотрим износ точки ножевого контакта с координатой x (рис. 2). Через нее проходит лишь часть рабочей поверхности гнездового контакта с координатами l > x-L. Поэтому износ за N циклов работы будет рассчитываться следующим образом:

. (6)

Формулы (4), (5) и (6) являются общими для различных случаев зависимости p(l). Покажем, как будут выглядеть эти зависимости при линейном распределении давления по длине площадки контактирования, рассмотренном в предыдущем пункте. Пусть давление, обеспечиваемое гнездовым контактом,

,

где p_A и p_B - величины давления в точках A и B гнездового контакта.

Тогда величина линейного износа гнездового контакта будет определяться так:

. (7)

Износ поверхности участка I ножевого контакта:

. (8)

Уравнение изношенной поверхности для участка II:

. (9)

В полученных общих зависимостях (7), (8) и (9) учтено влияние основных факторов на форму изношенной поверхности: k_нож и k_гнезд отражают износостойкость материала покрытия и условия изнашивания, HB - твердость материала покрытия контактов, N и L - интенсивность работы соединителя во время эксплуатации, p(l) - конструкцию контактной пары, т.е. расположение сил и характер нагружения (характер эпюры давлений).

Пользуясь полученными зависимостями, можно проанализировать влияние отдельных факторов на величину и характер износа поверхностей U_гнезд(l), U_I(x) и U_II(x), в каждом конкретном случае указать наиболее эффективные пути уменьшения величины износа и получения более равномерной формы изношенной поверхности.

Рассмотрим вариант конструкции контактной пары, в котором взаимодействие осуществляется по типу «цилиндр-плоскость» (рис. 3). Интерес в данном случае представляет разработка методики определения характеристик износа для розеточного контакта, так как его рабочая поверхность трения представляет собой образующую цилиндра (рис. 4), расположенную перпендикулярно направлению относительного перемещения контактов при сочленении-расчленении.

Рис. 3. Конструкция контактной пары

Рис. 4. Схема узла трения

При данной конструкции контактной пары и при условии, что контактирующие поверхности являются абсолютно твердым телом, контактирование будет происходить по прямой линии. В реальных условиях, при взаимодействии контактов с определенным усилием и наличием упругопластических деформаций, контактирование будет происходить по площадке определенной длины. Длина площадки контактирования непосредственно зависит от величины контактного давления, поверхностной твердости материала покрытия и микро- и макрогеометрических характеристик контактирующих поверхностей.

Для большинства контактных пар аналогичной конструкции единичное усилие (усилие сочленения-расчленения контактной пары) находится в пределах 15…30 г. Если учесть, что большинство розеточных контактов изготовляются из цветного ленточного проката (материалы БрОФ, БрКМЦ, БрБ2 и др.) с повышенным качеством поверхности и защитными покрытиями из благородных металлов (Au, Ag, Pd и др.), которые наносятся гальваническим способом, то с достаточно большой степенью точности можно измерить и распространить на контактные пары с указанными техническими характеристиками первоначальную длину площадки контакта. Практические замеры показали, что она находится в пределах 8…12 мкм. Для практических расчетов имеет смысл принять среднюю величину первоначальной площадки контактирования 10 мкм.

В результате последующих сочленений-расчленений, вплоть до полного износа покрытия контакта, длина площадки контактирования будет непрерывно увеличиваться.

Для упрощения методики расчета износа контакта примем определенные допущения:

1. Будем считать, что в течение одного цикла сочленения-расчленения длина площадки контактирования не изменяется, а между циклами она скачкообразно увеличивается.

2. Контакты прижимаются друг к другу силой P (рис. 5). Для выполнения расчета примем, что сила P равномерно распределена по площадке контактирования, поэтому все ее участки нагружены давлением

,

где p_i - контактное давление на i-м цикле сочленения-расчленения, Па; P - контактная сила, Н; a_i - длина площадки контактирования на i-м цикле сочленения-расчленения, м; b - ширина площадки контактирования, м.

3. Примем, что все точки площадки контактирования за цикл сочленения-расчленения проходят одинаковый путь, равный пути, который проходит центр площадки контактирования (на самом деле путь левого и правого краев площадки контактирования различается на величину длины площадки - a_i).

Рис. 5. Схема контактирования

Линейный износ гнездового контакта за один цикл:

,

где U_i - линейный износ на i-м цикле сочленения-расчленения, м; k - коэффициент износостойкости и условий изнашивания для гнездового контакта; s - путь трения за один цикл сочленения-расчленения, м; p_i - контактное давление на i-м цикле сочленения-расчленения, Па; HB - твердость материала покрытия контактов. Величина пути трения, который проходит розеточный контакт за цикл сочленения-расчленения, в каждом конкретном случае определяется конструкцией соединителя.

Найдем изменение размеров, вызванное увеличением площадки контактирования на i-м цикле. Высота от площадки контактирования до центра окружности перед циклом h_i, (рис. 6):

,

где R - радиус цилиндрической поверхности вилочного контакта, м.

Рис. 6. Определение размеров во время изнашивания

После i-го цикла этот размер изменится:

.

Соответственно изменится и длина площадки контактирования:

.

Полученные результаты можно использовать для расчета величины износа на следующем цикле (i+1) сочленения-расчленения. Данная методика может быть применима для расчета ресурса (количество сочленений-расчленений до полного истирания покрытия) контактной пары. После того как величина суммарного износа (сумма износов на каждом цикле) достигнет величины толщины покрытия, резко изменяются эксплуатационные свойства контактной пары. Прежде всего значительно увеличивается ее электрическое сопротивление, а также коррозионная активность в переходной зоне, что означает переход изделия в неисправное состояние.

Для полноты описания расчета по приведенной методике необходимо разобрать два момента. Первый - величина коэффициента k. Коэффициент зависит от материала покрытия, качества поверхностного слоя, величины давления и других, менее значимых факторов. Ниже приведен метод определения этого коэффициента, предложенный авторами статьи. Второй момент - определение длины площадки контактирования для расчета первого цикла сочленения-расчленения. Мы рекомендуем использовать для этого формулу Герца - зависимость пятна контакта от контактной силы [5]:

,

где a₁ - длина площадки контактирования перед износом, м; P - контактная сила, м; R - радиус рабочей поверхности гнездового контакта, м; µ - приведенный коэффициент Пуассона; b - ширина площадки контактирования, м; E - приведенный модуль упругости, Па. Приведенный коэффициент Пуассона вычисляется как

,

где µ_гнезд и µ_нож - коэффициенты Пуассона материалов покрытий гнездового и ножевого контактов соответственно.

Приведенный модуль упругости вычисляется как

,

где E_гнезд и E_нож - модули упругости первого рода материалов покрытий гнездового и ножевого контактов соответственно, Па.

Исследования показывают, что отклонения даже в разы от этого значения приводят к незначительным изменениям результатов (в частности, не более 1% при определении ресурса контактной пары).

Приведем методику определения коэффициента k для гнездового контакта ножевой контактной пары. Для этого экспериментально установлено среднее количество циклов сочленения-расчленения до полного износа покрытия. Задача состоит в определении такого коэффициента, при котором количество циклов будет равно этой величине. Для нахождения его необходимо выполнить следующий алгоритм:

1. Задаться исходным значением коэффициента k. При этом можно воспользоваться значениями из аналогичных проведенных ранее исследований или данными литературных источников. Чем ближе исходное значение к действительному, тем меньше шагов и времени необходимо затратить на решение.

2. Задаться исходным значением шага приближения. Рекомендованное нами значение - 5% от исходного значения коэффициента k.

3. Вычислить ресурс N до полного износа покрытия по приведенной методике.

4. Сравнить полученный результат с экспериментальным значением. Если N больше, то увеличиваем значение коэффициента k на величину шага приближения и возвращаемся к пункту 3. Если N меньше, то уменьшаем значение коэффициента k на величину шага приближения и возвращаемся к пункту 3. Если значения равны, то заканчиваем поиск, коэффициент k определен.

Если при поиске на одном шаге приближения значение N меньше экспериментального, а на следующем больше (или наоборот, вначале больше, а затем меньше), то с заданным шагом решение найдено, необходимо уменьшить шаг приближения для более точного решения. Рекомендуем уменьшать шаг приближения на 50%.

При решении на шаге 3 возможна ситуация, когда при выбранном значении коэффициента k полный износ покрытия достигается за очень большое количество циклов сочленения-расчленения. Для уменьшения времени решения необходимо останавливать моделирование износа при достижении экспериментального значения, а не делать полный расчет.

Приведем пример решения (необходимые параметры, экспериментальное значение ресурса и найденный коэффициент).

Полученные коэффициенты могут быть использованы для расчета линейного износа по формулам (7), (8) и (9) (для контактных пар аналогичной конструкции). Степень адекватности применения коэффициента в этих случаях необходимо исследовать дополнительно.

Расчет на износ отдельных контактных пар является исходным моментом прогнозирования работоспособности электрического соединителя. Рассмотренные методы расчета на износ сопряжения позволяют еще на стадии проектирования оценить возможный ход процесса изнашивания и учесть влияние основных факторов. Для развития расчетных методов оценки износа контактных пар электрических соединителей необходимо накапливать фактические данные по износостойкости типовых пар трения для различных условий эксплуатации.

Список литературы

1. Белоусов, А.К. Электрические разъемные контакты в радиоэлектронной аппаратуре / А.К. Белоусов, В.С. Савченко. - М.: Энергия, 1975. - 320 с.

2. Сафонов, Л.И. Электрические прямоугольные соединители. Трение и износ в контактных парах электрических соединителей / Л.И. Сафонов, А.Л. Сафонов // Технологии в электронной промышленности. - 2008. - № 3. - С. 34-39.

3. Ибатуллин, И.Д. Кинетика усталостной повреждаемости и разрушения поверхностных слоев: монография/ И.Д. Ибатуллин. - Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2008. - 387 с.

4. Проников, А.С. Надежность машин / А.С. Проников. - М.: Машиностроение, 1978. - 592 с.

5. Крагельский, И.В. Основы расчетов на трение и износ / И.В. Крагельский, Н.М. Добычин, В.С. Комбалов. - М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.

Материал поступил в редколлегию 6.06.13.

Размещено на Allbest.ru