Введение к работе
Актуальнооть. Герметизированвые магнитоуправляемые контакты (герконы или МК) имеют довольно широкое примевевие в различных облаотях техники. На герконах ковотруируют реле, логические элементы, преобразователи напряжений и токов, датчики неэлектри-чеоких величин, коакоиальные переключатели, коммутаторы, пополнительные элементы охем переотройки частоты в ВЧ-устройотвах, тумблеры, концевые выключатели, клавишные переключатели и т.д. К важным доотоинотвам герковов отнооятоя: малая мощность управления (50-150 мВт), малое электричеокоа сопротивление (0,05-0,2 Ом), большой орок службы при выоокой наденнооти (до 10 - 10 коммутаций), выоокое сопротивление изоляции (10 - 10 Ом - минимум), быотройдейотвие (0,5 - 2,0 Моек), выоокая механичеокая уотойчивооть (удары до 150^? , вибрация 15-25 а ), диапазон темпераутр от -60 С до + 150С, отоутот-вие гальваничеокой связи между цепями управления и нагрузки и др. В наотоящее время заводами изготовителя? выпуокаютоя различные типы герконов в большом количестве (в нашей отраве более 300 млв. штук.в год). Кроме того поотоянво разрабатывают новые типы герконов.
Вое герконы характеризуются различными параметрами, определяющими их овойства и качества.
Параметры герконов, которые необходимо измерять условно можно подразделить на две группы.
К первой отнооятоя приводимые в нормативных документах, для каждого типа герконов: максимальная коммутируемая мощнооть, кошу тируемый ток, коммутируемое напряжение, электрическое сопротивление, м.д.о. срабатывания, коэффициент возврата, м.д.о. отпускания, время срабатывания, время отпуокания, сопротивление изоляции, электрическая прочнооть, чаотота коммутации, электроемкость, рабочий диапазон температур, допуотимые вибрация, ускорение.
Ко второй группе отноаят: контактное нажатие (КН), оилы среза холодной оварки (ХС), оилы магнитного взапмодейотвия
между контакт-деталями (К-Д) в теркове, силы оцепления, обусловленные оотаточной намагниченностью в герконах о памятью (в гезаконах), магнитомеханичеокие характериотики-движение контакт-деталей в герконах в завиоиыооти от управляющего поля и времени переключения, магнитные характеристики герковов и отдельных контактных оердечников, качеотво проволоки, идущей на изготовление контакт-деталей.
Параметры первой группы, главным образом вызывают интереї в плаве различных применений герковов. Вторые имеют веоколько аопектов значимочти. Во-первых, они непосредственно овязаны о качеотвом технологических птюцеооов изготовления герковов. Например, ыагвитвые и упругие овойотва К-Д завиоят от качеотва исходной проволоки, режимов отжига контакт-деталей, химичеокой обработки их, от операций заварки К-Д в баллоны герконов. Поэтому по измеренным значениям параметров второй группы можно контролировать качеотво технологических процеооов изготовления герконов.
Параметры второй группы являются также непосредственными показателями качеотва конструкции геркона. При разработках новых типов ЫК возникает необходимость .измерять именно эти параметры. Кроме воего этого параметры первой группы являются завиоимыми от параметров второй группы. В частности различные м.д.с, время срабатывания и отпускания, чаотота коммутации и др. завиоят прежде воего от магнитных и упругих характерно контакт-деталей. Поэтому,, еоли параметры первой группы стали почему-либо не соответствовать нормам выпускаемых герконов, то можно определить причины этих несоответствий, измерив параметры второй группы.
В начале становления производства герконов (в вашей стран* в 60-е годы) практически не существовало специальных методов и оиотем измерений параметров, отнооящихоя ко второй, выше указанной группе. Известные ранее методы, которые можно было приспособить к измерениям параметров Ж, оказалиоь неудовлетворительными по точнооти, чувотвительнооти и оперативности. Причем, некоторые из них могут быть реализованы только как
разрушающие методы измерений. Кроме того, количество отих мето-toB бшго недостаточным для обстоятельного контроля герконов t их технологических процессов изготовления. В ОВЯЗП о этим юзникла проблма измерений различных параметров Ж и их эле-іентов. Необходимо било разработать целый комплеко новых методов и сиотеы беоконтактвых измерений.
Данная дасоертация и поовящена решению это2 проблемы.
Цель диооергационноЯ работы оботоит в решении проблемы )азвития высокоэффективных методов и оистем бесконтактных избраний параметров герконов, их сердечников и походных материале на отадии разработки и производства.
В овязи о этим возникла необходимость наследовать различие овойотва данных изделии и материалов (теоретически и эк-периментальво) о тем, чтобы на оонове полученных научных ре-іультатов определить-методолгию решения проблемы и принципы іувкци- лрования и поотроения оиотешых .измерительных оредотв, іаойрувдихоя на беоконтактвых методах.
Научные результаты и новизна. В овязи о разработкой новых іетодов и оиотем измерений параметров герконов, ковтакт-дета-геЯ и их походных материалов были проведены соответствующие ио-ледования и получены, следующие научные результаты:
I. Теоретически установлены завиоиыооти:
силы контактного нажатия в герконе от различных его уско-іевий,
смещения контактных поверхностей МК от уокорения Ж,
.расотояния между контактными поверхностями МК от напря-:еннооти магнитного управляющего поля, меняющегооя квазиотати-:еоки,
соотношения оилы ореза холодной оварки контакта о силой ормального давления на контакт-детали Ж, при которой проио-одит орез,
магнитной индукции в рабочем зазоре МК от напряженности ягнитного управляющего поля, меняющегооя квазиотатичеокп,
расстояния между контактными поверхностями Ж от времени вижения контакт-деталей (К-Д) при орабатывавии в динамичеоком
ЙЖПМЄ,
качества МК от вида характеристик движения их К-Д при квазистатичеоком намагничивании (как критерий),
намагничевнооти К-Д усредненной по объему, от напряженности перемагничивавдего поля,
уоредневвой по объему магнитной индукцией (В) К-Д, расположенной внутри измерительной катушки вибрационного маг-витометра и электричеоким оигналом в этой катушке как функции от В.
2. Экспериментально установлено:
вое МК, имеющие аномалии геометрии К-Д, как правило, залипают (возвикает оильвая холодная оварка), еоли их замыкавие ооущвовтляетоя при вращательном движении МК,
ЩС орабатывавия и отпуокания завиояг линейно (для некоторых МК - веливейные МДС отпуокания) ох окорооти враща-тельвого движевия МК,
холодвая иварка практически возникает в контактах всегда, но в разной степени в завиоимооти от материала покрытия контактирующих поверхностей и уоловий замыкания,
тренировка ыапштоупрэвляеыого контакта в режиме автоколег баний онижает отепень холодной сварки;
МДС отпускания возраотает от числа срабатываний. Зависимость имеет наоыщение,
при плавном изменении силы соударения контактирующих поверхностей наблюдаетоя диокретнооть изменения силы холодной сварки,
сила среза холодной сварки, вызванная известным способой действия на МК одновременно постоянным и переменным магнитными полями, нелинейно завиоит от амплитуды и значения напряженности этих полей и от времени действия их,
возможна реализация силы нормального давления не К-Д о . помощью магнитных неоднородных полей,
можно онижать и стабилизировать оммичеокое сопротивление контакта путем тренировки его в режиме автоколебаний, реализуемого о помощью встречных магнитных полей,
зввиоимооть модуля упругооти различных К-Д от их намаг-ни'ігввооти, прошедших различные режимы отжига, тлеют экспоненциальный вид,
существуют предельные зазоры между К-Д и знтуренней поверхностью измерительной катушки вибрационного магнитометра 1Ш)в при которых (и менее которых) э.д.о. индукции В ЭТОЙ катушке ливейно зависит от усредввзвой ло объему- К-Д мтйитвоЯ индукции,
оредняя длина пути и время распространения для мволсеотва дливных скачков Бапкгаузева з магнитных проволоках (исходный материал для К-Д) зависят от ее качэотва,
3, На основе теоретических и экспериментальных результатов иооледования разработаны следующие способы измерений:
центробежный способ измерения контактного нажатия з герцогах с оииметричными контакт-деталями (A.C,4407i7).
зиброударвый способ измерения контактного вазхатия з переключающих герконах {А.СП5ІІ8),
способ измерения сил среза холодной оварки в контактах g помощью магнитного неоднородного поля (А.С574643),
способ измерения''остаточных оил магвихвого оцеплевия з геэаконах о помощью ]двух встречных магнитных неоднородных полей.(А.С.756359)»
опоооб измерения ореднеотатичеоких пути и времени рао-ароотранения длинных окачксш Баркгаузена в проволоках для К-Д о целью контроля-ее качества (А.С.673856),
опоооб измерения магнитной индукции К-Д, усредненной по объему ее в з помощью вибрациоввого магнитометра,, отличающийся геы,, что К-Д {цилиндрический или прямоугольного сеченая образец) помещают внутрь измерительной катушки, в результате чего исключаются условия дипольного приближения и увеличен полезный сигнал за яеоколько порядков.
4„ Разработаны измерительные зотройотва (ИУ): ИУ для контроля качеотва магнитвой" проволоки (походного материала для К-Д) на оонове автоматически реализуемых длинных окачков Баркгаузена в данной проволоке (А.С.673856)
ИУ для измерения уоредненной по объем? контакт-детали магнитной индукции яри уоловзш размещения К-Д внутри измерительной катушки (магнитную ивдукцию для такого типа образцов обычно измеряла с помощью ВМ на основе модели дипольного приближения),
ИУ для измерения сил среза холодной оварки (А.С.574643), ИУ для измерения магнитных остаточных сил оцепления в гезаконах (А.С.756359),
ИУ для наблюдения движения контакт-деталей :в герконах, ИУ для измерения собственных частот колебаний контакт-деталей,
ИУ для измерения ковтактного нажатия в переключающих герконах (А.С.І205І97),
ИУ для измерения ковтактного нагатия в замыкающих геркона: (А.С.521552),
устройство для тренировки геркопов (А.С.І4І0І24), устройство для тренировки геркояов (А.С.824307)
5. На базе проведенных исследований и предотавлеиных в п.п. 3 и 4 споообов и устройств разработаны соответсвующие беоконтактные методы измерений и измерительные системы (ИЗ) для контроля параметров герконов, контакт-деталей и их исходных материалов.
Разработанные ИС отличаются от известных тем, что вмеото первичных преобразователей они оодержат уотройотва преобразованиями) и источники оигналоп воздействия на УП. При эта УП соотоит из неоколышх преобразователей, охваченных общей конструкцией, обуоловланвой природой сигналов взаимодейотвия мааду ними. И самое оущеотвенное, в нашем олучае то, что УП оодержит в оебе контролируемый объект, который явяляетоя одновременно и преобразователем и исследуеыам объектом. Такая . структура ЛІ обеспечивает получение оигналов, овязанных с параметрами НО, которые требуетоя измерять.
Достоверность результатов обеспечена расчетами погрешностей разработанных измерительных оиотем и метрологической аттестацией воех оредств измерений.
Научные положения, выводимые на защиту:
-
Бесконтактный метод и сиотема контроля качеотва магнитной проволок для изготовления К-Д, ооноЕааные на измерениях средних значений длины и времени распространения длинных окачков Баркгаузена.
-
Лазерный фототеневой метод и сиотема измерений характеристик движения контакт-деталей и их собственных чаотот; погрешность измерения чаотог * 2,2$, что много ниже, чем для извеотного метода.
-
Беоконтактный метод и опстема измерений оил ореза холодной оварки о помощью неоднородного магнитного поля, действующего ва контакт-детали в герконе; погрешность ^ 5,1%.
-
Виброударный беоконтактный метод и оиотема измерений КН в переклшающих герконах; погрешность измерений ^ 12,3$, что значительно меньше, чем для извеотного метода.
-
Центробежный беоконтактный метод и оиотема измерения КН в замыкающих герконах; погрешность измерений v 8,0%, что в три раза меньше, чем для извеотного метода.
-
Метод вибрационного магнитометра и измерительная оиотема, которые в отличии от извеотных обеспечивают измерения усредненной по объему контакт-детали магнитной индукции при отсутствии условия дипольного приближения'(К-Д располагают внутри измерительной катушки), что увеличивает полезный сигнал на
2-3 порядка и создает возможность повысить более проотыми средствами чувотвительнооть и точнооть ГО; погрешность 5,3%, что значительно ниже, чем для метода дипольного приближения.
-
Беоконтактный метод и оиотема измерений МДС срабатывания и отпуокания герковов. Погрешность не внше, чем для контактного метода.
-
Теоретические основы методов: а) результаты экспериментальных исследований длинных скачков Баркгаузена в кагнішшх проволоках о целью контроля их качеотв; б) аналитический раотет влияния оил инерции на КН, ВДС, положение коптагт-хотал»?, голодную сварку; в) аналитический рисчет ооотпошеиид ряз-шчшт. внешних оил с силами ореза холодной сварки и сплата рмрпи''
магнитного оцепления; г) аналитический раочет хода контакта Х(Н) в динамическом режиме и квазиотатичеекоы в завиоимооти от вида функции В(Н), В - магнитная индукция в рабочем зазоре геркона. Н - напряженность перемагничиваюцего поля; д)анали~ тичесюш раочет усредненных по объему магнитной индукции и намагниченности контактних сердечников в зависимости от пе-ремагнячивакщего поля, меняющегося квазистатичеоки; е)анали-таческпй расчет ЭДС в измерительной катушке вибрационного магнитометра при исключении условий точечного дипольного ври-блиэеиля для исследуемой контакт-детали или геркона; ж) экспериментальные результаты исследований, положенные в основы разработанных методов и КЗ.
Практическая ценность. Разработанные новые методы и ои-отеї'ч измерений обеопечивают возможность комплексного неразру-шающего контроля различных магнитоконтактвых овойотв гврковов ~ и отдельных контактных сердечников. Эти методы и КС имеют важное значение в оерийноы производстве герконов, а также при разработках новых технологических процеооов и новых типов изделий. Полученные новые вналитичеокие выражения, необходимые для реализации методов и соответствующих ИЗ, позволяют определять оптимальные характеристики герконов, что имеет практическую ценность при конструировании новых типов МК и отлаживании их производства.
Реализация и внедрение результатов. Разработанные методы и оистемы измерении различных параметров герконов, внедрены и аттестованы на предприятиях п/я А-3997, п/я Р-6І52.
Технический и экономичеокий э^ект от внедрения результатов диосертации ооотоит в модернизации и повышении качества технологических процеооов, оовершенотвовании контроля в оерий-ном производстве, а также повышении уровня и сокращении оро-ков новых разработок. Фактический суммарный экономический" эф-фект от внедрения результатов диссертации на предприятиях аоптавляет более пятнадцати миллионов рублей.
Апробация работы. Ооновное содержание диооертационноЗ работы докладывалось и обсукдалось:
-Il-
ea Первом межотраолевом научно-техническом совещании по юрии, разработкам и производству магнитоупралляешх контактов 1969 г. (два доклада: I. Автоматический вибрационный мэгни-ялетр для измерения магнитных характеристик ЫК. 2. Об пз-зрении некоторых параметров МК и электродов МК);
на Второй межведомственной научво-техничеокой конференции э магнитоуправляемым контактам в 1973 г. (три доклада: I. Спо-эб измерения и прибор для контроля оил контактного давления. . Споооб измерения и прибор для контроля магнитной проницае-ооти контакт-деталей. 3. Иооледование влияния ускорений на не-оторые параметры МК);
на Всеооюзном научно-техничеоком оовещании "Пути повыша-ия качества и надекнооти электрических контактов", Ленинград 978 г. (доклад: Ускоренные иопытания и тренировки герконов о омощьи различных редимов автоколебаний);
на Всоооюзной научво-техничеокой конференции "Специальные :оммутационные элементы", Рязань, 1981 г. (три. доклада: ;. Теория вибрационного магнитометра для контроля контакт-де-'алей. 2. Иооледование скачков Баркгаузене о целью разработ-ш метода контроля контакт-деталей. 3. Раочет изгиба бинетал-шческой контакт-детали под дейотвием магнитоотрикционных оил); на Воеоогазной научно-техничеокой конференции "Специальные соммутационные элементы; Рязань, 1984'г. (два доклада: I. Новый шоооб измерения оилы контактного нажатия в трехэлектродных герконах. 2. Исследование размыкания герконов).
Да кафедре информационно-измерительной техники МЭИ (1989 г.).
На научно-технических конференциях РРТИ (1970-1990 г.г.) На научно-техническом совете РРТИ (1989 г.) По теме дисоертапии опубликовано 49 научных работ: 9 изобретений, 33 отатьи в научно-технических журналах и оборниках, книга-обзор по методам и оредотвам контроля герконов (ЦГОШ Электроника, Мооква 1977 г.) и тезисы шести докладов на Всесоюзных конференциях [ 1-49].
Объем и структура диссертации: введение, 4 главу, общее заключение, 5 приложений, 489 стр., из которнз 2S3 стр. тек-
ста, 114 стр. риоунков, 10 стр. таблиц, 26 отр.опиока литературы и 41 стр. приложений.