Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния проблемы и постановка задач исследования 14
1.1. Область исследования 14
1.2. Постановка задачи оценки надежности контактов коммутационных элементов при воздействии окружающей среды 17
1.3. Состояние вопроса и формулирование задач исследования 24
2. Разработка методов оценки показателей качества контактирования на основе аналитического зделиробания электрического контакта 40
2.1. Аналитическая модель процесса механического взаимодействия поверхностей контактов 41
2.2. Аналитический метод определения переходного сопротивления контакта с учетом влияния поверхностных загрязнений 43
2.3. Выводы 51
3. Разработка теоретических методов оценки вероятности разрушения поверхностных загрязнений контактов коммутационных элементов .' 53
3.1. Метод оценки вероятности разрушения непроводящих пленок 53
3.2. Метод оценки вероятности разрушения частиц, загрязняющих поверхности контактов 57
3.3. Определение числа замыканий, необходимого для разрушения частиц, находящихся на поверхности контактов 72
3.4. Выводы 74
4. Имитационные модели шероховатых поверхностей и процессов их механического и электрического взаимодействия ' 76
4.1. Цели и задачи имитационного моделирования контактов коммутационных элементов 77
4.2. Машинные модели шероховатых поверхностей 82
4.3. Имитационные модели механического взаимодействия контактных поверхностей. 92
4.4. Имитационные модели электрического взаимодействия контактных поверхностей 104
4.5. Выводы ІІЗ
5. Исследование характеристик контакта методами моделирования 117
5.1. Исследование процесса замыкания контактов при помощи аналитической модели 119
5.2. Имитационное моделирование процесса замыкания с целью получения параметров механического взаимодействия 125
5.3. Имитационное моделирование процесса замыкания с целью получения параметров электрического взаимодействия 134
5.4. Выводы 143
Заключение 147
- Постановка задачи оценки надежности контактов коммутационных элементов при воздействии окружающей среды
- Аналитический метод определения переходного сопротивления контакта с учетом влияния поверхностных загрязнений
- Определение числа замыканий, необходимого для разрушения частиц, находящихся на поверхности контактов
- Имитационные модели электрического взаимодействия контактных поверхностей
Введение к работе
Выполнение главной задачи одиннадцатой пятилетки, поставленной ХХУІ съездом КПСС перед советским народом, требует новых путей решения проблем организации и управления народным хозяйством /I/. Качественные сдвиги в формах и методах управления общественным производством, развитии вычислительной техники, происшедшие за последние десятилетия, предопределили необходимость постоянного совершенствования системы управления, использования в народном хозяйстве ЭВМ и автоматизированных систем управления различного' назначения. В настоящее время широкое распространение получили различные сети связи, сетевые системы телеобработки, вычислительные сети и системы и др. /19,48,50,56,75,83,104/, осуществляющие информационный обмен между пространственно распределенными источниками и потребителями информации. Их применение позволяет ускорить сбор, обработку и получение информации, разработку различных вариантов планов и нахождение оптимальных плановых решений и тем самым повысить эффективность общественного производства.
Одним из основных компонентов таких сетей являются коммутационные системы, обеспечивающие соединение входящих и исходящих каналов на время передачи информации. Технической базой коммутационных систем служат коммутационные элементы (КЭ), осуществляющие коммутацию электрической цепи, в качестве которых преимущественно используются контактные устройства /2,41,66/,
Поиски путей увеличения производительности вычислительных машин привели к возникновению и дальнейшему развитию гибридных вычислительных систем (ГВС), которые часто называют еще аналого-цифровыми или неоднородными вычислительными системами /13, 23,60,74/. Эффективность их использования во многом зависит от
возможности автоматизации процесса подготовки и набора задач на аналоговой части ГБС. Несмотря на определенные успехи, про-цесс набора структурных схем соединения решающих блоков плохо поддается автоматизации. Это связано, прежде всего, с трудностями, которые возникают при разработке систем автоматической коммутации (САК) /53,74,81/, обусловленными, в частности, отсутствием коммутационных средств, удовлетворяющих требованиям передачи аналогового сигнала /25/.
Коммутационный элемент, лежащий в основе САК, должен обеспечивать диапазоны изменения коммутируемых токов и напряжений в пределах 10 - 10 А и 10 - 100 В, сопротивление замк-
-? ТТ
нуто-разомкнутого состояний 10 и 10 Ом соответственно, переходную и монтажную емкости в Ю""*2 и 10"** Ф соответственно. Кроме того, ввиду значительной емкости коммутационного поля, к КЭ предъявляются требования компактности, экономичности, техно-
'і '
логичности и высокой надежности, В наиболее полной мере этим требованиям удовлетворяют контактные коммутационные элементы /2,25,50,66/.
Надежность - одно из важнейших требований, которые необходимо учитывать при разработке системы коммутации. Наименее на-дежным элементом системы является КЭ, а их большое количество существенно сказывается на надежности системы в целом /81,66/.
В технической литературе, посвященной надежности коммутационных систем /66,92/, в отношении переключающих устройств как правило предполагается, что они обладают абсолютной надежностью и в процессе работы не отказывают, что часто приводит к большим погрешностям в полученных результатах. Надежность систем коммутации должна быть на 1-2 порядка выше или по крайней мере равна надежности подключаемого оборудования, что в настоя-
щее время не выполняется /66/. Повышение надежности коммутационных элементов, как один из путей повышения надежности систем коммутации, является насущной и важной задачей.
В связи с этим, проблема надежности коммутационных элементов продолжает оставаться актуальной и требует дальнейшего исследования.
Свыше 60 % отказов коммутационных элементов происходит из-за контактов /69/, в процессе работы которых взаимодействуют электрические, тепловые, механические и химические явления. Поэтому, несмотря на свою внешнюю конструктивную простоту, контакты и процессы, определяющие их надежное действие, изучены недостаточно полно. В первую очередь это относится к слаботочным контактам /27-30,94/> коммутирующим токи менее 0,1 А и напряжения не выше 5 В, которые получают все более широкое распространение в связи с процессами микроминиатюризации, повышением чувствительности, снижением энергетического уровня работы аппаратуры. Надежность слаботочных контактов определяется воздействием окружающей среды и, в первую очередь, образованием и разрушением на контактных поверхностях загрязняющих пленок (окислы, сульфиды и т.д.) и частиц (пыль, продукты трения и т.п.) /27-29,95/. Режимы работы контактов постоянно ужесточаются, а меры, призванные ограничить влияние среды, например, герметизация, часто приводят к возникновению новых проблем (образование на поверхностях контактов полимерных пленок - в герметизированных коммутационных элементах; воздействие посторонних частиц -в герконах). Поэтому одним из основных направлений в развитии контактов является изучение влияния среды и физических процессов на контактах /29/.
В связи с тем, что значительное число отказов изделий (до
40 % /II/) обусловлено ошибками, допущенными при проектировшши, особую важность приобретает управление качеством коммутавдонных элементов на данном этапе. Решение этой задачи неразрывно связано с необходимостью получения оценки достигнутой надежности и, как правило, соответствующей коррекцией параметров элемента. При этом приходится сталкиваться с целым рядом трудностей, которые обусловлены влиянием большого числа факторов, необходимостью макетирования и исследования процессов в условиях воздействия окружающей среды, а также созданием или имитацией условий, в которых должен будет работать КЭ. Отсутствие соответствующих методов делает затруднительным получение прогнозирующей оценки надежности при воздействии окружающей среды, что связано с традиционным подходом к рассмотрению контактного взаимодействия, слабо учитывающим его дискретный характер. Это зачастую приводит к научно необоснованному выбору параметров элемента и требует постановки большого объема сложных и дорогостоящих экспериментов. Одним из путей решения проблемы может явиться использование средств вычислительной техники и аппарата имитационного моделирования /16-18,39,103/.
Делью диссертационной работы яеляєтся разработка и исследование моделей и алгоритмов функционирования слаботочных электрических контактов в условиях воздействия окружающей среды, ориентированных на получение характеристик качества коммутационных элементов, и применение результатов исследований для обеспечения надежности на этапе проектирования.
С учетом сфордулирОЕэнной цели в работе решаются следующие задачи:
I) экспериментальное исследование источников и видов загрязнений электрических контактов, их свойств и осноеных харак-
теристик;
исследование и разработка моделей поверхностей электрического контакта;
исследование и разработка моделей разрушения поверхностных загрязнений в виде пленок и частиц с целью определения вероятности замыкания контактов;
исследование и разработка алгоритмов функционирования электрического контакта;
разработка пакетов прикладных программ расчета параметров качества и надежности электрического контакта;
аналитическое и имитационное моделирование работы контактов с целью проверки адекватности построенных моделей.
При выполнении диссертационной работы использованы методы теории надежности, теории вероятностей, случайных процессов и математической статистики, теории моделирования.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
I) сформулирована общая задача оценки надежности слаботочных электрических контактов в условиях воздействия окружающей среды и предложено ее решение, основанное на методах моделирования;
2). разработаны аналитическая и имитационные модели контактных поверхностей;
сформулирована и решена задача оценки вероятности разрушения поверхностных загрязнений контактов в виде пленок и частиц;
предложены аналитический и имитационный методы моделирования работы электрического контакта;
5) разработаны алгоритмы, реализующие предложенные методы.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в
разработке инженерной методики оценки надежности коммутационных элементов с учетом загрязнения поверхностей контактов, пакетов прикладных программ расчета параметров механического и электрического взаимодействия контактных поверхностей.
Результаты проведенных исследований могут быть использованы при проектировании коммутационных элементов для выбора их параметров, обеспечивающих надежную работу с учетом воздействия окружающей среды, и моделирования функционирования КЭ в заданных условиях эксплуатации.
Работа непосредственно связана с направлением научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре конструирования радиоаппаратуры Харьковского института радиоэлектроники, и решением директивных органов отнесенных к важнейшей тематике:
хоздоговорной темы $ 74-71 "Конструкционная надежность. Исследование герконов с целью повышения их качества" /42/;
хоздоговорной темы № 76-32 "Конструкционная надежность. Исследование физики отказов контактов и разработка методов контроля качества изделий" /43/;
хоздоговорной темы № 78-18 "Теоретическое и экспериментальное исследование елияния различного вида загрязнений поверхностей контактов на характеристики коммутационных элементов РЭА" /82/.
При постановке и проведении исследований учитывались практические запросы ряда организаций и предприятий. Предложенные методика, алгоритмы и программы были использованы при совершенствовании существующих и разработке ноеых типов коммутационных элементов в организации п/я В-2387 с годоеым экономическим эффектом 42,2 тыс. рублей. Разработанные пакеты прикладных программ внедрены в учебный процесс при подготовке студентов по специальностям 0705 и 0648.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались, обсуждались и были одобрены: на Всесоюзных научно-технических конференциях "Теория и практика конструирования и обеспечения надежности и качества радиоэлектронной аппаратуры"- (Москва,1978 г. и Махачкала, 1980 г.)» "Проблемы нелинейной электротехники" (Киев, 1980 г.), "Специальные коммутационные элементы" (Рязань, 1981 г.)» "Пути повышения надежности и качества электрических контактов" (Симферополь, 1983 г.); на республиканской конференции "Интенсификация процессов финишной обработки деталей машин и приборов " (Днепропетровск, 1980 г.)» на семинарах "Физическая надежность РЭА" и "Локальные автоматизированные системы и технические средства автоматики и вычислительной техники" Научного Совета АН УССР по комплексной проблеме "Техническая электротехника, электроника и моделирование" (Харьков, 1981 г.); на технологической конференции "Повышение качества и надежности коммутационных элементов" (Харьков, 1978 г.)» на семинарах "Надежность радиоэлектронной аппаратуры" в Харьковском Доме техники в 1978-81 .гг.; на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Харьковского института радиоэлектроники в 1974-82 гг.
Основные результаты исследований опубликованы в одиннадцати печатных работах.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и приложений.
Первый раздел посвящен анализу состояния проблемы и постановке задач исследования. Определена область исследования и сделана постановка задачи оценки надежности слаботочных электрических контактов при воздействии окружающей среды. Проведен обзор научно-технической литературы, связанной с темой диссертации, и
сформулированы цель и основные задачи исследования.
Второй раздел посвящен разработке методов оценки показателей качества контактирования на основе аналитического моделирования электрического контакта. Предложена аналитическая модель поверхности контакта и на основе ее разработаны методы определения параметров механического и электрического взаимодействия контактных поверхностей.
В третьем разделе на основе построенных аналитических моделей поверхностей и процесса их механического взаимодействия, ориентированных на область контактной техники, и предложенной гипотезы разрушения пленок,найдена вероятность их механического устранения. Получены соотношения для определения и исследованы вероятностные характеристики надежности контактов при наличии в среде загрязняющих частиц, в частности: вероятность попадания частиц на поверхность контакта, вероятность их разрушения и среднее число коммутаций, необходимое для надежного замыкания.
В четвертом разделе изложены принципы построения имитационных моделей поверхностей контактов и процессов их взаимодействия. Сформулированы цели и задачи имитационного моделирования и рассмотрены основные этапы процесса моделирования. Разработан общий метод машинного моделирования шероховатых поверхностей, на основе которого получены два класса машинных моделей, различающихся подходом к рассмотрению процесса контактирования. Для каждого класса моделей поверхностей построены имитационные модели механического и электрического взаимодействия контактов.
-Пятый раздел содержит разработку моделирующих алгоритмов для построенных моделей и посвящен получению основных показате-^ лей качества и надежности электрического контакта на основе аналитического и машинного моделирования. Выполнена статистическая
оценка адекватности моделей путем сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными.
В приложениях приведены результаты экспериментальных исследований загрязнений электрических контактов и содержатся документы, подтверждающие практическое использование результатов работы.
Постановка задачи оценки надежности контактов коммутационных элементов при воздействии окружающей среды
Надежность электрических контактов можно определить как способность выполнять свои функции в течение определенного времени в зависимости от степени их использования. Несмотря на важность этой характеристики, в вопросах расчета и требований к надежности нет единого подхода. Это объясняется большим количеством типов контактов (слаботочные, сильноточные, разрывные,скользящие и т.д.), их особенностями и требованиями, к ним предъявляемыми.
Для слаботочных контактов характерны отказы типа "обрыв" (отказы 1-го рода)/94-/» когда коммутируемая цепь не замыкается, к причинам возникновения которых относятся: образование непроводящих пленок или попадание в межконтактный зазор изоляционных частиц; механическое повреждение контактов или контактных пружин. Если количество отказов, происшедших в контактах, принять равным 100 %, то количество отказов I рода составит примерно 80 %, причем с уменьшением величины коммутируемого тока это чис-ло возрастает /69/.
Возможные отказы в работе электрических контактов трудно прогнозировать, т.к. они относятся обычно к случайным явлениям. К внезапному отказу в работе могут привести количественные и качественные изменения как внутри контактной пары, так и вне ее. Кроме внезапных отказов наблюдаются явления постепенного изменения рабочих характеристик контакта, приводящие к потере работоспособности /29/. Необходимо отметить, что при малых нагрузках возникают в основном отказы внезапного характера (из-за производственно-технологических дефектов конструкции и физико-химических процессов, случайно возникающих при контактировании), а с увеличением коммутируемого тока и числа коммутаций - постепенные отказы (из-за старения и износа). Характерной особенностью функционирования электрических контактов является преимущественно параметрический характер их отказов. Одни и те же причины, например, попадание в межконтактный зазор непроводящей частицы, могут вызвать как катастрофический, т.е. приводящий к полному нарушению работоспособности, так и параметрический, выражающийся в ухудшении проводимости, отказ.
Для слаботочных контактов помимо полных отказов значительный удельный вес составляют сбои (полные или частичные), т.е. единичные случаи непрохождения тока, самоустраняющиеся после нескольких коммутаций /94/« Под частичным сбоем понимается одно из следующих явлений: прохождение электрического тока начинается не сразу, а с некоторым запаздыванием относительно момента физического касания контактов; увеличение переходного сопротивления свыше некоторого предела, понижающего коммутируемый ток на 20-40 %. Сбои обычно обусловлены наличием на контактных поверхностях пленок или попаданием между контактами изоляционных частиц,
В первом приближении /94,95/ надежность контактов можно характеризовать интенсивностью отказов и вероятностью безотказной работы. Для слаботочных контактов зависимость интенсивности отказов от времени (количества коммутаций) соответствует кривой классического вида. Отказы, обусловленные периодом приработки и нормальной эксплуатации, объясняются или внезапным изменением контактного усилия за счет случайной деформации контактодержате-лей и попаданием в межконтактное пространство изоляционных частиц или ошибками контроля, пропустившими образцы с малым контактным давлением и загрязненным внутренним объемом. Увеличение интенсивности отказов на участке старения - результат снижения контактного давления за счет износа деталей и контактов и скопления больших количеств загрязнений, вероятность попадания которых в контактные точки увеличивается /70/. Интенсивность отказов контактов для реле малой мощности находится в пределах 1.10-0,5 XI0 " I/ком.
Из проведенного анализа видно, что надежность слаботочных электрических контактов определяется в основном воздействием окружающей среды и, в частности, - наличием поверхностных загрязнений и их разрушением.
Одним из наиболее перспективных методов повышения надежности коммутационных элементов является управление их качеством на этапе проектирования. Коммутационный элемент формально можно представить как систему, состоящую из контакта (две волнистых шероховатых поверхности сложной формы) - объекта управления (ОУ) и управляющих элементов (исполнительных механизмов, электромагнитных катушек и пр.) - устройства управления (УУ) (рис.1.1).
Любой этап проектирования КЭ предполагает оценку качества системы по некоторому критерию. Анализ выполняет проектировщик, который осуществляет целенаправленные действия для улучшения системы и выступает в качестве звена обучения, а испытуемая (проектируемая) система подвергается совершенствованию - "обучению". Сочетание обучаемой системы и звена обучения (конструктора) можно рассматривать как кибернетическую систему /62/. На этапах проектирования звено обучения анализирует характеристики Х,У,У;.„ производит соответствующие изменения управления и состояний ОУ для достижения требуемой величины критерия качества. Для коммутационных элементов основным критерием качества выступает надежность, которая главным образом зависит от надежности объекта управления (контакта).
Аналитический метод определения переходного сопротивления контакта с учетом влияния поверхностных загрязнений
В процессе проектирования контактных коммутационных элементов решается задача оценки показателей качества изделия и, прежде всего, вероятности безотказной работы (1.3) и переходного сопротивления (I.I5).
Такие параметры механического взаимодействия поверхностей контактов, как фактическая площадь контакта, размеры и количество контактных площадок, фактическое удельное давление и т.п., с одной стороны, непосредственно определяют качественные характеристики электрического контакта (переходное сопротивление), а с другой - влияют на его надежность, т.к. от их величины зависит разрушение поверхностных загрязнений. Анализ показал, что существующие модели контактирования поверхностей не позволяют решить задачу оценки надежности контактов в реальных условиях эксплуатации, т.к. при их использовании невозможно теоретически определить вероятность разрушения поверхностных загрязнений и величину переходного сопротивления.
Это привело к необходимости решения следующих основных задач.
1. Разработать аналитическую модель процесса механического взаимодействия поверхностей контактов, позволяющую решить задачу разрушения поверхностных загрязнений. В разделе I показано, что такой моделью может быть модель типа "шереховатая поверхность - шероховатая поверхность".
2. На основе построенной модели решить задачу оценки вероятности разрушения пленок и частиц, находящихся на поверхности контактов. Эти вопросы рассматриваются в разделе 3. 3. Используя аналитическую модель контактирования и метод оценки вероятности разрушения загрязняющих пленок, разработать метод определения величины переходного сопротивления.
Решению первой и последней задачи посвящен настоящий раздел.
2.1. Аналитическая модель процесса механического взаимодействия поверхностей контактов
2.І.І. Концептуальная и математическая модель контактной поверхности /9/
Как известно /68/, профиль большого числа поверхностей, обработанных различными способами, подчинен нормальному закону распределения. При этом неровности шероховатости имеют форму,близкую к эллипсоидальной /35,71/.
В соответствии с этим, номинально плоские поверхности электрических контактов будем моделировать нормальными однородными случайными полями, обладающими свойством эргодичности. Тогда в сечениях поля плоскостями, перпендикулярными средней плоскости поверхности, имеем нормальные стационарные случайные процессы, распределение максимумов, т.е. высот микровыступов h , которых подчинено закону Релея /68/. Вершины микровыступов представим эллипсоидальными поверхностями, характеризуемыми продольными и поперечными радиусами закругления і и Iі .
Таким образом, математическая модель поверхности задается законом изменения профиля, дополненным моделью единичного микровыступа. Для предлагаемой модели поверхности:
I. Закон распределения высот микровыступов - закон Релея где (jz-л Rd ; Ro[ - среднее арифметическое отклонение профиля поверхности. При контактировании двух шероховатых поверхностей, каковыми являются поверхности контактов, первым вступает в контакт выступ, для которого на сопряженной поверхности противостоит такой выступ, что сумма их высот является наибольшей. По мере увеличения нагрузки в контакт будут вступать все новые пары противостоящих выступов, обладающих все меньшей суммой высот. Образование площади контакта будет зависеть от суммы площадей контактных площадок, расположенных на разных высотах и под разными углами @ по отношению к средней линии профиля, которые составляют 3...Ю /31,71/. В процессе изготовления поверхность контакта значительно наклёпывается и, кроме того, при повторном контактировании с механической нагрузкой, не превышающей первоначальную, деформация микровыступов носит упругий характер, даже если при первом взаимодействии она была упруго-пластической /31, 32,46/. В процессе формирования площади контактирования большую роль играет величина угла р между направлениями следов обработки поверхностей, который представляет собой угол между плоскостями главных кривизн вершин микровыступов.
При построении математической модели процесса контактирования будем использовать модель поверхности, предложенную в п.2.1.1 и допущение об упругом характере контакта микровыступов . Вначале построим модель для случая р = о і когда следы обработки параллельны. Функция вида (2.1) может быть представлена следующим образом НЮ - - (2.2) где пк(1г) - число вершин, находящихся в контакте на высоте \l ; li0- общее число выступов на контурной поверхности контакта Ас » которое приближенно может быть определено по формуле
В случае плоских поверхностей контактов контурная поверхность совпадает с номинальной (при отсутствии волнистости).
Две вершины находятся в контакте, если проекция вершины микровыступа одной из поверхностей будет внутри некоторого условного эллипса (рис. 2.1), площадь которого /71/
Определение числа замыканий, необходимого для разрушения частиц, находящихся на поверхности контактов
1. Определение надежности коммутационных элементов при воз действии среды на их работу невозможно без рассмотрения процессов разрушения поверхностных загрязнений контактов. Однако в настоящее время отсутствуют методы теоретической оценки вероятности разрушения загрязнений. В связи с этим, на основе разработанных в разделе 2 аналитических моделей контактирования предложены методы оценки вероятности разрушения непроводящих пленок и частиц, загрязняющих поверхности контактов.
2. Доставлена и решена задача определения вероятности разрушения загрязняющих пленок. Модель основана на предположении, что при нормальном нагружении в случае упругого контакта разрушение пленки происходит за счет касательных напряжений.
3. Поставлена и решена задача определения вероятности разрушения одиночной частицы и множества частиц, загрязняющих поверхность контакта. Разрушение частиц обусловлено нормальной составляющей нагрузки и зависит, в основном, от количества и дисперсного состава частиц на поверхности, нагрузки, параметров шероховатости и соотношения твердостей материалов частиц и контактов,
4-. Для герконовых коммутационных элементов разработан метод оценки вероятности попадания частицы на поверхность контакта, которая зависит от характеристик режима работы КЭ, величины объема, в котором расположены контакты (объема колбы), и концен-трации частиц в нем, а также размеров : частиц и межконтактного зазора. Метод может быть использован как основа для создания методики по отбраковке герконов на наличие посторонних частиц.
5. Получены соотношения для определения количества замыканий, необходимого для создания качественного контакта, которое есть функция числа частиц, находящихся на поверхности, вероятности их разрушения и среднего количества частей, образующегося при разрушении частицы.
6. Разработанные методы позволяют теоретически оценить вероятность разрушения поверхностных загрязнений и тем самым решить задачу определения надежности контактов коммутационных элементов при воздействии окружающей среды, поставленную в разделе I. Кроме того, они являются необходимым компонентом для создания имитационных моделей контакта загрязненных поверхностей.
Имитационные модели электрического взаимодействия контактных поверхностей
В заключение сделаем выводы и дадим сводку основных результатов, полученных в диссертационной работе.
1. В результате анализа исследований, выполненных в области контактной техники, обоснована необходимость разработки методов, позволяющих оценить показатели качества коммутационных элементов в условиях воздействия окружающей среды.
2. Сделана постановка общей задачи определения надежности слаботочных электрических контактов с учетом влияния внешней среды и показано, что для ее решения необходимо: исследовать источники и виды поверхностных загрязнений контактов, их свойства и основные характеристики; разработать модели контактных поверхностей и их взаимодействия; рассмотреть вопросы разрушения загрязнений и оценки надежностных характеристик контакта; осуществить процесс моделирования работы контакта.
3. Выполнены экспериментальные исследования загрязнений поверхностей контактов в различных типах коммутационных элементов (реле, микропереключателях, герконах). Исследован химический состав поверхностных загрязнений и их распределение по поверхности контактов. Загрязнения, в основном, являются диэлектриками,
а их состав зависит от условий эксплуатации, используемых конструкционных материалов и состава окружающей среды. Образование загрязняющих пленок обусловлено процессами адсорбции,хемосорб-ции, протекающими химическими взаимодействиями. Частицы, обнаруженные во всех типах изделий, являются результатом загрязнения поверхностей контактов в процессе производства и эксплуатации.
4. Проведены оптико-микроскопические исследования частиц в коммутационных элементах. Экспериментально доказано образование частиц в процессе работы изделий и их попадание на контактные поверхности. Статистическая обработка измерений показала, что для описания распределения размеров частиц можно использовать законы Вейбулла и Релея.
5. Разработана аналитическая модель процесса механического взаимодействия поверхностей контактов, учитывающая, в отличие от существующих, наклон контактных площадок и позволяющая рассчитать основные параметры контактирования,
6. На основе аналитической модели контакта поставлены и решены задачи определения вероятности разрушения поверхностных загрязнений в виде пленок и частиц. Полученные соотношения впервые дали возможность теоретически оценить надежность коммутационных элементов в условиях воздействия окружающей среды.
7. Решение указанных задач позволило разработать аналитический метод определения переходного сопротивления контактов (как чистых, так и покрытых непроводящими пленками), который может применяться для выбора величины контактного нажатия при заданном ограничении на переходное сопротивление.
8. Для герметичных коммутационных элементов предложен метод оценки вероятности попадания частицы на поверхность контакта, который может быть использован для создания научно обоснованной методики отбраковки изделий по наличию посторонних частиц.
9. Для возможности глубокого изучения процесса контактирования, получения более точных значений качественных показателей и полного учета действующих факторов были разработаны имитационные модели шероховатых поверхностей и процессов их механического и электрического взаимодействия. Использование моделей при их реализации дает возможность значительно сократить объем и сроки натурных испытаний, рассмотреть большое число конструктивных вариантов, исследовать свойства конструкционных материалов и их влияние на качество контакта в заданных условиях эксплуатации и даже получить определенную информацию, которую физический эксперимент дать не в состоянии.
10. На основе общего метода моделирования шероховатых поверхностей, спецификой которого является качественный учет дискретности контактного взаимодействия и, вследствие этого, ориентация на ЭЦВМ, предложено два класса машинных моделей, различающихся подходом к рассмотрению процесса контактирования.
11. Для каждого класса построена конкретная модель контакта и для них разработаны имитационные модели механического и электрического взаимодействия поверхностей, дающие возможность исследовать процесс замыкания контактов при случайном распределении их параметров и оценить показатели качества работы. При этом был решен ряд задач, в частности: определения площади контакта при пластическом растекании материала и оценки величины переходного сопротивления при взаимном влиянии контактных пятен. Имитационные модели дают возможность получить значение переходного сопротивления для чистых и загрязненных поверхностей в случае длинной и короткой областей стягивания.
