Расчет сопротивления стягивания контактных соединений

УДК 621.311

РАСЧЕТ СОПРОТИВЛЕНИЯ СТЯГИВАНИЯ КОНТАКТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Е.И. ГРАЧЕВА, О.В. НАУМОВ Казанский государственный энергетический университет

Представлены исследования величины температуры площадки касания, сопротивления стягивания контактных соединений в зависимости от радиуса фактической площадки касания контактной поверхности и тока коммутационного аппарата. Полученные зависимости позволяют более точно рассчитать величину сопротивления контактного соединения коммутационных аппаратов.

При изучении процессов контактирования контактов низковольтных коммутационных аппаратов требуется определять величину сопротивления стягивания, зависящую от фактической площади касания контактов. Нормальная работа устройства существенно зависит от сопротивления стягивания. Последнее определяет нагрев электродов, надежность контактирования, срок службы и стоимость коммутационной аппаратуры.

Упругий контакт в процессе контактирования имеет место при повторном нагружении любых поверхностей силой, не превышающей первоначально приложенную, так как в этом случае за счет упрочнения поверхностного слоя уменьшается глубина внедрения при первом нагружении поверхностей с высокой чистотой обработки, а также при скольжении приработанных поверхностей. Поэтому упругий контакт можно считать преобладающим.

Следует отметить, что при рассмотрении соотношения между площадями касания при скольжении и в покое необходимо учитывать, что в начале процесса трения происходит приработка поверхностей, меняющая их геометрию, тогда как для приработанных поверхностей геометрия сохраняется неизменной.

Поэтому при скольжении необходимо различать два этапа:

1) скольжение не приработанных поверхностей, когда в процессе трения меняется микрогеометрия;

2) скольжение приработанных поверхностей, когда микрогеометрия не изменяется.

В первом случае площадь контакта изменяется до тех пор, пока не установится шероховатость, типичная для данных условий трения. При этом изменение фактической площади касания объясняется не только изменением напряженного состояния, но и изменением температуры, характером разрушения микронеровностей. Во втором случае микрогеометрия установилась, и изменение площади касания может происходить только при сдвиге на расстояние, равное диаметру пятна касания. После этого одиночный контакт разрушается и процесс разрушения контактов повторяется.

Для выявления зависимости сопротивления стягивания и температуры от радиуса площадки касания были проведены исследования контактных поверхностей автоматических выключателей марок АЕ-2056, ВА21-29, магнитных пускателей марок ПМЕ-051.УЗВ и ПМЕ-111.УЗВ с различными номинальными токами.

© Е.И. Грачева, О.В. Наумов

Проблемы энергетики, 2004, № 1-2

Одним из критериев характера контактирования является радиус площадки касания контактов.

Определим установившееся значение температуры контакта из условия равенства между выделенной в контакте и отводимой с его поверхности тепловыми мощностями

2

I ро + иокрЯт0с, и = 2 , С; йт — I роа

контактное сопротивление при температуре на границе области стягивания

Як = Яй.О.

1 + —аи I, Ом;

3 1

перепад температуры контакта (на границе области стягивания) над температурой окружающей среды

0 к =

12 Я

к

+ -

12 Я

, °С;

температуру на границе зоны стягивания, т.е. температуру тела контакта

ит  К + иокр , С; температуру фактической площадки касания

°а = °тГ + ^ 4а] а0 , °С;

сопротивление стягивания контактного соединения

ЯС =ро (1 + аи т )“

г л \2

1 + ар а

Ч1 + аи т J

— 1

аг^.

г л . \2

1 + аи а Ч1 + аи т J

, Ом,

—1

где р0 = 1,62^10"8 Ом*м - удельное сопротивление материала контактов при 0 °С; а = 4,3^10-3 °С-1 - температурный коэффициент сопротивления; I - ток через контакт, А; а - радиус фактической площадки касания, м; к = 390 Вт/(м^К) -теплопроводность материала проводника; Я = g0(1+аu)/£ Ом - сопротивление единицы длины проводника; ЯТ - коэффициент теплоотдачи единицы длины проводника, Вт/(м2К); S - площадь контурной площадки касания, м2; ¥ -

охлаждающая поверхность единицы длины проводника, м2; Яй О - сопротивление контактного соединения коммутационного аппарата, Ом-м (табл. 1).

Таблица. 1

Аналитические выражения для определения сопротивлений коммутационных аппаратов [1]

Аппараты Номинальный ток 1ном, А Аналитическая зависимость сопротивления от номинального тока

Магнитные < 70 Я=825 / 1ном

пускатели > 70 Я=760 / Іном

Автоматические < 60 Я=349 / Іном

пускатели и > 60 Я=307 / Іном

контакторы

Так как в вышеуказанные выражения входят величины, измеряемые экспериментально, а и £, неизбежна погрешность в их определении. Влияние погрешности при определении а и £ на точность определения температуры площадки касания и сопротивления стягивания показано в табл. 2.

Результаты расчетов представлены зависимостями (рис. 1-4).

0.0020 0.0022 0.0024 0.0026 0.0028 0.003 а, м

Рис. 1. Зависимость температуры площадки касания от радиуса фактической площадки касания автоматического выключателя АЕ-2056

0.0020 0.0022 0.0024 0.0026 0.0028 0.003 а, м

Рис. 2. Зависимость сопротивления стягивания контактного соединения от радиуса фактической площадки касания автоматического выключателя АЕ-2056

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 /, А

Рис.3. Зависимость температуры площадки касания контактного соединения от тока коммутационного аппарата

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 /, А

Рис.4. Зависимость сопротивления стягивания контактного соединения от тока коммутационного аппарата

Как показали исследования, изменение номинального тока аппарата с 16 А до 100 А при равных значениях ошибок измерений радиуса фактической площадки касания и площади контурной площадки касания контактных поверхностей, приводит к увеличению среднеквадратической погрешности расчета температуры площадки касания и сопротивления стягивания контактных поверхностей.

С увеличением радиуса фактической площадки касания контактных поверхностей от 2 до 3 мм температура площадки касания и сопротивление стягивания контактных поверхностей уменьшаются, соответственно, с 97 до 39 °С и с 92 до 73 нОм - для автоматического выключателя с !ном = 16 А; с 987 до 410 °С и с 166 до 95 нОм - для аппарата с номинальным током 100 А.

Полученные результаты показывают, что увеличивая силу сжатия контактных поверхностей для увеличения радиуса фактической площадки касания, возможно уменьшать сопротивление стягивания контактного соединения, а значит, и сопротивление всего коммутационного аппарата.

Summary

The researches of magnitude of temperature of a platform of a tangency, resistance of shrinkage of contact junctions represented depending on radius of an actual platform of a tangency of a contact surface and current of a switching means. The obtained dependences allow more precisely to calculate magnitude of resistance of contact junction of switching meanses.

Литература

1. Шевченко В.В., Грачева Е.И. Определение сопротивлений контактных соединений низковольтных коммутационных аппаратов // Промышленная энергетика. - 2002. - №1.

2. Крагельский И.В. и др. Расчет площадей касания неподвижного и скользящего контактов. - В кн.: Электрические контакты // Труды совещания (11-14 декабря 1962 г.).- М.-Л.: Энергия, 1964. - 504с. с черт.

Поступила 28.08.2003