舰艇电气设备中簧片式触点开关冲击响应分析

闫　明， 刘　栋， 张　磊， 温肇东

(1.沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳　110870； 2. 海军装备研究院，北京　100161)



舰艇电气设备中簧片式触点开关冲击响应分析

闫明1, 2， 刘栋1, 2， 张磊2， 温肇东2

(1.沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳110870； 2. 海军装备研究院，北京100161)

摘要：簧片式触点开关广泛应用于舰艇的电气设备中。舰艇受到爆炸冲击时，簧片式触点开关易发生断路或簧片产生塑性变形，影响设备的可靠性，危害舰艇的安全。为了校核簧片式触点开关的抗冲击能力，首先对处于闭合状态的簧片式触点开关进行接触模态分析，然后对其施加多种典型冲击载荷并采用Bathe复合积分法开展计算，最后通过提取动、静触头之间的接触力来判断簧片式触点开关是否发生断路，同时观察簧片根部在冲击载荷下是否发生塑性变形。研究发现：动、静触头之间的接触力在冲击载荷作用时波动剧烈，而在自由振动时则呈现出明显的周期性，且振动频率接近一阶固有频率；在幅值相同的情况下，高频冲击载荷更容易诱发剧烈的接触颤振而断路，低频冲击载荷会使簧片根部的应力较大而塑性变形。讨论了负波延迟对冲击响应的影响，提出了改善簧片式触点开关抗冲击能力的措施。

关键词：触点开关；舰艇设备；冲击；接触特性；负波延迟；应力响应；有限元法

簧片式触点开关因其结构简单、紧凑而广泛应用于机械设备的电气系统中[1]，其一旦发生故障，可能使机械设备停机或发生误操作。为提高簧片式触点开关的可靠性，国内外学者对其开展了大量的研究。肖玲等[2]考虑了簧片式触点开关的预紧载荷，计算了簧片的挠度，得出了簧片载荷与挠度之间的非线性关系；Xiong等[3]研究了簧片式触点开关触头的最大弹跳位移及最大动态接触力，认为两者与簧片材料性能有密切关系；Triantis等[4]对簧片式触点开关的应力松弛现象进行了试验研究，发现：影响应力松弛的主要因素是温度和时间，应力松弛效应随使用时间的延长而逐渐减缓，经过时效处理的铍青铜抗应力松弛能力较强。Gollee等[5]建立了簧片式触点开关在闭合过程中的数学模型，对机械运动、电磁场及电路耦合方程进行了求解，完成了对簧片式触点开关的动态全过程和触头弹跳的仿真分析。

前述研究工作主要聚焦于簧片的静态受力和通电动作时触头弹跳的问题。海军舰艇在服役期间难免遭受鱼雷、水雷等水下非接触爆炸的冲击，大量实船爆炸实验表明[6-7]：舰载电器设备对冲击载荷很敏感，水下非接触爆炸尤其容易使簧片式触点开关的动、静触头发生弹跳而引发断路，弹跳引起的电弧还会烧蚀触头而降低开关的使用寿命，另外，簧片在冲击过程中也可能产生塑性变形而使其丧失开关功能。国军标规定任何上舰设备都必须经过抗冲击设计及抗冲击能力考核。目前，我国主要依靠国军标规定的冲击试验来考核舰艇电气设备(包括簧片式接触开关)的抗冲击能力，试验结果仅能说明簧片式接触开关是否具有规定的抗冲击能力[8]。为揭示簧片式触点开关在舰艇受到水下非接触爆炸冲击过程中的响应特性，本文用有限元方法来模拟冲击过程。

1计算模型及材料属性

簧片式触点开关的结构如图1所示，主要由固定板、动簧片、动合簧片、动触头和静触头组成，触头铆接在簧片上，簧片插入固定板中，通过动、静触头的接触与分离实现电路接通与断开的功能。在自由状态下，动、静触头分离，电路断开；在工作状态下，由衔铁电磁吸力带动推杆(图中未标出)运动，推杆对动簧片的A点施加0.5 N的初载荷，上簧片发生弹性变形，动触头与静触头贴合并压紧，电路接通，此时动、静触头间的接触力大约为250 mN。

图1　簧片式触点开关的三维模型Fig.1 3D model of the reed contact switch

根据簧片式触点开关的实体结构建立其有限元模型，如图2所示，材料参数见表1。在动力学问题的计算中二阶单元的计算精度明显高于线性单元[9]，故采用20节点六面体单元,并且在动、静触头之间定义接触单元。计算时，首先在0～1 s内在A点施加0.5 N的压紧力，此后该压紧力保持不变；然后按照国军标要求在固定板底面施加正、负三角波冲击载荷来模拟水下非接触爆炸过程[10]，如图3所示，图中t1=t2/ 2，t3-t2= (t4-t2) / 2，a1×t2=a2× (t4-t2)。

图2　有限元模型Fig.2 Finite element model

元件弹性模量/MPa泊松比密度/(kg/m-3)固定板动簧片动合簧片动触头静触头89611000011000071000710000.430.340.340.370.37890878087801100011000

图3　冲击载荷Fig.3 Shock loading

2接触模态分析

经过模态分析可以得到结构的固有频率和相应的振型，分析结果还可以用于确定冲击响应分析的时间(载荷)步长[11]。在冲击载荷作用下，系统的动态响应与其固有频率息息相关[12]，不同的载荷激发出不同的模态振型，只有时间步长足够小才能捕获所关心的最高响应频率(最低响应周期)。如果时间步长的取值太小则大大增加计算量，根据经验可将时间步长取为所关心的最低响应周期的1/20。

为了计算簧片式触点开关在闭合状态的固有频率和模态振型，首先在固定板的底面施加全约束，对上簧片A点施加0.5 N的压紧力进行静力接触分析，然后进行有预应力的接触模态分析。计算得到簧片式触点开关的前三阶固有频率为58 Hz、379 Hz和452 Hz，其对应的模态振型如图4所示。由于水下非接触爆炸冲击载荷主要激起触点开关的前三阶模态，因此在冲击响应分析时选取时间步长为0.1 ms(约为1 /(20 × 452))。

图4　前三阶接触模态Fig.4 The first three contact modals

3冲击响应分析

在冲击载荷作用下，簧片式触点开关具有非线性特性(大变形引起的几何非线性，动、静触头接触状态变化引起的边界条件非线性)，动力分析的DDAM法[13]和模态(振型)叠加法[14]对此不再适用，因此采用直接时间积分法。目前常用的隐式直接时间积分法有Newmark法、HHT法和Bathe复合积分法[15-17]，鉴于Bathe复合积分法求解非线性动力接触问题具有较高的稳定性与可靠性，故采用该算法，下面将按照国军标要求对簧片式触点开关施加多种典型的冲击载荷进行分析。

3.1正波脉宽10 ms，负波脉宽25 ms

对正波幅值a1为30 g、60 g、81 g(g为重力加速

度)的三种工况进行计算。得到动、静触头间接触力和簧片最大Mises应力的变化分别如图5、图6所示。从图5可见，在冲击阶段接触力变化剧烈，在随后的自由振动阶段逐步呈现标准正弦线，且振动的固有频率接近一阶固有频率。此外，随着冲击载荷幅值的增加，接触力变化幅值加大，当冲击载荷幅值为81 g(工况3)时最小接触力几乎为0。簧片式触点开关的最大应力出现在簧片根部。由图6可见，在该频率冲击载荷下簧片的最大应力发生在冲击阶段，工况3的最大应力幅值达434 MPa，接近材料屈服极限440 MPa，这三种工况的最大应力幅值在冲击阶段都呈现脉动减小现象。

3.2正波脉宽5 ms，负波脉宽20 ms

对正波幅值a1为30 g、90 g、120 g的三种工况进行计算。得到动、静触头间接触力和簧片最大Mises应力的变化分别如图7、图8所示。从图7可见，在正波幅值为120 g(工况3)情况下，动、静触头重复分离、闭合动作，开关性能极不稳定，自由振动阶段接触力异常变化是动触头触点在滑经静触头接触面边界时引起的，因此，设计此类开关时应适当增大静触头的滑移面。从图8可见，在该频率冲击载荷下，簧片最大应力幅值在冲击阶段和自由振动阶段基本相当，工况3的最大应力幅值达436 MPa，接近材料屈服极限。

图5 触头接触力时间历程曲线Fig.5Curvesofcontactforcebetweencontactors图6 簧片最大应力时间历程曲线Fig.6Maximumstressofreeds图7 触头接触力时间历程曲线Fig.7Curvesofcontactforcebetweencontactors

图8 簧片最大应力时间历程曲线Fig.8Maximumstressofreeds图9 触头接触力时间历程曲线Fig.9Curvesofcontactforcebetweencontactors图10 簧片最大应力时间历程曲线Fig.10Maximumstressofreeds

3.3正波脉宽2 ms，负波脉宽10 ms

对正波幅值a1为30 g、75 g的两种工况进行计算。得到动、静触头间接触力和簧片最大Mises应力的变化分别如图9、图10所示。在该频率的冲击载荷下，簧片式触点开关的冲击响应与之前两种频率显著不同，冲击引起的振幅不大，但动、静触头之间的接触力剧烈变化，图10显示正波幅值为75 g(工况2)的情况下，动、静触头即可分离，相比之下，簧片最大应力不是很高，最大应力幅值出现在自由振动阶段。

4负波延迟对冲击响应的影响

水下非接触爆炸产生冲击波和气泡脉动两种冲击效应。冲击波传播速度快，作用到船体后，船体向上拱起，然后经船体结构传递给舰用设备，对设备产生正波冲击。气泡脉动随后作用到船体上，使其突然向下运动，船体结构和设备受到负波冲击。受到药包大小、距离、深度等多种因素影响，正波和负波不会正好衔接，如图11所示。

图11　冲击加速度载荷曲线Fig.11 Acceleration curve of shock

为了研究负波延迟对簧片触点开关冲击响应的影响，选取低频、中频、高频三种冲击载荷，并考虑每种载荷下负波延迟时间不同，对簧片式触点开关计算后将计算结果列入表2中。

表2　含负波延迟的分析结果

由表2可知，负波延迟后对触头接触力及簧片应力的影响具有较大分散性，这是因为正负双波冲击载荷是共同作用于设备的，但两者存在相位差，负波延迟后改变了两者的相位差，即改变了正负波的叠加作用(或叠加加强，或叠加削弱)；另一方面，对于高频冲击载荷三，负波延迟对触头接触力影响不大，簧片应力略有减小趋势，此时高频冲击载荷引起的颤振起主导作用。因此，考虑到正负波不衔接引起的冲击叠加变化情况，按标准波形对设备进行冲击设计或考核时需要选取一个安全系数，经过对一系列簧片式触点开关在若干冲击工况下的冲击计算，认为安全系数取1.25可较好的保障计算的可靠性。

5结论

(1) 动、静触头之间的接触力在冲击载荷作用时波动剧烈，而在自由振动时则呈现出周期性，且接近一阶固有周期。

(2) 在冲击载荷频率相同的情况下：冲击载荷的幅值增加，动、静触头接触力波动越大，同时簧片根部的应力也越大，也就是说冲击载荷的幅值增加更容易引发断路和塑性变形。

(3) 在冲击载荷幅值相同情况下：高频率冲击载荷易使簧片式接触开关发生断路，而低频率冲击载荷易使簧片发生塑性变形，这是因为簧片是固有频率较低的悬臂梁结构，高频率冲击载荷使其发生剧烈的颤振，而低频率冲击载荷使簧片产生的挠度较大。

(4) 负波延迟对簧片触点开关的冲击响应有一定影响，可在常规抗冲击设计或考核的基础上选取一安全系数来考虑此影响。

(5) 提高触头间的压紧力，增大静触头滑移接触面的面积，安装冲击隔离器等措施可改善簧片触点开关的冲击响应特性，进而提高其工作可靠性。

参 考 文 献

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基金项目：中国博士后基金(2014M562622);航空科学基金(201404Q5001)

收稿日期：2015-01-20修改稿收到日期：2015-05-23

中图分类号:TG115.5+6

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.01.029

Shock response analysis for reed contact switches in naval ships’ electrical equipment

YAN Ming1,2, LIU Dong1,2, ZHANG Lei2, WEN Zhao-dong2

(1. School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110780, China;2. Naval Academy of Armament, Beijing 100161, China)

Abstract:Reed contact switches are widely used in the naval ships’ electrical equipment. When subjected to explosion impact, a reed contact switch tends to turn-off or the reeds produce plastic deformation to affect the reliability of equipment and endanger the safety of ships. To check the shock resistance ability of a reed contact switch, the contact modes of the closed switch were analyzed firstly, and then its responses under several typical impact loads were calculated with Bathe composite integration method. Finally, whether the reed contact switch became open circuit was determined by extracting the contact force between the dynamic contactor and the static contactor, while whether the reeds plastically deformed under impact loading was observed. It was shown that the contact force between contactors fluctuates under impact loading while there is a clear periodicity in its free vibration with the vibration frequency close to its first-order natural frequency; in the case of the same amplitude, higher frequency impact loads are more likely to cause violent contact chatter and broken circuit, while lower frequency impact loads cause the larger stress and plastic deformation at the root of reeds. The influence of negative wave delay on the shock response was discussed, and measures to improve the reed contact switch’s shock resistance ability were proposed.

Key words:reed contact switch; ship equipment; shock; contact characteristics; negative wave delay; stress response; finite element method

第一作者 闫明 男，博士，副教授，1978年2月生