突跳式温控器用片弹簧优化设计方法的研究

作     者：李小辉 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈文华

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：突跳式温控器 片弹簧 触头弹跳 几何非线性有限单元法 优化设计 

摘      要：突跳式温控器是实现对温度进行控制的开关元件，广泛应用于饮水机、电饭锅、微波炉、电烤箱等家用电器，其可靠性直接影响到整个电器的工作性能和产品档次。目前，国内温控器产品的寿命普遍在十万次左右，与国外二十万次相比具有较大差距。为提升我国家电产品的市场竞争力，亟需提高国产突跳式温控器的可靠性水平。 对于突跳式温控器这种开关元件，接触失效是最常见的失效形式之一，约占总失效数的80%。触头弹跳是开关元件普遍存在的现象，是引起接触失效的主要原因，它造成触头机械磨损、引燃电弧、加剧触头电气磨损和材料侵蚀，情况严重时，会使触头粘接在一起，将严重降低突跳式温控器的使用寿命和可靠性水平。因此，研究突跳式温控器的触头弹跳现象，分析其主要影响因素，可为抑制触头弹跳，评判片弹簧优化设计的效果提供依据。 片弹簧是保证突跳式温控器正常工作的关键元件之一，其机械特性参数对突跳式温控器的操作性能和触头的弹跳性能都有较大影响。目前，在对片弹簧的机械特性进行求解时，国内外学者多采用基于小变形理论的计算方法，忽略片弹簧属于薄壁元件，在弯曲变形过程中出现几何非线性问题的特点，因此得到的求解结果并不符合片弹簧的实际情况。本文利用几何非线性有限单元法对片弹簧的机械特性进行计算，在此基础上，对片弹簧进行优化设计，从而改善触头的动态弹跳性能，这对提高突跳式温控器的可靠性水平具有实际意义。 本文以KSD301型突跳式温控器为研究对象，首先研究其触头弹跳现象，并分析片弹簧的结构尺寸对触头弹跳的影响情况，然后对其片弹簧的机械特性进行计算，最后以片弹簧的预压力在满足约束范围时取最大值为目标，研究片弹簧结构尺寸的优化设计方法，主要研究内容如下： 第一章，阐述了论文的研究背景和意义，综述了触头弹跳现象的国内外研究现状，概述了当前电接触装置中片弹簧机械特性的数值求解计算方法及存在的问题，最后给出了论文的主要研究内容。 第二章，首先简要介绍了突跳式温控器的结构、主要组成元件和动作原理，然后建立了用于分析触头弹跳的刚-柔耦合仿真模型，得到触头弹跳时的速度、位移曲线和动静触头间的接触力。最后，为对比说明仿真模型的准确程度，利用激光位移测试方法对突跳式温控器触头弹跳时的位移进行了测试验证。结果表明仿真模型具有足够的精度。 第三章，以触头的弹跳参数为指标，以片弹簧的主要结构尺寸为因素，利用正交试验法和方差分析，研究了片弹簧的各主要结构尺寸对触头弹跳的影响。 第四章，利用几何非线性有限单元法对片弹簧的机械特性进行分析计算，求得片弹簧的受力变形曲线;通过对片弹簧进行实物测试得到的试验结果和基于小变形理论的求解结果，验证了几何非线性有限单元法在计算片弹簧机械特性上的可行性和准确性，为片弹簧的优化设计提供了理论计算方法。 第五章，首先利用几何非线性有限单元法对片弹簧的预压力、刚度和最大应力等力学特性参数进行求解，然后，建立以片弹簧的预压力为目标函数，以刚度、最大应力和尺寸约束为约束条件的优化模型，利用MATLAB软件中的fmincon优化函数对片弹簧的结构尺寸进行优化。最后通过仿真方法对比了优化设计前后突跳式温控器的触头弹跳现象，结果表明，优化后的片弹簧能抑制触头的弹跳，降低触头的弹跳时间。 第六章，总结了全文的研究内容，并提出了下一步研究工作的内容。