基于铜钨合金骨架结构接触器触头弹跳性能研究

作     者：李思达 

作者单位：沈阳工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩颖

授予年度：2022年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：弹跳性能 骨架结构 复合电触头 塑性耗散功 应力与应变 

摘      要：对于具有触点的开关电器在保证良好的导电性能的同时,需要兼顾开关电器的使用寿命,包括电寿命和机械寿命。电触头在触点开关电器中作为核心的部件,其弹跳性能不可忽视,而电触头的材料、微观结构会大幅度影响着其使用寿命。如今复合材料电触头占据了主导地位,大自然中特殊的仿生结构,其内部组织呈现出有序排列,这类仿生结构有着优质的抗冲击能力。基于以上的复合材料和微观结构,本文提出铜钨合金骨架结构,并将其应用到接触器电触头中研究其弹跳性能。本文基于电触头材料的屈服原则,利用有限元软件仿真模拟动静触头第一次碰撞,研究商用无序骨架电触头与有序骨架电触头在相同的载荷下对应力、应变及塑性耗散功的影响,并通过不同高度比的切面图结合分析,考虑了材料自身的同性与异性影响因素。其中无序骨架电触头包括方块式、颗粒式骨架结构,而有序骨架结构电触头包括四边形、六边形、菱形十二面体骨架结构。研究结果显示,有序骨架结构的应变远小于无序骨架应变,且无序骨架结构出现了明显的大面积凹陷,有序骨架结构更适用于触点电器中使用;在有序骨架结构中,四边形骨架结构在失效前可承受更大的载荷,菱形十二面体骨架结构有着较好的变形性能,六边形骨架结构则呈现出中性材料的效果。本文基于电触头碰撞过程中的能量守恒方程,利用多体动力学软件模拟接触器触头弹跳的过程。结合初始条件理论推导计算出触头第一次碰撞后的回跳速度,结合能量恢复系数得出三种有序骨架结构的弹跳曲线,结果显示菱形十二面体骨架结构电触头的弹跳幅值小、动作时间短,其次是六边形骨架结构、四边形骨架结构。此外,研究降低接触器电触头弹跳也是评判其性能的关键一环。本文研究表明,适度增加触头预压力、增加超程弹簧刚度系数、减小动触头质量均可达到降低触头弹跳的目的。基于Mises屈服原则,用电子束选区熔化技术结合熔渗技术制备了不同有序骨架式结构的Cu-W复合材料触头,针对其力学性能和弹跳性能开展实验研究。力学性能实验结果表明Cu、W两相三维互穿网络结构有利于促进复合材料电触头中两相之间的应力传导,且立方W骨架结构电触头强度高但吸收能较低;弹跳性能实验结果表明,有序骨架结构电触头碰撞后的第一次、第二次弹跳幅值均要小于无序骨架结构,表明有序骨架结构电触头弹跳性能较好。为降低触头振动,提高接触器的使用寿命提供新想法。