艦艇電氣設備中簧片式觸點開關沖擊響應分析

閆　明， 劉　棟， 張　磊， 溫肇東

(1.沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽　110870； 2. 海軍裝備研究院，北京　100161)

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艦艇電氣設備中簧片式觸點開關沖擊響應分析

閆明1, 2， 劉棟1, 2， 張磊2， 溫肇東2

(1.沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽110870； 2. 海軍裝備研究院，北京100161)

摘要：簧片式觸點開關廣泛應用于艦艇的電氣設備中。艦艇受到爆炸沖擊時，簧片式觸點開關易發生斷路或簧片產生塑性變形，影響設備的可靠性，危害艦艇的安全。為了校核簧片式觸點開關的抗沖擊能力，首先對處于閉合狀態的簧片式觸點開關進行接觸模態分析，然后對其施加多種典型沖擊載荷并采用Bathe復合積分法開展計算，最后通過提取動、靜觸頭之間的接觸力來判斷簧片式觸點開關是否發生斷路，同時觀察簧片根部在沖擊載荷下是否發生塑性變形。研究發現：動、靜觸頭之間的接觸力在沖擊載荷作用時波動劇烈，而在自由振動時則呈現出明顯的周期性，且振動頻率接近一階固有頻率；在幅值相同的情況下，高頻沖擊載荷更容易誘發劇烈的接觸顫振而斷路，低頻沖擊載荷會使簧片根部的應力較大而塑性變形。討論了負波延遲對沖擊響應的影響，提出了改善簧片式觸點開關抗沖擊能力的措施。

關鍵詞：觸點開關；艦艇設備；沖擊；接觸特性；負波延遲；應力響應；有限元法

簧片式觸點開關因其結構簡單、緊湊而廣泛應用于機械設備的電氣系統中[1]，其一旦發生故障，可能使機械設備停機或發生誤操作。為提高簧片式觸點開關的可靠性，國內外學者對其開展了大量的研究。肖玲等[2]考慮了簧片式觸點開關的預緊載荷，計算了簧片的撓度，得出了簧片載荷與撓度之間的非線性關系；Xiong等[3]研究了簧片式觸點開關觸頭的最大彈跳位移及最大動態接觸力，認為兩者與簧片材料性能有密切關系；Triantis等[4]對簧片式觸點開關的應力松弛現象進行了試驗研究，發現：影響應力松弛的主要因素是溫度和時間，應力松弛效應隨使用時間的延長而逐漸減緩，經過時效處理的鈹青銅抗應力松弛能力較強。Gollee等[5]建立了簧片式觸點開關在閉合過程中的數學模型，對機械運動、電磁場及電路耦合方程進行了求解，完成了對簧片式觸點開關的動態全過程和觸頭彈跳的仿真分析。

前述研究工作主要聚焦于簧片的靜態受力和通電動作時觸頭彈跳的問題。海軍艦艇在服役期間難免遭受魚雷、水雷等水下非接觸爆炸的沖擊，大量實船爆炸實驗表明[6-7]：艦載電器設備對沖擊載荷很敏感，水下非接觸爆炸尤其容易使簧片式觸點開關的動、靜觸頭發生彈跳而引發斷路，彈跳引起的電弧還會燒蝕觸頭而降低開關的使用壽命，另外，簧片在沖擊過程中也可能產生塑性變形而使其喪失開關功能。國軍標規定任何上艦設備都必須經過抗沖擊設計及抗沖擊能力考核。目前，我國主要依靠國軍標規定的沖擊試驗來考核艦艇電氣設備(包括簧片式接觸開關)的抗沖擊能力，試驗結果僅能說明簧片式接觸開關是否具有規定的抗沖擊能力[8]。為揭示簧片式觸點開關在艦艇受到水下非接觸爆炸沖擊過程中的響應特性，本文用有限元方法來模擬沖擊過程。

1計算模型及材料屬性

簧片式觸點開關的結構如圖1所示，主要由固定板、動簧片、動合簧片、動觸頭和靜觸頭組成，觸頭鉚接在簧片上，簧片插入固定板中，通過動、靜觸頭的接觸與分離實現電路接通與斷開的功能。在自由狀態下，動、靜觸頭分離，電路斷開；在工作狀態下，由銜鐵電磁吸力帶動推桿(圖中未標出)運動，推桿對動簧片的A點施加0.5 N的初載荷，上簧片發生彈性變形，動觸頭與靜觸頭貼合并壓緊，電路接通，此時動、靜觸頭間的接觸力大約為250 mN。

圖1　簧片式觸點開關的三維模型Fig.1 3D model of the reed contact switch

根據簧片式觸點開關的實體結構建立其有限元模型，如圖2所示，材料參數見表1。在動力學問題的計算中二階單元的計算精度明顯高于線性單元[9]，故采用20節點六面體單元,并且在動、靜觸頭之間定義接觸單元。計算時，首先在0～1 s內在A點施加0.5 N的壓緊力，此后該壓緊力保持不變；然后按照國軍標要求在固定板底面施加正、負三角波沖擊載荷來模擬水下非接觸爆炸過程[10]，如圖3所示，圖中t1=t2/ 2，t3-t2= (t4-t2) / 2，a1×t2=a2× (t4-t2)。

圖2　有限元模型Fig.2 Finite element model

元件彈性模量/MPa泊松比密度/(kg/m-3)固定板動簧片動合簧片動觸頭靜觸頭89611000011000071000710000.430.340.340.370.37890878087801100011000

圖3　沖擊載荷Fig.3 Shock loading

2接觸模態分析

經過模態分析可以得到結構的固有頻率和相應的振型，分析結果還可以用于確定沖擊響應分析的時間(載荷)步長[11]。在沖擊載荷作用下，系統的動態響應與其固有頻率息息相關[12]，不同的載荷激發出不同的模態振型，只有時間步長足夠小才能捕獲所關心的最高響應頻率(最低響應周期)。如果時間步長的取值太小則大大增加計算量，根據經驗可將時間步長取為所關心的最低響應周期的1/20。

為了計算簧片式觸點開關在閉合狀態的固有頻率和模態振型，首先在固定板的底面施加全約束，對上簧片A點施加0.5 N的壓緊力進行靜力接觸分析，然后進行有預應力的接觸模態分析。計算得到簧片式觸點開關的前三階固有頻率為58 Hz、379 Hz和452 Hz，其對應的模態振型如圖4所示。由于水下非接觸爆炸沖擊載荷主要激起觸點開關的前三階模態，因此在沖擊響應分析時選取時間步長為0.1 ms(約為1 /(20 × 452))。

圖4　前三階接觸模態Fig.4 The first three contact modals

3沖擊響應分析

在沖擊載荷作用下，簧片式觸點開關具有非線性特性(大變形引起的幾何非線性，動、靜觸頭接觸狀態變化引起的邊界條件非線性)，動力分析的DDAM法[13]和模態(振型)疊加法[14]對此不再適用，因此采用直接時間積分法。目前常用的隱式直接時間積分法有Newmark法、HHT法和Bathe復合積分法[15-17]，鑒于Bathe復合積分法求解非線性動力接觸問題具有較高的穩定性與可靠性，故采用該算法，下面將按照國軍標要求對簧片式觸點開關施加多種典型的沖擊載荷進行分析。

3.1正波脈寬10 ms，負波脈寬25 ms

對正波幅值a1為30 g、60 g、81 g(g為重力加速

度)的三種工況進行計算。得到動、靜觸頭間接觸力和簧片最大Mises應力的變化分別如圖5、圖6所示。從圖5可見，在沖擊階段接觸力變化劇烈，在隨后的自由振動階段逐步呈現標準正弦線，且振動的固有頻率接近一階固有頻率。此外，隨著沖擊載荷幅值的增加，接觸力變化幅值加大，當沖擊載荷幅值為81 g(工況3)時最小接觸力幾乎為0。簧片式觸點開關的最大應力出現在簧片根部。由圖6可見，在該頻率沖擊載荷下簧片的最大應力發生在沖擊階段，工況3的最大應力幅值達434 MPa，接近材料屈服極限440 MPa，這三種工況的最大應力幅值在沖擊階段都呈現脈動減小現象。

3.2正波脈寬5 ms，負波脈寬20 ms

對正波幅值a1為30 g、90 g、120 g的三種工況進行計算。得到動、靜觸頭間接觸力和簧片最大Mises應力的變化分別如圖7、圖8所示。從圖7可見，在正波幅值為120 g(工況3)情況下，動、靜觸頭重復分離、閉合動作，開關性能極不穩定，自由振動階段接觸力異常變化是動觸頭觸點在滑經靜觸頭接觸面邊界時引起的，因此，設計此類開關時應適當增大靜觸頭的滑移面。從圖8可見，在該頻率沖擊載荷下，簧片最大應力幅值在沖擊階段和自由振動階段基本相當，工況3的最大應力幅值達436 MPa，接近材料屈服極限。

圖5 觸頭接觸力時間歷程曲線Fig.5Curvesofcontactforcebetweencontactors圖6 簧片最大應力時間歷程曲線Fig.6Maximumstressofreeds圖7 觸頭接觸力時間歷程曲線Fig.7Curvesofcontactforcebetweencontactors

圖8 簧片最大應力時間歷程曲線Fig.8Maximumstressofreeds圖9 觸頭接觸力時間歷程曲線Fig.9Curvesofcontactforcebetweencontactors圖10 簧片最大應力時間歷程曲線Fig.10Maximumstressofreeds

3.3正波脈寬2 ms，負波脈寬10 ms

對正波幅值a1為30 g、75 g的兩種工況進行計算。得到動、靜觸頭間接觸力和簧片最大Mises應力的變化分別如圖9、圖10所示。在該頻率的沖擊載荷下，簧片式觸點開關的沖擊響應與之前兩種頻率顯著不同，沖擊引起的振幅不大，但動、靜觸頭之間的接觸力劇烈變化，圖10顯示正波幅值為75 g(工況2)的情況下，動、靜觸頭即可分離，相比之下，簧片最大應力不是很高，最大應力幅值出現在自由振動階段。

4負波延遲對沖擊響應的影響

水下非接觸爆炸產生沖擊波和氣泡脈動兩種沖擊效應。沖擊波傳播速度快，作用到船體后，船體向上拱起，然后經船體結構傳遞給艦用設備，對設備產生正波沖擊。氣泡脈動隨后作用到船體上，使其突然向下運動，船體結構和設備受到負波沖擊。受到藥包大小、距離、深度等多種因素影響，正波和負波不會正好銜接，如圖11所示。

圖11　沖擊加速度載荷曲線Fig.11 Acceleration curve of shock

為了研究負波延遲對簧片觸點開關沖擊響應的影響，選取低頻、中頻、高頻三種沖擊載荷，并考慮每種載荷下負波延遲時間不同，對簧片式觸點開關計算后將計算結果列入表2中。

表2　含負波延遲的分析結果

由表2可知，負波延遲后對觸頭接觸力及簧片應力的影響具有較大分散性，這是因為正負雙波沖擊載荷是共同作用于設備的，但兩者存在相位差，負波延遲后改變了兩者的相位差，即改變了正負波的疊加作用(或疊加加強，或疊加削弱)；另一方面，對于高頻沖擊載荷三，負波延遲對觸頭接觸力影響不大，簧片應力略有減小趨勢，此時高頻沖擊載荷引起的顫振起主導作用。因此，考慮到正負波不銜接引起的沖擊疊加變化情況，按標準波形對設備進行沖擊設計或考核時需要選取一個安全系數，經過對一系列簧片式觸點開關在若干沖擊工況下的沖擊計算，認為安全系數取1.25可較好的保障計算的可靠性。

5結論

(1) 動、靜觸頭之間的接觸力在沖擊載荷作用時波動劇烈，而在自由振動時則呈現出周期性，且接近一階固有周期。

(2) 在沖擊載荷頻率相同的情況下：沖擊載荷的幅值增加，動、靜觸頭接觸力波動越大，同時簧片根部的應力也越大，也就是說沖擊載荷的幅值增加更容易引發斷路和塑性變形。

(3) 在沖擊載荷幅值相同情況下：高頻率沖擊載荷易使簧片式接觸開關發生斷路，而低頻率沖擊載荷易使簧片發生塑性變形，這是因為簧片是固有頻率較低的懸臂梁結構，高頻率沖擊載荷使其發生劇烈的顫振，而低頻率沖擊載荷使簧片產生的撓度較大。

(4) 負波延遲對簧片觸點開關的沖擊響應有一定影響，可在常規抗沖擊設計或考核的基礎上選取一安全系數來考慮此影響。

(5) 提高觸頭間的壓緊力，增大靜觸頭滑移接觸面的面積，安裝沖擊隔離器等措施可改善簧片觸點開關的沖擊響應特性，進而提高其工作可靠性。

參 考 文 獻

[1] 王鴻翔. 機械設計手冊[M].北京: 化學工業出版社, 2004.

[2] 肖玲, 張國賢. 采用ANSYS對片彈簧式觸點開關受力狀況的研究[J].現代制造工程, 2011(1): 119-122.

XIAO Ling, ZHANG Guo-xian. Strength analysis of contact jeaf spring by ANSYS [J]. Modern Manufacturing Engineering, 2011(1): 119-122.

[3] Xiong Jun, He Jun-jia, Zang Chun-yan. Dynamic analysis of contact bounce of aerospace relay based on finite diffference method[J].Chinese Journal of Aeronautics,2008(22):262-267.

[4] Triantis D, Vallianatos F. Relaxation phenomena of electrical signal emissions from rock following application of abrupt mechanical stress [J]. Annals of Geophysics, 2012, 55(1): 207-212.

[5] Gollee R, Gerlach G. A FEM-based method for analysis of the dynamic behavior of AC contactors[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2000, 36(4): 1337-1340.

[6] 沈榮瀛, 華宏星. 艦船機械設備沖擊隔離技術研究進展 [J].船舶力學, 2010, 20(5): 299-301.

SHEN Rong-ying, HUA Hong-xing. Advances in study on shock isolation of naval equipment [J]. Journal of Ship Mechanics, 2010, 20(5): 299-301.

[7] 宮國田, 金輝, 張妹紅, 等. 國外艦艇抗水下爆炸研究進展[J].兵工學報, 2010, 31(4): 293-298.

GONG Guo-tian, Jin Hui, ZHANG Mei-hong, et al. The advance of anti-explosion capability of foreign naval ships [J].Acta Armamentarii, 2010, 31(4): 293-298.

[8] 汪玉. 實船水下爆炸沖擊試驗及防護技術[M].北京: 國防工業出版社, 2010.

[9] Bathe K J. Finite element procedures in engineering analysis[M]. New Jersey: Prentice-Hall, Inc.,1982.

[10] GJB150.18-86軍用設備環境試驗方法-沖擊試驗[s].北京：中國標準出版社, 1986.

[11] Bathe K J. Finite element procedures [M]. New Jersey: Prentice-Hall, Inc., 1996.

[12] 汪玉. 艦船現代沖擊理論及應用[M]. 北京: 科學出版社, 2005.

[13] 劉領先, 姜濤. DDAM與SRS對艦船甲板設備抗沖擊考核對比研究[J]. 艦船科學技術, 2011, 33(10): 54-57.

LIU Ling-xian, JIANG Tao.Contrast between SRS and DDAM at Assessment of Marine Equipment Shock-resistant Ability[J]. Ship Science and Technology, 2011, 33(10): 54-57.

[14] Bathe K J. On nonlinear dynamic analysis using substructureing and mode superrosition[J]. Computers & Structures, 1981, 13: 699-707.

[15] Daniel W J T. The subcycled newmark algorithm [J]. Computational Mechanics, 1997, 20: 272-281.

[16] De Borst R, Crisfield M A, Remmers J J C. Non-linear Finite Element Analysis of Solids and Structures [M]. West Sussex: John Wiley & Sons Ltd., 2012.

[17] Bathe K, Baig M. On a composite implicit time integration procedure for nonlinear dynamics [J]. Computers & Structures, 2005, 83(25): 13-34.

基金項目：中國博士后基金(2014M562622);航空科學基金(201404Q5001)

收稿日期：2015-01-20修改稿收到日期：2015-05-23

中圖分類號:TG115.5+6

文獻標志碼：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 閆明 男，博士，副教授，1978年2月生