2.4. Усилие контактирования

В действительности каждый материал деформируется при контактном усилии, при этом наблюдается два вида деформации ‑ упругая, если усилие не невелико, и пластическая, если усилие превышает определенную для данного материала границу. При замыкании контактов преобладает пластическая деформация.

Процесс механического замыкания контакта можно представить следующим образом: сначала соприкасаются наиболее высокие микровыступы, покрытые газовой оболочкой или поверхностной пленкой. При давлении несколько десятых тонны на 1 см² толщина газовых оболочек уменьшается до слоя в два-три атома, при этом выступы подвергаются упругой деформации. При увеличении давления материал начинает «течь», разрываются поверхностные пленки, поверхность соприкосновения увеличивается, возникают новые точки соприкосновения за счет небольших микровыступов. (Предел текучести металла, лежащий в пределах нескольких тонн на 1 см², легко достигается при нажатии в несколько грамм, за счет очень малых поверхностей контакта). При достаточно большой нагрузке отдельные контактные точки растекаются и заполняют кажущуюся поверхность соприкосновения.

Общую зависимость величины контактной поверхности от контактного усилия вывести невозможно, с достаточной точностью можно применить выражение для круглых контактных поверхностей:

где: ‑ радиус круглой поверхности соприкосновения, см;

Р ‑ контактное давление, кг;

‑ коэффициенты Пуассона для контактных элементов;

‑ модуль упругости, кг/см²;

‑ радиусы контактных элементов, см.

Это соотношение справедливо для контактов шар-шар, шар-плоскость, взаимно перпендикулярные цилиндры.

Для золота (Au), серебра (Ag) и палладия (Pd), коэффициент Пуассона которых примерно равен 0,4, формула упрощается:

для железа (Fe), никеля (Ni) и меди (Cu) (коэффициент Пуассона - 0,3):

Подставив в первоначальное выражение для переходного сопротивления, получим соотношение между контактным усилием и сопротивлением (для золота, серебра и палладия):

Процесс деформации контактов очень сложен, так как пластический материал течет не только в стороны, но и деформируется в глубь контакта, при этом происходит укрепление кристаллической решетки и предел текучести также увеличивается с увеличением нагрузки. При достаточно большой нагрузке твердость может рассматриваться как постоянная величина.

Для состояния равновесия можно принять:

где: ‑ контактное давление, кг;

‑ поверхность соприкосновения, см²;

‑ предел текучести, кг/см²;

‑ радиус шаровой поверхности соприкосновения, см;

‑ контактная твердость материала, кг/см².

(не равнозначна твердости по Бринеллю , но мало отличается от нее и часто на практике заменяют твердостью ).

Выражение приводит к связи между переходным сопротивлением шаровой поверхности соприкосновения и контактным усилием при пластической деформации:

Если обе токопроводящие части выполнены из разных материалов, то с достаточной точностью можно использовать выражение:

где: ‑ твердость более мягкого материала, кг/см².

На рисунке 18 показаны кривые сопротивлений взаимно-перпендикулярных цилиндров, выполненных из различных материалов. При оценке материалов по приведенным графикам следует учитывать их поведение в рабочих условиях.

Рис. 18. Зависимость контактного сопротивления от контактного усилия

Например, для контактов с небольшой электрической нагрузкой золото предпочтительнее серебра, плохо переносящего атмосферу сернистых газов. Если возможно возникновение дуги, отдают предпочтение сплаву платина-иридий (80/20) перед сплавом платина-никель (92/8), так как никель в противоположность иридию легко окисляется и образует на поверхности прочную пленку окисла.

Введение твердости как параметра в выражение переходного сопротивления приводит к тому, что, во-первых ‑ контактное сопротивление будет зависеть от предварительной обработки контакта. Не безразлично, припаивается ли контакт к поверхности пружины и поэтому является мягким или из того же материала под прессом делают контакт-заклепку, то есть подвергают холодной обработке и получают твердым.

Переходное сопротивление для мягкого контакта получают меньшим, чем для твердого. Однако на практике предпочитают твердые контакты, особенно для работы в открытой атмосфере, потому что в мягкую поверхность легко въедаются частицы пыли, влияющие на прохождение тока. Также предпочитают твердые контакты, когда момент замыкания играет существенную роль, поскольку вероятность изменения расстояния между контактами из-за сплющивания уменьшается.

Во-вторых, ‑ твердость зависит от продолжительности нагрузки и от температуры материала, она уменьшается с течением времени и приближается к пограничной величине, что объясняется стремлением металлов переходить от нарушенного состояния (при холодной обработке) в нормальное (более мягкое состояние) при этом температура играет решающее значение.

Приближенно зависимость между твердостью (), температурой () и временем действием нагрузки () можно выразить следующим образом:

где: ‑ температурный коэффициент удельного сопротивления, 1/град;

‑температурный коэффициент теплопроводности, 1/град;

‑ перенос металла, вызванный дугой, см³/кулон.

‑ величины, характеризующие материал контакта.

Обычно изменение твердости происходит тем медленнее, чем выше модуль упругости металла.

При пороговой температуре, равной температуре рекристаллизации твердость падает до значения ее для раскаленного металла. Пороговая температура или температура потери прочности (т.к. материал резко меняет свою прочность) зависит от степени деформации контакта и от содержания посторонних примесей. Чем сильнее деформация контакта, тем ниже температура рекристаллизации. Однако, за счет незначительных количеств посторонних примесей можно сдвигать эту температуру в область более высоких температур, но при этом будет увеличиваться контактное сопротивление.

Например, добавкой к серебру долей % никеля, меди или кремния получают так называемое твердое серебро, со сдвинутыми температурами (рис. 19). Однако применять его целесообразно там, где важным является износостойкость и повышенная устойчивость к слипанию и свариванию, а не величина контактного сопротивления.

Рис. 19. Твердость серебра различного вида и состава:

1 – мягкое серебро, мало деформированное, 2 ‑ мягкое серебро, сильно деформированное, 3 – серебро с 0,1 % никеля, 4 – серебро с 1,35 % кремния и 0,15 % никеля

Переходное сопротивление, изменяющееся при наличии механических воздействий, называется динамической нестабильностью. Изменения переходного сопротивления тем больше, чем меньше контактное усилие .

При конструировании следует учитывать, что с ростом контактного нажатия увеличиваются габариты элементов конструкции. При увеличении контактного нажатия у врубающихся и вставных контактов увеличивается усилие сочленения (расчленения). Если число разъединяемых пар большое, то суммарное усилие сочленения при увеличении контактного нажатия может оказаться значительным, при этом затрудняется выполнение сочленения и расчленения оператором.