CC BY
16
ISSN 2521-6244 (Online) Роздш «Електротехшка»
УДК 537.311
МОДЕЛЮВАННЯ КОНТАКТНОГО ЕЛЕКТРООПОРУ
ЛОСКУТОВ С.В. д-р ф.-м. н., професор, професор кафедри фiзики 3anopi3bKoro нацiонального техтчного унiверситету, Заиоргжжя, Укра!на, e-mail: [email protected];
ЩЕТШША М О. ст. лаборант кафедри ТАД Запорiзького нацiонального технiчного утверситету, Запорiжжя, Укра!на, e-mail: [email protected];
ЗЕЛЕНИА О.А. аспiрант кафедри фiзики Запорiзького нацiонального технiчного унiверситету, Запорiжжя, Укра!на, e-mail: [email protected];
Мета роботи. Визначити вклад реального розподшу плям контакту у загальну npoeidHicmb контакту npoeidHUKie.
Методы дослгдження. До^дження електричного опору стягування здтснювались на моделях. Експери-ментальна частина даноi роботи виконувалась на папеpi з графтовим шаром з перетинками (перший тип) i на елекmpoпpoвiдних piдинах з дискретними перегородками (другий тип).
Отримат результати. Показано, що контактний електроотр в основному визначаеться величиною фа-кmичнoi плoщi контакту меmалiв. Отримано експериментальш залежнoсmi електроопору мoделi другого типу вiд вiдсmанi мiж електродами та розподш потенщалу по поверхш зразка для мoделi першого типу. Розглянуто теоретичну модель, засновану на принцип суперпозицп електричних пoлiв. Залежнoсmi, ompиманi експериме-нтально i розраховаш за допомогою теоретично'1' мoделi, добре узгоджуються.
Наукова новизна. Вперше дoслiдженi закoнoмipнoсmi формування електричного опору стягування на ве-ликш кiлькoсmi перетинок. Розроблена нова модель дискретного електричного контакту на oснoвi piдини як пpoвiднoгo середовища з перетинкою з ядерно'1' мембрани. Зроблено висновки про адитивнкть контактного i об 'емного електроопору.
Практична цтысть. На oснoвi pезульmаmiв даних до^джень була розроблена нова експериментальна методика ктетичного макpoiденmування, що в якoсmi параметра деформування поверхневого шару меmалiв використовуе площу фактичного контакту. Дана методика дозволяе визначати величину сеpеднiх контактних напружень, межу плиннoсmi, змiну напружень по глибин деформування у залежнoсmi вiд pежимiв обробки поверхт.
Ключовг слова: отр стягування; фактична площа; електричний потенщал; ядерна мембрана.
I. ВСТУП
Контактний електроотр з'еднань мае великий вплив на довговiчнiсть i надштсть роботи складних електротехшчних систем, таких як двигуни постшно-го i змшного струму, систем релейного захисту [1] тощо. Взаемодгя металевих деталей здшснюеться через шорсткий шар, тому контакт сполучених повер-хонь мае дискретний характер. При проходженн електричного струму через контактуючi деталi лшп струму стягуються до обмежених дшянок торкання двох поверхонь [2], [3]. У безпосереднш близькосл до маленько! плями контакту локалiзуеться отр, обумо-влений стягуванням лшш електричного струму [4], [5]. Це явище призводить до зб№шення електричного опору у порiвняннi з тим випадком, якщо б електричний струм проходив через повну поверхню [6]. Тому поверхня торкання металiв е джерелом контактного електричного опору. Цей отр пов'язаний з мехатч-ною i фiзико-хiмiчною трансформатею поверхневих шарiв i дозволяе виявити основш процеси контактно! взаемодп.
У робот [7] було розроблено метод оцтки тов-щини граничного змащувального шару (нанометрово-
© Лоскутов С.В., Щетшша М.О., Зеленша О.А., 2018
DOI 10.15588/1607-6761-2018-1-3
го дiапазону), заснований на вимiрюваннi його електричного опору. Контактний електроотр з'еднань з атзотропними провщними плiвками розглядався у [8], а псевдорщкометалевих з'еднань - у [9]. У робот [10] дослщжувався вплив вщношення контактно! площi до товщини плiвки на контактний отр мгж зо-лотими плiвками.
3D-модель електричного контакту шорстких тiл, виготовлених з алюмшш АД1, була запропонована у роботi [11]. Вона дозволяе знайти величину електрич-но! контактно! провщносп у залежностi вiд тиску. Експериментальнi дослiдження контактного електроопору мiж шорсткими поверхнями алюмiнiевих дис-кiв з прикладанням стискуючих напружень показали, що при напруженнях 0,03-1,18 МПа його залежнiсть вiд прикладених нормальних напружень визначаеться степеневим законом, показник якого тюно пов'язаний з тополопею поверхнi [12].
У данш роботi вирiшуеться питания врахування вкладу реального розподшу плям контакту у загальну провщтсть контакту провщнишв, вивчаеться вплив груп плям одна на одну i асиметрi! !х розподшу.
Дискретний характер взаемоди електричних контакта пов'язаний з нерiвномiрнiстю пластично! дефо-
2521-6244 (ОпНпе) Роздш «Електротехшка»
рмацп по поверхнi пари металiв, як1 контактують, не-однорiднiстю густини поверхневих дефекпв, розхо-дженням полiв пружних напружень у кристалiчних гратках i появою, у зв'язку з цим, енергетичного рельефу поверхнi. На все це впливають локальнi електри-чнi поля i видiлення теплоти в областях фактичного контакту. Складтсть умов контактно! взаемодп i рiз-номанiтнiсть процесiв, що супроводжують процес контактного електричного опору, не дозволили доте-пер створити послiдовну фiзичну картину явищ, як1 протiкають у при поверхневих шарах контактуючих тш. У зв'язку з цим актуальним е розвиток фiзичних методiв дослвдження закономiрностей формування контактного електричного опору.
Дотепер виконуються роботи по розробт моделi електропровiдностi контактiв. Особливу актуальтсть проблема контактно! електропровiдностi здобувае з розвитком мшро- i нанотехнологiй.
Представляеться перспективним використовува-ти ядернi мембрани для моделювання КЕО. Техноло-пя виготовлення ядерних мембран дозволяе одержу-вати практично будь-як1 розмiри контактних площин i !х розподiл за розмiрами.
II. АНАЛ1З ДОСЛ1ДЖЕНЬ I ПУБЛ1КАЦ1Й
Опiр стягування можна розрахувати як функцш параметрiв контактно! електропроввдно! поверхнi. Згiдно Р. Хольму [13], ошр стягування Я виражаеться формулою:
Я =
Р 2ап
(1)
де р - питомий електроотр, а - середнiй радiус пля-ми контакту; п - число плям контакту.
Число п визначаеться наступним чином:
Аг
72 '
(2)
де Аг - площа фактичного контакту; а - середнш квадратичний радiус кругово! площi контакту. Пвд-ставляючи вираз (2) в (1), отримуемо:
Я = пра2 1 = а 2а Аг Аг
Середня площа плям контакту слабо залежить ввд навантаження i в основному визначаеться мжро-геометрiею контактуючих поверхонь [14]. Тому зна-чення а буде змiнювaтись при збiльшеннi навантаження на сполучент метали неютотно. Це дае основу для важливого висновку про те, що електроотр спо-лучено! пари обернено пропорцшний площi фактичного контакту.
На контактний опiр з'еднання також впливае мь сцезнаходження проввдно! плями ввдносно центру поперечного перерiзу цилiндричного електрода i вза-
емне розташування плям. Змщення контактно! плями вiд центру до краю електрода може призвести до збь льшення контактного опору на 35%. Контактний отр електродiв з близько розташованими плямами при-близно на 40-50% бiльший за отр невзаемодшчих контактних плям. Плями ж припиняють iстотно впли-вати одна на одну, коли вщстань м1ж !х центрами у 10-20 раз бшьша за !х радуси [15].
Якщо контaктнi плями вкрил плiвкою, то, зг1дно Р. Хольму, контактний отр мае двi складов^
Я =
Р , Рт8
2па
т2п
де рт - питомий опiр плiвки; 5 - товщина плiвки. Щiд-ставляючи у цей вираз формулу (2), отримуемо:
Я =
( -2 пРа + Рт
5а
2а
а2
Аг
Аг
де в - коефiцiент, що залежить вiд властивостей плiв-ки i геометричних пaрaметрiв контакту. Знову видно, що Я~1/Аг. Результати проведеного aнaлiзу показали можливiсть визначення площi фактичного контакту по значенню електроопору пари сполучених метал1в.
Дослщження опору стягування на моделi контактно! системи у виглядi плоско! мщно! пластини з оди-ничною контактною перемичкою показало, що залеж-шсть опору стягування вiд площi перетину контактно! перемички мае вигляд складно! степенево-показниково! функцi!' [16].
З початку 20 столггтя i до тепершнього часу ро-бляться зусилля з розробки моделi електропровiдностi контакпв. Особливо! aктуaльностi задача контактно! електропровщносп набувае з розвитком мiкро- i на-нотехнологiй.
Визначення опору стягування - це проблема, що мае значне техтчне значення. Електричний контактний отр вщграе важливу роль у таких сферах засто-сувань, як зварювання опором, пристро! мшроелект-ронiки, електричнi з'еднувaчi та вуглецевi щiтки.
Основним методом дослвдження зaкономiрнос-тей формування й еволюцi! контактного електроопору е моделювання: комп'ютерне [10], аналгшчне [15]. Зуст^чаються роботи по експериментальному визна-ченню контактного електроопору для поверхонь iз рiзною шорстшстю [3], [12]. Основними параметрами, що визначають КЕО, е: розмiр i розподiл фiзичних площадок контакту, змши !х у процесi контактно! взаемоди, ураховуються взаемне розташування й бли-зьк1сть до границь електродiв [2], [8]. У розглянутих роботах вирiшуються конкретнi завдання. Для розши-рення можливостей моделювання контактного елект-роопору, дослвдження особливостей формування контактного електроопору необхвдно вимiрювaти й конт-ролювати якомога бiльше пaрaметрiв, що визначають контактний електроотр.
п =
ISSN 2521-6244 (Online) Роздш «Електротехшка»
III. ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНОГО ОПОРУ СТЯГУВАННЯ НА МОДЕЛЯХ
У даному роздiлi представленш експерименталь-hí результати дослiдження фiзичноi природи i ролi геометричних факторiв у контактному електроопорi. Робота була виконана на двох типах моделей: на па-перi з графгговим шаром Í3 перемичками i на електро-проввдних рiдинах, з дискретними перегородками.
R =
C
-2
(4)
R = CL + C¿ n n2
(3)
2
де С - константа, Ом-м2; а" - середня квадратична пiвширина перемички.
Формула (4) вiдповiдаe обернено пропорцшнш залежностi R вiд сумарно! площi контактних плям. Таким чином, проведене дослщжения пiдтверджуe цю залежнiсть.
1 - амперметр; 2 - електроди; 3 - граф1товий nanip; 4 - вольтметр; 5 -вимiрювальний щуп; 6 - джерело живлення.
Рисунок 1. Схема вим1рювання розподшу потенщалу та опору стягування на зразках Í3 паперу 3Í струмопроввдним шаром
На рис. 2 представлений експериментально отриманий графж розподшу потенщалу по поверхш зразка першого типу. Видно, що 3Í зменшенням ши-рини перемички зростае р1зниця потенщал1в в обласп перемички. При перемичщ, що займае 0,5 % ширини зразка, частка падшня потенщалу на нш складае 84,2%. Отже, при малих розм1рах електропроввдно! перемички падшня потенщалу в основному локал1зу-еться в области що оточуе перемичку. Рис. 3 шюструе вплив кшькосп однакових перемичок на змшу потенщалу. Спостертаеться аналопчна залежшсть - ввдбу-ваеться локал1зац1я потенщалу поблизу перемичок.
Експериментальш та розраховаш значения елек-троопору модел1 з множинним «контактом» представлен! у табл. 1. Результати вим1рювань добре опису-ються виразом:
Рисунок 2. Розподш потенцiалу по поверхнi зразка
Сила струму 1,5 А. Розмiри зразка - 247*480 мм2. Ширина перемички, мм: 1 - 207; 2 - 167; 3 - 127; 4 - 47; 5 - 1,3; 6 - 1,2.
U,В
80 60
40
20
1
,----
,--- н
— > 40 |
1 -1- i i
де Cl i C2 - константи; n - число перемичок.
Визначення R вщбувалось на основi закону Ома. Так як визначити товщину h шару, що проводить, складно, у розрахунках використовували ефективний питомий отр реф=р/к. Його значения по даним вимь рювань складае 2,42 кОм. При великих значениях n роль другого додатка у формулi (3) е незначною; тодi отр множинного контакту можна розрахувати за формулою:
SO LÍO ¡Si! IMi 2Síl 3.MI 3SO /,.„.„
Рисунок 3. Вплив шлькосп проввдних перемичок на розподш потенщалу вздовж зразка
Сила струму 0,7 А. Цифри б1ля кривих означа-ють кшьшсть перемичок. Середня ширина перемички - 0,98 мм.
Поряд з перевагами простоти i зручносп вимь рювань, модель на основi графiтового паперу не до-зволяе врахувати вклад об'емного опору. Для вирь шення цього питання годяться моделi, у яких середо-вищем, що проводить, е рiдина, наприклад, звичайна вода. Модель, що використовувалась в експеримен-тах, представляла собою цилiндричну посудину, роз-дiлену по перетину тонкою iзолюючою плiвкою з отворами. Особливий штерес викликають дослвджен-
¡ББМ 1607-6761 (РпП) «ЕЛЕКТРОТЕХН1КА ТА ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИКА» № 1 (2018)
2521-6244 (ОпНпе) Роздш «Електротехшка»
ня на моделi, де iмiтацiя контактуючих поверхонь здiйснювалась за допомогою ядерно! мембрани, а як електропроввдне середовище використовувалась дис-тильована вода. Ядерш мембрани отримують шляхом опромiнювання полiмерних плiвкових матерiалiв при-скореними у циклотрон важкими iонами i наступною фiзико-хiмiчною обробкою [17]. Основними власти-востями структури ядерних мембран е мала товщина i висока однорщшсть отворiв по розмiрам. Можна отримати мембрани з дiаметром отворiв ввд 0,05 до 2,0 мкм, що вщповвдае дiаметрам плям контакту реа-льних металiв. Зафарбовування лаком окремих дм-нок поверхнi мембрани дозволяе iмiтувати розподiл контурних площадок контакту Ас.
Результати вимiрювань електроопору моделi з контурною площею, що зменшуеться, представленi на рис. 4., та у табл.1.
Я = г +
Р + Р
2ап Б
(5)
криво! 1), вщповщають розрахованому значенню контурного опору. Це означае, що контурна площа ви-значае величину контактного електроопору.
Таблиця 1. Порiвняння експериментальних i розрахованих величин електроопору моделей з рiзною шльшстю перемичок
Кiль-к1сть пере-мичок, п По- вний ** кОм Стягування ¿К К %
експеримент Яе, кОм розра-хунок Яр, кОм
0 3,80 - - -
42 6,59 2,83 2,79 -1,4
35 7,43 3,79 3,71 -2,1
30 9,10 5,29 5,30 0,2
25 9,40 5,71 5,60 -1,9
20 10,30 6,86 6,50 -5,2
15 12,60 8,79 8,80 0,1
10 19,30 15,21 15,50 1,9
5 58,81 51,43 55,01 6,9
4 76,71 75,29 72,91 -3,2
3 101,54 97,07 97,74 0,7
2 111,11 108,36 107,30 -0,9
1 147,23 142,29 143,43 0,8
д1аметр мембрани: о - 68;^ - 51; □ - 34; ▲, А - 17 мм; 1-6 -послщовш змщення одного електроду.
Рисунок 4. Залежнють електроопору моделi ввд вiдстанi м1ж електродами
Середнiй дiаметр отворiв складав 0,3 мкм. Площа уах отворiв займала 0,094 ввд загально! площi мембрани, тобто складала ~ 10 % Ас. Проведемо роз-рахунок за формулою Р. Хольма електроопору моделi для контурно! площi з дiаметром 17 мм [1]:
де г - об'емний отр модел^ Б - дiаметр контурно! площi контакту.
Для радiуса отвору 0,3 мкм площа складае 0,07-10-12 м2. Контурному дiаметру 17 мм ввдповщае площа 2,27-10-4 м2. Тод^ у даному випадку, к1льк1сть отворiв складае 3,24-109. При питомому електроопорi води 550 Ом-м, другий додаток у формулi (5) рiвний 0,28 Ом, а третш - 3,24-104 Ом. Результати вимiрю-вань, як видно з графшу (початкова лшшна дiлянка
Кривi 1-6 вiдповiдають вимiрюванням опору мо-делi при послщовному змiщеннi мембрани вiдносно електродiв. На вах кривих чiтко проявляеться явище опору стягування лiнiй струму в околi контурно! площi, що проводить. Причому довжина стягування (довжина початково! лiнiйно!' дiлянки, крива 1) рiвна дiаметру контурно! площi. Для кривих 2 - 6 показана половина довжини стягування, так як вимiрювання проводились при змщенш тiльки одного електрода. Змiна положения мембрани вщносно електроду, фiк-сованого на початку координат, призводила до збiль-шення повного опору моделi, що виходило на наси-чення, кривi 4- 6.
IV. ОБГОВОРЕННЯ
Для пояснення отриманих явищ була розглянута теоретична модель, заснована на принципi суперпо-зицi!' електричних полiв. Розглянемо несшнченний проводник з впаяними в нього двома однаковими сфе-ричними електродами. Спершу уявимо, що один з електродiв видалений, i замiсть нього введений елект-род у виглядi сферично! поверхш, концентрично! з першим i з несшнченним радiусом. При цьому густи-на струму на вiдстанi а ввд електроду 1 (рис. 5) дорiв-нюе:
) =■
I
4 па
2 '
ISSN 2521-6244 (Online) Роздш «Електротехшка»
де I - сила струму, що не залежить вщ a. Тому напру-жешсть поля мае вигляд:
чою перетинкою з вбудованим електродом, то
E = PP =
PI 4na2
де р - питомий опiр. Прирiвнюючи цей вираз до
d9 da
dp pI
, „ pI ( 1 1 9 = 9 +9 =^H- + -4ж\ a a
+ const
а опiр
R =
9+ -9-I
P 2n
Якщо ж розглядати отр м1ж електродами Э1 i Э2, як показано на рис. 5, при цьому площина е iзолюю-
R =
4п
2
D
a 2d (D - d)
da 4na2
знаходимо потеншал ф у випадку, коли електродами е поверхш I i S^:
, pi
9 = —--+ const
4na
Якщо далi уявити, що видалений електрод 1 i електродами е поверхш 2 i Sm, причому струм тече вщ Sm до 2, то потентал визначаеться формулою:
pI
9 = —---+ const,
4na'
де a' - вщстань вiд точки спостереження до електро-да 2. Ввдмггимо, що сила струму входить у цей вираз з протилежним знаком у порiвняннi з виразом для 9'.
Поле у реальнш задачi з електродами 1 i 2 можна розглядати як результат накладання полiв 9' i 9", електрод Sm при цьому самоусуваеться. Отже, потен-цiал за наявносл двох електродiв визначаеться за формулою:
1, 2, 3 - сферичш електроди (розрахунок); Э1, Э2 - ви]шрюва-льш електроди; 0 - ¡золююча перемичка з електропровщним отво-ром.
Рисунок 5. Схема розташування середовищi, що проводить
електродiв у
Якщо а - радус електродiв, D - вiдстанъ мiж ними, то вираз для потенцiалiв електродiв записуеться у виглядi:
PI (1 1 ^
9+ = -—I---I + const,
4п{ a D J
PI ( 1 1 ^
9- = -—I---I + const.
4п{ Da J
Тому рiзниця потенцiалiв електродiв визначаеть-ся за формулою:
Pl (1 1
9+-9-= П a - D
Виршення засноване на методi електричних зо-бражень. Розрахованi по цiй формулi залежностi представленi на рис. 6. ^mi 1 - 4 описують зм^ опору моделi при рiзних дiаметрах провiдноi поверхнi мембрани. Видно, що зi зменшенням контурноi' площi електроопiр зростае аналогiчно експерименталънiй залежносп. Причому початкова дiлянка кривих, що вщповщае швидкому пiдйому опору, визначаеться формуванням опору стягування. Вихiд на плато вах кривих обумовлений неврахуванням границь середо-вища, що проводить. Характер кривих 5-9 визначаеться змшою положення мембрани вiдносно вимiрюва-льних електродiв. Причому один з електродiв вважав-ся нерухомим (вщповвдае початку координат), а дру-гий рухався так, як i у експерименп. Спостерiгаетъся якiсна узгодженiстъ розрахованих i експерименталь-них залежностей. Це проявляеться як у формуванш дшянки опору стягування, так i у змш опору при змiщеннi мембрани вщносно електродiв.
Рисунок 6. Теоретична залежшсть опору вiд вiдстанi мiж електродами.
ISSN 2521-6244 (Online) Роздш «Електротехшка»
При рiзних дiаметрах ядерно! мембрани, 2а: 1 -68; 2 - 51; 3 - 34; 4 - 17 мм. При рiзних положеннях мембрани, d: 5 - 1,5; 6 - 2,5; 7 - 3,5; 8 - 4,5; 9 -5,5х10-2 м.
V. ВИСНОВКИ
Розроблено принципово нову експериментальну модель контактного електричного опору на основi ядерних мембран. Така модель дозволяе моделювання рiзних за розмiром та розподшом площадок контакту. Виконаш експериментальнi та теоретичнi дослвджен-ня пiдтверджують можливiсть використання моделювання контактного електроопору на основi графггових паперiв та ядерних мембран.
Електроотр сполучено! пари металевих тiл ви-значаеться сумою об' емного електроопору i опору, обумовленого контактними поверхнями. Контактний електроотр, в основному, визначаеться величиною фактично! площi. Змiна топографi!' електричного поля за рахунок змiщення контактно! площi вiдносно елек-тродiв впливае на значення контактного електроопору. Для повного формування опору стягування (максимального значення) вщстань вiд електрода до контактно! площi повинна бути бшьшою за довжину стягування лшш струму.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
[1] Нiценко, В.В. Дослiдження похибок трансформа-торiв струму у системах релейного захисту в усталених та перехвдних режимах енергосистеми /
B.В. Нщенко, Д.О. Кулагiн, П.В. Махлш // Елект-ротехнiка та електроенергетика. - 2016. - № 2. -
C. 59-71.
[2] Barber, J.R. Bounds on the electrical resistance between contacting elastic rough bodies / J.R. Barber // Proceedings of the Royal Society of London A. -2003. - № 459. - Р. 53-66.
[3] Prediction of Electrical Contact Resistance of Tin-plated and Silver-plated Terminals / S. Sawada, K. Shimizu, S. Shimada and others // SEI Technical Review. - 2010. - № 71. - Р. 37-43.
[4] Janiszewski, J. Vacuum switches contact resistance / J. Janiszewski, A. Ksiazkiewicz // Computer Applications in Electrical Engineering. - 2014. - № 12. - Р. 227-236.
[5] Kogut, L. Electrical contact resistance theory for conductive rough surfaces / L. Kogut, K. Komvopoulos // Journal of Applied Physics. - 2003. - № 94. - Р. 31-53.
[6] Impact of the surface roughness description on the electrical contact resistance of ohmic switches under low actuation forces / F. Pennec, D. Peyru, D. Leray and others // IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies. - 2012. - № 2(1). - Р. 8594.
[7] Короткевич, С.В. Оценка толщины смазочного слоя в подшипниках качения электрорезистивным методом / С.В. Короткевич, О.В. Холодилов // "Современные методы и приборы контроля качества и диагностики состояния объектов": материалы 6-й межд. науч.-техн. конф., 19-20 сентября 2017. - Могилев: Белорусско-Российский университет, 2017. - С. 382-388.
[8] Duraj, A. Analysis and Prediction of Electrical Contact Resistance for Anisotropic Conductive Adhe-sives / A. Duraj, P. Mach // Proceedings of 31th ISSE "Manufacturing processes, process simulation and optimization". - Budapest, 2008. - Р. 358-362.
[9] Павленко, Т.П. Определения параметров состава композиции псевдожидкометаллических контактов по математической модели / Т.П. Павленко // Електротехшка та електроенергетика. - 2013. - № 1. - С. 14-18.
[10]Read, M.B. Contact Resistance in Flat Thin Films / M.B. Read, J.H. Lang, A.H. Slocum // Proceedings of the 55 th IEEE Holm conference on Electrical Contacts. - 2009. - Р. 303-309.
[11]Мурашов, М.В. Численное моделирование электрической проводимости контактов шероховатых тел. / М.В. Мурашов, С. Д. Панин, С.М. Климов // Наука и образование МГТУ им. Н.Э. Баумана. -2015. - № 1. - С. 189-200.
[12] Stress-dependent Electrical Contact Resistance at Fractal Rough Surfaces / C. Zhai, D. Hanaor, G. Proust, Y. Gan // Journal of Engineering Mechanics. - 2015. - № 5. - Р. 13-19.
[13]Хольм, Р. Электрические контакты / Р. Хольм. -М.: Иностранная лпература, 1961. - 464 с.
[14]Демкин, Н.Б. Качество поверхности и контакт деталей машин / Н.Б. Демкин, Э.В. Рыжов. - М.: Машиностроение, 1981. - 244 с.
[15]Павлейно, О.М. Уточнение границ применимости хольмовского приближения для расчета сопротивления электрических контактов / О.М. Пав-лейно, В. А. Павлов, М.А. Павлейно // Электронная обработка материалов. - 2010. - № 5. - С. 5662.
[16]Затовский, В.Г. Экспериментальное моделирование сопротивления стягивания / В.Г. Затовский, Н.В. Минаков // Электрические контакты и электроды. - 2010. - № 5. - С. 132-138.
[17]Флеров, Н.Б. Практические применения пучков тяжелых ионов / Н.Б. Флеров, В.С. Барашенков // Успехи физических наук. - 1974. - № 2. - С. 351373.
Стаття надшшла до редакци 26.03.2018
ISSN 2521-6244 (Online) Роздш «Електротехшка»
МОДЕЛИРОВАНИЕ КОНТАКТНОГО ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЯ
ЛОСКУТОВ С.В. д-р ф.-м. наук, профессор, профессор кафедры физики Запорожского
национального технического университета, Запорожье, Украина, e-mail: [email protected];
ЩЕТИНИНА МО. ст. лаборант кафедры ТАД Запорожского национального технического
университета, Запорожье, Украина, e-mail: [email protected];
ЗЕЛЕНИНА Е.А. аспирант кафедры физики Запорожского национального технического
университета, Запорожье, Украина, e-mail: [email protected].
Цель работы. Определить вклад реального распределения пятен контакта в общую проводимость контакта проводников.
Методы исследования. Исследования электрического сопротивления стягивания осуществлялись на моделях. Экспериментальная часть данной работы выполнялась на бумаге с графитовым слоем с перемычками (первый тип) и на электропроводящих жидкостях с дискретными перегородками (второй тип).
Полученные результаты. Показано, что контактное электросопротивление в основном определяется величиной фактической площади контакта металлов. Получены экспериментальные зависимости электросопротивления модели второго типа от расстояния между электродами и распределение потенциала по поверхности образца для модели первого типа. Рассмотрена теоретическая модель, основанная на принципе суперпозиции электрических полей. Зависимости, полученные экспериментально и рассчитанные с помощью теоретической модели, хорошо согласуются.
Научна новизна. Впервые исследованы закономерности формирования электрического сопротивления стягивания на большом количестве перемычек. Разработана новая модель дискретного электрического контакта на основе жидкости в качестве проводящей среды с перемычкой из ядерной мембраны. Сделаны выводы о аддитивности контактного и объемного электросопротивления.
Практическая ценность. На основе результатов данных исследований была разработана новая экспериментальная методика кинетического макроидентирования, что в качестве параметра деформирования поверхностного слоя металлов использует площадь фактического контакта. Данная методика позволяет определять величину средних контактных напряжений, границу текучести, изменение напряжений по глубине деформирования в зависимости от режимов обработки поверхности.
Ключевые слова: сопротивление стягивания; фактическая площадь; электрический потенциал; ядерная мембрана
CONTACT RESISTANCE MODELING
LOSKUTOV S. V. Sci.D, Professor, Professor of department of physics, Zaporizhzhya National Technical
University, Zaporizhzhya, Ukraine, e-mail: [email protected];
SCHETININA M.O. laboratory assistant, department of aero-engine technologies, Zaporizhzhya National
Technical University, Zaporizhzhya, Ukraine, e-mail: [email protected];
ZELENINA O. A. post-graduate student, department of physics, Zaporizhzhya National Technical
University, Zaporizhzhya, Ukraine, e-mail: [email protected].
Purpose. To determine the contribution of the real contact spots distribution in the total conductivity of the conductors contact.
Methodology. The electrical contact resistance research was carried out on models. The experimental part of this work was done on paper with a graphite layer with membranes (the first type) and conductive liquids with discrete partitions (the second type).
Findings. It is shown that the contact electrical resistance is mainly determined by the real area of metal contact. The experimental dependence of the electrical resistance of the second type model on the distance between the electrodes and the potential distribution along the sample surface for the first type model were obtained. The theoretical model based on the principle of electric field superposition was considered. The dependences obtained experimentally and calculated by using the theoretical model are in good agreement.
Originality. The regularity of the electrical contact resistance formation on a large number of membranes was researched for the first time. A new model of discrete electrical contact based on the liquid as the conducting environment with nuclear membrane partitions was developed. The conclusions of the additivity of contact and bulk electrical resistance were done.
ISSN 2521-6244 (Online) Po3gi. «E.eKTpoTexmKa»
Practical value. Based on these researches, a new experimental method of kinetic macroidentation that as a parameter of the metal surface layer deformation uses the real contact area was developed. This method allows to determine the value of average contact stresses, yield point, change of the stress on the depth of deformation depending on the surface treatment.
Keywords: contact resistance; real area; electric potential; nuclear membrane
REFERENCES
[1] Nitsenko, V., Kulagin, D., & Makhlin, P. (2016). Investigation of errors of current transformers in the protection systems in steady and transient conditions of energy system. Electrical Engineering And Power Engineering, 2, 59-71. doi: http://dx.doi.org/10.15588/1607-6761-2016-2-7. [in Ukrainian]
[2] Barber, J.R. (2003). Bounds on the electrical resistance between contacting elastic rough bodies. Proceedings of the Royal Society of London A, 459, 5366.
[3] Sawada, S., Shimizu, K., Shimada, S., Hattori, Y. (2010). Prediction of Electrical Contact Resistance of Tin-plated and Silver-plated Terminals. SEI Technical Review, 71, 37-43.
[4] Janiszewski, J., Ksiazkiewicz, A. (2014). Vacuum switches contact resistance. Computer Applications in Electrical Engineering, 12, 227-236.
[5] Kogut, L., Komvopoulos, K. (2003). Electrical contact resistance theory for conductive rough surfaces. Journal of Applied Physics, 94, 31-53.
[6] Pennec, F., Peyru, D., Leray, D., Pons, P., Plana, R., Courtade, F. (2012). Impact of the surface roughness description on the electrical contact resistance of oh-mic switches under low actuation forces. IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, 2(1), 85-94.
[7] Korotkevich, S.V., Holodilov, O.V. (2017). Ocenka tolshhiny smazochnogo sloja v podshipnikah kachenija jelektrorezistivnym metodom [The evaluation of the lubricating layer thickness in rolling bearings by an electric resistive method]. Materialy 6-j mezhd. nauch.-tehn. konf. "Sovremennye metody i pribory kontrolja kachestva i diagnostiki sostojanija ob'ektov". Mogilev: Belorussko-Rossijskij univer-sitet, 382-388. [in Russian]
[8] Duraj, A., Mach, P. (2008). Analysis and Prediction of Electrical Contact Resistance for Anisotropic Conductive Adhesives. Proceedings of 31th ISSE "Manufacturing processes, process simulation and optimization". Budapest, 358-362.
[9] Pavlenko, T.P. (2013). Opredelenija parametrov sostava kompozicii psevdozhidkometallicheskih kontaktov po matematicheskoj modeli [The determination of the composition parameters of pseudo-liquid-metal contacts according to the mathematical model]. Elektro-tehnika ta elektroenergetika, 1, 1418. [in Russian]
[10]Read, M.B., Lang, J.H., Slocum, A.H. (2009). Contact Resistance in Flat Thin Films. Proceedings of the
55th IEEE Holm conference on Electrical Contacts, 303-309.
[11]Murashov, M.V., Panin, S.D., Klimov, S.M. (2015). Chislennoe modelirovanie jelektricheskoj provodi-mosti kontaktov sherohovatyh tel [The numerical simulation of electrical conductivity of the rough body contacts]. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.Je. Baumana, 1, 189-200. [in Russian]
[12]Zhai, C., Hanaor, D., Proust, G., Gan, Y. (2015). Stress-dependent Electrical Contact Resistance at Fractal Rough Surfaces. Journal of Engineering Mechanics, 5, 13-19.
[13]Hol'm, R. (1961). Jelektricheskie kontakty. M. Inostrannaja literature, 464.
[14]Demkin, N.B., Ryzhov, Je.V. (1981). Kachestvo poverhnosti i kontakt detalej mashin. M. Mashinos-troenie, 244.
[15]Pavlejno, O.M., Pavlov, V.A., Pavlejno, M.A. (2010). Utochnenie granic primenimosti hol'-movskogo prib-lizhenija dlja rascheta soprotivlenija jelektricheskih kontaktov [The refinement of the applicability limits of the Holm approximation for calculating of the electrical contact resistance]. Jelektronnaja obrabotka materialov, 5, 56-62. [in Russian]
[16]Zatovskij, V.G., Minakov, N.V. (2010). Jeksperi-mental'noe modelirovanie soprotivlenija stjagivanija [The experimental simulation of the contraction resistance]. Jelektricheskie kontakty i jelektrody, 5, 132138. [in Russian]
[17]Flerov, N.B., Barashenkov, V.S. (1974). Praktiches-kie primenenija puchkov tjazhelyh ionov [Practical applications of heavy ion beams]. Uspehi fizicheskih nauk, 2, 351-373. [in Russian]
