卫星用继电器摩擦副动力学仿真与减摩试验研究

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1、北京理工大学硕士学位论文 I 目 录 目目 录录 I 第一章第一章 绪论绪论 1 1.1 课题来源和研究意义.1 1.2 课题的国内外研究现状相关领域的研究成果分析.2 1.2.1 继电器的概况、分类与原理.2 1.2.2 继电器主要产品技术参数.2 1.2.3 继电器触点形式.3 1.2.4 继电器的选用.3 1.2.5 关于继电器的研究现状.4 1.3 本课题研究的主要内容.6 1.4 本章小结.7 第二章第二章 继电器模型的运动学与动力学分析继电器模型的运动学与动力学分析 8 2.1 继电器机械结构模型刚体系统运动学.8 2.1.1 约束方程.9 2.1.2 速度和加速度方程11 2.2

2、 继电器机械结构模型刚体系统动力学11 2.2.1 自由度的变分运动方程11 2.2.2 约束多体系统的运动方程12 2.2.3 约束反力13 2.3 继电器机械结构模型柔体系统动力学14 2.3.1 柔性体系统方程的建立14 2.3.2 继电器机械结构柔性系统动力学方程15 2.4 本章小结16 第三章第三章 卫星用继电器的仿真分析卫星用继电器的仿真分析 17 3.1 ADAMS 软件的简介 17 3.2 继电器机械结构模型的建立和仿真分析20 3.2.1 建立继电器机械结构模型20 3.2.2 仿真分析21 3.2.3 分析仿真曲线24 北京理工大学硕士学位论文 II 3.3 本章小结31

3、 第四章第四章 二硫化钼涂层的制备二硫化钼涂层的制备 32 4.1 二硫化钼简介32 4.2 三种二硫化钼涂层的制备方法34 4.2.2 复合镀法36 4.2.3 刷镀法（喷涂法）37 4.3.1 淬火试验38 4.3.2 胶带撕拉试验38 4.4 三种涂敷二硫化钼固体润滑膜方法的原理39 4.4.1 扩散结合39 4.4.2 机械结合43 4.4.3 物理结合44 4.5 电泳沉积法44 4.6 本章小结47 第五章第五章 摩擦系数的测定摩擦系数的测定 49 5.1 摩擦系数测量仪的设计49 5.1.1 结构图49 5.1.2 仪器的具体参数50 5.1.3 原理50 5.1.4 测量范围5

4、1 5.1.5 测量精度51 5.1.6 试验验证测量的准确性：52 5.2 摩擦系数的测量52 5.3 仿真研究53 5.4 本章小结56 第六章第六章 结论结论 57 6.1 课题总结57 6.2 课题展望58 参考文献参考文献 59 攻读硕士学位期间发表论文情况攻读硕士学位期间发表论文情况 63 致致 谢谢 64 北京理工大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 课题来源和研究意义 继电器是一种自动运动电器。它广泛地应用于生产过程自动化、电力系统保护 以及各类自动、远动、遥控、遥测和通信等自动化装置中，起着控制、传递信息和 切换电路的作用1。密封继电器是防护型式最佳的一种电磁继电器，由

5、于其能耐受 恶劣环境条件和严酷力学条件，因此应用范围最广，需求量最大。其中，航天电磁 继电器是专门用于导弹、运载火箭、人造卫星、宇宙飞船、航天飞机及其配套地面 测控设备中的密封继电器，是国防武器装备系统和宇航系统中的主要电子元器件之 一，其技术水平代表军用电磁继电器的最高水平2。 建国后，我国的继电器行业开始起步。六十年代，我国的航天继电器从仿苏、 仿美逐步走向自行设计的道路。七十年代，我国的航天电磁继电器基本上满足了航 天重点工程配套和现代国防设备的配套需要。八十年代以来，通过一代多人的努力， 该类航天继电器的设计、制造、检测及试验技术不断提高，其覆盖面越来越大，少 数品种已达到了国际先进水

6、平，并且己经有几条国军标生产线通过认证，取得了很 大的成绩。但是，人们从事继电器产品设计往往忽视了继电器相关基础理论的研究， 这就极大地制约了航天继电器技术的发展，导致航天继电器的总体水平落后国际先 进水平二十年左右。九十年代以来，航天继电器在基础理论方面有很大突破。进入 “十五”时期，我国的空间技术发展加快，国防现代化的武器装备要求更高，航天 继电器以其优越的技术性能得到了良好的发展机遇;同时，也面临很多挑战，如比功 耗(功耗与体积之比)、耐环境能力、密封性等技术性能要求更高3，供货数量大、 供货周期缩短，特别是对可靠性指标有很高的定量要求4。 我国已进入 WTO，全球经济一体化加快，我国国

7、防工业为适应这一形式，要实 现“军转民” 、 “民转军” 、 “寓军于民”的转变，因此，高质量的航天继电器不仅要 在可靠性指标和质量一致性方面提高，满足航天重点型号的要求，而且要努力降低 航天继电器的制造成本、提高质量、争取市场，发挥我国继电器的比较优势和后发 优势，更好地为国民经济建设服务。 本课题是桂林航天电器公司和北京理工大学先进制造实验室共同承担的课题 “2JL0.5- 2 微型电磁继电器可靠性设计技术的研究”的子课题，主要研究关于特定 北京理工大学硕士学位论文 2 型号的卫星用继电器的问题。 随着电力电子技术和计算机技术的不断发展，系统的多功能化、大型化及复杂 化要求组成系统的元件的

8、可靠性越来越高5。卫星用电磁继电器作为国防武器装备 系统和宇航系统中的主要电子元器件之一，其可靠性将直接影响整个国防武器装备 系统和宇航系统的可靠性6，而且卫星用继电器不同其它类型的继电器，由于这种 继电器的工作条件比较恶劣，需要在惰性气氛环境下工作，在这种条件下，没有任 何润滑剂，而且需要工作 20 年之久，所以这种继电器的可靠性尤其显得更加重要， 所以研究卫星用继电器的可靠性及可靠性设计方法，对保证整个系统的可靠性及质 量具有重要的理论意义和实用价值7-8 1.2 课题的国内外研究现状相关领域的研究成果分析 1.2.1 继电器的概况、分类与原理 继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又

9、称输入回路）和被控制系统 （又称输出回路） ，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较 大电流的一种“自动开关” 。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。 继电器主要分为： 1）电磁继电器。 2）热敏干簧继电器。 3）固态继电器（SSR） 。 电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端 加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电 磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点 （常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反 作用力返回原来的位置，使动触点与原来

10、的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、 释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触 点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触 点” ；处于接通状态的静触点称为“常闭触点” 。 1.2.2 继电器主要产品技术参数 北京理工大学硕士学位论文 3 1）额定工作电压 是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交 流电压，也可以是直流电压。 2）直流电阻 是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。 3）吸合电流 是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略 大于吸合电流，这样继电器才能稳定地

11、工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不 要超过额定工作电压的 1.5 倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。 4）释放电流 是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程 度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。 5）触点切换电压和电流 是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小， 使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点. 1.2.3 继电器触点形式 继电器的触点有三种基本形式： 1）动合型（H 型）线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两个触点就闭合。 以合字的拼音字头“H”表示。 2）动断型（D 型）线圈不通

12、电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。用 断字的拼音字头“D”表示。 3）转换型（Z 型）这是触点组型。这种触点组共有三个触点，即中间是动触点， 上下各一个静触点。线圈不通电时，动触点和其中一个静触点断开和另一个闭合， 线圈通电后，动触点就移动，使原来断开的成闭合，原来闭合的成断开状态，达到 转换的目的。这样的触点组称为转换触点。用“转”字的拼音字头“z”表示. 1.2.4 继电器的选用 1）先了解必要的条件 北京理工大学硕士学位论文 4 控制电路的电源电压，能提供的最大电流； 被控制电路中的电压和电流； 被控电路需要几组、什么形式的触点。 选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的

13、依据。控制电路应能给 继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。 2）查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出需要的继电器的型号 和规格号。若手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用。最后考虑尺寸是否 合适。 3）注意器具的容积。若是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主 要考虑电路板安装布局。对于小型电器，如玩具、遥控装置则应选用超小型继电器 产品. 1.2.5 关于继电器的研究现状 目前，关于继电器的振动理论，包括经典解析法和现代数值解法在内的各种方 法都己经得到了广泛的应用9，取得了很好的研究成果，特别是关于继电器簧片的 振动理论的解法。经典解析法对于形状及边

14、界条件都比较简单的弹性体都能得到精 确解，但是对于复杂的簧片振动系统，要精确地列写其运动微分方程并求解往往十 分繁复，甚至是不可能的10。因此，对于复杂的问题，必须采用一些行之有效的常 见近似方法来建立其数学模型并分析、计算其振动特性。 1）传递矩阵法的基本思想是将复杂的线性振动系统分割为若干个“点” 、 “场” 元件，各元件之间的特性用矩阵表示，再把这些矩阵依次相乘，求出表示整个系统 特性的矩阵及传递矩阵，最后利用系统的边界条件，得到系统的振动特性11。本法 的基本概念首先出自扭转振动的 Holzer 法及其后 Myklestad 和 Prohl 在梁的弯曲振动 上的推广12。 2）集中质量

15、法就是一种简单且常用的简化动力学模型的方法，其基本思想是: 将实际连续弹性系统中那些惯性相对较大而弹性极微弱的部分当作集中质量(刚体或 质点)，而将惯性相对较小而弹性及显著的部分当作无质量的弹簧(或者将弹簧的质 量折算到有关集中质量上) 13。这样得到的集中质量动力学模型，可以用多自由度 系统振动理论求解，且质量矩阵为对角阵，即无惯性祸合。 3）广义坐标法的基本思想是:将连续弹性系统的惯性与弹性转化到一些振型上， 北京理工大学硕士学位论文 5 振型都是物理坐标的确定函数，找出这些振型的运动规律后，就可用其确定系统物 理坐标的运动。里兹法是一种广义坐标近似法。 4）假设模态法是用假设模态振动的线

16、性和来近似地描述弹性体的振动，故假设 模态法是一种近似的广义坐标法。 5）模态叠加的概念最初是由 W.CH urty 和 GM.L.Gladwell 提出的，后来经过不 断地改进和发展，使模态综合法成为复杂结构振动分析的一个有力工具。模态叠加 法的基本思想是:将一个复杂的整体结构，分解为若千个较简单的子结构，分析和求 解各子结构的模态，主要是低阶主模态，然后按照一定的条件将各子结构的模态在 模态坐标下进行叠加。模态叠加法的两个突出优点是:既可全面地分析复杂结构的振 动，又可使自由度数目缩减，从而大大减小分析计算的工作量。一般，结构愈复杂， 其优点愈明显15。 6）有限元法是分析复杂的结构动力问题最有效的方法16。有限元的理想化模型 的建立，适用于一切结构形式，从杆、梁结构，框架结构，板壳结构到一般的三维 弹性连续体结构，均可应用有限元来进行静、动力分析.特别是电子计算机的迅猛发 展以及大型、综合结构分析程序的不断出现，己使有限元法成为结构分析的有力工 具. 有限元法的基本思想是17:将某一整体结构看成是由一些