一種針對短波發射機天線交換開關的組合軸套設計

邵昱博

摘 要 因天線交換開關下軸套在倒換中錯誤率較高，導致軸套產生非正常磨損，嚴重時甚至引起主軸抱死，開關無法及時到位。經過分析上一代軸套與現場實際使用情況，提出了一種組合軸套設計，通過建立結構接觸模型，論證了設計的可行性與應用價值，較好地解決了開關轉動卡死等問題。

關鍵詞 組合軸套;磨損;壓力軸承;轉動卡死

隨著我國科技的迅猛發展，短波天線技術被廣泛應用在遠程電磁波傳輸發送中，這一點在我國廣播電臺得到了充分的體現。短波天線技術的穩定對廣播電視節目的正常播放與系統的安全運行產生直接影響，其中短波天線交換開關的維護一直是短波天線技術中重要的一個環節，其維護的效果直接影響到倒換天線時的效率。具體的維護工作大體分為三類，上下軸套，刀口與開關限位觸點，開關馬達電機。在實際維護中，常常出現因為上下軸套抱死主軸引起的開關無法及時到位故障，直接影響自動化系統告警并錯誤檢測到位信號，造成停播隱患。同時考慮到設備所處空氣環境的因素，比如含沙量大等極端惡劣條件，將會加劇軸套的磨損程度，降低系統穩定性。本文提出了一種組合軸套設計，替換了原有的摩擦環與三眼軸套，很大程度地降低了轉動卡死等故障，明顯降低維護量，推動了安全傳輸發射工作更好發展。

1組合軸套設計

1.1 磨損損傷物理機制分析

在相對運動的條件下，任意兩個零件相互接觸，在其接觸面上會產生阻止相對運動的現象，稱為摩擦。假設在這個相對運動的過程中出現了能量轉換與損耗，最終形態可稱之為磨損。如圖1，以上一代軸套中摩擦環為例，材料的磨損是一個動態的過程。

因為上一代軸套的摩損件為磨擦環，所以可以總結交換開關主軸與下軸套的磨損大概分為幾個階段：由于鑄鐵主軸因加工原因表面粗糙度值大，同時新軸套表面也會存在輕微刀痕，經過磨合期后，軸套內徑表面微凸體會被磨平，幾何形貌發生改變，粗糙度顯著降低，在磨合期施加適量的潤滑，有利于兩者之間的磨合。在經歷的磨合期后兩者會進入穩定磨損階段，由于設備所處環境的工況惡劣，自身密封條件差，空氣中的磨粒很容易進入摩擦副，在巨大的徑向載荷和切向載荷的作用下，較硬的磨粒會在軸表面產生劃傷，繼續使用下進一步加劇軸套的磨損，產生磨粒磨損。

考慮到軸套上表面存在弧度，如圖2，結合軸套與主軸的摩擦力相當于給軸套的切向增加了一個切向力，方向設為正方向，此接觸面的處理是在微元法的基礎上，求得等效力矩的大小。

暫考慮主軸與軸套內徑相差不大，假設切面均分，兩處接觸模型中單側配合面與兩側配合面原理類似[1]，其等效摩擦力可表示為：

（1）

主軸轉動正壓力為：

（2）

其中為配合面上的平均壓應力，為兩側接觸面積之和。因將切面均分，此處需按照兩個半周的和面積。

（3）

為兩半周面平均接觸寬度，同時的取值與配合間隙有關。考慮在實際使用中軸心的接觸變形壓縮量，總結出：

（4）

為調整系數，軸套內長為。將（2）、（3）、（4）代入（1），其中，得出：

（5）

在實際工作過程中軸與軸套并非完全接觸，實際使用中的主軸與軸套的配合采用的是間隙配合，配合間隙的大小會在一定程度上影響軸套的磨損，當間隙過小時，摩擦副間形成的潤滑油膜不穩定，且油膜承載能力有限容易導致軸套磨損或斷裂;而當間隙過大時，軸套的接觸疲勞壽命會大大縮短。軸套作為開關中長久性使用的部件，在運行過程中，軸套的擠壓力和復合機械力同時作用于軸徑表面，引發長久性變形，嚴重降低金屬的退讓性[2]。在出現間隙以后，如果不及時發現并采取相應措施，就會出現間隙不斷擴大直到磨損的情況出現。

1.2 組合軸套設計

如圖3，組合軸套由主體軸套、壓力軸承、平面墊圈三部分組成，主體軸套作為設計的框架，一方面保證組合軸套可以順利的安裝在原有孔洞處，保持上下軸套位置不發生改變，另一方面可以作為壓力軸承的滾槽，確保壓力軸承在一定空間位置內移動。壓力軸承由帶滾針或圓柱滾子的平面保持架組件組成，滾針和圓柱滾子受到平面保持架的保持和引導完成工作。平面墊圈的設計為軸套磨損的問題提出了很好的解決思路，防止因軸套的頻繁更換導致固定位置不穩定，從而加劇維護量。

1.3 新舊軸套對比分析

從摩擦磨損上講，因老一代軸套中摩擦環與主軸直接接觸，長期使用下，必然會誘發磨料磨損、粘著磨損、氧化磨損和塑性變形等一系列情況，隨著軸套內部的磨損程度加大，主軸質量過大，塑性變形表現更加突出，引發直接抱死等復雜問題，維護中只能借助拔軸器進行拆卸。組合軸套中平面墊圈直接與主桿接觸，減少主體軸套的受力程度，同時壓力軸承由于選用高精度圓柱滾針增加了接觸長度，強載荷能力與高剛度得到保持，同時可作業于狹小空間中。其中核心部件中以滾針和圓柱滾子的弧面定為修形面，明顯降低邊緣應力，提高使用壽命。

從固定結構上講，老一代軸套從卡孔底部頂入，其中三個固定螺桿因受整體軸承自身重力導致負荷過大，長期使用會發生退絲現象。改進后的組合軸套從卡孔頂部進入位置，在自身重力的作用下恰好作用預設卡孔位置。為輔助固定軸套，將原有三螺桿固定改為四螺桿固定，因軸套的卡孔平面上會產生整體向上的支持力，如圖4，較老一代軸套來講，一定程度上減輕了螺桿負荷。在長期大扭矩使用中，整體穩定性表現更好，所以組合軸套的設計明顯降低維護量，減輕維護成本。考慮到外部環境空氣中含沙量大，沙礫進入主軸與軸套間隙中會增加摩擦，平面墊圈在保證壓力軸承在滾槽內不發生位移的條件下，可以有效阻止沙礫的進入，在一定程度上減少磨損。

2結束語

軸套作為一個在天線交換開關中常見卻十分重要的機械零件，因其本身單個價值不高有時甚至不足以引起人們的重視，但其使用量大、報廢率高，在資源和能源日益緊缺的今天，是十分值得研究的。本文主要針對天線交換開關軸套提出了一種組合軸套的設計思路，在很大程度上減少了摩擦磨損，降低了其維護量，使得整體穩定性大幅提高，但在使用中，考慮到多重因素造成的復雜性，仍需根據不同廣播電視臺站的實際情況進行改進，最終達到較好的使用效果。

參考文獻

[1] 邊春華，王云偉，文杰.長軸泵導軸承磨損原因分析[J].金屬熱處理，2019，44（S1）：417-420.

[2] 黃河.機構轉動副間隙磨損研究及其在機構設計中的應用[D].華僑大學，2018.