某匯流裝置的電刷設(shè)計(jì)

曹勇

摘? 要：匯流裝置是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與固定部分的電氣信號(hào)連續(xù)而可靠傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，在匯流裝置電刷與導(dǎo)電環(huán)環(huán)導(dǎo)電摩擦副材料確定后，電刷接觸壓力的設(shè)計(jì)和對(duì)變化范圍的控制就成為電刷與導(dǎo)電滑環(huán)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)接觸電阻的關(guān)鍵。該文通過(guò)對(duì)有限元方法對(duì)電刷的仿真分析，可了解電刷的接觸壓力及觸點(diǎn)的變化情況，從而對(duì)電刷進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：匯流裝置;導(dǎo)電滑環(huán);電刷;接觸壓力

中圖分類號(hào)： TN95? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

某自行防空武器系統(tǒng)相控陣搜索雷達(dá)要求行進(jìn)中全程連續(xù)工作，其匯流裝置是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線連續(xù)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中電氣信號(hào)傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)。匯流裝置的導(dǎo)電滑環(huán)隨雷達(dá)天線以60 r/min的轉(zhuǎn)速長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，由于主軸結(jié)構(gòu)的需要，因此導(dǎo)電滑環(huán)的直徑設(shè)計(jì)較大，電刷與導(dǎo)電滑環(huán)間的線速度達(dá)到450 mm/s。電刷在工作時(shí)既要有足夠的接觸壓力保證與導(dǎo)電滑環(huán)的可靠接觸，又要盡可能地降低接觸壓力以減小電刷與導(dǎo)電滑環(huán)間的磨損。該文以該匯流裝置的中頻環(huán)電刷設(shè)計(jì)為例，介紹了電刷設(shè)計(jì)中彈簧絲的選擇與接觸壓力變化關(guān)系的有限元仿真分析方法，并通過(guò)對(duì)電刷在產(chǎn)生一定磨損后，電刷觸點(diǎn)位移變化的仿真分析，進(jìn)一步對(duì)電刷觸點(diǎn)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

1 方案設(shè)計(jì)

匯流裝置集成在搜索雷達(dá)天線座的方位主軸上，導(dǎo)電滑環(huán)設(shè)計(jì)為柱式結(jié)構(gòu)，包括中頻環(huán)、信號(hào)環(huán)以及功率環(huán)。導(dǎo)電滑環(huán)之間均由環(huán)氧玻璃纖維絕緣環(huán)進(jìn)行絕緣隔離。不同功能的導(dǎo)電滑環(huán)和電刷在軸向獨(dú)立分區(qū)布置，以避免或減小導(dǎo)電滑環(huán)之間的信號(hào)串?dāng)_。由于匯流裝置導(dǎo)電滑環(huán)數(shù)量多，軸向空間尺寸有限，各種導(dǎo)電滑環(huán)的厚度均設(shè)計(jì)為2 mm，絕緣環(huán)的厚度設(shè)計(jì)為0.5 mm，所以電刷的尺寸也就受到了很大限制。導(dǎo)電滑環(huán)采用銅合金材料作為基體，其外圓柱面設(shè)計(jì)為具有較好導(dǎo)向性和抗沖擊震動(dòng)性能的V型槽結(jié)構(gòu)，并通過(guò)金剛石刀具對(duì)滑環(huán)V型槽的超高精度切削加工，其徑向跳動(dòng)小于0.01 mm，表面光潔度可達(dá)鏡面，粗糙度達(dá)到Ra 0.04。

V型槽表面再電鍍一層10 μm左右的具有優(yōu)良耐磨性能和導(dǎo)電性能的金銅鎘（Au75Cu22Gd3）三元金合金硬化鍍層，該三元金合金鍍層較通常的鈀鎳（PbNi20）二元合金鍍層與金合金電刷滑動(dòng)接觸的電氣指標(biāo)和抗磨性有明顯的提升[1]，可使導(dǎo)電滑環(huán)與電刷獲得更加優(yōu)良的電接觸性能和使用壽命。

匯流裝置的電刷安裝在電刷架上，沿導(dǎo)電滑環(huán)四周進(jìn)行布置，并根據(jù)不同功能的導(dǎo)電滑環(huán)及其傳輸信號(hào)的不同而設(shè)計(jì)成不同結(jié)構(gòu)形式。功率環(huán)及其電刷主要用于傳遞大功率電流，電刷接觸壓力一般都較大，主要是由螺旋彈簧、扭簧以及片式彈簧等彈性元件提供，電刷觸頭一般采用銀石墨或二硫化鉬的粉末合金材料作為電刷的接觸材料，既具有極低的摩擦因數(shù)和良好的減磨性能，又能提供足夠的接觸面積用以傳遞大功率電流。

信號(hào)環(huán)主要用于傳遞小電流的低頻信號(hào)。中頻環(huán)主要用于傳遞小電流的頻率范圍在幾十或上百兆赫茲的中頻及視頻信號(hào)，其電刷一般采用單根或多根AuNi9等金合金貴金屬?gòu)椈山z作為彈性元件，為電刷提供接觸壓力并直接作為接觸材料與導(dǎo)電滑環(huán)接觸形成導(dǎo)電摩擦副。

由于匯流裝置的中頻環(huán)和信號(hào)環(huán)的電刷數(shù)量較多，為有效減少貴金屬?gòu)椈刹牧系挠昧浚谠摲桨冈O(shè)計(jì)中，采用了單根鈹青銅彈簧絲作為彈性元件，并在其與導(dǎo)電滑環(huán)接觸的位置焊接AuCu10等金合金絲電刷觸頭作為接觸材料，由此與導(dǎo)電滑環(huán)表面電鍍的三元金合金鍍層匹配形成具有優(yōu)良導(dǎo)電性能和耐磨性能的導(dǎo)電摩擦副。

2 電刷設(shè)計(jì)

根據(jù)匯流裝置的結(jié)構(gòu)空間尺寸和導(dǎo)電滑環(huán)的直徑，可初步確定電刷的結(jié)構(gòu)和尺寸。當(dāng)電刷與導(dǎo)電滑環(huán)的接觸導(dǎo)電摩擦副材料確定后，接觸壓力就是決定其接觸電阻的關(guān)鍵因素，接觸壓力大則接觸電阻相對(duì)就小，但磨損率卻較大。接觸壓力小則磨損率相對(duì)就小，但接觸電阻就相對(duì)較大。并且由于電刷在長(zhǎng)期工作中必然產(chǎn)生磨損，磨損量的增加必然引起接觸壓力下降，當(dāng)接觸壓力下降到一定程度時(shí)動(dòng)態(tài)接觸電阻就會(huì)逐漸變大，并導(dǎo)致所傳遞的電氣信號(hào)產(chǎn)生電噪聲，甚至無(wú)法可靠的連續(xù)傳輸[2]。

因此接觸壓力必須根據(jù)導(dǎo)電摩擦副的材料特性和匯流裝置的指標(biāo)要求進(jìn)行綜合考慮，使接觸壓力在全生命周期能夠保持在一個(gè)合理的區(qū)間。

中頻環(huán)所傳遞頻率較高，相互間極易產(chǎn)生互擾，因此在設(shè)計(jì)中必須采取相應(yīng)的屏蔽和隔離措施，并且導(dǎo)電滑環(huán)和電刷的結(jié)構(gòu)尺寸也須嚴(yán)格計(jì)算，以避免阻抗不匹配和相移而形成駐波和插損。在進(jìn)行該中頻環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)，采用3個(gè)導(dǎo)電滑環(huán)組成1個(gè)滑環(huán)組，上下為直徑稍大的用于進(jìn)行電磁屏蔽的導(dǎo)電滑環(huán)，中間為傳遞中頻信號(hào)的導(dǎo)電滑環(huán)，由此形成一個(gè)類似封閉的同軸線形式的傳輸通道[3]。

與中頻導(dǎo)電滑環(huán)組相對(duì)應(yīng)的3個(gè)電刷起到同樣的作用，并在電刷組外側(cè)設(shè)計(jì)增加了一個(gè)屏蔽罩，形成雙屏蔽結(jié)構(gòu)，可以有效地提高中頻環(huán)電刷的電氣隔離度，避免了中頻環(huán)通過(guò)電刷而引起的信號(hào)串?dāng)_。

導(dǎo)電滑環(huán)及電刷的連接電纜分別采用相同阻抗的雙屏蔽同軸電纜，其內(nèi)層屏蔽線連接屏蔽環(huán)及其電刷，外層屏蔽線連接屏蔽罩，內(nèi)外層屏蔽線分別獨(dú)立接地，從而避免由于地線引起的竄擾。電刷彈簧絲的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)成非對(duì)稱的“八”字形狀，可避免導(dǎo)電滑環(huán)高速旋轉(zhuǎn)可能引起的諧振，從而造成電氣信號(hào)傳輸?shù)募y波或瞬斷，保證電刷與導(dǎo)電滑環(huán)能夠始終可靠接觸。中頻環(huán)的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

通過(guò)選擇不同直徑的電刷彈簧絲和不同的初始角度可獲得不同的電刷接觸壓力。為在設(shè)計(jì)時(shí)了解電刷接觸壓力隨磨損量變化及電刷觸點(diǎn)在磨損后的位移變化情況，筆者對(duì)不同直徑電刷彈簧絲在不同初始接觸壓力時(shí)電刷的變形情況進(jìn)行了有限元仿真分析。并通過(guò)調(diào)整電刷與導(dǎo)電滑環(huán)的彈性壓縮量，以模擬電刷在導(dǎo)電滑環(huán)上的磨損量，從而發(fā)現(xiàn)不同彈簧絲直徑的電刷在相同初始值接觸壓力時(shí)，磨損量與接觸壓力的變化關(guān)系，仿真分析測(cè)量結(jié)果如圖2所示。

由仿真分析結(jié)果可以看出2點(diǎn)。1）彈簧絲直徑為d1時(shí)，在觸頭產(chǎn)生約0.55 mm磨損量時(shí)，接觸壓力就已下降到10 gf，超出了許用接觸壓力的下限。2）彈簧絲直徑為d2時(shí)，在觸頭產(chǎn)生約0.8 mm磨損量時(shí)，接觸壓力仍能保持在15 gf的最小許用接觸壓力之上。同時(shí)，通過(guò)仿真分析還可以發(fā)現(xiàn)，電刷彈簧絲的直徑較大時(shí)，磨損量引起的接觸壓力變化率較大，但由于其在受力時(shí)的彎曲變形較小，接觸點(diǎn)在磨損前后的位置的變化較小。當(dāng)電刷彈簧絲的直徑較小時(shí)，磨損量引起的接觸壓力變化率較小，但由于其受力時(shí)的變形彎曲較大，與導(dǎo)電滑環(huán)的接觸位置變化量就較大，使接觸點(diǎn)在磨損前后的位置在電刷軸線方向出現(xiàn)了較大的位移變化。電刷觸點(diǎn)的變化情況如圖3所示。

基于以上的仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在保證所需接觸壓力的條件下，選用直徑較小的φ0.6 mm的彈簧絲，觸頭處焊接直徑為φ1.2 mm，長(zhǎng)度為10 mm的金合金絲，但須對(duì)其在不同接觸壓力和磨損量狀態(tài)下的接觸位置進(jìn)行仿真，由此即可設(shè)計(jì)確定電刷彈簧絲的幾何形狀和尺寸，并保證在金合金觸頭長(zhǎng)度最小的情況下，使觸頭在全生命周期內(nèi)均能始終與導(dǎo)電滑環(huán)可靠接觸，并使金合金觸頭的長(zhǎng)度和用量最小，可有效降低使用成本和費(fèi)用。

3 接觸壓力檢測(cè)和裝調(diào)

由以上的分析可知，電刷彈簧絲在接觸壓力作用下會(huì)產(chǎn)生一定的彎曲變形，電刷觸頭與滑環(huán)的接觸點(diǎn)也會(huì)隨之產(chǎn)生位移。為在生產(chǎn)制造中檢測(cè)和控制電刷的接觸壓力和觸點(diǎn)位置，依照滑環(huán)與電刷架的結(jié)構(gòu)尺寸和安裝位置的結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)了電刷接觸壓力測(cè)試專用工裝，并使其能夠完全復(fù)現(xiàn)電刷接觸時(shí)的實(shí)際變形狀態(tài)和觸點(diǎn)位置，以保證接觸壓力測(cè)量的真實(shí)性和準(zhǔn)確性[4]。檢測(cè)工裝主要由克力表、表架、電刷支架安裝座、導(dǎo)電滑環(huán)、底板、電源和指示燈等組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

接觸壓力測(cè)試工裝工作原理：克力表安裝在可以調(diào)整高低及水平位置的表架上，當(dāng)克力表探針調(diào)整到與電刷相同高度后，在電刷接觸點(diǎn)沿導(dǎo)電滑環(huán)法向水平移動(dòng)探針，使電刷產(chǎn)生的形變及位移量和滑環(huán)使電刷產(chǎn)生的形變及位移量相同的時(shí)刻，電刷觸頭與導(dǎo)電滑環(huán)脫離，指示燈熄滅，這時(shí)克力表的數(shù)值即為電刷在滑環(huán)上的初始接觸壓力值，必要時(shí)通過(guò)調(diào)整電刷的初始角度來(lái)調(diào)整接觸壓力和觸點(diǎn)位置，直至滿足設(shè)計(jì)要求。

在測(cè)試工裝上進(jìn)行初始接觸壓力及接觸位置調(diào)試和檢測(cè)合格后的電刷，通過(guò)電刷架上的定位銷將電刷準(zhǔn)確裝配到匯流裝置上，確保電刷與導(dǎo)電滑環(huán)的相對(duì)位置滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

在匯流裝置中頻環(huán)的電刷設(shè)計(jì)過(guò)程中，利用有限元仿真方法，對(duì)不同電刷彈簧絲直徑在工作過(guò)程中接觸壓力變化以及電刷觸頭隨磨損量增加后觸點(diǎn)位移情況進(jìn)行仿真分析，解決了電刷設(shè)計(jì)時(shí)通常均須采用模擬跑合試驗(yàn)才能精確設(shè)計(jì)電刷初始角度及結(jié)構(gòu)尺寸的問(wèn)題。電刷和導(dǎo)電滑環(huán)通過(guò)匯流裝置的模擬跑合試驗(yàn)和實(shí)際裝機(jī)驗(yàn)證，結(jié)果與仿真分析完全一致。該結(jié)構(gòu)形式的匯流裝置在多項(xiàng)型號(hào)產(chǎn)品中得到批量裝備，現(xiàn)已免維護(hù)正常工作了十多年，充分驗(yàn)證了電刷設(shè)計(jì)的合理性和可靠性。

近年來(lái)，采用多根更細(xì)金合金彈簧絲組成的簇狀電刷陸續(xù)開(kāi)始在各種匯流裝置中得到應(yīng)用，簇狀電刷與導(dǎo)電滑環(huán)可形成多個(gè)接觸點(diǎn)，因此導(dǎo)電接觸性能更優(yōu)，且其單根的接觸壓力更小，使用壽命相應(yīng)更長(zhǎng)。簇狀電刷的研究和設(shè)計(jì)，同樣可以采用以上的設(shè)計(jì)方法對(duì)其金合金彈簧絲的結(jié)構(gòu)形式和幾何參數(shù)、接觸壓力等進(jìn)行仿真分析，從而進(jìn)一步優(yōu)化電刷在匯流裝置中的使用性能。

參考文獻(xiàn)

[1]馮本政.幾種金基合金的耐磨特性[J].貴金屬，1995，16（1）：16-23.

[2]童澤新，馮本政，杜軍. 金合金滑動(dòng)接觸電阻的動(dòng)態(tài)特性[J].貴金屬，1993（9）：23-29.

[3]馬伯淵.雷達(dá)中頻信號(hào)匯流環(huán)的設(shè)計(jì)[J].火控雷達(dá)技術(shù)，1993（9）：25-31.

[4]葉威.環(huán)刷刷絲接觸壓力檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].新技術(shù)新儀器，2011（3）：15.