基于匯流環瞬斷問題的電接觸副改進設計

葉 堃，林方密，戴 燁，劉 勵

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

匯流環的作用是使雷達天線系統與轉臺之間形成電能和信號通路的連續連接。作為雷達轉臺系統的關鍵部件，匯流環安裝在轉臺系統(固定部分)和天線系統(旋轉部分)之間，三者旋轉軸重合。常用的柱式匯流環通常以電刷及外殼為外圈，環芯為內圈，外圈與轉臺基座固定，天線系統通過撥叉帶動內圈轉動。匯流環工作異常會影響信號和電流的正常傳遞，其可靠性是制約雷達系統工作穩定性的關鍵因素之一。

1 匯流環結構及問題概述

1.1 匯流環結構

本文所述的匯流環是一種常用的柱形疊片式匯流環。導電環和刷絲是匯流環的核心部件。一個導電環與一對或幾對刷絲構成一組電接觸副。導電環的外圓柱面為電接觸面，一環即為一個電通道。導電環與導電環之間用絕緣環隔開，保證各通道之間的絕緣，多環疊加在一起固定在底筒上組成環芯。金屬刷絲與印制板焊接，印制板安裝在匯流環外殼上。高彈性刷絲通過預壓力與導電環保持可靠電接觸，保證匯流環轉動過程中電信號、電能的連續傳輸。

1.2 瞬斷現象

瞬斷現象一般是指匯流環在傳輸電信號時發生的時間持續長度在 0.1～100 μs 之間的傳輸中斷現象。該現象是單個導電環表面的微觀缺陷、摩擦產生的粉屑以及塵埃等共同作用的結果。出現瞬斷現象還與觸點接觸材料的特性、刷絲壓力大小有關。如果瞬斷發生在信號環，則會極大影響輸出信號質量；瞬斷發生在動力環，影響則可忽略。

本文所述的匯流環在小范圍內長時間扇掃工作中出現了信號瞬斷現象，有強烈震動時也出現了信號瞬斷現象。瞬斷發生時表現為動態接觸電阻變化量≥ 10 mΩ，分析原因為刷絲與導電環磨損產生的粉末堆積在導電環的環槽內，刷絲劃過時與導電環接觸不良，形成瞬斷。

粉末的產生和堆積與導電環及刷絲這對接觸副的接觸材料、接觸形式和接觸壓力有關。下文將從這3方面說明如何改進匯流環中信號環的接觸副的設計，以解決信號環瞬斷問題。

2 電接觸副

2.1 接觸形式的選擇

導電環和刷絲的接觸形式粗略劃分為點接觸式和面接觸。本文討論的匯流環徑向尺寸小，結構緊湊，且信號環最大電流在2A以內，所以采用點接觸式能夠滿足負載的需求。

圖1為幾種經典的點接觸式。圖中出現瞬斷的信號環初始設計采用的是圖1(a)V形槽+刷絲束的結構形式。依據匯流環運行時觀察到的情況，分析認為，其電刷與導電環在長時間運行后磨損產生的落粉堆積在V形槽底部尖角處難以排出，導致電接觸瞬斷。圖1(b)U形槽(平鋪)+刷絲束的結構形式占用的軸向尺寸大，可排布環路數量少于規定數量，亦不可接受 。圖1(c)中的環槽形式是圓滑過渡的U形槽，有利于粉塵及時排出，且軸向尺寸滿足要求。因此，在改進設計時，圖1(c)U形槽成為導電環優選結構。

圖1 點接觸形式

刷絲束的特點是接觸壓力低、觸點多且電刷導電環轉動速度范圍大，在軍用和航天航空領域應用較多。但是，由于尺寸限制，刷絲束+U形槽的結構形式占用的軸向尺寸略大，無法滿足本文匯流環要求，所以采用了單根刷絲+ U形槽的接觸結構形式。

單根刷絲的截面直徑比刷絲束略大，提供的接觸壓力也更大，在艦船振動沖擊的工況下更有優勢。刷架結構如圖2所示，兩組刷架呈180°對稱排布，每環4個觸點。為彌補觸點少的不足，設計上刷絲的直徑略小于U形槽的直徑。經過跑合刷絲與U形槽貼合形成面接觸，使電接觸面積盡可能增大，如此既可以降低接觸電阻又能防止環芯轉動時刷絲的跳動，從而提高電信號傳輸的連續性和穩定性。

圖2 刷架結構及組成

2.2 接觸副材料的選擇

作為匯流環接觸副的導電環與刷絲，其材料的選擇至關重要。為保證匯流環在振動、沖擊和加速度等條件下能夠正常工作，要求所選電刷材料有足夠的強度和良好的彈性，且導電性能好，不易氧化。隨著國內金屬刷絲性能的提高以及導電環表面處理工藝的成熟，采用刷絲制造的匯流環壽命可以滿足雷達10年使用周期內匯流環免維護的要求。常用的刷絲一般為φ0.2～φ1.0 mm 的金基合金絲，按成分主要分為金鎳合金刷絲和金銀銅合金刷絲。金屬刷絲的主要特點是耐磨性好，體積小，粉塵少。[1]

為保證導電環和刷絲這對摩擦副獲得優良的接觸性能和壽命，兩者的材料應盡可能匹配，其中材料硬度起到關鍵的作用，硬度差值越小的摩擦副材料磨損情況就越好。雷達匯流環轉速較低，在導電環設計時優先考慮選擇銅合金材料并在表面鍍貴金屬。綜合考慮，選用AuNi9絲作為刷絲材料，線徑0.1～0.75 mm，硬度略小于HV240。[2]選用黃銅作為導電環基體材料，表面鍍Pd-Ni/Au，鍍層硬度HV258～285[3-5]，導電環Pd-Ni/Au鍍層的硬度略大于刷絲硬度，磨損形式主要為粘著磨損和磨粒磨損，材料表面發生輕微的塑性變形。

2.3 接觸壓力的選擇

接觸形式和接觸副材料確定后，在結構上需要選用適當的接觸壓力，以確保既能夠使刷絲很好地在導電環槽中滑動，又不影響導電環和刷絲的使用壽命。在傳輸質量上，接觸壓力的選擇與導電環傳導的電流、電壓有關，還要滿足匯流動態電阻變化量在 10 mΩ 以內的要求。電流電壓越大，則需要的接觸壓力越大；接觸壓力增大，則接觸電阻變小，不容易出現電火花及電蝕現象。因此，在匯流環裝配過程中，會考慮適當增加刷絲的接觸壓力，以便保證匯流環的技術性能和使用壽命。但是，壓力的增大有一定的限度，如超過限度就會增加摩擦力矩，加速磨損，減少壽命。大量試驗表明，當摩擦副材料為H62鍍覆貴金屬配對AuNi9 時，接觸壓力控制在9.5～12 gf比較適宜。[3-4]

2.3.1 計算刷絲的變形

已知接觸壓力，可通過仿真計算得到刷絲在接觸壓力下的位移，從而獲得結構設計數據。仿真的邊界條件設定為固定約束刷絲一端，載荷設定為在刷絲與導電環接觸位置施加垂直方向載荷0.11 N(根據接觸壓力的范圍選取中間值)。仿真得到，與導電環接觸位置的節點位移為0.5 mm左右。

2.3.2 環境適應性計算

(1) 刷絲在X、Y向受力分析

根據匯流環產品環境試驗要求，對刷絲和導電環進行力學分析，其振動方向受X、Y、Z 方向的力。X、Y向受力滿足GJB150.16A-2009振動試驗的要求，具體要求見表1。該產品X、Y向受力情況相同，受力情況如圖3所示。

表1 振動試驗的要求

圖3 X-Y向受力情況示意圖

根據匯流環振動條件，X、Y方向上作用在單槽刷絲作用力為

Fy=m·a

(1)

將刷絲質量m=9.5×10-5kg、a=10 m/s2代入公式(1)，可得Fy=9.5×10-4N。

依據受力分析：

cosα=F′/Fy

(2)

得F′=Fy·cosα。

由于X、Y振動方向在產品水平圓周方向上存在Fy作用力，當Fy與F′作用力重合時F′作用力最大，則α=0°，cosα=1，代入式(2)得F′=Fy=9.5×10-4N。產品中刷絲的預壓力為F預=0.11 N,刷絲安全系數為F預/F′=115.7，滿足振動條件，刷絲緊貼導電環。

(2) 刷絲在Z向受力分析

根據環境試驗顛震條件：峰值加速度:7 g；半正弦波持續時間：>16 ms。該產品Z向受力情況相同，如圖4所示。

圖4 Z向受力情況示意圖

根據匯流環顛震條件，Z向上作用在單個刷絲受力為

Fz=m·a

(3)

將刷絲質量m=2.2×10-4kg，a=7 g=68.6 m/s2，代入公式(3)可得Fz=15.1×10-3N。

由于刷絲貼合在導電環上Z向受摩擦力，根據

F′摩=μ·F預

(4)

其中，μ為刷絲和導電環摩擦系數，F預為刷絲和導電環預壓力。

AuNi9刷絲與具有較高硬度鍍層的導電環進行配伍，其摩擦系數為0.8～1.0。考慮電場和熱場的影響，摩擦系數μ取0.9。[2]已知刷絲的預壓力為F預=0.11 N，得F′摩=0.9×0.11=0.099 N。刷絲安全系數為F′摩/Fz=6.55，滿足顛震條件，刷絲緊貼導電環，無軸向移動。

由于GJB150.20A-2009的炮振條件是根據飛機結構的響應得出的，其結構與水面艦船結構完全不同，不適用于艦船設備，因此沒有核算炮振條件下的刷絲受力。

2.3.3 接觸壓力的實現

刷絲組主要由刷絲、印制板、導線組成。成對的刷絲穿過印制板孔后焊接在印制板上，并形成張角，見圖2(b)。刷絲與導電環的接觸壓力是通過控制印制板與環芯的距離以及刷絲張角來實現的。距離與張角的設計值受限于環芯直徑、外殼內徑等結構尺寸，設計時結合上述條件預設印制板與環芯的距離和刷絲張角，即可得到刷絲與導電環觸點位置，再把0.5 mm的變形量折算至張角，得到最終的張角設計值。作為刷絲固定端的印制板，其長寬尺寸應盡量小，而厚度尺寸足夠，以增加印制板的剛度，從而提高觸點位置和接觸壓力的穩定性。

此外，為保證刷絲能精確地嵌入導電環槽，設計了定位面安裝印制板，并通過專用工裝來控制刷絲焊接位置。

3 產品測試數據

匯流環的工作轉速為0～15 r/min，導電環與刷絲相對運動速度比較低，而接觸副的相對運動速度越低磨損越嚴重。以較高的速度進行磨合(跑合)，能使摩擦表面獲得穩定的粗糙度，實際接觸面積增大，磨損速率逐漸減小。良好的磨合能使摩擦副的工作壽命增加1～2倍，還能降低接觸電阻和提高接觸電阻的穩定性。[5]因此，匯流環加電前的加速磨合是必要的。依據AuNi9合金絲與金鍍層導電環磨損測試數據，轉速100 r/min，滑動總距離達到20 km后摩擦副磨損逐漸減輕。[2]本匯流環把磨合的轉速設計為90、60 r/min，累計轉數26萬轉，滑動總距離達到100 km，使匯流環結束磨合進入穩定磨損階段。磨合后測得的各項指標數據見表2。

表2 各項指標的測試數據

4 結束語

針對匯流環出現的瞬斷問題，本文結合使用環境及電性能的指標要求做出針對性的改進設計，在接觸形式、接觸副材料及接觸壓力3方面做了詳細的闡述。通過仿真給出了保證接觸壓力的結構設計參數，對匯流環在震動環境下的運行可靠性進行了計算校核，采用專用工裝提高了產品成品率及質量一致性。改進后的匯流環通過各項試驗及實際使用驗證, 其信號傳輸質量得到有效提高，各項性能指標均符合設計要求。