基于傳輸穩定性與可靠性的星載滑環工藝優化方法

余建波，孫遠航，王永松，孫習武

(1.同濟大學機械與能源工程學院，上海201804；2.上海航天設備制造總廠有限公司，上海201100)

0 引言

導電滑環作為航天系統信號傳輸部件，其主要作用為實現空間旋轉機構與非轉動部件之間功率、信號的傳輸[1]。隨著目前空間任務對轉動機構的需求越來越廣泛，對星載滑環傳輸的穩定性和可靠性提出了更高的要求[2]。滑環運行過程中，電流通過其摩擦副和匯流盤傳輸到航天系統的動力部件或信號接收部件。由于電流的流入，使得滑環的機械損傷和電損傷之間相互耦合，使其具有載流摩擦的特點[3]。

國內外針對導電滑環的載流摩擦進行了大量研究。Monnier等[4]根據滑環運行的特點建立了基于有限元方法的熱力電多場耦合的靜摩擦模型，用以分析滑環接觸區域的變形。Kobayashi等[5]通過滑環磨損實驗對滑環的失效機理進行了探究，發現了減輕滑環磨損的方法。McBride[6]通過磨損實驗研究了載荷和滑環磨損之間關系，并發現隨著載荷的增大，滑環磨損不斷加劇。Koss等[7]通過實驗研究發現，在滑環高頻信號傳輸過程中，往往信號傳輸誤碼率較高。董霖等[8]發現滑環運行過程中存在熱力電多場耦合現象，耦合作用會加速滑環的磨損。Chen等[9]研究了多環境因素(包括大氣、溫度和電流)對載流摩擦副接觸穩定性的影響，但是該研究只針對了信號傳輸穩定性，并沒有分析滑環摩擦副磨損情況。劉賢軍等[10]建立了滑環的失效物理模型并和Bootstrap方法進行結合，達到了對滑環壽命分布的參數估計，得到了一系列滑環可靠性指標。與此同時，孫遠航等[11]基于該模型進行了滑環的工藝優化。

盡管國內外已經進行了大量關于滑環的研究，但多是基于實驗方法來獲取大量磨損數據。由于星載滑環造價昂貴以及磨損實驗耗時較長的特點，使得目前對滑環的壽命可靠性和信號傳輸穩定性未進行系統研究，增加了滑環工藝研究的難度。本文依據空間用滑環的失效特征和傳輸穩定性的要求，將磨屑量作為退化特征量，量化多場耦合對滑環磨損影響，同時結合滑環的傳輸穩定性需求，構建基于滑環可靠性和穩定性的工藝優化方案。本文的主要特點為：1)將磨屑量作為性能退化特征量，應用傳熱學、摩擦學、運動學構建滑環磨損失效模型，用以預測滑環的壽命，擺脫以往基于傳統實驗方法獲得磨損失效數據的方式；2)將滑環磨損失效模型和傳輸穩定性需求相結合，提出了基于可靠性和穩定性的工藝優化方法；3)將本文提出的工藝優化方法應用于實際的滑環工藝中，優化了滑環工藝水平。

1 導電滑環性能評價指標

1.1 可靠性評價指標

滑環傳輸可靠性為滑環傳輸信號過程中保證滑環可以穩定運行的能力，即保證滑環可靠穩定地運行。導電滑環運行過程中，當磨屑量達到一定程度，則會大大增加滑環失去傳輸功能的概率。因此，滑環運行過程中產生的磨屑量可以作為滑環是否可靠運行的評價指標。當磨屑量達到經驗閾值時，則滑環無法保證可靠傳輸數據[12]，滑環與觸頭的接觸圖如圖1所示，滑環的磨屑量可以通過以下的經驗公式進行預測和計算[12]

圖1 導電滑環接觸簡化圖Fig.1 Schematic diagram of the conductive slip ring

式(1)～式(3)中，fm為磨損因子，表征摩擦副的磨損程度，fm越大，則磨損越嚴重；S為摩擦副的運行路程；σ1和σ2分別為觸頭和匯流盤的粘著磨損強度；δ為滑環磨損的磨損厚度；δ1和δ2分別為觸頭和匯流盤的磨損磨厚度。根據磨屑量對滑環運行的影響，故磨屑量可作為滑環的性能退化特征量。

1.2 傳輸穩定評價指標

滑環傳輸穩定性為滑環運行過程中保證滑環穩定傳輸信號的能力，即保證滑環以低傳輸誤碼率運轉。電流經過運動摩擦副接觸表面時，由于觸頭與匯流盤之間存在接觸電阻，會發生電壓降，進而產生大量焦耳熱。當信號數據通過接觸點時，有效導電面積減小，會發生電流收縮[12]現象，導致接觸點溫度升高，如圖2所示。因此，為了保證信號傳輸的穩定性，減少信號傳輸的誤碼率，應盡可能使滑環的接觸電阻數值減小，用以提升滑環的傳輸穩定性。而滑環的接觸電阻是由外部接觸載荷(預緊力)決定，接觸載荷越大，有效接觸面積越大，則滑環可以穩定傳輸信號。但是隨著接觸載荷增大，滑環觸頭與匯流盤磨損加劇，從而滑環壽命會縮短。但同時磨損在一定范圍也是有利的，實際的磨損應該具有一定的閾值，即一定范圍的磨損對于信號傳輸是有利的，超過一定閾值后則會降低信號的傳輸效率。因此，接觸載荷是影響滑環傳輸穩定性的重要因素。

圖2 摩擦副接觸面電流收縮示意圖Fig.2 Schematic diagram of current contraction on the contact surface of the friction pair

2 基于滑環可靠性與穩定性的工藝優化方法

由前述分析可知，磨屑量和接觸載荷滑環可以作為可靠性和穩定性評價指標，本文應用赫茲接觸理論、傳熱學和粘著磨損計算方法構建滑環磨損失效模型。同時，在失效模型基礎上考慮傳輸穩定性需求，進而提出工藝優化方法，整個方法流程如圖3所示。

圖3 基于滑環磨損模型的工藝優化方案Fig.3 Process optimization scheme based on the slip ring wear model

根據不同特征參數下的磨損失效模型計算結果對摩擦副的觸頭與匯流盤的材料進行篩選，具體完成如下三方面的優化：1)滑環摩擦副材料的初步優化，減少以往對摩擦副的材料選擇而進行的大量試驗測試；2)基于磨損失效模型對鍍金工藝進行優化，優化鍍層體系方案設計和觸頭熱工藝方案設計；3)裝配過程會對摩擦副的材料特性有一定影響，因此可基于磨損失效模型對滑環的焊接工藝進行優化改進。

依據滑環失效的特征，結合赫茲接觸理論、傳熱學和Archard模型[13]構建磨損失效模型，從而預測滑環運行過程中的磨屑量。

2.1 接觸模型

滑環摩擦副接觸屬于點接觸，在外部載荷作用下，觸頭近似為橢球狀。本文應用赫茲接觸理論[14]計算摩擦副載流接觸區域變形大小，其簡化模型如圖4所示。

圖4 盤式滑環摩擦副接觸示意圖Fig.4 Simplified contact diagram of the slip ring friction pair

根據赫茲接觸理論，可求得接觸半徑c為

式(4)中，F為接觸載荷，E為當量彈性模量，rc為當量曲率半徑。E和rc的計算方法如下

式(5)、式(6)中，Er和ER為觸頭與匯流盤材料的彈性模量，μr和μR為兩者的泊松比，rb和Rb為兩者的曲率半徑。因此，摩擦副的接觸面積可通過下式計算

式(7)中，At為摩擦副的實際接觸面積。

2.2 溫升模型

滑環運行過程中，由于電流和摩擦，摩擦副接觸區域溫度上升。溫度上升導致滑環摩擦副硬度發生變化，加速了滑環之間的磨損。因此，溫度是表征滑環磨損程度的重要度量。滑環溫度升高的熱源主要由兩部分組成：摩擦熱與焦耳熱。滑環的磨損主要是接觸區域的高溫導致的，由于熱量的產生導致溫度上升，進而會加劇磨損，本文采用傳熱學和摩擦學等方法計算接觸區域的溫度，從而達到以定量方式量化熱量對磨損的影響。

(1)摩擦副焦耳熱

摩擦副接觸過程中電流產生焦耳熱，焦耳熱由兩部分組成：一部分由觸頭與匯流盤之間的接觸電阻產生；另一部分由工作電流流經匯流盤產生。接觸電阻產生的熱量可直接進行計算

式(8)中，R為觸頭與匯流盤之間的接觸電阻，I為導電滑環的工作電流。電流經過觸頭后，分兩條支路流經匯流盤，最后經過導線傳出到星體。電流傳輸過程中，電阻值隨著觸頭運動處于動態變化中，可通過下式求解左右兩側電阻

式(9)～式(11)中，R1與R2分別為電流流經盤面時的左側與右側盤道電阻，隨著觸頭位置變化而處于動態變化中，與接觸的面積無關；R為運行過程中的動態總電阻；θ與r分別為觸頭對應轉過的角度和圓盤半徑；ρ為盤面鍍層材料的電阻率。滑環的接觸過程如圖5所示，當轉速為nr／s時，則滑環摩擦副運轉時的焦耳熱功率為

圖5 導電滑環電流傳輸過程Fig.5 Current transmission process of the conductive slip ring

(2)摩擦熱

觸頭與匯流盤滑動摩擦時，根據摩擦學計算的摩擦功率近似為

式(13)中，v為滑環觸頭轉速，μ為觸頭與匯流盤之間的摩擦系數。

(3)溫度預測

滑環的工作環境為真空，故滑環的熱傳遞方式為熱輻射，熱傳遞過程如圖6所示。

圖6 導電滑環摩擦副傳熱過程Fig.6 Heat transfer process of the conductive slip ring friction pair

匯流盤接觸面傳遞熱量，隨著溫度上升，傳遞熱量速率與產生熱量速率平衡，溫度趨于穩定狀態，本文通過熱輻射公式[15]計算散熱速率

式(14)中，C0為黑體輻射系數，數值為5.76W／(m2·K4)；Tt為單位面積產熱與散熱功率相等時的穩態溫度。依據熱輻射計算方法，滑環接觸區域的散熱功率為

式(15)中，A為單個盤道的面積。當散熱速率與產熱速率達到動態平衡時，溫度達到穩定狀態，通過式(8)、式(12)～式(15)可得觸頭與匯流盤接觸區域之間的熱平衡

因此，穩態溫度可表示為

由式(17)可知，構建的溫度預測模型能有效預測溫度變化，進而量化多場耦合對摩擦副材料性能的影響。

2.3 基于多物理場耦合的粘著磨損計算

3 基于傳輸穩定性和可靠性的工藝優化方案

導電滑環摩擦副的磨損主要由滑環材料特性、接觸載荷和工藝過程決定，本文提出的磨損失效模型可以有效預測滑環的壽命，保證滑環的可靠性。與此同時，為了保證滑環的穩定運行，降低信號傳輸誤碼率，本文對滑環可靠性和穩定性要求進行結合，建立以磨損預測模型和傳輸穩定性為基礎的滑環工藝優化方案，達到對滑環工藝參數、材料和接觸載荷的改進與優化，具體的優化內容如圖7所示。根據在不同特征參數下的滑環磨損模型計算結果和對傳輸可靠性的要求，可以具體完成如下方面優化：1)對滑環摩擦副材料進行優化，減少以往對滑環摩擦副的材料選擇而進行的大量試驗測試；2)優化鍍層體系方案設計和觸頭熱工藝方案設計；3)優化焊接工藝設計方案和滑環摩擦副的工藝；4)依據磨損模型和可靠性要求，對接觸載荷進行優化。

圖7 基于磨損模型的滑環工藝優化Fig.7 Slip ring process optimization based on wear model

4 導電滑環仿真分析與工藝優化實例

本文構建的磨損失效模型可以有效預測不同條件下的有效壽命。同時，結合滑環傳輸穩定性的要求，可以對滑環的工藝參數進行優化，減少滑環設計中的時間和金錢投入，提升滑環工藝的設計水平，為滑環工藝研究人員提供參考。

接觸載荷保證了滑環觸頭與匯流盤的良好接觸和信號穩定傳輸。若接觸載荷較大時，盡管滑環接觸良好，信號誤碼率較小，但是由于載荷的增大，磨損加劇，滑環的可靠性大大降低；若接觸載荷較小，滑環磨損較小，但是觸頭和匯流盤的接觸趨于不穩定，滑環的傳輸穩定性大大降低。因此，滑環接觸載荷的設定是滑環設計的首要問題。在本節中，假設接觸載荷之外的參數(幾何參數、材料特性等)確定的前提下，基于滑環的可靠性和傳輸穩定性要求，對接觸載荷進行優化。以國內某航天廠制造的某型號滑環為例，接觸載荷優化流程和滑環參數如圖8和表1所示。

圖8 接觸載荷優化流程圖Fig.8 Flowchart of contact load optimization

表1 導電滑環組件性能指標Table 1 Performance indexes of the slip ring assembly

基于本文提出的滑環磨損失效模型，滑環在不同載荷下的壽命如圖9所示。隨著載荷的增大，磨損加劇，導致滑環壽命下降。由表1可知，該型號的導電滑環額定壽命為5萬轉。同時，為了保證滑環的可靠傳輸以及模型的誤差，選用高于額定壽命的20%～40%作為滑環標準，即滑環壽命設定在6萬轉～7萬轉范圍內。因此，根據磨損失效模型，選定接觸載荷的優選區間為0.114N～0.136N。同時，為了保證穩定傳輸，適當增加接觸載荷至0.12N～0.136N，保證滑環的傳輸穩定性和可靠性。基于磨損失效模型的分析結果，可以有效對滑環接觸載荷進行設置，提升滑環的工藝優化水平。

圖9 不同載荷下的滑環壽命預測Fig.9 Life prediction of the slip ring under different loads

5 結論

本文根據滑環的磨損失效特性將滑環摩擦副磨屑量作為失效特征量，并通過傳熱學、運動學、Archard模型、赫茲接觸理論構建磨損失效模型，用以預測滑環的壽命，保證滑環在服役期間的可靠運行。在磨損失效模型基礎上，針對滑環的傳輸穩定性需求，提出了基于可靠性和傳輸穩定性的工藝優化方法，提升了滑環的工藝優化水平。依據本文提出的工藝優化方法，對滑環接觸載荷進行了優化，驗證了本文方法的有效性。