交換開關(guān)中關(guān)鍵部件的選擇

摘 要：近些年來，為了擴大廣播電視信號的覆蓋效率，大功率短波廣播發(fā)射機被廣泛使用，由此，對短波廣播天線交換開關(guān)的使用要求也隨之提高。短波交換開關(guān)的主要作用是將短波廣播信號通過不同的通路傳輸出去，其中的關(guān)鍵部件必須滿足特定要求，所以在關(guān)鍵部件的材料選擇上必須按照其特定的要求來選擇，而且還要考慮其經(jīng)濟性和加工難易度。而一些電氣元件則需要通過計算來確定。

關(guān)鍵詞：短波天線交換開關(guān) 關(guān)鍵部件 材料選擇 電器部件

中圖分類號：TM59 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（b）-0012-02

短波天線交換開關(guān)是短波廣播信號傳輸過程中必不可少的一個環(huán)節(jié)。它有兩個傳輸狀態(tài)（±45°）—— 直通和轉(zhuǎn)向，通過電動機和變速箱帶動主軸的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)直通和轉(zhuǎn)向兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。短波天線交換開關(guān)單元采用縱橫分布的排列方式，完成發(fā)射機和天線之間的轉(zhuǎn)接任務(wù)。它可以方便的組成交換靈活的短波天線交換矩陣，通過改變交換開關(guān)轉(zhuǎn)向刀的位置，實現(xiàn)不同通道的短波信號傳播。短波天線交換開關(guān)的應(yīng)用增強了我局短波天線交換的靈活性，降低了由于天線交換系統(tǒng)引起的停播事故，提高了我局短波廣播播出的效果。

1 關(guān)鍵零部件材料的選擇

短波天線交換開關(guān)大致可分成四大部分：框架部分、信號傳輸部分、傳動部分和變速箱部分。信號傳輸部分關(guān)系到整個交換開關(guān)的電氣指標(biāo)，因此傳輸部分的材料選擇及加工工藝都是非常重要的。信號傳輸部分由轉(zhuǎn)向、直通饋管，主軸，轉(zhuǎn)向刀體，絕緣子，接點等零部件組成。下面我們就通過對材料的分析來對其中一些關(guān)鍵部件的材料進行選擇。

1.1 接點部分

在短波交換開關(guān)選擇通路的過程中，是通過轉(zhuǎn)向刀體的旋轉(zhuǎn)，接觸不同接點完成的。所以接點和刀體的接觸尤為重要，在刀體進入接點的過程中，不僅要保證接點的彈性適中，還要保證接點與刀體接觸的緊密。觸點鉚接在觸點連接片上，在通過觸點彈性片緊壓在觸點連接片上組成接點部分。通過了解接點部分的作用和組成部分，就要根據(jù)不同的性能要求選擇材料。

觸點連接片的選擇—— 鈹青銅。鈹青銅是以鈹為主要添加元素的青銅。它的鈹含量為0.2%～2%，再加入少量的（0.2%～2.0%）鈷或鎳第三組元。該合金可熱處理強化。是理想的高導(dǎo)、高強彈性材料。鈹青銅無磁、抗火花、耐磨損、耐腐蝕、抗疲勞和抗應(yīng)力松弛。并且易于鑄造和壓力加工成形。鈹青銅加工材的典型用途是用作電子器件中的載流簧片、接插件、觸點、緊固彈簧、板簧和螺旋簧、膜盒、波紋管及引線框架等。鈹青銅具有良好的綜合性能。其力學(xué)性能，即強度、硬度、耐磨性和耐疲勞性居銅合金之首。其導(dǎo)電、導(dǎo)熱、無磁、抗火花等性能其他銅材無法與之相比。因此鈹青銅的性能完全符合觸點連接片高導(dǎo)、抗火花的要求。在經(jīng)過表面鍍銀的工藝處理，更進一步的提高了觸點連接片的導(dǎo)電性。

觸點彈性片的選擇—— 磷青銅。磷青銅是含2%～8%錫、0.1%～0.4%磷，其余為銅的銅合金。磷青銅有更高的耐蝕性，耐磨損，沖擊時不發(fā)生火花。其延展性、抗疲勞性、抗腐蝕性非常好，而且具有良好的彈性。用于中速、重載荷軸承，工作最高溫度250 ℃。具有自動調(diào)心，對偏斜不敏感，軸承受力均勻承載力高，可同時受徑向載荷，自潤滑無需維護等特性。磷青銅是一種合金銅，具有良好的導(dǎo)電性能，不易發(fā)熱、確保安全同時具備很強的抗疲勞性。磷青銅的插孔簧片硬連線電氣結(jié)構(gòu)，無鉚釘連接或無摩擦觸點，可保證接觸良好，彈力好，撥插平穩(wěn)。該合金具有優(yōu)良機械加工性能及成屑性能，可迅速縮短零件加工時間等。主要用作耐磨零件和彈性元件。電腦連接器，手機連接器，高科技行業(yè)接插件，電子電氣用彈簧，開關(guān)，電子產(chǎn)品的插槽、按鍵、電氣連接件，引線框架，振動片及端子等。因此磷青銅的性能完全符合觸點彈性片高導(dǎo)、耐磨損、良好彈性的要求。

實踐證明，使用了鈹青銅和磷青銅的接點不僅具有可靠的導(dǎo)電性，抗火花性，彈性，而且便于加工生產(chǎn)。對交換開關(guān)信號傳輸起到了關(guān)鍵的作用。

1.2 絕緣子

顧名思義絕緣子的作用主要就是絕緣。由于通過交換開關(guān)的電壓很高，所以抗高壓，絕緣好就是選擇絕緣子的主要要求。

交換開關(guān)上用的絕緣子的材料為95瓷，即氧化鋁陶瓷的一種。氧化鋁陶瓷是一種以氧化鋁（AL2O3）為主體的材料。氧化鋁陶瓷有較好的傳導(dǎo)性、機械強度和耐高溫性。關(guān)于氧化鋁陶瓷的類別分為高純型與普通型兩種。高純型氧化鋁陶瓷是Al2O3含量在99.9%以上的陶瓷材料，由于其燒結(jié)溫度高達1650 ℃～1990 ℃，透射波長為1～6 μm，一般制成熔融玻璃以取代鉑坩堝，利用其透光性及可耐堿金屬腐蝕性用作鈉燈管，在電子工業(yè)中可用作集成電路基板與高頻絕緣材料。普通型氧化鋁陶瓷是按Al2O3含量不同分為99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品種，有時Al2O3含量在80%或75%者也劃為普通氧化鋁陶瓷系列。其中99氧化鋁瓷材料用于制作高溫坩堝、耐火爐管及特殊耐磨材料，如陶瓷軸承、陶瓷密封件及水閥片等；95氧化鋁瓷主要用作耐腐蝕、耐磨部件；85瓷中由于常摻入部分滑石，提高了電性能與機械強度，可與鉬、鈮、鉭等金屬封接，有的用作電真空裝置器件。通過對氧化鋁陶瓷分類的了解，選出符合要求的絕緣體，再比較其經(jīng)濟價格確定選用具有以下特點的95瓷，即機械強度高，耐磨；耐酸堿等化學(xué)侵蝕能力強；常溫及高溫下電絕緣性好；高溫下機械強度損失小。

最后通過打壓試驗，將8萬伏高壓通過絕緣子，而漏電指數(shù)小于0.05 mA，證明了所選材料的絕緣子在交換開關(guān)中的安全使用。

1.3 電暈環(huán)

在交換開關(guān)的轉(zhuǎn)換刀切入觸點的過程中，由于刀體和觸點連接片都存在尖角，而且電場非常大，一旦空氣被電子擊穿成為導(dǎo)體，就很可能出現(xiàn)拉弧現(xiàn)象，俗稱打火現(xiàn)象。情況嚴重的會將觸點和刀頭燒壞，影響安全播出。為了解決這一問題，在交換開關(guān)每個觸點的上下兩面加裝電暈環(huán)來緩解尖端放電這一問題，從而大大的提高了交換開關(guān)的安全性，保證了安全播出。

由于電暈環(huán)需要起到緩解尖端放電的作用，所以必須具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。再根據(jù)電暈環(huán)的加工外形確定其還需要有優(yōu)良的延展性和耐蝕性。由此決定選用紫銅作為電暈環(huán)的材料。紫銅是比較純凈的一種銅，一般可近似認為是純銅。紫銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和耐蝕性。主要用于制作發(fā)電機、母線、電纜、開關(guān)裝置、變壓器等導(dǎo)熱導(dǎo)電器材。紫銅的導(dǎo)電性能非常好，在常見的金屬中僅次于銀，但考慮其經(jīng)濟因素使紫銅成為電氣工業(yè)的“主角”。紫銅極富延展性，一滴水大小的紫銅，可以拉成長達2 km的細絲或壓延成比床還大的幾乎透明的銅箔。

2 電器元件的選擇

短波天線交換開關(guān)刀體的旋轉(zhuǎn)換位是通過變速箱里一系列的動作完成的。變速箱通過電機輸出帶動一級蝸桿軸，一級蝸桿軸帶動二級傳動軸上的渦輪蝸桿，再由二級傳動軸上的蝸桿帶動三級傳動軸上的渦輪，最終由三級傳動軸帶動主軸轉(zhuǎn)動。在交換開關(guān)刀體的旋轉(zhuǎn)換位過程中不僅可以通過電控來實現(xiàn)，在特殊的情況下還應(yīng)該可以通過手動來完成刀體的轉(zhuǎn)向。為了實現(xiàn)這一要求，在設(shè)計變速箱的時候，決定在二級傳動軸上增加一個電磁離合器，通過離合器的吸合與斷開來實現(xiàn)短波天線交換開關(guān)的電動控制與手動控制功能。但是由于變速箱體積較小，內(nèi)部空間很緊湊，這就對選取什么樣的電磁離合器提出了很高的要求。

首先通過計算算出電磁離合器實際傳遞的轉(zhuǎn)矩。電動機的功率為：P=160 W；額定轉(zhuǎn)速為：n=1400 r/min；一軸與二軸的傳動比為：i=15；傳動效率估計值為：η=0.9。

一級蝸桿軸傳遞的轉(zhuǎn)矩：T1=9550×P/n=9550×0.16/1400≈1.1 N/m

二級蝸輪軸傳遞的轉(zhuǎn)矩：T2=i×T1×η=15×1.1×0.9=14.85 N/m

電磁離合器傳遞的轉(zhuǎn)矩：T=36.5/30×T2=36.5/30×14.85≈18.1 N/m

通過以上計算得到電磁離合器實際傳遞的轉(zhuǎn)矩約為18.1 N/m。但是計算中的傳動效率（η值）是估計值，再加上裝配過程中電磁離合器的裝配間隙若過大，有可能導(dǎo)致額定轉(zhuǎn)矩減小，以及其他一些不可知的原因，使電磁離合器額定轉(zhuǎn)矩再次減小，所以為了不出現(xiàn)電磁離合器的打滑現(xiàn)象，所選用的電磁離合器的額定轉(zhuǎn)矩必須大于其實際傳遞的轉(zhuǎn)矩。

通過查找，結(jié)構(gòu)簡單、外形輪廓尺寸小的牙嵌式電磁離合器的特性比較符合變速箱的要求。牙嵌式電磁離合器是借助端面齒嚙合傳遞力矩、單滑環(huán)通電工作型離合器。具有以下特性（1）通過齒面?zhèn)鬟f扭矩；（2）小尺寸，高扭矩；（3）反應(yīng)速度快；（4）無空載扭矩；（5）允許高速運轉(zhuǎn)；（6）免維護；（7）靜止?fàn)顟B(tài)嚙合或同步運行；（8）可以在有負荷情況下全速進行脫離；（9）特殊的齒式設(shè)計，允許在一定角度位置下進行嚙合。并且適用于干式工作或濕式工作兩種情況。該離合器用于機械傳動系統(tǒng)中，可在主動部分的情況下，使從動部分與主動部分結(jié)合或分離，從而達到起動、停止、換向、位移等目的。主要用于一般工作機械系統(tǒng)中。

根據(jù)牙嵌式電磁離合器的特性及計算出離合器的實際傳遞轉(zhuǎn)矩，最終選用了額定轉(zhuǎn)矩為25 N/m的牙嵌式電磁離合器。并通過變速箱的疲勞試驗證明了此離合器完全適用于交換開關(guān)，實現(xiàn)了交換開關(guān)電動控制與手動控制并存的功能，方便了客戶對交換開關(guān)的使用。

3 輔助物品的選擇

3.1 潤滑脂

變速箱的結(jié)構(gòu)是交換開關(guān)所有零部件中最精密的部分。渦輪蝸桿和電磁離合器全部安裝在變速箱內(nèi)，交換開關(guān)的所有動作都是靠變速箱的運轉(zhuǎn)帶動的。為了保證變速箱內(nèi)部零件的壽命，減少內(nèi)部零件的磨損。需要在零部件上涂抹潤滑劑。潤滑劑主要起潤滑、防銹、密封的作用。由于變速箱不是完全封閉的，所以如果選用潤滑油，就會從縫隙中滲出。不僅影響美觀，還需要定期補充，非常麻煩。而潤滑脂相比于潤滑油有以下優(yōu)點：（1）潤滑脂粘性好，不易流失；（2）潤滑脂的蒸發(fā)速度慢，可以在高溫下長周期運行；（3）潤滑脂具有更高的承載能力和更好的阻尼減震能力；（4）潤滑脂能形成具有一定密封作用的脂圈，可防止固體或流體污染物的侵入，有利于在潮濕和多塵環(huán)境中使用；（5）用潤滑脂通常只需將少量潤滑脂涂于潤滑表面，因而可大大節(jié)約油品的需求量。

由于我局各個臺站分布較廣，環(huán)境各不相同，尤其在溫度上差異很大，所以為了防止?jié)櫥诟邷叵氯诨?，在低溫下凍結(jié)，選用了適用溫度為-60 ℃～120 ℃的航空潤滑脂，減少了變速箱的故障率，增加了變速箱的壽命。

3.2 分子導(dǎo)電素

由于刀體和觸點之間的場強很大，為了防止出現(xiàn)打火，在刀體表面涂抹一層有機導(dǎo)電材料—— 分子導(dǎo)電素。分子導(dǎo)電素?zé)o毒無氣味，不易揮發(fā)、分解，有強憎水性，適用溫度為-50 ℃～250 ℃，不易流失、變干，理化性能十分穩(wěn)定。涂敷在金屬表面有優(yōu)良持久的導(dǎo)電性能，接觸電阻不大于2微歐，能耐20萬伏以上高壓和1萬安培以上大電流。它還能抵御濕熱、鹽霧工業(yè)大氣、手汗、霉菌對金屬的侵蝕。既保證了信號的安全傳輸，還起到了潤滑的作用。

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，我們將不遺余力的繼續(xù)開發(fā)研制更多的設(shè)備和配件，盡自己最大的能力為廣播電視領(lǐng)域做出貢獻。