滾動(dòng)匯流環(huán)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用綜述

劉文科 鄭傳榮 趙克俊

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

匯流環(huán)是雷達(dá)設(shè)備的關(guān)鍵部件，用于實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)部分與固定部分之間的電能和信號(hào)的穩(wěn)定可靠連接［1］。按照接觸形式的不同，匯流環(huán)可分為滑動(dòng)匯流環(huán)和滾動(dòng)匯流環(huán)。傳統(tǒng)的匯流環(huán)以滑動(dòng)匯流環(huán)為主，其原理是依靠電刷和導(dǎo)電環(huán)形成滑動(dòng)接觸摩擦副，實(shí)現(xiàn)電能和信號(hào)的傳輸［2］。由于其接觸特性，決定了工作過程中電刷和導(dǎo)電環(huán)之間存在一定的磨損，產(chǎn)生的粉末容易滯留在匯流環(huán)內(nèi)，輕則導(dǎo)致工作過程中接觸電阻過大，不滿足所規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)要求，重則匯流環(huán)發(fā)生打火現(xiàn)象，影響雷達(dá)整機(jī)的正常使用。滾動(dòng)匯流環(huán)采用滾動(dòng)接觸形式，能夠較好地規(guī)避以上這些問題，它具有電阻低、噪音小、低磨損、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用前景十分廣闊。

本文將從滾動(dòng)匯流環(huán)的工作原理、主要特點(diǎn)、發(fā)展歷程及應(yīng)用前景等多個(gè)方面對(duì)滾動(dòng)匯流環(huán)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 滾動(dòng)匯流環(huán)概述

滾動(dòng)匯流環(huán)簡(jiǎn)稱滾環(huán)，它是相對(duì)于滑動(dòng)匯流環(huán)(簡(jiǎn)稱滑環(huán))而言的，其主要組成部分由一個(gè)或多個(gè)彈性環(huán)和內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)構(gòu)成，彈性環(huán)與內(nèi)外導(dǎo)電環(huán)接觸，構(gòu)成滾動(dòng)接觸副，如圖1所示。滾動(dòng)匯流環(huán)的工作原理為:假定外導(dǎo)電環(huán)固定不動(dòng)，內(nèi)導(dǎo)電環(huán)以速度ωi順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)彈性環(huán)以速度ωe逆時(shí)針自轉(zhuǎn)的同時(shí)繞接觸副的軸線順時(shí)針公轉(zhuǎn)。在彈性環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，由于彈性環(huán)與內(nèi)外導(dǎo)電環(huán)間存在一定的電接觸壓力迫使彈性環(huán)產(chǎn)生一定的徑向壓縮變形，因此彈性環(huán)與內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)之間始終保持電接觸，從而保證內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)的電信號(hào)的連續(xù)傳輸［3］。

根據(jù)每個(gè)通道內(nèi)彈性環(huán)的個(gè)數(shù)，滾動(dòng)匯流環(huán)可分為單環(huán)和多環(huán)等形式。圖2所示為某多環(huán)形式的滾動(dòng)匯流環(huán)試驗(yàn)樣機(jī)圖，滾道內(nèi)均勻布置12個(gè)彈性環(huán)以及12個(gè)惰輪，結(jié)構(gòu)緊湊。

2 滾動(dòng)匯流環(huán)的主要特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的滑動(dòng)匯流環(huán)相比，滾動(dòng)匯流環(huán)具有以下優(yōu)點(diǎn)［4-9］:

a.接觸電阻低

滾動(dòng)匯流環(huán)使用至少一個(gè)彈性環(huán)與內(nèi)外導(dǎo)電環(huán)代替滑動(dòng)匯流環(huán)形式的電刷和環(huán)槽，以表面間的滾動(dòng)接觸替代了滑動(dòng)匯流環(huán)的滑動(dòng)接觸，因而摩擦力矩顯著減小，電阻波動(dòng)也小。

b.信號(hào)噪聲低

一個(gè)帶兩個(gè)彈性環(huán)的滾動(dòng)匯流環(huán)組件常規(guī)條件下的信號(hào)噪聲在20mΩ范圍內(nèi)，如果再增加一個(gè)彈性環(huán)則信號(hào)噪聲可降低到10mΩ范圍內(nèi)。

c.摩擦轉(zhuǎn)矩低

滾動(dòng)匯流環(huán)不像滑動(dòng)匯流環(huán)要求以摩擦來保證接觸，其接觸形式就像是在鐵路軌道上運(yùn)行的輪子，如果軌道足夠平坦，施加一個(gè)推力，輪子會(huì)永遠(yuǎn)滾動(dòng)下去。滾動(dòng)匯流環(huán)的摩擦轉(zhuǎn)矩僅僅來源于保持定子和轉(zhuǎn)子相對(duì)運(yùn)動(dòng)的軸承，因此其比滑動(dòng)接觸形式的摩擦轉(zhuǎn)矩要小得多。一個(gè)滾動(dòng)匯流環(huán)的轉(zhuǎn)矩比滑動(dòng)匯流環(huán)在數(shù)值上可低2個(gè)數(shù)量級(jí)。

d.數(shù)據(jù)傳輸率高

實(shí)驗(yàn)證明，滾動(dòng)匯流環(huán)在1200r/min的轉(zhuǎn)速條件下對(duì)于RS-485信號(hào)的傳輸率為15M bit/s。此外，滾動(dòng)匯流環(huán)還可傳輸其他類型的信號(hào)，包括RS-422和RS-232信號(hào)等.

e.傳輸效率高

滾動(dòng)匯流環(huán)中導(dǎo)電環(huán)的滾道與彈性環(huán)的表面均進(jìn)行鍍金處理，而金-金接觸界面的電阻非常低，其表面抗氧化性能也較好。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組使用的滾動(dòng)匯流環(huán)在旋轉(zhuǎn)時(shí)測(cè)得的電阻僅為2.65mΩ，證明其傳輸效率可達(dá)到99.735%。

圖3 鍍金的彈性環(huán)

f.免維護(hù)

由于彈性環(huán)與導(dǎo)電環(huán)之間采用滾動(dòng)接觸形式，材料磨損非常低，并且無磨損碎片，這就在很大程度上避免了因磨屑而發(fā)生機(jī)構(gòu)短路的可能，從而可實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的免維護(hù)。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的滾動(dòng)匯流環(huán)組件在200r/min的旋轉(zhuǎn)速度下可連續(xù)運(yùn)行超過兩年，累計(jì)旋轉(zhuǎn)2.4億次，這相當(dāng)于在空中交通管制雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)服役30年的時(shí)間。

g.壽命長(zhǎng)

彈性環(huán)與內(nèi)外導(dǎo)電環(huán)之間的運(yùn)動(dòng)理論上為純滾動(dòng)，理想情況下不存在接觸材料的磨損，因此接觸摩擦副的壽命較長(zhǎng)。空中交通管制雷達(dá)上使用的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)滾動(dòng)匯流環(huán)組件經(jīng)歷了2.4億轉(zhuǎn)的加速壽命測(cè)試，這相當(dāng)于其不間斷工作達(dá)30年。研究人員曾對(duì)國(guó)際空間站上的4環(huán)和8環(huán)滾動(dòng)匯流環(huán)組件分別進(jìn)行了加速壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為在真空試驗(yàn)裝置中通100A直流電，滾動(dòng)匯流環(huán)組件以5 rpm的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，獲得其壽命及傳輸效率，如表1所示。

表1 壽命(空間站旋轉(zhuǎn)年數(shù))及傳輸效率

從表中可以看到，對(duì)于8環(huán)組件，完成了超過60空間站年的旋轉(zhuǎn)壽命，其平均效率為99.98%;而對(duì)于4環(huán)組件，完成了超過114空間站年的旋轉(zhuǎn)壽命，其平均效率為99.97%。

3 滾動(dòng)匯流環(huán)的發(fā)展歷程及趨勢(shì)

滾動(dòng)匯流環(huán)的電信號(hào)/功率傳輸裝置是由球軸承和電傳輸技術(shù)演變而來，發(fā)展于20世紀(jì)70年代中期，首先在國(guó)外開展。在20世紀(jì)80年代，美國(guó)的Terry Allen、Peter Jacobson等人發(fā)明了滾動(dòng)匯流環(huán)，介紹了滾動(dòng)匯流環(huán)組件的工作原理和結(jié)構(gòu)形式［4］。學(xué)者Ryan Porter在19屆機(jī)械研討會(huì)上發(fā)表了題為“一種旋轉(zhuǎn)的電傳輸裝置”的論文，對(duì)滾動(dòng)匯流環(huán)的概念及其設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，使得滾動(dòng)匯流環(huán)逐漸被人們所熟悉［5］。隨后，基于自由號(hào)國(guó)際空間站上的功率傳輸?shù)钠惹幸?，由美?guó)國(guó)家航空和宇航局(NASA)劉易斯研究中心資助，開始研發(fā)大功率滾動(dòng)匯流環(huán)技術(shù)，其功率可達(dá)到數(shù)百千瓦［6］。研究人員通過進(jìn)行大量的技術(shù)試驗(yàn)，試驗(yàn)包括接觸電阻測(cè)試、加速壽命試驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)等，并經(jīng)過不斷進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，最終使得其在自由號(hào)國(guó)際空間站上成功應(yīng)用［7-8］。由于相對(duì)于滑動(dòng)匯流環(huán)和柔性電纜，滾動(dòng)匯流環(huán)在技術(shù)性能上均具有比較顯著的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注。但同時(shí)，其對(duì)設(shè)計(jì)及制造技術(shù)要求也較高，很多關(guān)鍵因素如彈性環(huán)材料的選擇、壁厚的大小及彈性環(huán)與內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)的接觸設(shè)計(jì)等都會(huì)直接影響滾動(dòng)匯流環(huán)的運(yùn)行狀態(tài)和技術(shù)性能。

縱觀國(guó)內(nèi)外滾動(dòng)匯流環(huán)技術(shù)的發(fā)展歷程，從最初概念的提出到今天，滾動(dòng)匯流環(huán)技術(shù)已經(jīng)歷了30多年的發(fā)展，逐步在相關(guān)理論、設(shè)計(jì)及制造水平方面獲得改進(jìn)和提高［9-10］。對(duì)于國(guó)外來說，美國(guó) Diamond公司是目前滾動(dòng)匯流環(huán)的主要生產(chǎn)制造商，經(jīng)過對(duì)滾動(dòng)匯流環(huán)進(jìn)行多年的研發(fā)，現(xiàn)已形成了一些較成熟的產(chǎn)品，其制造的滾動(dòng)匯流環(huán)的相關(guān)性能參數(shù)如表2所示。而國(guó)內(nèi)關(guān)于滾動(dòng)匯流環(huán)技術(shù)的研究起步相對(duì)較晚，在理論方面的研究稍顯不足，試驗(yàn)方面仍處于初步探索階段［11-12］，因此無論是在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是在制造工藝等方面均與國(guó)外先進(jìn)水平存在一定的差距，尚有很多關(guān)鍵技術(shù)問題亟待解決。

表2 滾動(dòng)匯流環(huán)可達(dá)到的關(guān)鍵性能參數(shù)

總的來講，今后滾動(dòng)匯流環(huán)技術(shù)有望在以下幾個(gè)方面獲得進(jìn)一步發(fā)展:

a.模塊集成化

隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，產(chǎn)品的模塊化、集成化逐漸成為發(fā)展趨勢(shì)。對(duì)于滾動(dòng)匯流環(huán)，國(guó)外已經(jīng)開發(fā)單環(huán)和多環(huán)的滾動(dòng)匯流環(huán)組件，應(yīng)用于雷達(dá)設(shè)備、衛(wèi)星通信等方面，而國(guó)內(nèi)今后也將沿該方向不斷努力，逐步彌補(bǔ)與國(guó)外先進(jìn)水平之間的差距。

b.低成本化

滾動(dòng)匯流環(huán)的主要零部件包括內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)、彈性環(huán)和惰輪等，其材料的選用和加工工藝至關(guān)重要，很大程度上影響滾動(dòng)匯流環(huán)組件的綜合技術(shù)性能。開發(fā)新型電接觸材料、逐步提高主要零部件制造工藝水平是降低滾動(dòng)匯流環(huán)生產(chǎn)成本的有效途徑。

c.小型輕量化

由于目前滾動(dòng)匯流環(huán)大多應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域，受空間環(huán)境和運(yùn)載工具等條件的限制，對(duì)尺寸、重量等方面要求極高，故而追求結(jié)構(gòu)輕量化、小型化也是滾動(dòng)匯流環(huán)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

4 滾動(dòng)匯流環(huán)的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景展望

作為一項(xiàng)新的電傳輸技術(shù)，滾動(dòng)匯流環(huán)以其新穎的結(jié)構(gòu)形式、優(yōu)異的技術(shù)性能引起人們的廣泛重視，目前已被部分應(yīng)用于航空、航天、航海等領(lǐng)域的功率傳輸及信號(hào)通信設(shè)備上。

美國(guó)陸軍某型號(hào)防衛(wèi)雷達(dá)采用的就是滾動(dòng)匯流環(huán)，共包括43路電路組件。其中26路為功率通道，電壓為115V AC，電流為10A;還有16路為信號(hào)通道，其噪聲電阻為20 mΩ。

美軍某直升機(jī)載雷達(dá)上也采用了滾動(dòng)匯流環(huán)結(jié)構(gòu)形式，其型號(hào)為1004-36A，規(guī)格為5”O(jiān)D×11”L，轉(zhuǎn)速800r/min。該型號(hào)滾動(dòng)匯流環(huán)包含36路通道，其中有22路功率通道，額定電壓為1800 VDC，電流為10 A，另外14路為信號(hào)通道。

圖4 美國(guó)陸軍雷達(dá)

圖5 直升機(jī)載雷達(dá)匯流環(huán)

自由號(hào)國(guó)際空間站在3個(gè)地方使用了滾動(dòng)匯流環(huán)技術(shù)，分別為熱輻射體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(TRRJ)中的滾動(dòng)匯流環(huán)機(jī)構(gòu)(PDTA)、太陽電池組 α旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(SARJ)中的滾動(dòng)匯流環(huán)機(jī)構(gòu)(UTA)以及β萬向節(jié)中的滾動(dòng)匯流環(huán)機(jī)構(gòu)(BGRRS)，如圖6所示。

3種滾動(dòng)匯流環(huán)技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 空間站上3種滾動(dòng)匯流環(huán)技術(shù)參數(shù)

應(yīng)用于ASR旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的滾動(dòng)匯流環(huán)，型號(hào)為1023-16T。該匯流環(huán)組件規(guī)格為7.9”O(jiān)D×7.9”L，包含16路電路，電壓為230 V AC，電流為1A。

隨著滾動(dòng)匯流環(huán)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其應(yīng)用范圍也逐漸由軍用領(lǐng)域向民用領(lǐng)域拓展。圖8為鋁材軋機(jī)設(shè)備上的匯流環(huán)，型號(hào)1017-72T。該匯流環(huán)共72路通道，包含4路功率通道和68路信號(hào)通道，速度達(dá)到1800 rpm，可在150℃的溫度條件下工作。

可以預(yù)見，未來在通信、導(dǎo)航、遙感遙測(cè)、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備、航管雷達(dá)、港口導(dǎo)航雷達(dá)、天氣雷達(dá)、衛(wèi)星通訊、醫(yī)用CT和機(jī)場(chǎng)安檢掃描設(shè)備、半導(dǎo)體制造設(shè)備和工業(yè)制造設(shè)備等諸多方面，滾動(dòng)匯流環(huán)技術(shù)還將擁有廣闊的發(fā)展需求和應(yīng)用前景。

圖7 ASR旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)

圖8 鋁材軋機(jī)設(shè)備上的滾動(dòng)匯流環(huán)

5 結(jié)束語

本文介紹了滾動(dòng)匯流環(huán)的工作原理，分析了滾動(dòng)匯流環(huán)的主要特點(diǎn)，闡述了滾動(dòng)匯流環(huán)的發(fā)展歷程，并對(duì)滾動(dòng)匯流環(huán)的應(yīng)用現(xiàn)狀及前景進(jìn)行了展望。滾動(dòng)匯流環(huán)作為一種新型的電接觸摩擦副結(jié)構(gòu)形式，與傳統(tǒng)的滑動(dòng)匯流環(huán)相比具有接觸電阻低、噪音小、低磨損、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域都有較大的發(fā)展和應(yīng)用價(jià)值。開展?jié)L動(dòng)匯流環(huán)的相關(guān)理論研究，開發(fā)滾動(dòng)匯流環(huán)的成熟制造技術(shù)，對(duì)于不斷提高我國(guó)滾動(dòng)匯流環(huán)技術(shù)水平、增強(qiáng)高科技產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力均具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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