雷達(dá)匯流環(huán)技術(shù)分析及維護(hù)保養(yǎng)

李全勝

中圖分類號：TM121.1.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1009-914X（2015）37-0001-02

匯流環(huán)是在具有相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)間進(jìn)行動(dòng)力和信息傳遞的機(jī)電裝置，被廣泛地應(yīng)用在陀螺儀、電位器、射電天文望遠(yuǎn)鏡、火炮控制系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)雷達(dá)天線等領(lǐng)域，目前在部隊(duì)裝備的絕大多數(shù)雷達(dá)裝備中都有使用。

一、匯流環(huán)的定義及應(yīng)用

提及匯流環(huán)，首先必須搞清楚匯流環(huán)的概念。匯流環(huán)是在具有相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)間進(jìn)行動(dòng)力和信息傳遞的機(jī)電裝置，從這個(gè)意義上講，電動(dòng)機(jī)碳刷和轉(zhuǎn)子之間電能的傳遞裝置是最原始的匯流環(huán)，匯流環(huán)作為多種雷達(dá)的重要單元已經(jīng)有四五十年的歷史。目前隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，匯流環(huán)已經(jīng)得到更加廣泛的應(yīng)用，如在精密儀器中的陀螺儀、動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變測試設(shè)備、電位器等用來傳遞信息的簡單的小型匯流環(huán)，尤其在射電天文望遠(yuǎn)鏡、火炮控制系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)雷達(dá)天線、衛(wèi)星地面站中為使天線與接收、控制系統(tǒng)等機(jī)構(gòu)間保持動(dòng)力和信息的傳遞，不致因天線轉(zhuǎn)臺(tái)作為方位旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生電纜絞結(jié)，匯流環(huán)裝置更是必不可少，在目前裝備的雷達(dá)設(shè)備中，匯流環(huán)作為天線轉(zhuǎn)動(dòng)部分信號鉸鏈更是得到廣泛的應(yīng)用。

二、匯流環(huán)的基本分類

在目前裝備的雷達(dá)天線座上，根據(jù)頻率和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，匯流環(huán)可分為低頻匯流環(huán)、中頻匯流環(huán)和高頻匯流環(huán)關(guān)節(jié)。顧名思義低頻匯流環(huán)利用滑動(dòng)或滾動(dòng)接觸來傳遞能量和低頻信號；中頻匯流環(huán)通過滑動(dòng)接觸或非接觸耦合來傳遞中頻信號，一般需要加屏蔽裝置；高頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)通過電磁耦合來傳遞信息。按照每層所接通的電流的個(gè)數(shù)，匯流環(huán)可分為非差動(dòng)匯流環(huán)和差動(dòng)式匯流環(huán)。其中，差動(dòng)式匯流環(huán)被廣泛用于各種車載雷達(dá)、地面測控雷達(dá)、艦載測控雷達(dá)和發(fā)射轉(zhuǎn)塔等設(shè)備中，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、軸向尺寸小、傳遞信號多等顯著優(yōu)點(diǎn)。既可以傳遞小信號，又可以傳遞視頻信號和大電流，它的突出特點(diǎn)是在一個(gè)圓周上可以有多個(gè)電流通道，在環(huán)數(shù)較多時(shí)，可以大大減少匯流環(huán)的軸向高度，由此節(jié)省了大量的設(shè)備空間。目前裝備部隊(duì)的多種系列雷達(dá)中使用的就是差動(dòng)匯流環(huán)技術(shù)，既滿足了傳輸多種信號的需要，又簡化了天線轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，大大提高了設(shè)備的可靠性和可維修性。

三、匯流環(huán)的主要技術(shù)指標(biāo)

匯流環(huán)作為設(shè)備電氣和機(jī)械部分相關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵部件，其制作工藝要求較高，主要技術(shù)性能包括：接觸電阻、絕緣電阻、抗電強(qiáng)度、隔離度、相位變化、幅值變化等，其中要求接觸電阻小于200mΩ，絕緣電阻大于500kΩ，抗電強(qiáng)度大于1800v，相位變化大于1°，對這些參數(shù)的測試使用傳統(tǒng)的儀器，如示波器，兆歐表等進(jìn)行人工測試就可以完成，這對我們檢修和測試匯流環(huán)都提供了很好的理論依據(jù)。

四、匯流環(huán)工作原理分析

隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，對匯流環(huán)提出了更高的要求。不僅應(yīng)具有較強(qiáng)的傳輸能力，而且應(yīng)該具有更高的可靠性和可維修性?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展加快了數(shù)字技術(shù)在雷達(dá)裝備上的廣泛應(yīng)用，使得大量的數(shù)字信息需通過匯流環(huán)高速傳輸。在國外，匯流環(huán)已經(jīng)是一門專業(yè)技術(shù)，由專業(yè)的研制生產(chǎn)公司，在國內(nèi)，各雷達(dá)研制單位所使用的匯流環(huán)多以自行研制為主，其中，又以差動(dòng)式匯流環(huán)最為普遍。典型的差動(dòng)匯流環(huán)以徑向接觸式為例，由結(jié)構(gòu)相同的兩組電刷和一個(gè)差動(dòng)環(huán)芯組成。一組電刷隨天線旋轉(zhuǎn)，另外一組是固定不動(dòng)的，差動(dòng)環(huán)芯以轉(zhuǎn)動(dòng)電刷轉(zhuǎn)速的一半（即（1/2）V），與轉(zhuǎn)動(dòng)電刷同向旋轉(zhuǎn)，差動(dòng)環(huán)芯是差動(dòng)匯流環(huán)的核心部件，主要由集電圓盤組成，分上下兩組，分別與動(dòng)、定電刷組對應(yīng)。集電圓盤分為大集電圓盤和小集電圓盤兩種：大集電圓盤為動(dòng)力環(huán)，傳輸4路50Hz、40A電流和6路DC、230V、40A電流，接觸電阻0.06Ω，環(huán)間耐壓1500V；小集電圓盤為低頻環(huán)，傳輸電流3A，接觸電阻0.08Ω，環(huán)間耐壓500V，集電圓盤是由導(dǎo)電環(huán)灌注環(huán)氧樹脂后加工而成，如圖4-1所示。

差動(dòng)匯流環(huán)是匯流環(huán)中的一種特殊形式，因其傳動(dòng)系統(tǒng)為一差動(dòng)輪系而得名，被廣泛應(yīng)用于各種車載雷達(dá)、地面測控雷達(dá)、艦載測控雷達(dá)和發(fā)射轉(zhuǎn)塔等設(shè)備中，它具有結(jié)構(gòu)緊湊、軸向尺寸小，傳輸信號多等優(yōu)點(diǎn)，既可傳遞小信號，又可傳遞視頻信號和大電流，它的特點(diǎn)是在一個(gè)圓周上可以有多個(gè)電路通道，在環(huán)數(shù)較多時(shí)，可大大減少匯流環(huán)的軸向高度，擴(kuò)展設(shè)備空間。

差動(dòng)匯流環(huán)的工作原理：作為關(guān)鍵部件的差動(dòng)匯流環(huán)，為了更好地確保它的整機(jī)裝配質(zhì)量提高可靠性，制造中就要求有可靠的工藝措施來加以保證，并采取嚴(yán)格的質(zhì)量控制措施，因?yàn)楣に囋O(shè)計(jì)與質(zhì)量控制時(shí)密切相關(guān)的。差動(dòng)匯流環(huán)由機(jī)械傳動(dòng)構(gòu)件和電氣連接兩大部分組成，主要含有差動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、匯流盤、外殼、環(huán)芯、電刷組等重要部件，裝配的質(zhì)量是決定可靠工作的關(guān)鍵，在差動(dòng)匯流環(huán)制造的整個(gè)過程中，從加工、機(jī)械組裝、跑合、電子裝聯(lián)等工序均應(yīng)采取可靠的工藝措施。

如圖4-2所示，差動(dòng)匯流環(huán)由一個(gè)帶扇形接觸片的差動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和兩組電刷組成，上電刷與天線座的方位軸相連，并隨著方位軸以角速度ω旋轉(zhuǎn)，其上裝有相互絕緣的電刷片A、B、C……；下電刷與天線座體相連固定不動(dòng)，其上裝有相互絕緣的點(diǎn)數(shù)片A'、B'、C'……；差動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)位于兩者之間，并以角速度（1/2）ω與上電刷同向旋轉(zhuǎn)，扇形接觸片1、2、3、4、5……和1'、2'、3'、4'、5'……分別固定在用絕緣材料制作的圓盤兩側(cè)，相應(yīng)扇形片（如1與1'、2與2'）之間用導(dǎo)線連接，因此通過上下電刷片（如A與A'）就能溝通天線座車旋轉(zhuǎn)部分和固定部分之間的各條電路。根據(jù)機(jī)構(gòu)等效原理，可以假設(shè)行星架相對于錐齒輪1、3靜止不動(dòng)，則錐齒輪1、3于行星架H之間的相對運(yùn)動(dòng)可以按照定軸輪系來求得：

如圖已知上電刷旋轉(zhuǎn)角速度為ω；差動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上的扇形片角速度為ω/2并于電刷同向旋轉(zhuǎn)；下電刷固定不動(dòng)，角速度為0。為了說明在天線旋轉(zhuǎn)過程中，上下電刷之間的各條電路是如何接通的，可以假定扇形片不動(dòng)，而上電刷以ω/2轉(zhuǎn)動(dòng)，下電刷以ω/2反向轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣各機(jī)構(gòu)之間的相對運(yùn)動(dòng)與實(shí)際情況是等效的，如圖所示。

圖4-3（左），電流i從下電刷片A'流入，通過扇形接觸片電路1-1'，由上電刷片A流出，圖4-3（中）為差動(dòng)滑環(huán)的同一部分，但電刷經(jīng)過了一個(gè)運(yùn)動(dòng)單元，此時(shí)從下電刷片A'流入的電流i，通過扇形接觸片1-1'和2-2'所形成的電路，由上電刷片A流出……以此類推，當(dāng)天線連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，流入每個(gè)下電刷的電流，經(jīng)過一個(gè)或兩個(gè)扇形片電路，而流到上電刷，以保證天線座固定部分和轉(zhuǎn)動(dòng)部分之間的各條電路始終接通。圖4-3（右）中是經(jīng)過第二個(gè)運(yùn)動(dòng)單元后的狀態(tài)。由上圖可知，自天線轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，相應(yīng)的兩個(gè)電刷之間時(shí)而由單個(gè)電路導(dǎo)通，時(shí)而由兩個(gè)并聯(lián)的電路導(dǎo)通，為了防止流入兩個(gè)電刷（如A、B）的電流iA、iB流經(jīng)同一扇形片電路而導(dǎo)致匯流環(huán)短路，在設(shè)計(jì)時(shí)要求必須使扇形片的對數(shù)等于電刷對數(shù)的2倍，而且電刷的寬度必須小于扇形片的寬度。

五、匯流環(huán)的保養(yǎng)維護(hù)

（1）在裝備維護(hù)過程中可以利用傳統(tǒng)儀器儀表如兆歐表，示波器，數(shù)字萬用表對電刷和環(huán)間電阻、耐電強(qiáng)度進(jìn)行測試，其中要求接觸電阻小于200mΩ，絕緣電阻大于500kΩ，抗電強(qiáng)度大于1800v，相位變化大于1°，在裝備年維護(hù)和專項(xiàng)技術(shù)活動(dòng)中對匯流環(huán)要進(jìn)行更為徹底細(xì)致的除塵和維護(hù)，確保各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合要求。

（2）當(dāng)匯流環(huán)累計(jì)使用5000小時(shí)時(shí)，應(yīng)組織對差動(dòng)匯流環(huán)進(jìn)行維護(hù)。方法步驟如下：切斷匯流環(huán)電源；取下匯流環(huán)上下、下外殼上的蓋子；緩緩?fù)苿?dòng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)。啟動(dòng)吸塵器，將吸塵器的扁平吸嘴伸進(jìn)維護(hù)窗口，吸凈各匯流環(huán)之間的石磨粉末；用鑷子夾住沾有95%以上無水酒精的脫脂棉球，由上而下地擦洗匯流環(huán)環(huán)芯表面；蓋好上下外殼的蓋子，檢查并接通匯流環(huán)電源。

（3）當(dāng)匯流環(huán)累計(jì)工作10000小時(shí)時(shí)，應(yīng)在上述基礎(chǔ)上，檢查各電刷的壓力，中頻、視頻信號環(huán)電刷壓力應(yīng)在60～100g范圍內(nèi)，電源環(huán)的電刷接觸壓力應(yīng)達(dá)到150～210g，（如果無壓力測試條件，可以將電刷壓力調(diào)節(jié)旋釘旋進(jìn)半圈即可）。

（4）如果裝設(shè)備經(jīng)過長途運(yùn)輸或者長時(shí)間封存情況，應(yīng)檢查電刷尾部壓緊彈簧及壓力調(diào)節(jié)螺釘是否松動(dòng)，清除匯流環(huán)內(nèi)的灰塵，達(dá)到預(yù)防維護(hù)的目的和效果。

差動(dòng)匯流環(huán)作為雷達(dá)裝備的關(guān)鍵部件，對雷達(dá)信號傳輸起著至關(guān)重要的作用，在使用和維護(hù)過程中必須加以高度重視，了解差動(dòng)匯流環(huán)關(guān)鍵技術(shù)和組成原理，規(guī)范匯流環(huán)的維護(hù)和保養(yǎng)工作，對于提高設(shè)備檢修效率，孤立故障部位，裝備可靠性提升，發(fā)揮裝備良好的技戰(zhàn)術(shù)性能起到積極的推動(dòng)作用。