劉文科 鄭傳榮 趙克俊 張瑞玨
(中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088)
匯流環(huán),也稱滑環(huán),是實現(xiàn)設備旋轉部分與固定部分之間的電能和信號穩(wěn)定可靠連接的精密裝置[1]。在匯流環(huán)運行過程中,其性能的好壞將直接影響其工作穩(wěn)定性、可靠性和使用壽命,進而影響雷達總體的工作性能。對匯流環(huán)進行性能參數(shù)的檢測能夠有效地了解和掌握匯流環(huán)的性能,及時發(fā)現(xiàn)問題,并解決問題。
本文對某型號雷達匯流環(huán)的主要電性能參數(shù)進行了實際測試,對測試的結果進行了原因分析,提出了相應的解決措施,對今后類似產(chǎn)品的問題分析和結構設計提供參考依據(jù)。
電刷與導電環(huán)接觸部位之間的電阻稱為接觸電阻。接觸電阻的大小及變化是衡量匯流環(huán)質(zhì)量好壞的重要指標。一般來說,接觸電阻越小,接觸性能越好。過大的接觸電阻會使接觸部位溫度升高,導致接觸件表面氧化加快,從而降低壽命。接觸電阻的變化直接影響匯流環(huán)信號傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性,甚至出現(xiàn)故障失效[3,4]。
接觸電阻采用智能高精度微電阻測試儀進行測量。測試方法為:匯流環(huán)在試驗臺上以一定的速度轉動,將被測的兩相鄰通道的導電環(huán)引線串聯(lián),微電阻測試儀兩接線端分別連接這兩個通道的電刷引線,獲得相串聯(lián)的兩個通道的動態(tài)接觸電阻變化值,將該值除以2 即為單個通道的動態(tài)接觸電阻變化值。
絕緣電阻是指通道之間以及各通道與地之間的泄露電阻。
絕緣電阻采用兆歐表測量。其測試方法為:匯流環(huán)在試驗臺上以一定的速度轉動,將電刷引線隔離放置,用兆歐表兩端分別接匯流環(huán)外殼和被測通道的導電環(huán)引線,可測得該通道對地的絕緣電阻;同理,將兆歐表兩端分別接兩個相鄰通道的導電環(huán)引線,則可測得相鄰通道間的絕緣電阻。
電介質(zhì)強度是指在導電環(huán)兩個相鄰電路之間加上一定的直流或50Hz 交流電壓,其最薄弱點所能承受的電位擊穿的能力。當電路發(fā)生電弧放電或漏電電流超過限定值,則認為失效。
電介質(zhì)強度與材料的絕緣介質(zhì)性能有關,反映了承受高電位擊穿的能力。試驗采用耐壓測試儀對匯流環(huán)各通道進行測試。具體方法為:將耐壓測試儀的兩端接到匯流環(huán)的被測通道上,施加規(guī)定的電壓值并保持1min,若未發(fā)生飛弧或擊穿,則說明符合要求,否則表明不合格。
為保證環(huán)路導電傳輸?shù)姆€(wěn)定性,匯流環(huán)各個通道的動態(tài)接觸電阻變化值要求不超過10mΩ。試驗匯流環(huán)測試得到的數(shù)據(jù)如表1所示。
設計意圖 同理,利用步驟化呈現(xiàn)方式對圖形進行移動.通過移動可以看到,移動后的圖形6④與第二步代數(shù)式的意義相同:c2等于大正方形的面積減去兩個長方形的面積.移動后可以得到兩個正方形,它們的邊長分別為a和b,面積分別對應為a2和b2.原圖與移動后的圖形中四個三角形的面積是相等的,除了三角形面積之外,剩下的正方形面積是什么關系呢?通過構造這兩個正方形,得出c2與a2、b2之間的關系.為了避免產(chǎn)生干擾,同樣可以刪除多余信息,得出c2=a2+b2.圖形展示完后,再讓學生觀看圖6⑥,讓學生感受它們之間的關系.
表1 匯流環(huán)各通道動態(tài)接觸電阻變化實測值
從表1 中可以看出,3、4 號通道的動態(tài)接觸電阻變化值偏大,達到34mΩ,已超過指標要求。這種現(xiàn)象出現(xiàn)的可能原因主要有:電刷與導電環(huán)之間的接觸不好,接觸壓力不夠,造成虛接觸;導電環(huán)表面覆蓋了一層導電性差的金屬氧化膜,導致接觸電阻增加;由于加工或安裝的原因,使電刷或導電環(huán)有輕微變形。
經(jīng)過仔細檢查發(fā)現(xiàn),在導電環(huán)表面已沉積了一層氧化膜,造成了通道動態(tài)接觸電阻變化值偏大。對導電環(huán)接觸表面進行砂紙打磨并用無水乙醇清洗后測試,動態(tài)接觸電阻變化值減小為4mΩ,達到指標要求。
總的來說,接觸電阻變化值會受到接觸材料、接觸形式和表面狀態(tài)、機械狀態(tài)等多種因素的影響。降低接觸電阻變化值的有效途徑主要有:
(1)采用綜合性能優(yōu)良的接觸材料,包括良好的導電性、化學穩(wěn)定性、耐磨性等。滑環(huán)最常用的材料為銅合金,并在表面鍍銀等貴金屬;電刷的材料較多,有銅合金、石墨、銅-石墨、銀-石墨以及貴金屬合金等[5];
(2)采用適當?shù)慕佑|壓力。理論及實踐證明,接觸壓力對接觸電阻變化值具有重要影響。接觸壓力越大,接觸電阻變化值越小。但當接觸壓力過大時,會導致接觸面的摩擦力增大,電刷和導電環(huán)的磨損加劇,使用壽命縮短[6]。
(3)增加接觸元件間的有效接觸面積。在足夠的壓力下,電刷和導電環(huán)應選用面接觸形式。對于塊狀電刷,在設計加工過程中,與導電環(huán)接觸的面通常被設計加工成凹面形狀,與導電環(huán)的曲率半徑大致相等;對于刷絲,導電環(huán)則設計成V 型槽。安裝完成后,匯流環(huán)進行一定時間的跑合試驗,盡量使電刷與導電環(huán)之間的有效接觸面積達到最大。
對于一般的匯流環(huán),在相對濕度為60%、直流高壓為500V 時,最小絕緣電阻達到100MΩ,基本符合要求。測試所用的匯流環(huán)要求的絕緣電阻更高,通道之間以及各通道與地之間的絕緣電阻均不低于500MΩ。
表2所示為試驗測得匯流環(huán)各個通道對地的絕緣電阻數(shù)值。
表2 匯流環(huán)各通道對地的絕緣電阻測試值
從表2 中可以看出,3 號通道對地絕緣電阻數(shù)值為0,表明發(fā)生短路。其余通道對地絕緣電阻數(shù)值不低于500MΩ,滿足指標要求。
表3所示為實驗測得匯流環(huán)相鄰通道之間的絕緣電阻數(shù)值。
表3 匯流環(huán)相鄰通道之間的絕緣電阻測試值
從表3 中可以看出,3-4 號通道間的絕緣電阻偏小,僅為200MΩ 左右;而7-8 號通道間發(fā)生短路;其余通道間的絕緣電阻均不低于500MΩ,滿足指標要求。
造成絕緣電阻數(shù)值偏小的原因可能是:環(huán)境中空氣濕度大,造成材料上有潮氣凝聚,使絕緣電阻數(shù)值降低;加工過程材料有裂紋、氣泡,這些裂紋、氣泡在匯流環(huán)安裝或使用過程中進入水氣或其他導電介質(zhì),導致絕緣電阻數(shù)值下降。
通道間發(fā)生短路的原因主要有:兩個導電環(huán)之間存在有導電介質(zhì);其中某一環(huán)引線破皮,與另一環(huán)接觸;在裝配過程中兩導電環(huán)有部分粘連在一起。
經(jīng)過排查發(fā)現(xiàn),由于電刷和導電環(huán)接觸磨損,形成了較多的刷粉聚集在6 和7 通道附近區(qū)域,導致短路[7-8]。采用無水乙醇對該區(qū)域仔細清潔后再進行測試,絕緣電阻數(shù)值達到要求。
通常來說,絕緣電阻主要取決于絕緣材料的性能和相鄰電路的間距。因此,可用以下方法增大絕緣電阻:
(1)采用絕緣性能較好的材料進行絕緣隔離,要求材料的尺寸穩(wěn)定性好、吸濕性低,常用的絕緣環(huán)材料有環(huán)氧玻璃布板、聚四氟乙烯等。
(2)增加兩相鄰環(huán)路的絕緣距離,在尺寸允許的情況下,盡量增大導電環(huán)之間或導電環(huán)和電刷之間的絕緣距離,提高絕緣性能。
(3)電刷和導電環(huán)接觸區(qū)域的落粉應定期進行清理,防止在導電環(huán)之間形成粘連造成絕緣電阻減小甚至發(fā)生短路。
對于一般匯流環(huán),耐壓數(shù)值在500V-1000V 左右即為滿足要求[9]。本試驗匯流環(huán)的指標要求為不低于500V。對匯流環(huán)各個通道施加500V 試驗電壓進行測試,得到的耐壓測試結果如表4所示。
表4 匯流環(huán)各通道耐壓測試
從表中可以看到,各個通道的耐壓測試結果均顯示合格,證明匯流環(huán)的電介質(zhì)強度性能指標滿足要求。
接觸電阻、絕緣電阻和電介質(zhì)強度是匯流環(huán)最常用的電性能參數(shù),其數(shù)值的好壞直接反映了匯流環(huán)的電性能指標是否滿足要求。定期對匯流環(huán)進行性能參數(shù)測試,有利于及時發(fā)現(xiàn)存在的問題。通過對數(shù)據(jù)結果進行分析,找到不合格數(shù)據(jù)的產(chǎn)生原因并給出對應的解決措施,從而確保匯流環(huán)穩(wěn)定可靠地工作。
[1]平麗浩,黃普慶,張潤逵等.雷達結構與工藝[M].北京:電子工業(yè)出版社,1994.
[2]吳鳳高.天線座結構設計[M].西安:西北電訊工程學院出版社,1986.
[3]李坤芝.導電滑環(huán)技術研究[J].艦船科學技術,1994,(5):56-58.
[4]許軍,李坤.電接觸的接觸電阻研究[J].電工材料,2011,(1):10-13.
[5]薛萍,陳少兵,劉麗.電滑環(huán)中的導電環(huán)和電刷[J].光纖與光纜及其應用技術,2012,(1):11-13.
[6]張武.匯流環(huán)接觸問題分析[J].火控雷達技術,2009,38(3):78-82.
[7]李明元.CINRAD-CD 雷達匯流環(huán)故障分析與排除[J].貴州氣象,2010,34(3):39-40.
[8]李超,朱涵一.功率匯流環(huán)的設計及應用[J].電子機械工程,2005,21(5):41-43.
[9]李雨明,張宜川,潘全亮.電介質(zhì)強度及其測試[J].中國醫(yī)療器械雜志,2007,31(4):54-56.