空間大功率長(zhǎng)壽命滾環(huán)電傳輸裝置技術(shù)研究

李 兆，錢志源，，王治易，，趙萬(wàn)華

(1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109；2.上海市空間飛行器機(jī)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201108)

空間大功率長(zhǎng)壽命滾環(huán)電傳輸裝置技術(shù)研究

李 兆1，錢志源1，2，王治易1，2，趙萬(wàn)華2

(1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201109；2.上海市空間飛行器機(jī)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201108)

滾環(huán)是一種新型的匯流環(huán)產(chǎn)品，主要用于旋轉(zhuǎn)部件間的電能傳輸。在國(guó)內(nèi)外資料調(diào)研的基礎(chǔ)上，對(duì)空間大功率長(zhǎng)壽命滾環(huán)電傳輸裝置進(jìn)行了理論分析、樣機(jī)生產(chǎn)及試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明此種結(jié)構(gòu)下的功率滾環(huán)的電性能及工作壽命較傳統(tǒng)導(dǎo)電滑環(huán)均有明顯提升，單環(huán)的傳輸能力提高了近5倍，而回路電阻僅為導(dǎo)電滑環(huán)的15％，并且實(shí)際電性能在低軌15年的工作壽命期間(折合工作轉(zhuǎn)數(shù)約10萬(wàn)轉(zhuǎn))也無(wú)明顯增大的趨勢(shì)。因此功率滾環(huán)可作為后續(xù)空間或其他特殊場(chǎng)合電傳輸裝置的研究方向。

滾環(huán)；電傳輸；整機(jī)設(shè)計(jì)；試驗(yàn)驗(yàn)證

1 引言

匯流環(huán)是在兩個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)部件間進(jìn)行電傳輸?shù)难b置，廣泛應(yīng)用于空間太陽(yáng)帆板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)中，將帆板上產(chǎn)生的電能傳輸至航天器內(nèi)部。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，航天器對(duì)功率的需求越來(lái)越大，在軌工作時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，因此驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)需要進(jìn)行大功率長(zhǎng)壽命的電能傳輸。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)往往采用柱式或盤式導(dǎo)電滑環(huán)作為其內(nèi)部的電傳輸裝置。但在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，導(dǎo)電滑環(huán)的電接觸表面由于滑動(dòng)摩擦而產(chǎn)生較為嚴(yán)重的磨損，導(dǎo)致傳輸效率降低，回路電阻波動(dòng)較大，并形成磨屑，對(duì)電傳輸?shù)目煽啃詭?lái)隱患，從而難以滿足空間大功率長(zhǎng)壽命的電傳輸需要[1]。因此國(guó)內(nèi)外從滾動(dòng)電接觸出發(fā)，探索出壽命更長(zhǎng)、性能更優(yōu)的滾環(huán)電傳輸裝置[2]。

滾環(huán)使用滾動(dòng)電接觸代替滑環(huán)中的滑動(dòng)電接觸，大幅度地降低了接觸表面間的摩擦磨損，因此其電性能更加穩(wěn)定、壽命更長(zhǎng)，可靠性更高。更適合于空間環(huán)境等長(zhǎng)時(shí)間工作且無(wú)法維護(hù)的條件中使用。

從上世紀(jì)80年代，國(guó)外便開(kāi)始了滾環(huán)研究[3]，并成功應(yīng)用于國(guó)際空間站上的α驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(SARJ)中[4]。經(jīng)過(guò)近些年的發(fā)展與優(yōu)化改進(jìn)，已形成了較為成熟的產(chǎn)品，目前已經(jīng)較為廣泛地應(yīng)用在地面航管雷達(dá)及防衛(wèi)雷達(dá)等相關(guān)領(lǐng)域。

國(guó)內(nèi)對(duì)滾環(huán)的研究才剛剛起步，僅處于摸索階段，并未完全掌握滾環(huán)的設(shè)計(jì)技術(shù)。僅哈工大[5]，中電38所[6]進(jìn)行了相關(guān)原理樣機(jī)的研制。但所研制出樣機(jī)僅適合信號(hào)或小額電流的傳輸，且回路的靜態(tài)電阻較大，較難滿足空間大功率電傳輸?shù)男枰?/p>

本文介紹了大功率長(zhǎng)壽命滾環(huán)的技術(shù)研究及樣機(jī)制備工作，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間跑合及性能測(cè)試，最終驗(yàn)證了此結(jié)構(gòu)的滾環(huán)大功率長(zhǎng)壽命傳輸?shù)目尚行浴?/p>

2 大功率滾環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

滾環(huán)主要是由內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)，柔性環(huán)等零件組成，結(jié)構(gòu)形式如圖1[3]。柔性環(huán)在一定預(yù)壓緊的作用下卡在內(nèi)外導(dǎo)電環(huán)之間，當(dāng)內(nèi)外導(dǎo)電環(huán)發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，柔性環(huán)便在內(nèi)外導(dǎo)電環(huán)的環(huán)槽之間進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，并時(shí)刻與內(nèi)外導(dǎo)電環(huán)發(fā)生接觸，以保證內(nèi)外導(dǎo)電環(huán)之間的電傳輸。

圖1 信號(hào)滾環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖Fig·1 Structure of the signal roll ring

在前期滾環(huán)摸索階段我國(guó)研究生產(chǎn)的滾環(huán)原理樣機(jī)便是采用圖1中的結(jié)構(gòu)。此構(gòu)型下的滾環(huán)由于內(nèi)外導(dǎo)電環(huán)一個(gè)環(huán)槽之間僅存在一個(gè)導(dǎo)電環(huán)，難以進(jìn)行大電流大功率的傳輸，一般稱之為信號(hào)滾環(huán)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)滾環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，在內(nèi)外導(dǎo)電環(huán)同一環(huán)槽中加入多個(gè)柔性環(huán)，便可傳輸更大的電流及功率。為了防止柔性環(huán)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生碰撞或運(yùn)動(dòng)干涉等情況，影響機(jī)構(gòu)的電傳輸性能，在相鄰柔性環(huán)之間加入惰輪。另外為了盡可能的減低運(yùn)動(dòng)部件間的相對(duì)摩擦，惰輪需要在特定的軌道上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。最終的滾環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 功率滾環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖Fig·2 Structure of the power roll ring

柔性環(huán)作為滾環(huán)中的關(guān)鍵零部件，其位于滾環(huán)的內(nèi)外導(dǎo)電環(huán)之間，具體運(yùn)動(dòng)示意圖如圖3所示。

圖3 柔性環(huán)運(yùn)動(dòng)示意圖Fig·3 Contrail for the flexiblering

當(dāng)內(nèi)導(dǎo)電環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，柔性環(huán)在內(nèi)環(huán)的帶動(dòng)下也發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。且柔性環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)分為公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)兩種形式，既圍繞內(nèi)外環(huán)的圓周中心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，又圍繞柔性環(huán)自身圓周中心轉(zhuǎn)動(dòng)。因此在大功率滾環(huán)結(jié)構(gòu)中，處于兩柔性環(huán)之間的惰輪作為柔性環(huán)維持圓周間隔而不產(chǎn)生滑動(dòng)的一種措施，也需要在自轉(zhuǎn)的同時(shí)并以柔性環(huán)相同的公轉(zhuǎn)速度進(jìn)行公轉(zhuǎn)。基于以上分析，惰輪需要在一組機(jī)械上依附于內(nèi)導(dǎo)電的導(dǎo)軌上進(jìn)行滾動(dòng)。大功率滾環(huán)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型見(jiàn)圖4，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可通過(guò)該模型進(jìn)行。

圖4 功率滾環(huán)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型Fig·4 Kinematic model of the power roll ring

已知內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速為ω1，外環(huán)固定，內(nèi)環(huán)半徑Ri，外環(huán)半徑Ro，柔性環(huán)半徑r，惰輪半徑rd，r柔性環(huán)壓縮量為β，則其關(guān)系滿足式(1)：

設(shè)柔性環(huán)公轉(zhuǎn)速度為ωα，自轉(zhuǎn)速度為ωβ2。則其關(guān)系滿足式(2)～(3)：

惰輪的公轉(zhuǎn)速度ωd與柔性環(huán)相同，自轉(zhuǎn)速度如式(4)：

對(duì)惰輪與導(dǎo)軌的接觸點(diǎn)進(jìn)行分析，導(dǎo)軌半徑為Rw，則存在式(5)所示關(guān)系：

從速度方向分析，惰輪與內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)速同向，惰輪與導(dǎo)軌需為內(nèi)嚙合。

根據(jù)以上公式結(jié)合幾何關(guān)系進(jìn)行惰輪及導(dǎo)軌的尺寸計(jì)算，便可保證滾環(huán)中內(nèi)外導(dǎo)電環(huán)、柔性環(huán)、惰輪、導(dǎo)軌間接觸點(diǎn)間保持純滾動(dòng)，最大限度的降低磨屑的產(chǎn)生。

在大功率滾環(huán)中，較為重要的技術(shù)指標(biāo)主要為接觸電阻及壽命。以下便對(duì)這兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行理論分析與計(jì)算。

2.2 接觸電阻

由材料力學(xué)可知，柔性環(huán)在壓縮量為β的情況下與其所受的壓縮力F的關(guān)系如式(6)[7]：

式中E為材料的彈性模量、R為柔性環(huán)半徑，I為柔性環(huán)對(duì)其旋轉(zhuǎn)中心的慣性矩；

根據(jù)電接觸理論[8]，單個(gè)柔性環(huán)的接觸電阻如式(7)：

式中ρ為兩接觸表面的平均電導(dǎo)率，H為兩接觸零件中較軟材料的硬度，K1，K2，n為加工系數(shù)，在精加工的情況下，K1＝1，n＝4，K2一般取1～2。

在大功率滾環(huán)中，柔性環(huán)在電路上屬于并聯(lián)關(guān)系，各個(gè)柔性環(huán)與內(nèi)外導(dǎo)電環(huán)間的接觸電阻也應(yīng)屬于并聯(lián)關(guān)系，因此整個(gè)回路中的接觸電阻應(yīng)滿足式(8)：

式中K為單層滾環(huán)中柔性環(huán)的個(gè)數(shù)。

根據(jù)公式(6)～(8)，大功率滾環(huán)中的環(huán)體電阻不到1 mΩ，要遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的導(dǎo)電滑環(huán)。因此大功率滾環(huán)在電傳輸過(guò)程中不僅傳輸?shù)碾娏鞲?，傳輸?shù)男室哺撸瑹岷囊哺　?/p>

2.3 壽命

滾環(huán)中各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件間理論上均為純滾動(dòng)，基本無(wú)磨屑產(chǎn)生，因此滾環(huán)的工作壽命主要取決于柔性環(huán)的疲勞壽命。

柔性環(huán)在受壓下的變形如圖5所示。根據(jù)材料力學(xué)，環(huán)體上各點(diǎn)上的彎矩分布及所受應(yīng)力分別如式(9)、(10)：

圖5 柔性環(huán)受力示意圖Fig·5 The stress diagram of the flexible ring

根據(jù)上述公式，柔性環(huán)工作過(guò)程中各點(diǎn)所受的應(yīng)力僅與其位置相關(guān)，并呈周期性的變化。在設(shè)計(jì)中柔性環(huán)壓縮量為0.5 mm，理論計(jì)算柔性環(huán)所受的壓縮力為0.783 N；計(jì)算的最大應(yīng)力為86.6 MPa。結(jié)合材料的S-N數(shù)據(jù)，對(duì)柔性環(huán)的疲勞壽命進(jìn)行計(jì)算分析。對(duì)于柔性環(huán)材料鈹青銅，按照《銅、銅合金及其制品生產(chǎn)新技術(shù)新工藝流程及質(zhì)量檢驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)》[7]中鈹青銅材料疲勞壽命曲線為參考(見(jiàn)圖6)。

圖6 鈹青銅QBe2·0材料的疲勞壽命曲線[9]Fig·6 The S-N curve of the beryllium bronze QBe2·0[9]

柔性環(huán)所受的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小鈹青銅材料107次時(shí)對(duì)應(yīng)的疲勞應(yīng)力為270 MPa。因此理論分析上滾環(huán)中柔性環(huán)至少可轉(zhuǎn)動(dòng)107轉(zhuǎn)以上。

在應(yīng)用有限元方法對(duì)柔性環(huán)所受應(yīng)力進(jìn)行仿真校核。因?yàn)閮?nèi)外導(dǎo)電環(huán)之間的柔性環(huán)受力情況相同，對(duì)機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，僅分析其中一個(gè)柔性環(huán)的應(yīng)力狀態(tài)。整體模型包括內(nèi)導(dǎo)電環(huán)、外導(dǎo)電環(huán)及柔性環(huán)。劃分網(wǎng)格時(shí)，將與柔性環(huán)接觸的內(nèi)外導(dǎo)電環(huán)圓弧分為20段，與內(nèi)外環(huán)接觸點(diǎn)附近的柔性環(huán)環(huán)向尺寸為0.1 mm、橫向尺寸為0.04 mm。模型共有4.4萬(wàn)單元(如圖7)。

經(jīng)分析，柔性環(huán)的環(huán)向應(yīng)力如圖8所示，與內(nèi)外導(dǎo)電環(huán)接觸點(diǎn)附近環(huán)向應(yīng)力較高，外表面受壓、內(nèi)表面受拉。滾環(huán)的環(huán)向應(yīng)力最值出現(xiàn)在與內(nèi)環(huán)接觸點(diǎn)附近，最大應(yīng)力為83.3 MPa。

為了獲得滾動(dòng)時(shí)每個(gè)截面的應(yīng)力變化曲線，將該位置沿滾環(huán)一周的環(huán)向應(yīng)力提取出來(lái)，如圖9所示，內(nèi)表面應(yīng)力在[-27.7，83.3]Mpa，內(nèi)表面應(yīng)力在[-82.2，42.8]MPa。

圖7 柔性環(huán)有限元模型Fig·7 The finite-element model of the flexiblering

圖8 柔性環(huán)應(yīng)力分布圖Fig·8 The stress distribution of the flexible ring

圖9 柔性環(huán)應(yīng)力變化周期圖Fig·9 The periodical stress variation in the flexible ring

根據(jù)有限元的應(yīng)力分析，柔性環(huán)所受的最大應(yīng)力為83 MPa，同樣可滿足107轉(zhuǎn)的疲勞壽命要求。根據(jù)公式3中柔性環(huán)與內(nèi)導(dǎo)電環(huán)自轉(zhuǎn)速度的關(guān)系，柔性環(huán)在107轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)下，內(nèi)導(dǎo)電環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)約4×106轉(zhuǎn)。

在近地軌道上的空間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般每年的轉(zhuǎn)數(shù)為6000轉(zhuǎn)，長(zhǎng)壽命一般要求15年左右，即要求機(jī)構(gòu)的工作壽命不小于105轉(zhuǎn)。根據(jù)上述分析滾環(huán)的設(shè)計(jì)壽命遠(yuǎn)大于105轉(zhuǎn)動(dòng)需求，可以滿足現(xiàn)空間機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)壽命工作要求。

3 樣機(jī)研制及試驗(yàn)

根據(jù)上述的理論計(jì)算與分析，設(shè)計(jì)生產(chǎn)出一臺(tái)大功率滾環(huán)樣機(jī)，實(shí)物如圖10所示。樣機(jī)共包含4環(huán)路，對(duì)其進(jìn)行了105轉(zhuǎn)的跑合試驗(yàn)，速度為40 rpm。在跑合過(guò)程中，對(duì)其環(huán)路電阻進(jìn)行定時(shí)檢測(cè)。圖11為其環(huán)路電阻的變化趨勢(shì)圖。

圖10 大功率滾環(huán)樣機(jī)Fig·10 The prototype of the high power roll ring

圖11 樣機(jī)環(huán)路電阻變化曲線圖Fig·11 The curve of the loop resistance in the prototype

由大功率滾環(huán)樣機(jī)的電性能測(cè)試情況可得，樣機(jī)的環(huán)路電阻較小，不到3 mΩ，遠(yuǎn)小于現(xiàn)有滑環(huán)中功率環(huán)的環(huán)路電阻(20 mΩ)。且在整個(gè)跑合周期內(nèi)，環(huán)路的電阻曲線均較為平坦，無(wú)明顯增大的趨勢(shì)，證明樣機(jī)的電性能還基本穩(wěn)定，可以滿足空間機(jī)構(gòu)對(duì)電傳輸裝置大功率及長(zhǎng)壽命的要求。

在以上測(cè)試的基礎(chǔ)上，對(duì)樣機(jī)還進(jìn)行了力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)及真空環(huán)境下(＜1.3×10-3Pa)的考核。試驗(yàn)前后，樣機(jī)的狀態(tài)及技術(shù)參數(shù)保持一致，說(shuō)明滾環(huán)這種新型的電傳輸裝置不僅電性能優(yōu)于以往的導(dǎo)電滑環(huán)產(chǎn)品，在空間這種特殊的環(huán)境下同樣可以滿足使用要求。

滾環(huán)樣機(jī)的主要性能參數(shù)列于表1。

表1 滾環(huán)樣機(jī)主要性能參數(shù)Table 1 Main parameters of the prototype roll ring

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)大功率滾環(huán)電傳輸裝置的理論研究及設(shè)計(jì)生產(chǎn)試驗(yàn)的成功驗(yàn)證，得出如下結(jié)論：

1)經(jīng)過(guò)理論研究分析及工程樣機(jī)試驗(yàn)的驗(yàn)證，證明了功率滾環(huán)這種新構(gòu)型電傳輸裝置結(jié)構(gòu)形式的合理性，后續(xù)可以應(yīng)用于空間及地面相關(guān)匯流環(huán)使用的場(chǎng)所。

2)與傳統(tǒng)導(dǎo)電滑環(huán)相比，功率滾環(huán)的傳輸能力及傳輸性能明顯提高，功率滾環(huán)工程樣機(jī)中單環(huán)傳輸電流可以達(dá)到40 A以上，傳輸電壓可達(dá)100 V。遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)滑環(huán)單環(huán)一般不超過(guò)10 A的傳輸能力。匯流環(huán)最重要的傳輸性能——環(huán)路電阻也有明顯改善，經(jīng)105轉(zhuǎn)跑合后，僅為3 mΩ，明顯小于傳統(tǒng)滑環(huán)二三十毫歐的技術(shù)指標(biāo)。

3)在整個(gè)壽命期間，功率滾環(huán)工程樣機(jī)的電性能指標(biāo)及其穩(wěn)定，環(huán)路的電阻波動(dòng)終小于1 mΩ。遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)滑環(huán)壽命末期電阻波動(dòng)近5 mΩ的指標(biāo)。

根據(jù)以上分析研究與樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了功率滾環(huán)設(shè)計(jì)的合理性。相較于傳統(tǒng)滑環(huán)，具有傳輸電流大、傳輸效率高、工作壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，可以應(yīng)用在空間或其他傳輸功率較大、工作壽命較長(zhǎng)、電性能指標(biāo)較為苛刻的匯流環(huán)應(yīng)用場(chǎng)所。

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Research on High-power and Long-life Roll Ring for Electric Transmission in Space

LI Zhao1，QIAN Zhiyuan1，2，WANG Zhiyi1，2，ZHAO Wanhua2
(1.Aerospace System Engineering Shanghai，Shanghai201109；2.Shanghai Key Laboratory of Spacecraft Mechanism，Shanghai201108)

The roll ring is a new kind of collector ring，which can be used for electric transmission between relative rotary mechanisms.On the basis of the domestic and international researches，the high-power and long-life roll ring for electric transmission in space was studied through theoretical analysis，prototype manufacturing and test validation.The results showed that the electrical properties and the working life of the power roll ring were improved significantly than that of the conventional slip ring.Electric transmission capacity of each loop increased by nearly five times，but the loop resistance was only 15％of the slip ring.The entire electrical performance was stable during the 15 years lifetime in LEO(equivalent to approximately 100，000 working revolutions).So the power roll ring can become a new king of collector ring for the space station or other special occasions.

roll ring；electric transmission；machine design；test validation

TM241

A

1674-5825(2015)05-0498-05

2014-09-10；

2015-07-12

李 兆(1986-)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)轵?qū)動(dòng)指向機(jī)構(gòu)及電傳輸機(jī)構(gòu)。E-mail：lizhaoxjtu＠163.com