一種新型功率匯流環(huán)的設(shè)計(jì)

鄧書山，趙克俊，康成彬

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

0 引 言

航空雷達(dá)是一種重要的空中電子偵察設(shè)備，其功能是實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)距離、低空小目標(biāo)的探測。為了提高平臺的穩(wěn)定性，雷達(dá)在設(shè)計(jì)時(shí)都要考慮到體積小、重量輕的設(shè)計(jì)原則。匯流環(huán)作為雷達(dá)設(shè)備的關(guān)鍵部件，其功能是實(shí)現(xiàn)雷達(dá)旋轉(zhuǎn)部分與固定部分之間功率和數(shù)據(jù)信號的連續(xù)旋轉(zhuǎn)傳輸。傳統(tǒng)功率匯流環(huán)大部分都是采用銀石墨電刷作為接觸摩擦副，銀石墨電刷是采用粉末冶金方法制造成的滑動(dòng)接觸副。其主要特點(diǎn)是自潤滑性好，接觸面積大，傳輸能力強(qiáng)；但是體積較大,落粉較多，需要定期維護(hù)。

由于航空雷達(dá)設(shè)計(jì)的特殊原則，對功率匯流環(huán)設(shè)計(jì)提出了體積小、重量輕、傳輸功率大等要求，使得傳統(tǒng)碳刷匯流環(huán)在航空雷達(dá)上的使用受到一定限制。

針對航空雷達(dá)的特殊要求，考慮到國內(nèi)金屬刷絲性能提高以及導(dǎo)電環(huán)表面處理工藝穩(wěn)定，提出了一種采用刷絲作為摩擦接觸副的新型功率匯流環(huán)設(shè)計(jì)方法，分析了導(dǎo)電環(huán)和絕緣環(huán)特點(diǎn)對匯流環(huán)性能的影響，并對新型導(dǎo)電環(huán)和絕緣環(huán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，同時(shí)對該功率匯流環(huán)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步探討，對今后類似雷達(dá)功率匯流環(huán)設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

1 技術(shù)要求

本設(shè)計(jì)的技術(shù)要求如下：雷達(dá)回轉(zhuǎn)速度6～12 r/min，單通道工作功率≤30 kW，體積小，重量輕，傳輸功率大，壽命長，可靠性高，使用壽命周期內(nèi)免維護(hù)。

2 匯流環(huán)設(shè)計(jì)

雷達(dá)匯流環(huán)按結(jié)構(gòu)形式主要分為：柱式匯流環(huán)、盤式匯流環(huán)、差動(dòng)匯流環(huán)等。匯流環(huán)的設(shè)計(jì)主要根據(jù)雷達(dá)技術(shù)指標(biāo)和空間要求，選用不同結(jié)構(gòu)形式的匯流環(huán)和不同電接觸摩擦副形式來設(shè)計(jì)。

以往地面功率匯流環(huán)都是采用柱式匯流環(huán)，導(dǎo)電環(huán)材料主要選用黃銅或銀銅釩合金，電接觸摩擦副電刷主要選用銀石墨復(fù)合材料。但是某航空雷達(dá)要求設(shè)計(jì)的功率匯流環(huán)體積小、重量輕、傳輸功率大，同時(shí)要求該匯流環(huán)壽命長，可靠性高，使用壽命期內(nèi)免維護(hù)。因此該匯流環(huán)的設(shè)計(jì)原則是：(1)在結(jié)構(gòu)形式上選用柱式結(jié)構(gòu)；(2)電接觸摩擦副選用金屬刷絲。根據(jù)該雷達(dá)空間尺寸要求，將功率匯流環(huán)外形尺寸設(shè)計(jì)為直徑160 mm、高200 mm，其外形如圖1所示。

圖1 功率匯流環(huán)外形圖

2.1 金屬刷絲選擇

匯流環(huán)設(shè)計(jì)中電接觸摩擦副一般可選用銀石墨電刷和金屬刷絲。由于采用銀石墨電刷的傳統(tǒng)匯流環(huán)落粉較多，需定期維護(hù)，在航空雷達(dá)上使用受到一定的限制。金屬刷絲是一種直徑為0.2～1.0 mm的金基合金絲，常用金屬刷絲為金鎳合金刷絲和金銀銅合金刷絲，主要特點(diǎn)是耐磨性好、體積小、落粉極少。

本文在設(shè)計(jì)功率匯流環(huán)時(shí)既要考慮到空間和重量的限制，又要考慮滿足要求的功率，決定采用多組金屬刷絲并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式，如圖2所示。金屬刷絲選用金鎳合金刷絲。如果功率匯流環(huán)電接觸摩擦副選用銀石墨電刷，要提高載流能力，必須把電刷的截面積設(shè)計(jì)得足夠大，這樣導(dǎo)電環(huán)和電刷就會占用很大的空間和重量。而采用多組金屬刷絲并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式可以明顯減小匯流環(huán)的空間和重量，同時(shí)又能夠滿足傳輸大電流的要求。

圖2 金屬刷絲并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖

2.2 導(dǎo)電環(huán)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)導(dǎo)電環(huán)首先要選擇合適的材料，導(dǎo)電環(huán)材料主要根據(jù)導(dǎo)電系數(shù)、耐磨性、防氧化和防硫化能力來選擇。常用的材料有紫銅、黃銅、銀銅合金和金。紫銅導(dǎo)電率高，但易受腐蝕；黃銅導(dǎo)電率比紫銅低，但成本低，在大電流和性能要求不高的情況下可以采用；銀銅合金具有良好的導(dǎo)熱性能，由于銅的加入能改善銀基體的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，并降低熔焊傾向，使其具有較好的電接觸性能，同時(shí)添加少量的鎳、鋰、鋁、釩、鋯、鈹，可以顯著提高力學(xué)性能，而且改善了化學(xué)穩(wěn)定性，應(yīng)用最普遍；金雖然電阻比銀高，但表面不易氧化，主要用作要求噪聲電平低的小型滑環(huán)，對于大型滑環(huán)，用金成本太高[1]。由于雷達(dá)匯流環(huán)轉(zhuǎn)速較低，可以在銅環(huán)表面涂覆貴金屬層使用?？紤]到以往匯流環(huán)設(shè)計(jì)中的成熟技術(shù)，在該匯流環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)選用銀銅合金作為導(dǎo)電環(huán)材料。

導(dǎo)電環(huán)與金屬刷絲組合的設(shè)計(jì)形式主要有V型槽與金屬刷絲組合、U型槽與金屬刷絲組合設(shè)計(jì)，如圖3所示。V型槽與金屬刷絲接觸是2點(diǎn)接觸形式，而U型槽與金屬刷絲接觸是單點(diǎn)接觸形式，金屬刷絲在傳輸電流時(shí)，2點(diǎn)接觸顯然比單點(diǎn)接觸更可靠，其載流能力更強(qiáng)。考慮到該航空雷達(dá)功率匯流環(huán)用來傳輸功率，為了提高匯流環(huán)載流能力以及可靠性，該匯流環(huán)設(shè)計(jì)采用了V型槽與金屬刷絲組合形式。

2.3 絕緣環(huán)設(shè)計(jì)

在匯流環(huán)中，絕緣環(huán)起到各導(dǎo)電環(huán)之間絕緣的作用，它設(shè)計(jì)的可靠性對匯流環(huán)安全運(yùn)行至關(guān)重要。一般絕緣環(huán)要求在高溫、高濕等環(huán)境條件下具有優(yōu)異的絕緣性能，在一些匯流環(huán)故障中，有許多問題是由于絕緣環(huán)材料選擇和使用不當(dāng)而引起的。

常用的絕緣材料有聚四氟乙烯和尼龍1010材料。聚四氟乙烯具有極好的耐高溫、低溫性能，長期使用溫度-180 ℃～250 ℃，良好的絕緣性能，吸水性低(幾乎不吸水)，突出的化學(xué)穩(wěn)定性，極好的耐大氣老化性能[1-2]。尼龍1010具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和抗沖擊韌性，耐磨性能好，耐油、耐電弧優(yōu)良，耐化學(xué)性能好，吸水性大。聚四氟乙烯和尼龍1010主要技術(shù)性能參數(shù)見表1。通過表1可以看出，聚四氟乙烯在體積電阻率、熔點(diǎn)和吸水率等性能上都比尼龍1010高，雖然聚四氟乙烯的密度比尼龍1010稍高，但是考慮到該功率匯流環(huán)設(shè)計(jì)的單通道傳輸電流達(dá)到150 A，絕緣材料需要更高的熔點(diǎn)以及更低的吸水率。因此，在該匯流環(huán)設(shè)計(jì)中絕緣環(huán)材料選用聚四氟乙烯。

表1 聚四氟乙烯與尼龍1010性能參數(shù)

2.4 密封設(shè)計(jì)

考慮到該匯流環(huán)可能在濕氣、雨水和鹽霧等潮濕環(huán)境中工作，為了保護(hù)匯流環(huán)，在匯流環(huán)整體設(shè)計(jì)時(shí)對其進(jìn)行了密封設(shè)計(jì)。密封是匯流環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)部分與固定部分的密封，主要由轉(zhuǎn)動(dòng)軸軸承外側(cè)的油封、O型橡膠密封圈和兩端蓋板螺釘處的密封墊組成。圖4所示為匯流環(huán)密封設(shè)計(jì)圖。該密封設(shè)計(jì)采用了O型橡膠密封圈。O型密封圈結(jié)構(gòu)簡單、拆裝方便、性價(jià)比高，作為靜密封，其“零泄露”密封效果顯著[3]，因而選用O型橡膠密封圈作為密封介質(zhì)。

圖4 匯流環(huán)密封設(shè)計(jì)圖

2.5 功率匯流環(huán)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

在該功率匯流環(huán)設(shè)計(jì)中考慮了金屬刷絲、導(dǎo)電環(huán)和絕緣環(huán)的設(shè)計(jì)與材料選用，同時(shí)也對提高該匯流環(huán)整體可靠性的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步探討。

(1) 為了滿足匯流環(huán)單通道載流能力，采用了合適直徑的金屬刷絲，并設(shè)計(jì)了多組金屬刷絲并聯(lián)的結(jié)構(gòu)形式來提高單通道傳輸大電流能力。如果導(dǎo)電環(huán)與金屬刷絲接觸面積過小，傳輸大電流時(shí)，會導(dǎo)致導(dǎo)電環(huán)與金屬刷絲發(fā)熱，從而引起金屬刷絲熔斷,造成斷路。將導(dǎo)電環(huán)表面設(shè)計(jì)成V型槽結(jié)構(gòu)形式以及選擇合適的金屬刷絲可以確保匯流環(huán)傳輸大功率的可靠性。

(2) 導(dǎo)電環(huán)V型槽表面光潔度要高。導(dǎo)電環(huán)表面光潔度高可以減少與金屬刷絲的磨損，從而提高匯流環(huán)的壽命。同時(shí)，導(dǎo)電環(huán)表面要鍍上一層貴金屬，這樣可以顯著增強(qiáng)導(dǎo)電環(huán)的導(dǎo)電性和耐磨性，有利于提高匯流環(huán)傳輸電流能力和壽命。

(3) 在設(shè)計(jì)絕緣環(huán)時(shí)，為了在有限空間尺寸范圍內(nèi)提高匯流環(huán)絕緣性能，需要考慮增加導(dǎo)電環(huán)間爬電距離，因而要對傳統(tǒng)絕緣環(huán)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，如圖5所示。這樣可以看出由于采用了改進(jìn)后的絕緣環(huán)結(jié)構(gòu)形式，使得導(dǎo)電環(huán)間爬電距離明顯增加。

圖5 絕緣環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較

3 結(jié)束語

考慮到航空雷達(dá)特殊的設(shè)計(jì)要求，匯流環(huán)設(shè)計(jì)在空間和重量上有著嚴(yán)格的限制。新型功率匯流環(huán)設(shè)計(jì)選擇了金鎳合金刷絲，采用了多組金屬刷絲并聯(lián)的方式，將導(dǎo)電環(huán)設(shè)計(jì)成V型槽的結(jié)構(gòu)形式，選用了聚四氟乙烯作為絕緣環(huán)材料，并對傳統(tǒng)絕緣環(huán)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。新型功率匯流環(huán)具有一些顯著的優(yōu)點(diǎn)：體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)單通道30 kW的功率旋轉(zhuǎn)傳輸。后期經(jīng)過一系列環(huán)境試驗(yàn)和實(shí)際加載試驗(yàn)，結(jié)果表明該新型功率匯流環(huán)各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均能滿足航空雷達(dá)使用要求。