一種針對短波發(fā)射機天線交換開關(guān)的組合軸套設計

邵昱博

摘 要 因天線交換開關(guān)下軸套在倒換中錯誤率較高，導致軸套產(chǎn)生非正常磨損，嚴重時甚至引起主軸抱死，開關(guān)無法及時到位。經(jīng)過分析上一代軸套與現(xiàn)場實際使用情況，提出了一種組合軸套設計，通過建立結(jié)構(gòu)接觸模型，論證了設計的可行性與應用價值，較好地解決了開關(guān)轉(zhuǎn)動卡死等問題。

關(guān)鍵詞 組合軸套;磨損;壓力軸承;轉(zhuǎn)動卡死

隨著我國科技的迅猛發(fā)展，短波天線技術(shù)被廣泛應用在遠程電磁波傳輸發(fā)送中，這一點在我國廣播電臺得到了充分的體現(xiàn)。短波天線技術(shù)的穩(wěn)定對廣播電視節(jié)目的正常播放與系統(tǒng)的安全運行產(chǎn)生直接影響，其中短波天線交換開關(guān)的維護一直是短波天線技術(shù)中重要的一個環(huán)節(jié)，其維護的效果直接影響到倒換天線時的效率。具體的維護工作大體分為三類，上下軸套，刀口與開關(guān)限位觸點，開關(guān)馬達電機。在實際維護中，常常出現(xiàn)因為上下軸套抱死主軸引起的開關(guān)無法及時到位故障，直接影響自動化系統(tǒng)告警并錯誤檢測到位信號，造成停播隱患。同時考慮到設備所處空氣環(huán)境的因素，比如含沙量大等極端惡劣條件，將會加劇軸套的磨損程度，降低系統(tǒng)穩(wěn)定性。本文提出了一種組合軸套設計，替換了原有的摩擦環(huán)與三眼軸套，很大程度地降低了轉(zhuǎn)動卡死等故障，明顯降低維護量，推動了安全傳輸發(fā)射工作更好發(fā)展。

1組合軸套設計

1.1 磨損損傷物理機制分析

在相對運動的條件下，任意兩個零件相互接觸，在其接觸面上會產(chǎn)生阻止相對運動的現(xiàn)象，稱為摩擦。假設在這個相對運動的過程中出現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)換與損耗，最終形態(tài)可稱之為磨損。如圖1，以上一代軸套中摩擦環(huán)為例，材料的磨損是一個動態(tài)的過程。

因為上一代軸套的摩損件為磨擦環(huán)，所以可以總結(jié)交換開關(guān)主軸與下軸套的磨損大概分為幾個階段：由于鑄鐵主軸因加工原因表面粗糙度值大，同時新軸套表面也會存在輕微刀痕，經(jīng)過磨合期后，軸套內(nèi)徑表面微凸體會被磨平，幾何形貌發(fā)生改變，粗糙度顯著降低，在磨合期施加適量的潤滑，有利于兩者之間的磨合。在經(jīng)歷的磨合期后兩者會進入穩(wěn)定磨損階段，由于設備所處環(huán)境的工況惡劣，自身密封條件差，空氣中的磨粒很容易進入摩擦副，在巨大的徑向載荷和切向載荷的作用下，較硬的磨粒會在軸表面產(chǎn)生劃傷，繼續(xù)使用下進一步加劇軸套的磨損，產(chǎn)生磨粒磨損。

考慮到軸套上表面存在弧度，如圖2，結(jié)合軸套與主軸的摩擦力相當于給軸套的切向增加了一個切向力，方向設為正方向，此接觸面的處理是在微元法的基礎上，求得等效力矩的大小。

暫考慮主軸與軸套內(nèi)徑相差不大，假設切面均分，兩處接觸模型中單側(cè)配合面與兩側(cè)配合面原理類似[1]，其等效摩擦力可表示為：

（1）

主軸轉(zhuǎn)動正壓力為：

（2）

其中為配合面上的平均壓應力，為兩側(cè)接觸面積之和。因?qū)⑶忻婢?，此處需按照兩個半周的和面積。

（3）

為兩半周面平均接觸寬度，同時的取值與配合間隙有關(guān)?？紤]在實際使用中軸心的接觸變形壓縮量，總結(jié)出：

（4）

為調(diào)整系數(shù)，軸套內(nèi)長為。將（2）、（3）、（4）代入（1），其中，得出：

（5）

在實際工作過程中軸與軸套并非完全接觸，實際使用中的主軸與軸套的配合采用的是間隙配合，配合間隙的大小會在一定程度上影響軸套的磨損，當間隙過小時，摩擦副間形成的潤滑油膜不穩(wěn)定，且油膜承載能力有限容易導致軸套磨損或斷裂;而當間隙過大時，軸套的接觸疲勞壽命會大大縮短。軸套作為開關(guān)中長久性使用的部件，在運行過程中，軸套的擠壓力和復合機械力同時作用于軸徑表面，引發(fā)長久性變形，嚴重降低金屬的退讓性[2]。在出現(xiàn)間隙以后，如果不及時發(fā)現(xiàn)并采取相應措施，就會出現(xiàn)間隙不斷擴大直到磨損的情況出現(xiàn)。

1.2 組合軸套設計

如圖3，組合軸套由主體軸套、壓力軸承、平面墊圈三部分組成，主體軸套作為設計的框架，一方面保證組合軸套可以順利的安裝在原有孔洞處，保持上下軸套位置不發(fā)生改變，另一方面可以作為壓力軸承的滾槽，確保壓力軸承在一定空間位置內(nèi)移動。壓力軸承由帶滾針或圓柱滾子的平面保持架組件組成，滾針和圓柱滾子受到平面保持架的保持和引導完成工作。平面墊圈的設計為軸套磨損的問題提出了很好的解決思路，防止因軸套的頻繁更換導致固定位置不穩(wěn)定，從而加劇維護量。

1.3 新舊軸套對比分析

從摩擦磨損上講，因老一代軸套中摩擦環(huán)與主軸直接接觸，長期使用下，必然會誘發(fā)磨料磨損、粘著磨損、氧化磨損和塑性變形等一系列情況，隨著軸套內(nèi)部的磨損程度加大，主軸質(zhì)量過大，塑性變形表現(xiàn)更加突出，引發(fā)直接抱死等復雜問題，維護中只能借助拔軸器進行拆卸。組合軸套中平面墊圈直接與主桿接觸，減少主體軸套的受力程度，同時壓力軸承由于選用高精度圓柱滾針增加了接觸長度，強載荷能力與高剛度得到保持，同時可作業(yè)于狹小空間中。其中核心部件中以滾針和圓柱滾子的弧面定為修形面，明顯降低邊緣應力，提高使用壽命。

從固定結(jié)構(gòu)上講，老一代軸套從卡孔底部頂入，其中三個固定螺桿因受整體軸承自身重力導致負荷過大，長期使用會發(fā)生退絲現(xiàn)象。改進后的組合軸套從卡孔頂部進入位置，在自身重力的作用下恰好作用預設卡孔位置。為輔助固定軸套，將原有三螺桿固定改為四螺桿固定，因軸套的卡孔平面上會產(chǎn)生整體向上的支持力，如圖4，較老一代軸套來講，一定程度上減輕了螺桿負荷。在長期大扭矩使用中，整體穩(wěn)定性表現(xiàn)更好，所以組合軸套的設計明顯降低維護量，減輕維護成本?？紤]到外部環(huán)境空氣中含沙量大，沙礫進入主軸與軸套間隙中會增加摩擦，平面墊圈在保證壓力軸承在滾槽內(nèi)不發(fā)生位移的條件下，可以有效阻止沙礫的進入，在一定程度上減少磨損。

2結(jié)束語

軸套作為一個在天線交換開關(guān)中常見卻十分重要的機械零件，因其本身單個價值不高有時甚至不足以引起人們的重視，但其使用量大、報廢率高，在資源和能源日益緊缺的今天，是十分值得研究的。本文主要針對天線交換開關(guān)軸套提出了一種組合軸套的設計思路，在很大程度上減少了摩擦磨損，降低了其維護量，使得整體穩(wěn)定性大幅提高，但在使用中，考慮到多重因素造成的復雜性，仍需根據(jù)不同廣播電視臺站的實際情況進行改進，最終達到較好的使用效果。

參考文獻

[1] 邊春華，王云偉，文杰.長軸泵導軸承磨損原因分析[J].金屬熱處理，2019，44（S1）：417-420.

[2] 黃河.機構(gòu)轉(zhuǎn)動副間隙磨損研究及其在機構(gòu)設計中的應用[D].華僑大學，2018.