基于匯流環(huán)瞬斷問題的電接觸副改進設計

葉 堃，林方密，戴 燁，劉 勵

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

匯流環(huán)的作用是使雷達天線系統(tǒng)與轉臺之間形成電能和信號通路的連續(xù)連接。作為雷達轉臺系統(tǒng)的關鍵部件，匯流環(huán)安裝在轉臺系統(tǒng)(固定部分)和天線系統(tǒng)(旋轉部分)之間，三者旋轉軸重合。常用的柱式匯流環(huán)通常以電刷及外殼為外圈，環(huán)芯為內圈，外圈與轉臺基座固定，天線系統(tǒng)通過撥叉帶動內圈轉動。匯流環(huán)工作異常會影響信號和電流的正常傳遞，其可靠性是制約雷達系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的關鍵因素之一。

1 匯流環(huán)結構及問題概述

1.1 匯流環(huán)結構

本文所述的匯流環(huán)是一種常用的柱形疊片式匯流環(huán)。導電環(huán)和刷絲是匯流環(huán)的核心部件。一個導電環(huán)與一對或幾對刷絲構成一組電接觸副。導電環(huán)的外圓柱面為電接觸面，一環(huán)即為一個電通道。導電環(huán)與導電環(huán)之間用絕緣環(huán)隔開，保證各通道之間的絕緣，多環(huán)疊加在一起固定在底筒上組成環(huán)芯。金屬刷絲與印制板焊接，印制板安裝在匯流環(huán)外殼上。高彈性刷絲通過預壓力與導電環(huán)保持可靠電接觸，保證匯流環(huán)轉動過程中電信號、電能的連續(xù)傳輸。

1.2 瞬斷現象

瞬斷現象一般是指匯流環(huán)在傳輸電信號時發(fā)生的時間持續(xù)長度在 0.1～100 μs 之間的傳輸中斷現象。該現象是單個導電環(huán)表面的微觀缺陷、摩擦產生的粉屑以及塵埃等共同作用的結果。出現瞬斷現象還與觸點接觸材料的特性、刷絲壓力大小有關。如果瞬斷發(fā)生在信號環(huán)，則會極大影響輸出信號質量；瞬斷發(fā)生在動力環(huán)，影響則可忽略。

本文所述的匯流環(huán)在小范圍內長時間扇掃工作中出現了信號瞬斷現象，有強烈震動時也出現了信號瞬斷現象。瞬斷發(fā)生時表現為動態(tài)接觸電阻變化量≥ 10 mΩ，分析原因為刷絲與導電環(huán)磨損產生的粉末堆積在導電環(huán)的環(huán)槽內，刷絲劃過時與導電環(huán)接觸不良，形成瞬斷。

粉末的產生和堆積與導電環(huán)及刷絲這對接觸副的接觸材料、接觸形式和接觸壓力有關。下文將從這3方面說明如何改進匯流環(huán)中信號環(huán)的接觸副的設計，以解決信號環(huán)瞬斷問題。

2 電接觸副

2.1 接觸形式的選擇

導電環(huán)和刷絲的接觸形式粗略劃分為點接觸式和面接觸。本文討論的匯流環(huán)徑向尺寸小，結構緊湊，且信號環(huán)最大電流在2A以內，所以采用點接觸式能夠滿足負載的需求。

圖1為幾種經典的點接觸式。圖中出現瞬斷的信號環(huán)初始設計采用的是圖1(a)V形槽+刷絲束的結構形式。依據匯流環(huán)運行時觀察到的情況，分析認為，其電刷與導電環(huán)在長時間運行后磨損產生的落粉堆積在V形槽底部尖角處難以排出，導致電接觸瞬斷。圖1(b)U形槽(平鋪)+刷絲束的結構形式占用的軸向尺寸大，可排布環(huán)路數量少于規(guī)定數量，亦不可接受 。圖1(c)中的環(huán)槽形式是圓滑過渡的U形槽，有利于粉塵及時排出，且軸向尺寸滿足要求。因此，在改進設計時，圖1(c)U形槽成為導電環(huán)優(yōu)選結構。

圖1 點接觸形式

刷絲束的特點是接觸壓力低、觸點多且電刷導電環(huán)轉動速度范圍大，在軍用和航天航空領域應用較多。但是，由于尺寸限制，刷絲束+U形槽的結構形式占用的軸向尺寸略大，無法滿足本文匯流環(huán)要求，所以采用了單根刷絲+ U形槽的接觸結構形式。

單根刷絲的截面直徑比刷絲束略大，提供的接觸壓力也更大，在艦船振動沖擊的工況下更有優(yōu)勢。刷架結構如圖2所示，兩組刷架呈180°對稱排布，每環(huán)4個觸點。為彌補觸點少的不足，設計上刷絲的直徑略小于U形槽的直徑。經過跑合刷絲與U形槽貼合形成面接觸，使電接觸面積盡可能增大，如此既可以降低接觸電阻又能防止環(huán)芯轉動時刷絲的跳動，從而提高電信號傳輸的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

圖2 刷架結構及組成

2.2 接觸副材料的選擇

作為匯流環(huán)接觸副的導電環(huán)與刷絲，其材料的選擇至關重要。為保證匯流環(huán)在振動、沖擊和加速度等條件下能夠正常工作，要求所選電刷材料有足夠的強度和良好的彈性，且導電性能好，不易氧化。隨著國內金屬刷絲性能的提高以及導電環(huán)表面處理工藝的成熟，采用刷絲制造的匯流環(huán)壽命可以滿足雷達10年使用周期內匯流環(huán)免維護的要求。常用的刷絲一般為φ0.2～φ1.0 mm 的金基合金絲，按成分主要分為金鎳合金刷絲和金銀銅合金刷絲。金屬刷絲的主要特點是耐磨性好，體積小，粉塵少。[1]

為保證導電環(huán)和刷絲這對摩擦副獲得優(yōu)良的接觸性能和壽命，兩者的材料應盡可能匹配，其中材料硬度起到關鍵的作用，硬度差值越小的摩擦副材料磨損情況就越好。雷達匯流環(huán)轉速較低，在導電環(huán)設計時優(yōu)先考慮選擇銅合金材料并在表面鍍貴金屬。綜合考慮，選用AuNi9絲作為刷絲材料，線徑0.1～0.75 mm，硬度略小于HV240。[2]選用黃銅作為導電環(huán)基體材料，表面鍍Pd-Ni/Au，鍍層硬度HV258～285[3-5]，導電環(huán)Pd-Ni/Au鍍層的硬度略大于刷絲硬度，磨損形式主要為粘著磨損和磨粒磨損，材料表面發(fā)生輕微的塑性變形。

2.3 接觸壓力的選擇

接觸形式和接觸副材料確定后，在結構上需要選用適當的接觸壓力，以確保既能夠使刷絲很好地在導電環(huán)槽中滑動，又不影響導電環(huán)和刷絲的使用壽命。在傳輸質量上，接觸壓力的選擇與導電環(huán)傳導的電流、電壓有關，還要滿足匯流動態(tài)電阻變化量在 10 mΩ 以內的要求。電流電壓越大，則需要的接觸壓力越大；接觸壓力增大，則接觸電阻變小，不容易出現電火花及電蝕現象。因此，在匯流環(huán)裝配過程中，會考慮適當增加刷絲的接觸壓力，以便保證匯流環(huán)的技術性能和使用壽命。但是，壓力的增大有一定的限度，如超過限度就會增加摩擦力矩，加速磨損，減少壽命。大量試驗表明，當摩擦副材料為H62鍍覆貴金屬配對AuNi9 時，接觸壓力控制在9.5～12 gf比較適宜。[3-4]

2.3.1 計算刷絲的變形

已知接觸壓力，可通過仿真計算得到刷絲在接觸壓力下的位移，從而獲得結構設計數據。仿真的邊界條件設定為固定約束刷絲一端，載荷設定為在刷絲與導電環(huán)接觸位置施加垂直方向載荷0.11 N(根據接觸壓力的范圍選取中間值)。仿真得到，與導電環(huán)接觸位置的節(jié)點位移為0.5 mm左右。

2.3.2 環(huán)境適應性計算

(1) 刷絲在X、Y向受力分析

根據匯流環(huán)產品環(huán)境試驗要求，對刷絲和導電環(huán)進行力學分析，其振動方向受X、Y、Z 方向的力。X、Y向受力滿足GJB150.16A-2009振動試驗的要求，具體要求見表1。該產品X、Y向受力情況相同，受力情況如圖3所示。

表1 振動試驗的要求

圖3 X-Y向受力情況示意圖

根據匯流環(huán)振動條件，X、Y方向上作用在單槽刷絲作用力為

Fy=m·a

(1)

將刷絲質量m=9.5×10-5kg、a=10 m/s2代入公式(1)，可得Fy=9.5×10-4N。

依據受力分析：

cosα=F′/Fy

(2)

得F′=Fy·cosα。

由于X、Y振動方向在產品水平圓周方向上存在Fy作用力，當Fy與F′作用力重合時F′作用力最大，則α=0°，cosα=1，代入式(2)得F′=Fy=9.5×10-4N。產品中刷絲的預壓力為F預=0.11 N,刷絲安全系數為F預/F′=115.7，滿足振動條件，刷絲緊貼導電環(huán)。

(2) 刷絲在Z向受力分析

根據環(huán)境試驗顛震條件：峰值加速度:7 g；半正弦波持續(xù)時間：>16 ms。該產品Z向受力情況相同，如圖4所示。

圖4 Z向受力情況示意圖

根據匯流環(huán)顛震條件，Z向上作用在單個刷絲受力為

Fz=m·a

(3)

將刷絲質量m=2.2×10-4kg，a=7 g=68.6 m/s2，代入公式(3)可得Fz=15.1×10-3N。

由于刷絲貼合在導電環(huán)上Z向受摩擦力，根據

F′摩=μ·F預

(4)

其中，μ為刷絲和導電環(huán)摩擦系數，F預為刷絲和導電環(huán)預壓力。

AuNi9刷絲與具有較高硬度鍍層的導電環(huán)進行配伍，其摩擦系數為0.8～1.0?？紤]電場和熱場的影響，摩擦系數μ取0.9。[2]已知刷絲的預壓力為F預=0.11 N，得F′摩=0.9×0.11=0.099 N。刷絲安全系數為F′摩/Fz=6.55，滿足顛震條件，刷絲緊貼導電環(huán)，無軸向移動。

由于GJB150.20A-2009的炮振條件是根據飛機結構的響應得出的，其結構與水面艦船結構完全不同，不適用于艦船設備，因此沒有核算炮振條件下的刷絲受力。

2.3.3 接觸壓力的實現

刷絲組主要由刷絲、印制板、導線組成。成對的刷絲穿過印制板孔后焊接在印制板上，并形成張角，見圖2(b)。刷絲與導電環(huán)的接觸壓力是通過控制印制板與環(huán)芯的距離以及刷絲張角來實現的。距離與張角的設計值受限于環(huán)芯直徑、外殼內徑等結構尺寸，設計時結合上述條件預設印制板與環(huán)芯的距離和刷絲張角，即可得到刷絲與導電環(huán)觸點位置，再把0.5 mm的變形量折算至張角，得到最終的張角設計值。作為刷絲固定端的印制板，其長寬尺寸應盡量小，而厚度尺寸足夠，以增加印制板的剛度，從而提高觸點位置和接觸壓力的穩(wěn)定性。

此外，為保證刷絲能精確地嵌入導電環(huán)槽，設計了定位面安裝印制板，并通過專用工裝來控制刷絲焊接位置。

3 產品測試數據

匯流環(huán)的工作轉速為0～15 r/min，導電環(huán)與刷絲相對運動速度比較低，而接觸副的相對運動速度越低磨損越嚴重。以較高的速度進行磨合(跑合)，能使摩擦表面獲得穩(wěn)定的粗糙度，實際接觸面積增大，磨損速率逐漸減小。良好的磨合能使摩擦副的工作壽命增加1～2倍，還能降低接觸電阻和提高接觸電阻的穩(wěn)定性。[5]因此，匯流環(huán)加電前的加速磨合是必要的。依據AuNi9合金絲與金鍍層導電環(huán)磨損測試數據，轉速100 r/min，滑動總距離達到20 km后摩擦副磨損逐漸減輕。[2]本匯流環(huán)把磨合的轉速設計為90、60 r/min，累計轉數26萬轉，滑動總距離達到100 km，使匯流環(huán)結束磨合進入穩(wěn)定磨損階段。磨合后測得的各項指標數據見表2。

表2 各項指標的測試數據

4 結束語

針對匯流環(huán)出現的瞬斷問題，本文結合使用環(huán)境及電性能的指標要求做出針對性的改進設計，在接觸形式、接觸副材料及接觸壓力3方面做了詳細的闡述。通過仿真給出了保證接觸壓力的結構設計參數，對匯流環(huán)在震動環(huán)境下的運行可靠性進行了計算校核，采用專用工裝提高了產品成品率及質量一致性。改進后的匯流環(huán)通過各項試驗及實際使用驗證, 其信號傳輸質量得到有效提高，各項性能指標均符合設計要求。