康成彬

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.華東電子工程研究所，安徽 合肥 200031)

0 引言

作為典型的特種機(jī)電一體化部件，匯流環(huán)用于實(shí)現(xiàn)在設(shè)備的固定部分與旋轉(zhuǎn)部分之間傳輸各類(lèi)電氣信號(hào)。因?yàn)檎麢C(jī)的電氣信號(hào)均匯集于匯流環(huán)傳輸，故它直接關(guān)系到整機(jī)的正常運(yùn)行。而對(duì)于不同的傳輸信號(hào)，相應(yīng)匯流環(huán)所涉及的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域、電氣指標(biāo)、設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)形式、材料選用等也有所不同。

本文介紹的是一種中頻差動(dòng)匯流環(huán)。由于該匯流環(huán)尺寸要求緊，電氣指標(biāo)多樣性以及各項(xiàng)指標(biāo)的要求較高，使得原來(lái)用于匯流環(huán)的一些結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)等已不完全適用。針對(duì)上述情況，經(jīng)過(guò)方案論證、工程設(shè)計(jì)、加工裝配、跑合調(diào)試、環(huán)境試驗(yàn)及交驗(yàn)等，突破了一些技術(shù)難點(diǎn)，在中頻匯流環(huán)的設(shè)計(jì)制造等各方面獲得了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1 匯流環(huán)的電性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)要求

該設(shè)備需要用匯流環(huán)傳輸48路的中頻信號(hào)，并要求結(jié)構(gòu)外形尺寸D·H≤Φ370 mm×180 mm。

對(duì)中頻信號(hào)環(huán)的要求如下：

頻 率： 10 MHz±2 MHz

隔離度： ≥45 dB

幅度起伏：＜0.5 dB（rms值）

相位起伏：＜1°（rms值）

插入損耗：＜0.5 dB

2 設(shè)計(jì)特點(diǎn)

（1）結(jié)構(gòu)型式

由于匯流環(huán)的尺寸要求緊，且路數(shù)較多，故決定采用差動(dòng)型式[1-2]。中頻匯流盤(pán)的內(nèi)、外徑與其他信號(hào)匯流盤(pán)模塊相同，便于在以后的設(shè)計(jì)中根據(jù)匯流環(huán)傳輸信號(hào)的不同特征，采用模塊化分段布置與其他信號(hào)匯流盤(pán)模塊組合。

中頻信號(hào)環(huán)由兩層中頻匯流盤(pán)模塊組成，按每層24路設(shè)計(jì)，提供共計(jì)48路中頻信號(hào)的傳輸。在尺寸允許的范圍內(nèi)，適當(dāng)增加組成每路的接觸塊數(shù)量及轉(zhuǎn)動(dòng)中每路電刷與接觸塊的接觸數(shù)。這樣不僅保證了匯流環(huán)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中各路電路連續(xù)接通，相鄰電路不致錯(cuò)接，而且可以減小轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的幅度起伏。

圖1 中頻匯流環(huán)總體示意圖

（2）材料選用

為了降低接觸電阻和提高使用壽命，電刷使用了導(dǎo)電性和耐磨性俱佳的銀石墨碳刷。銀石墨電刷材料耐磨、抗腐蝕、接觸電阻低而穩(wěn)定，能與匯流盤(pán)獲得較好的匹配。所選用的電刷是用石墨纖維增強(qiáng)的電刷，具有高硬度、高導(dǎo)電性、低摩擦系數(shù)和高耐磨性。

匯流盤(pán)上的接觸塊則采用銀銅合金板。銀本身具有最高的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率，而且具有較好的抗氧化性和良好的加工性，但熔點(diǎn)低、硬度低、易產(chǎn)生硫化物膜。添加適當(dāng)元素如鎳可以克服銀的缺點(diǎn)，制成接觸電阻穩(wěn)定的接觸塊。

絕緣環(huán)采用絕緣性和穩(wěn)定性較好的環(huán)氧酚醛玻璃布板。

匯流盤(pán)之間的隔離環(huán)采用銅棒，精加工后表面鍍銀涂覆。

（3）線纜長(zhǎng)度

匯流環(huán)環(huán)芯內(nèi)部接線用等長(zhǎng)電纜連接，以減小在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中各路之間的相位起伏。試驗(yàn)表明，如果環(huán)芯在裝配過(guò)程中，電纜按實(shí)際需要取最短值時(shí)匯流環(huán)相位起伏的絕對(duì)值約為8°左右，見(jiàn)表1；而用等長(zhǎng)電纜連接環(huán)芯，匯流環(huán)相位起伏的絕對(duì)值約為3°～4°，見(jiàn)表2。

（4）電刷、刷盒

電刷、刷盒等根據(jù)傳輸中頻信號(hào)的要求以及與中頻匯流盤(pán)的匹配進(jìn)行了設(shè)計(jì)，達(dá)到提高使用頻率的目的。

電刷采用活塞型電刷[1]。這種電刷可在刷盒中滑動(dòng)，利用彈簧產(chǎn)生壓力，彈簧壓力可用螺釘調(diào)節(jié)，并用柔性刷線傳輸信號(hào)。每個(gè)電刷的接觸面應(yīng)修整成與環(huán)芯外環(huán)的曲率吻合，要求經(jīng)過(guò)跑合調(diào)試接觸面積大于80%以保證電刷的傳輸能力。

電刷的接觸壓力直接影響差動(dòng)匯流環(huán)的接觸電阻和電刷的磨損量，從而影響差動(dòng)匯流環(huán)的性能和維護(hù)間隔周期及壽命。壓力小了，易造成電接觸副之間的接觸不良。壓力過(guò)大，必然會(huì)使機(jī)械性磨損增加，使電刷磨損增大。通過(guò)對(duì)電刷彈簧質(zhì)量的控制，對(duì)電刷的壓力通過(guò)螺釘進(jìn)行一定范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)，以保證電刷的壓力在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，滿足差動(dòng)匯流環(huán)接觸電阻的性能要求，延長(zhǎng)電刷的使用壽命。

表1 環(huán)芯內(nèi)部電纜按實(shí)際需要取最短值時(shí)匯流環(huán)的相位起伏絕對(duì)值

表2 環(huán)芯內(nèi)部電纜取等長(zhǎng)時(shí)匯流環(huán)的相位起伏絕對(duì)值

（5）輸入、輸出連接方式

中頻信號(hào)的輸入、輸出不但要求有良好的接觸，而且必須很好屏蔽。在樣機(jī)中選用的是國(guó)產(chǎn)的快速插拔的連接器連接。但在樣機(jī)的使用中發(fā)現(xiàn)該連接器插拔多次后，容易產(chǎn)生接觸不良等問(wèn)題。由于匯流環(huán)尺寸要求較緊，經(jīng)多方調(diào)研，決定采用進(jìn)口連接器D101連接，從而使匯流環(huán)的輸入、輸出更可靠。

試驗(yàn)表明，如果在匯流環(huán)中外殼上是兩個(gè)插座緊挨著裝在同一支架上，插座之間會(huì)產(chǎn)生一定的耦合，使中頻信號(hào)的隔離度相對(duì)于技術(shù)要求較為臨界，見(jiàn)表3。后經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只要將兩插座分別裝于各自的支架上，即可將隔離度提高近5 dB，見(jiàn)表4，使之無(wú)論是層與層之間的相鄰兩路，還是同一層中的相鄰兩路的隔離度均達(dá)到了理想的效果。

表3 在同一支架上安裝兩個(gè)插座時(shí)匯流環(huán)的隔離度

表4 在同一支架上安裝一個(gè)插座時(shí)匯流環(huán)的隔離度

（6）其他

設(shè)計(jì)中，在隔離環(huán)、線纜選用等有關(guān)方面采取了加強(qiáng)屏蔽等措施，以達(dá)到提高隔離度的目的。

3 加工裝配

匯流環(huán)加工裝配的核心是環(huán)芯[3]。由于該匯流環(huán)中，中頻信號(hào)環(huán)的要求較高，因此環(huán)芯的裝配尤為重要。具體體現(xiàn)在用等長(zhǎng)電纜和電纜的抽頭長(zhǎng)度上。環(huán)芯內(nèi)部用等長(zhǎng)電纜焊接在前面已論述。

關(guān)于電纜的抽頭長(zhǎng)度，從已有的研究和大量的試驗(yàn)均可以看出，抽頭對(duì)屏蔽電纜低頻耦合影響不大；但當(dāng)頻率增大到一定程度（8 MHz）時(shí)，抽頭對(duì)屏蔽芯線耦合泄露的影響非常明顯，這種情況隨抽頭長(zhǎng)度的增加愈加嚴(yán)重，由于抽頭的存在，屏蔽層在頻率較高時(shí)的屏蔽作用大大降低。這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)樵陔姸痰那闆r下，耦合可分為電感耦合和電容耦合。這樣，帶抽頭的屏蔽電纜的耦合將由以下4部分組成：屏蔽體的電感耦合和電容耦合；抽頭的電感耦合和電容耦合。當(dāng)屏蔽體兩端都接地，屏蔽體的電容耦合可以忽略。低頻時(shí)，在各耦合分量中起主要作用的是屏蔽體的電感耦合，因此增加抽頭長(zhǎng)度，對(duì)于芯線的耦合串?dāng)_影響不大。隨著頻率的增大，在各耦合分量中，抽頭的電感耦合變成了主要影響因素，使得在頻率較高時(shí)抽頭長(zhǎng)度的變化直接影響電纜的耦合量，屏蔽體的屏蔽作用大大降低。

為了降低屏蔽電纜的耦合泄露問(wèn)題，一方面在選用時(shí)應(yīng)注意選用屏蔽效能較好的屏蔽電纜；另外，焊接屏蔽電纜時(shí)，應(yīng)盡可能減少電纜兩端抽頭部分的長(zhǎng)度，這樣，才能最大限度地減少由于端接效應(yīng)而引起的串?dāng)_，真正提高屏蔽電纜的電磁兼容性，以提高中頻信號(hào)環(huán)的隔離度。

4 測(cè)試方法

對(duì)于中頻信號(hào)的相位起伏、幅度起伏指的是某路信號(hào)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中各點(diǎn)的相位、幅度的一致性。要求每路信號(hào)以任一瞬間的相位值、幅度值為零點(diǎn)，直接用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀依次讀取轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中240個(gè)點(diǎn)的相位、幅度相對(duì)于零點(diǎn)的起伏大小，再統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)算出各路相位起伏、幅度起伏的均方根值。

由于需要測(cè)試的路數(shù)及測(cè)試點(diǎn)總計(jì)需要12000個(gè)數(shù)據(jù)，在測(cè)試時(shí)需要每個(gè)通道依次取點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)，完全靠人工測(cè)試既費(fèi)時(shí)又費(fèi)工，效率比較低，而且人工測(cè)試容易帶進(jìn)主觀性誤差，遺漏部分關(guān)鍵數(shù)據(jù)，使測(cè)試的可信度降低。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一套匯流環(huán)相位、幅度測(cè)試系統(tǒng)，采用常見(jiàn)的PC機(jī)做控制器，基于NI公司的數(shù)據(jù)采集卡和VB6.0軟件編寫(xiě)了測(cè)試程序，控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。

該測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)時(shí)控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中相位、幅度的自動(dòng)測(cè)試，利用數(shù)據(jù)采集卡等進(jìn)行通信，基于VB6.0軟件編寫(xiě)的程序?qū)y(cè)試信息實(shí)時(shí)顯示、保存并處理測(cè)試數(shù)據(jù)。在這個(gè)新的測(cè)試系統(tǒng)中，由于采用了PC機(jī)控制、讀取和處理測(cè)試數(shù)據(jù)的方式，把以前全手動(dòng)的測(cè)量方式變成了自動(dòng)的測(cè)量方式，大大提高了效率，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可操作性，同時(shí)使得數(shù)據(jù)更加可靠。

5 測(cè)試結(jié)果

匯流環(huán)裝配完成后，即進(jìn)行了調(diào)試和測(cè)試。在多次測(cè)試中，中頻信號(hào)環(huán)的電性能指標(biāo)均達(dá)到了技術(shù)要求。其中中頻信號(hào)環(huán)的端電阻均＜0.2 Ω，端電阻的變化值均＜0.1 Ω，絕緣電阻均＞500 MΩ，隔離度均≥45 dB，相位起伏均＜＜1°，幅度起伏均＜0.5 dB，插入損耗均＜0.5 dB，各項(xiàng)試驗(yàn)均一次通過(guò)。

6 結(jié)束語(yǔ)

以上簡(jiǎn)述了該匯流環(huán)的研制情況。實(shí)際證明，該匯流環(huán)在總體型式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選用和裝配工藝等方面采取的措施是較為成功的。通過(guò)對(duì)該匯流環(huán)的使用，證明該匯流環(huán)滿足了設(shè)備的實(shí)際要求，突破了差動(dòng)匯流環(huán)在中頻部分的應(yīng)用，具有體積小、重量輕、工作性能穩(wěn)定、可靠性高且經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。

［1］吳鳳高.天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1986.

［2］李建軍.一種差動(dòng)匯流環(huán)的設(shè)計(jì)方法［J］.無(wú)線電工程，2005，35（2）：29-30.

［3］張軍立.差動(dòng)匯流環(huán)制造技術(shù)［J］.電子機(jī)械工程，2001（1）：56-58.