謝 毅，譚躍剛

（武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，湖北 武漢430070）

近年來，光纖技術(shù)在汽輪機(jī)等大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的在線實(shí)時監(jiān)測等場合得到了廣泛應(yīng)用，如何保證故障檢測信號傳遞的暢通與速度，成為當(dāng)今人們重點(diǎn)研究的課題。光纖信號旋轉(zhuǎn)連接器的最初形式是電滑動環(huán)，它依靠電刷與環(huán)壁接觸，從轉(zhuǎn)動的金屬環(huán)向靜止環(huán)傳輸數(shù)據(jù)信號和電力電流能量。然而，電滑動環(huán)存在能耗大、抗干擾性差的局限性，此外，電滑動環(huán)依靠電刷傳輸信號，電刷的質(zhì)量也制約著信號的傳輸質(zhì)量［1］。筆者設(shè)計(jì)的新型旋轉(zhuǎn)連接器解決了傳統(tǒng)光纖旋轉(zhuǎn)連接器承受徑向載荷較小的問題，并設(shè)計(jì)多種減震結(jié)構(gòu)，有效地將環(huán)境振動隔絕在連接器精密器件之外，大大提高連接器的使用壽命，保證了光纖信號的高效高速、大容量、連續(xù)穩(wěn)定傳輸。

1 設(shè)計(jì)原理

該光纖連接裝置包括固定體和旋轉(zhuǎn)體。固定體包括安裝底座和設(shè)置于安裝底座上的中空軸承外殼，軸承外殼一端開有軸向通孔，其內(nèi)設(shè)有固定端光纖透鏡；旋轉(zhuǎn)體包括依次設(shè)置的法蘭盤、鼓齒連接套、一級旋轉(zhuǎn)組件和二級精密旋轉(zhuǎn)組件。法蘭盤的軸向伸出端與鼓齒連接套通過鼓齒齒套連接，鼓齒連接套和鼓齒齒套間可在一定范圍內(nèi)相對軸向滑動、角度偏移和徑向跳動，該連接器設(shè)定的軸向滑動范圍為±1mm，角度偏移量為1°，徑向跳動范圍為0.8mm。一級旋轉(zhuǎn)組件包括由支撐軸承支設(shè)于軸承外殼內(nèi)的中空的一級旋轉(zhuǎn)軸，二級精密旋轉(zhuǎn)組件包括由精密軸承支設(shè)于軸承外殼內(nèi)的中空的二級旋轉(zhuǎn)軸。一級旋轉(zhuǎn)軸的一端通過緊定螺釘與鼓齒連接套連接、另一端通過柔性柱銷與二級旋轉(zhuǎn)軸一端連接；二級旋轉(zhuǎn)軸另一端設(shè)有旋轉(zhuǎn)端光纖透鏡；旋轉(zhuǎn)端光纖透鏡與固定端光纖透鏡共軸并相對設(shè)置，二者之間留有間隙（圖1、圖2）。

2 仿真分析

光纖旋轉(zhuǎn)連接器的作用是以最小的光損失和旋轉(zhuǎn)變化量耦合光信號通過旋轉(zhuǎn)平面［2］，衡量其光纖旋轉(zhuǎn)連接器工作優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)是信號傳輸?shù)男?。在光纖旋轉(zhuǎn)連接器的兩端各有一根相互對準(zhǔn)的光纖準(zhǔn)直器，準(zhǔn)直器之間存有間隙，光在間隙的散失是系統(tǒng)傳輸損耗的最主要原因，所以兩根光纖之間的裝配誤差直接影響光信號的傳輸質(zhì)量。光纖之間的裝配誤差由三部分組成：離軸偏差、間距偏差和角度偏差［3］。其中，光纖準(zhǔn)直器耦合損耗對角度偏差最為敏感。這三種誤差導(dǎo)致準(zhǔn)直器對中耦合損耗關(guān)系如下［4］：

離軸誤差耦合效率

間距誤差耦合效率

圖1 整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 裝置上半部剖視圖

角度誤差耦合效率

將模型導(dǎo)入到ansys中進(jìn)行仿真分析，對模型進(jìn)行簡化處理，劃分網(wǎng)格（圖3），設(shè)置連接器底面固定，在左端旋轉(zhuǎn)軸徑向施加50N載荷，同時在動靜準(zhǔn)直器斷面中心設(shè)定觀測點(diǎn)，以便得到兩端準(zhǔn)直器的各向偏差。如圖4所示，分析得到連接器旋轉(zhuǎn)端受到徑向力時，內(nèi)部旋轉(zhuǎn)軸兩端變形大，并呈現(xiàn)折彎趨勢，動靜準(zhǔn)直器端面中心偏移分別為

圖3 網(wǎng)格劃分

圖4 結(jié)構(gòu)應(yīng)變圖

分析可得總損耗

換算成耦合效率即為97.57%。

綜上分析可以看出，當(dāng)外界環(huán)境對連接器旋轉(zhuǎn)軸施加較大載荷時，連接器內(nèi)部精密旋轉(zhuǎn)器件所受到的影響較小，反映到實(shí)際工況中，即表現(xiàn)在環(huán)境振動和其他干擾因素被隔絕在精密旋轉(zhuǎn)組件之外，減少了外界干擾對精密組件的沖擊，使裝置的使用壽命大大加長，整體穩(wěn)定性提升。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證三種裝配誤差對光纖耦合損耗的影響，用1310nm DFB光源對準(zhǔn)直器耦合進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究（圖5），光源發(fā)射光功率為3.950mW，光通過固定在五維調(diào)節(jié)架上的準(zhǔn)直器與另一端準(zhǔn)直器耦合，之后用光功率計(jì)采集光損耗以及光強(qiáng)度數(shù)值。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺

設(shè)定兩準(zhǔn)直器間距分別為10mm和300mm，微量調(diào)節(jié)五維調(diào)節(jié)架的x、y、z、z軸旋轉(zhuǎn)、y軸旋轉(zhuǎn)5個方向上的變化值，x方向?qū)?yīng)為間距方向，y、z方向?qū)?yīng)為離軸方向，z軸旋轉(zhuǎn)、y軸旋轉(zhuǎn)對應(yīng)為角度方向，分別記錄光纖損（圖6）。

圖6 不同間距時各維曲線

圖中顯示，x方向上隨變化值增大，損耗沒有明顯變化，而相對與z軸旋轉(zhuǎn)、y軸旋轉(zhuǎn)方向上的變化曲線，角度稍有改變，損耗值變化顯著，由此驗(yàn)證了光纖準(zhǔn)直器對角度偏差最為敏感，而間距偏差對其影響較小。另外，y、z維曲線綜合反映了在不同間距下離軸誤差的變化趨勢和損耗數(shù)值幾乎相同，且與式（1）理論關(guān)系曲線趨勢相同，說明離軸誤差帶來的損耗值受間距誤差的影響較小。

4 結(jié)論

1）一級旋轉(zhuǎn)組件的設(shè)置增強(qiáng)了旋轉(zhuǎn)體可承受的軸向沖擊能力，解決了傳統(tǒng)光纖旋轉(zhuǎn)連接器能承受的徑向載荷較小的問題，并阻斷了這種沖擊對精密旋轉(zhuǎn)組件的破壞；

2）多級緩沖減振結(jié)構(gòu)的設(shè)置，能很好地將環(huán)境振動和其他干擾因素隔絕在精密旋轉(zhuǎn)組件之外，減少了對精密旋轉(zhuǎn)組件、旋轉(zhuǎn)端光纖、固定組件的損壞，使裝置的使用壽命大大加長，并提高了光纖準(zhǔn)直精度，從而提高了光纖信號旋轉(zhuǎn)傳輸效率；

3）光纖透鏡準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)是非接觸的，使得本實(shí)用新型連接器最大許用轉(zhuǎn)速只受制于軸承和齒套連接系統(tǒng)，由于高精度軸承的轉(zhuǎn)速可達(dá)幾萬轉(zhuǎn)以上，齒套結(jié)構(gòu)因受到的扭矩很小，其能達(dá)到的轉(zhuǎn)速也在萬轉(zhuǎn)以上，因此該連接器能適用于較高轉(zhuǎn)速的場合。

［1］ Jensen H T.Full－circle electrical slip－ring brush.U.S，3，998，5ll［P］.1976－12－21.

［2］ Michael L，Bowman，Patrick T，F(xiàn)stenfs TR.Joseph，eta1.A single mode optical rotary joint utilizing expanded ream optics［J］.Proceedings of SPIE，1986（722）：179－186.

［3］ 程霽竑.光纖旋轉(zhuǎn)連接器理論研究［C］.航空學(xué)會2007年學(xué)術(shù)交流論文集，2007.

［4］ 胡衛(wèi)生，曾慶濟(jì).自聚焦透鏡準(zhǔn)直系統(tǒng)的裝配誤差引起的附加耦合損耗分析［J］.中國激光，1999，26（03）：221－224.