張哲軍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所， 陜西 西安 710065)

差動(dòng)匯流環(huán)誤差分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)

張哲軍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所， 陜西 西安 710065)

為解決原150路差動(dòng)匯流環(huán)存在的以信號(hào)無(wú)故閃斷為主要故障現(xiàn)象的系列問(wèn)題，設(shè)計(jì)制造了一套性能優(yōu)良、安全可靠的差動(dòng)匯流環(huán)。以差動(dòng)匯流環(huán)機(jī)電傳輸原理為基礎(chǔ)，建立了數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行了誤差分析計(jì)算，對(duì)原差動(dòng)匯流環(huán)存在的問(wèn)題進(jìn)行了梳理和原因分析，對(duì)各種誤差按主次進(jìn)行了合理分配，提出了經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)制造精度，徹底解決了上述問(wèn)題。后續(xù)大批量差動(dòng)匯流環(huán)的工程應(yīng)用，證明了對(duì)差動(dòng)匯流環(huán)進(jìn)行的誤差分析是正確的，誤差分配是合理的，優(yōu)化設(shè)計(jì)是成功的。

差動(dòng)匯流環(huán)；差動(dòng)機(jī)構(gòu)；誤差；回程誤差；接觸塊；電刷組件

引 言

我國(guó)自行研制靶場(chǎng)精密測(cè)控雷達(dá)已有40多年的歷史，而每臺(tái)測(cè)控雷達(dá)都離不了匯流環(huán)，尤其是差動(dòng)匯流環(huán)以其傳輸信號(hào)路數(shù)多、軸向尺寸小的明顯優(yōu)勢(shì)而后來(lái)居上，得到非常廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，對(duì)差動(dòng)匯流環(huán)的研究以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、提高可靠性為目標(biāo)，結(jié)構(gòu)上向大型化方向發(fā)展，目前230路大型圓錐行星齒輪式差動(dòng)匯流環(huán)已成功應(yīng)用于口徑為16 ～ 60 m的系列大型天線系統(tǒng)中。原150路差動(dòng)匯流環(huán)設(shè)計(jì)于20世紀(jì)80年代初，其應(yīng)用存在一些疑難問(wèn)題。20世紀(jì)90年代中期，隨著國(guó)家航天事業(yè)的迅猛發(fā)展，差動(dòng)匯流環(huán)的應(yīng)用也與日俱增，原匯流環(huán)存在的問(wèn)題日益突顯，對(duì)差動(dòng)匯流環(huán)進(jìn)行誤差分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)的要求也迫在眉睫。

論證表明：原匯流環(huán)設(shè)計(jì)原理是可行的和科學(xué)的，結(jié)構(gòu)布局也是合理的，但是由于沒(méi)能充分認(rèn)識(shí)到影響差動(dòng)匯流環(huán)性能的主次因素，而盲目分配零部件設(shè)計(jì)誤差，使差動(dòng)匯流環(huán)在工程應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)以信號(hào)無(wú)故閃斷為主要故障現(xiàn)象的系列問(wèn)題。因此，天線系統(tǒng)在執(zhí)行國(guó)家級(jí)重大試驗(yàn)任務(wù)中，為了確保信號(hào)傳輸?shù)娜f(wàn)無(wú)一失，對(duì)差動(dòng)匯流環(huán)各信號(hào)通路除采取多路并聯(lián)的方法外，還常常對(duì)關(guān)鍵信號(hào)通路采用多根導(dǎo)線將匯流環(huán)的動(dòng)、靜電刷組進(jìn)行短路連接，再配備人員值守，以增加可靠性，使匯流環(huán)變成了“需要專(zhuān)人陪護(hù)的電纜卷繞”，嚴(yán)重影響了雷達(dá)天線的實(shí)戰(zhàn)性能。

本文旨在解決困擾設(shè)計(jì)者多年的上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)制造出一套性能優(yōu)良、安全可靠的差動(dòng)匯流環(huán)，以提高天線系統(tǒng)的整機(jī)質(zhì)量和可靠性。

1 差動(dòng)匯流環(huán)的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 差動(dòng)匯流環(huán)的結(jié)構(gòu)

差動(dòng)匯流環(huán)由動(dòng)刷環(huán)、靜刷環(huán)、轉(zhuǎn)子環(huán)、差動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。

圖1 差動(dòng)匯流環(huán)的結(jié)構(gòu)

1.2 差動(dòng)匯流環(huán)的工作原理

差動(dòng)匯流環(huán)通過(guò)基座安裝在天線座上，其中的動(dòng)電刷環(huán)固定在中心軸上，轉(zhuǎn)子環(huán)通過(guò)差動(dòng)機(jī)構(gòu)和中心軸相連，轉(zhuǎn)子環(huán)中上、下2組相對(duì)應(yīng)的接觸塊用導(dǎo)線連通，靜電刷環(huán)固定在基座上。

動(dòng)電刷環(huán)、靜電刷環(huán)組分別與轉(zhuǎn)子環(huán)上的上、下2層接觸塊在圓柱面上相接觸，電刷壓力通過(guò)彈簧來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)中心軸以轉(zhuǎn)速ω轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子環(huán)將以ω/2的轉(zhuǎn)速同向轉(zhuǎn)動(dòng)(由差動(dòng)機(jī)構(gòu)決定)，保證了信號(hào)傳輸?shù)恼_性。差動(dòng)匯流環(huán)的工作原理如圖2所示。

圖2 差動(dòng)匯流環(huán)的工作原理

2 差動(dòng)匯流環(huán)的誤差分析計(jì)算

任何機(jī)械裝置的零部件都存在加工、裝配誤差，該差動(dòng)匯流環(huán)為中心距可調(diào)的多層柱面接觸式差動(dòng)匯流環(huán)，其誤差包括機(jī)械傳動(dòng)誤差和由接觸塊及電刷組件構(gòu)成的電氣誤差2部分。

2.1 差動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)誤差

差動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由中心轉(zhuǎn)軸、球軸承、差動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)體、聯(lián)接底座、中心齒輪、差動(dòng)齒輪、小齒輪、大齒輪等組成，2組相互對(duì)應(yīng)嚙合的圓柱齒輪采用平行軸安裝方式，如圖3所示。

圖3 差動(dòng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

根據(jù)其傳動(dòng)特點(diǎn)分析，回程誤差是造成電刷與接觸塊錯(cuò)位的主要因素，其次是傳動(dòng)誤差，各零部件的加工、裝配誤差等。

2.1.1 回程誤差的分析計(jì)算

影響回程誤差的主要因素有齒輪公法線均長(zhǎng)偏差、齒圈徑跳、軸承游隙、孔軸配合公差、孔中心距公差等。

(1)各誤差的均值和方差計(jì)算

各主要誤差影響因素均符合正態(tài)分布，各均值和方差計(jì)算查表結(jié)果(其中軸承精度6級(jí)，齒輪精度7級(jí))見(jiàn)表1。

(2)齒輪副的切向誤差綜合計(jì)算

齒輪副的切向誤差計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

表1 回程誤差計(jì)算查表結(jié)果

表2 齒輪副的切向誤差綜合計(jì)算結(jié)果(齒隙范圍調(diào)整前) mm

名稱(chēng)M1，2D1，2M3，4D3，4δ1，2δ3，4計(jì)算結(jié)果-0．24579305．586×10-6-0．24579309．286×10-6-0．24579±0．05244-0．24579±0．05276名稱(chēng)(齒隙范圍可調(diào))Z1?Z2Z3?Z4計(jì)算結(jié)果-0．29824?-0．19335-0．29856?-0．19303

表3 齒隙范圍調(diào)整后(調(diào)整距離為0.193 03)齒輪副切向誤差綜合計(jì)算結(jié)果 mm

名稱(chēng) Z1?Z2Z3?Z4計(jì)算結(jié)果 -0．10520?-0．00032-0．10552?0

注：差動(dòng)機(jī)構(gòu)為齒輪中心距可調(diào)結(jié)構(gòu)。

(3)調(diào)整中心距后回差計(jì)算

調(diào)整齒輪中心距后，回差計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 回差計(jì)算結(jié)果

2.1.2 調(diào)整中心距后傳動(dòng)誤差計(jì)算

調(diào)整中心距后傳動(dòng)誤差的計(jì)算公式為

式中：mn為齒輪法向模數(shù)；Fi′為切向綜合公差；δc為孔/軸配合公差；δs為軸(齒圈)徑跳；δa為孔中心距公差；Z為齒輪齒數(shù)。

傳動(dòng)誤差計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 傳動(dòng)誤差計(jì)算結(jié)果

此外，單個(gè)齒輪的均方根公差值為

±3×0.858 998=±2.576 99(′)

折算到輸入軸后的誤差值為

式中，it為速比。

2.2 接觸塊及電刷組件誤差

2.2.1 接觸塊組合誤差

接觸塊組合誤差包括接觸塊自身的加工、裝配誤差以及轉(zhuǎn)子上接觸塊安裝孔的分度誤差。接觸塊加工誤差按經(jīng)濟(jì)加工精度進(jìn)行預(yù)先分配：

1)接觸塊寬度為7.8 ± 0.04 mm；

2)接觸塊對(duì)稱(chēng)度為0.3 mm(IT13)；

3)接觸塊定位孔最大間隙為0.24 mm；

4)接觸塊裝配傾斜為0.2 mm；

5)接觸塊安裝孔的分度誤差為± 0.28 mm；

6)接觸塊中心距為10.053 ± 0.28 mm。

2.2.2 電刷組件誤差

電刷組件誤差包括3部分：電刷自身的設(shè)計(jì)、加工、裝配誤差；電刷導(dǎo)向套的加工、裝配誤差；動(dòng)刷環(huán)、靜刷環(huán)上導(dǎo)向套安裝孔的分度誤差。

1)電刷與導(dǎo)向套位孔最大間隙為0.122 mm；

2)導(dǎo)向套位安裝孔的分度誤差為± 0.28 mm；

3)導(dǎo)向套裝配傾斜為0.2 mm；

4)導(dǎo)向套裝配最大間隙為0.125 mm；

5)電刷傾斜為0.2 mm。

2.2.3 接觸塊組合及電刷組件誤差綜合

上述各項(xiàng)誤差按正態(tài)分布處理，其方差Dd=258.585 1 × 10-4mm，均值μd=0 mm。

2.3 機(jī)電綜合誤差計(jì)算

綜合誤差為機(jī)械誤差和電氣誤差的綜合，其計(jì)算公式為

式中：Δz為總誤差；Δh為回差；Dj為機(jī)械誤差的方差；Dd為電機(jī)誤差的方差。

其計(jì)算結(jié)果為Δz= 0.909 1 mm。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)思路

根據(jù)差動(dòng)匯流環(huán)的機(jī)電傳輸原理，建立數(shù)學(xué)誤差模型，從影響差動(dòng)匯流環(huán)性能的誤差來(lái)源入手，進(jìn)行誤差分析計(jì)算，在確保產(chǎn)品性能的前提下，按主次提出經(jīng)濟(jì)合理的加工制造精度。在解決存在的問(wèn)題基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)制造出性能優(yōu)良、性價(jià)比高的差動(dòng)匯流環(huán)，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)匯流環(huán)的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、模塊化、專(zhuān)業(yè)化打下基礎(chǔ)。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵步驟在于：1)解決現(xiàn)存問(wèn)題；2)認(rèn)準(zhǔn)誤差來(lái)源；3)分清誤差機(jī)理；4)對(duì)各種誤差按主次進(jìn)行合理分配； 5)提出經(jīng)濟(jì)的加工制造精度。

3.2 匯流環(huán)存在的問(wèn)題與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

原差動(dòng)匯流環(huán)從20世紀(jì)80年代初期一直沿用至20世紀(jì)90年代中期，雖然根據(jù)生產(chǎn)加工中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題做過(guò)一些必要的改進(jìn)，但其設(shè)計(jì)還未達(dá)到合理、優(yōu)化的程度，因而加工出的產(chǎn)品一次成功的概率低，且生產(chǎn)難度大，在應(yīng)用中還經(jīng)常出現(xiàn)以信號(hào)無(wú)故閃斷為主要故障現(xiàn)象的系列問(wèn)題。匯流環(huán)存在的問(wèn)題與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及優(yōu)化成果主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

3.2.1 原材料選取方面

(1)原匯流環(huán)存在的問(wèn)題

在原材料材質(zhì)選取方面缺乏產(chǎn)品觀念，選材不合理，有一些特殊器材，消耗量不大，但市場(chǎng)上不易購(gòu)買(mǎi)，每次都單獨(dú)解決這些器材，經(jīng)濟(jì)上浪費(fèi)很大。

?導(dǎo)電接觸摩擦副材料價(jià)格昂貴：匯流塊為銀銅釩，電刷為銀-石墨合金(J390-1)；

?傳動(dòng)齒輪副材料價(jià)格昂貴，熱處理工藝復(fù)雜。大齒輪材料為38CrMoAIA，小齒輪材料為20CrMnTi。

(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與措施

?匯流塊材料改為62黃銅，電刷材料改為銀-碳纖維(JF390-1)；

?大齒輪、小齒輪材料均改為45鋼。

(3)優(yōu)化成果

?解決了稀有材料價(jià)格昂貴和不易采購(gòu)的問(wèn)題，極大地降低了成本, 提高了耐磨性和產(chǎn)品壽命；

?極大地降低了成本，提高了生產(chǎn)效率。

3.2.2 零部件的加工精度要求方面

零部件的加工精度要求不盡合理，實(shí)現(xiàn)的加工精度與圖紙要求的精度相差甚遠(yuǎn)，只好由設(shè)計(jì)師現(xiàn)場(chǎng)簽名“讓步接收”后使用，而不同的設(shè)計(jì)師對(duì)某些誤差的理解有差異，造成精度要求很隨意。

(1)原匯流環(huán)存在的問(wèn)題

?匯流環(huán)總裝技術(shù)要求中沒(méi)有總裝精度要求，使總裝精度失控。

?匯流塊為分體焊接結(jié)構(gòu)，各分體件尺寸要求、基準(zhǔn)選取不合理, 成品率僅為20%；采用2次鍍銀工序，成本很高。

?電刷頭和導(dǎo)電柱為分體焊接結(jié)構(gòu)，表面處理采用2次鍍銀工序，工藝過(guò)程復(fù)雜，成本很高。

?轉(zhuǎn)子上接觸塊安裝孔與匯流塊安裝軸徑配合間隙太大，手工安裝接觸塊很難保證精度。

?動(dòng)刷環(huán)、靜刷環(huán)上電刷安裝孔，轉(zhuǎn)子上接觸塊安裝孔圓周分布公差等級(jí)嚴(yán)重偏高，生產(chǎn)中無(wú)法滿足精度要求。

(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與措施

?在總裝技術(shù)要求中，增加總裝誤差要求，使總裝精度得到有效控制；

?匯流塊改為一體結(jié)構(gòu)，取消了焊接和鍍銀工序；

?電刷頭和導(dǎo)電柱改為一體結(jié)構(gòu)，取消了焊接和鍍銀工序；

?按經(jīng)濟(jì)加工精度調(diào)整軸、孔徑配合間隙，采用工裝安裝；

?顯著降低動(dòng)刷環(huán)、靜刷環(huán)上電刷安裝孔及轉(zhuǎn)子接觸塊安裝孔圓周分布公差等級(jí)。

(3)優(yōu)化成果

?生產(chǎn)制造時(shí)，操作方便，有章可循，質(zhì)量可控；

?極大地縮減了工藝流程，杜絕了2個(gè)誤差源，降低了公差等級(jí)，成品率提高到100%，極大地降低了成本，縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率。

3.2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式方面

設(shè)計(jì)師在原材料型材選取方面缺乏產(chǎn)品觀念，型材選取不合理，不計(jì)成本，對(duì)導(dǎo)電接觸摩擦副最佳壓力不清楚，對(duì)中心距可調(diào)式結(jié)構(gòu)沒(méi)有完全理解。

(1)原匯流環(huán)存在的問(wèn)題

?采用聯(lián)軸齒輪結(jié)構(gòu)耗材太多，由于齒輪分度圓和兩端軸徑相差較大，設(shè)計(jì)成一體結(jié)構(gòu)，浪費(fèi)的材料大于80%；

?內(nèi)孔徑較大的中心軸、套筒、各種襯套的選材全部為棒料，加工時(shí)浪費(fèi)材料，耗費(fèi)工時(shí)；

?不清楚導(dǎo)電摩擦副最佳壓力，隨意設(shè)計(jì)壓力彈簧；

?電刷的壓力調(diào)整彈簧剛度太大，沒(méi)法正常調(diào)整，整機(jī)組裝時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)常采用剪短彈簧的辦法，一方面使彈簧長(zhǎng)短不一，另一方面破壞了彈簧端平面，使電刷的壓力很難調(diào)整；

?齒厚極限偏差為GK。

(2)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法與措施

?將聯(lián)軸齒輪改為分體結(jié)構(gòu)，熱套裝配；

?根據(jù)各件結(jié)構(gòu)，選用相近管材；

?依據(jù)導(dǎo)電摩擦副最佳壓力，重新設(shè)計(jì)彈簧；

?齒厚極限偏差修改為FH。

(3)優(yōu)化成果

?極大地降低了材料及加工成本，提高了工作效率；

?導(dǎo)電副摩擦副壓力便于調(diào)節(jié)，接觸電阻小，運(yùn)行穩(wěn)定可靠；

?減小回差，調(diào)整方便。

4 電刷短路與斷路的判斷及分析計(jì)算

電刷短路與斷路問(wèn)題是決定差動(dòng)匯流環(huán)成敗的關(guān)鍵問(wèn)題。

4.1 電刷短路的判斷及分析計(jì)算

4.1.1 電刷短路及發(fā)生的條件

電刷短路是指2組動(dòng)、靜對(duì)應(yīng)電刷及相應(yīng)的接觸塊，由于相互位置發(fā)生錯(cuò)位，電刷和第3個(gè)接觸塊同時(shí)發(fā)生接觸現(xiàn)象，引起電流短路。只有在接觸塊寬度尺寸最大、電刷厚度尺寸最大及圓周分布間距最小時(shí)才會(huì)發(fā)生電刷短路。

4.1.2 電刷短路的判斷計(jì)算

根據(jù)電刷短路條件繪制尺寸鏈, 如圖4所示。

圖4 短路條件尺寸鏈

電刷組件最大尺寸為Amax=(0.1+4+0.006) × 2=8.212 mm，接觸塊間距最小尺寸為Bmin=[10.053-0.28-(3.9+0.02+0.15+0.12+0.1)]× 2=10.96 mm >Amax，故不會(huì)發(fā)生短路現(xiàn)象。

4.2 電刷斷路的判斷及分析計(jì)算

4.2.1 電刷斷路及發(fā)生的條件

電刷斷路是指2組動(dòng)、靜對(duì)應(yīng)電刷及相應(yīng)接觸塊由于相互位置錯(cuò)位，一組電刷和接觸塊發(fā)生脫離現(xiàn)象，引起電流斷路。只有在接觸塊寬度尺寸最小、電刷厚度尺寸最小及圓周分布間距最大時(shí)才會(huì)發(fā)生電刷斷路。

4.2.2 電刷斷路的判斷計(jì)算

根據(jù)電刷斷路條件繪制尺寸鏈, 如圖5所示。

圖5 斷路條件尺寸鏈

兩接觸塊中心間距最大尺寸為 10.053+0.28=10.333 mm，兩接觸塊側(cè)距最大尺寸為Amax= 10.333-(3.9-0.02-0.12-0.15) × 2= 3.113 mm。

此時(shí)電刷相互錯(cuò)位為 7.8-3.113 = 4.687 mm，就其對(duì)稱(chēng)位置錯(cuò)位為±2.343 5 mm，即當(dāng)電刷中心相互錯(cuò)位為±2.343 5 mm時(shí)，就會(huì)發(fā)生斷路現(xiàn)象。

根據(jù)已知條件：由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)誤差引起的電刷最大錯(cuò)位為0.909 1 mm，總裝要求2組電刷相互錯(cuò)位最大為±0.5 mm(工程中很容易實(shí)現(xiàn)),則電刷實(shí)際相互錯(cuò)位最大值為0.909 1+0.5=1.409 1 mm < 2.343 5 mm，故不會(huì)發(fā)生斷路現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

從對(duì)影響差動(dòng)匯流環(huán)質(zhì)量的各種誤差進(jìn)行的分析計(jì)算可以看出，差動(dòng)匯流環(huán)對(duì)其各零部件的加工精度要求并不高，只要對(duì)加工誤差進(jìn)行合理分配，就能以非常經(jīng)濟(jì)的加工精度生產(chǎn)出高質(zhì)量的差動(dòng)匯流環(huán)。據(jù)此對(duì)差動(dòng)匯流環(huán)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以極大地提高差動(dòng)匯流環(huán)的質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。20多年來(lái)，近百套差動(dòng)匯流環(huán)的成功應(yīng)用，充分證明了誤差分析計(jì)算及優(yōu)化設(shè)計(jì)的正確性。

[1] 龔振邦, 陳守春. 伺服機(jī)械傳動(dòng)裝置[M]. 上海: 國(guó)防工業(yè)出版社, 1998.

[2] 廖念釗,古瑩菴，莫雨松，等. 互換性與技術(shù)測(cè)量[M]. 北京：計(jì)量出版社, 1982.

張哲軍 (1963-)，男，高級(jí)工程師，主要從事天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究工作。

Error Analysis and Optimization Design of Differential Slip-ring Electromechanical Equipment

ZHANG Zhe-jun

(The39thResearchInstituteofCETC，Xi′an710065,China)

To solve the series of problems (with the signal flash without reason as the main one) of the original 150-road differential slip-ring electromechanical equipment (DSREE), a set of DSREE with excellent performance, safe and reliable convergence are designed and manufactured. According to the principle of DSREE mechanical and electrical transmission, the mathematical model is established, error analysis & calculation are carried out, the errors are distributed reasonably and the original DSREE problems are sorted and analyzed. The economic and reasonable design and manufacture precisions are put forward. As a result, the above prob-lems are thoroughly solved. Subsequent mass engineering applications of DSREE have proved that the erroranalysis of the DSREE convergence is correct, the error distribution is reasonable and the optimization design is successful.

differential slip-ring electromechanical equipment；differential mechanism；error；return error；contact block；conductive brush assembly

2013-11-29

TN621

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1008-5300(2014)02-0046-05