劉文科，趙克俊，鄭傳榮

(中國電子科技集團(tuán)公司第38 研究所 機(jī)電技術(shù)部，安徽 合肥 230088)

匯流環(huán)是雷達(dá)設(shè)備的關(guān)鍵部件，其作用是使雷達(dá)的旋轉(zhuǎn)部分與固定部分之間形成電能和信號穩(wěn)定可靠的連接［1］。雷達(dá)技術(shù)體制的更新?lián)Q代，促使匯流環(huán)相關(guān)技術(shù)也隨之得到了快速發(fā)展，應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大。

1 主要電性能指標(biāo)

匯流環(huán)的電性能技術(shù)指標(biāo)主要包括接觸電阻、絕緣電阻、電介質(zhì)強(qiáng)度、串?dāng)_、電噪聲等，對于高頻微波旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，還有駐波比等要求［2］。

1.1 接觸電阻

電刷與導(dǎo)電環(huán)接觸部位之間的電阻稱為接觸電阻。接觸電阻的大小及變化率是衡量匯流環(huán)質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)。對于匯流環(huán)來說，接觸電阻越小，接觸性能越好。過大的接觸電阻會使接觸部位溫度升高，導(dǎo)致接觸件表面氧化加快，從而降低壽命。接觸電阻的變化包括非線性變化、不連續(xù)變化、突然變化等，將直接影響匯流環(huán)信號傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，甚至出現(xiàn)故障失效。

研究發(fā)現(xiàn)，接觸電阻會受材料、接觸形式和表面狀態(tài)、機(jī)械狀態(tài)等多種因素的影響［2］。降低接觸電阻變化值的方法主要有:(1)采用綜合性能優(yōu)良的接觸材料，包括良好的導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性、耐磨性等，導(dǎo)電環(huán)常用的材料為銅合金，電刷的材料較多，有銅合金、石墨、銅－石墨、銀－石墨、銀－碳纖維復(fù)合材料等。(2)電刷與導(dǎo)電環(huán)接觸部位之間保持適當(dāng)?shù)慕佑|壓力以及合理的接觸面積。(3)保證合理的電刷動態(tài)響應(yīng)速度。

1.2 絕緣電阻

絕緣電阻是指環(huán)與環(huán)之間以及環(huán)與地之間的泄露電阻。其取決于絕緣材料的性能和相鄰電路的間距。對于一般的匯流環(huán)，在相對濕度為60%、直流高壓為500 V 時，最小絕緣電阻達(dá)到100 MΩ，基本符合要求。對于高壓匯流環(huán)，則要求更高的絕緣電阻，可達(dá)500 ～1 000 MΩ。

根據(jù)理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，增大絕緣電阻的方法主要有:(1)采用絕緣性能較好的材料進(jìn)行絕緣隔離，要求材料的尺寸穩(wěn)定性好、吸濕性低，常用的絕緣材料有環(huán)氧樹脂玻璃布板、聚四氟乙烯等。(2)增加兩相鄰電路的絕緣距離，在尺寸允許的情況下，盡量增大導(dǎo)電環(huán)間或?qū)щ姯h(huán)和電刷之間的絕緣距離，提高絕緣性能。

1.3 電介質(zhì)強(qiáng)度

電介質(zhì)強(qiáng)度是指在導(dǎo)電環(huán)兩個相鄰電路之間加上一定的直流或50 Hz 交流電壓，其最薄弱點(diǎn)所能承受的電位擊穿的能力。電介質(zhì)強(qiáng)度與材料的絕緣介質(zhì)性能有關(guān)，介質(zhì)的絕緣性能越好，其抗高電位擊穿的能力越強(qiáng)。電介質(zhì)強(qiáng)度可采用耐壓測試儀進(jìn)行測量。一般匯流環(huán)的耐壓要求約為500 ～1 000 V，而高壓匯流環(huán)的耐壓要求可達(dá)上萬伏。

1.4 串?dāng)_

串?dāng)_是指兩個電路之間的電干擾。串?dāng)_是由于絕緣體漏電或?qū)w間的電容耦合和電感耦合所引起的，它與導(dǎo)體的長度、間距、絕緣體的電阻率和介質(zhì)常數(shù)以及導(dǎo)電環(huán)的形狀有關(guān)，還與信號的頻率、電路外阻抗以及周圍環(huán)境條件有關(guān)。串?dāng)_的大小采用隔離度進(jìn)行度量，隔離度的表達(dá)式為

式中，V1為環(huán)路1 的信號電壓;V2為環(huán)路2 的感應(yīng)電壓。由式可知，隔離度數(shù)值越大，減小串?dāng)_的效果越好。

對于頻率較高的電路，串?dāng)_主要是分布電容的函數(shù)，頻率越高、串?dāng)_越大。所以高頻匯流環(huán)應(yīng)做好靜電屏蔽，并將所有導(dǎo)體分別接地，否則公共接地回路也會對信號產(chǎn)生耦合干擾。在空間允許的情況下，通過增大兩電路之間的距離可減少串?dāng)_。

1.5 電噪聲

電噪聲是指電路中某些元件引起的電干擾。電噪聲分為自發(fā)噪聲和阻抗噪聲。自發(fā)噪聲是滑動接觸過程中由于溫差電效應(yīng)和壓電效應(yīng)產(chǎn)生的，與接觸溫度、滑動速度、接觸壓力和材料等有關(guān)。研究表明，阻抗噪聲主要是由于導(dǎo)電環(huán)和電刷接觸阻抗發(fā)生波動而產(chǎn)生的。接觸阻抗是隨著轉(zhuǎn)動過程中接觸壓力和接觸面積而變化的，它與材料、表面光潔度、接觸壓力、滑動速度及污染有關(guān)。通常情況下，阻抗噪聲是主要的噪聲來源，而自發(fā)噪聲是微伏的數(shù)量級，比阻抗噪聲小得多。

1.6 駐波比

駐波比全稱為電壓駐波比，是指駐波波腹處的聲壓幅值Vmax與波節(jié)處的聲壓幅值Vmin之比。它反映了天線系統(tǒng)的阻抗匹配情況，可表示為

式中，R 為輸出阻抗;r 為輸入阻抗;K 為反射系數(shù)。

理想情況下，駐波比為1，反射系數(shù)為0，此時輸入阻抗和輸出阻抗數(shù)值相等，達(dá)到完全匹配，而實(shí)際中反射系數(shù)不可能為0，故駐波比總是大于1 的。為降低駐波比，通?？梢栽谙到y(tǒng)中插入一個匹配網(wǎng)絡(luò)，還有一種方法是增加或減少天線的長度，從而使SWR 數(shù)值在所在頻率上盡可能低。

2 匯流環(huán)技術(shù)研究發(fā)展現(xiàn)狀

匯流環(huán)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展已發(fā)展了數(shù)十年，在結(jié)構(gòu)、材料和制造工藝等方面，經(jīng)過不斷地研究改進(jìn)已取得了一系列顯著的研究成果。

2.1 匯流環(huán)電接觸件結(jié)構(gòu)研究發(fā)展現(xiàn)狀

最初的電接觸結(jié)構(gòu)是活塞式結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。主要由電刷、刷盒、螺頭、彈簧組成［3－5］。電刷靠彈簧的壓力與導(dǎo)電環(huán)接觸，接觸面積大，可傳輸大功率電流。對于小電流信號傳輸，發(fā)展了懸臂式結(jié)構(gòu)，如圖2所示，靠簧片產(chǎn)生接觸壓力，在簧片端部有接觸塊，這種結(jié)構(gòu)改善了機(jī)械穩(wěn)定性，減小了顫振;此外，在原塊狀電刷的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了金屬刷絲形式，如圖3 所示。采用這種形式可使匯流環(huán)的整體尺寸顯著減小。

圖1 活塞式結(jié)構(gòu)

圖2 懸臂式結(jié)構(gòu)

圖3 金屬刷絲結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)滑動接觸形式的基礎(chǔ)上，研究人員又開發(fā)了滾動接觸摩擦副形式。圖4 所示為滾動匯流環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖，其主要包括一個或多個彈性環(huán)和內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)［6－9］。由于彈性環(huán)與內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)為滾動接觸，因而摩擦力矩小、接觸電阻低、材料磨損量小、使用壽命長。美國對滾動匯流環(huán)的研究開展較早，至今已形成了成熟產(chǎn)品，Diamond 公司是滾動匯流環(huán)的主要生產(chǎn)商，其產(chǎn)品除了在空間站、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、機(jī)載雷達(dá)等軍事領(lǐng)域應(yīng)用外，還可用于機(jī)場安檢掃描設(shè)備、醫(yī)用CT、半導(dǎo)體制造設(shè)備等民用領(lǐng)域及一些其它工業(yè)領(lǐng)域。國內(nèi)在這方面研究相對較晚，在核心結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)、材料及加工工藝方面均與國外先進(jìn)水平有一定差距，目前還處于初步樣機(jī)研制階段，尚未實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。

圖4 滾動電接觸副示意圖

非接觸式匯流環(huán)是發(fā)展的另外一種匯流環(huán)結(jié)構(gòu)形式，其可通過電磁耦合或電容耦合兩種方式實(shí)現(xiàn)電能和信號的傳輸［10－12］。電容耦合如圖5(a)所示，其中心導(dǎo)體是環(huán)狀的，用絕緣體支撐在屏蔽層內(nèi)，在固定部分與轉(zhuǎn)動部分之間有一個空隙，互不接觸，利用電容感應(yīng)原理進(jìn)行傳輸，主要傳輸中頻信號。與此相比，電磁耦合的原理是利用高頻電磁感應(yīng)和射頻收發(fā)技術(shù)，在相對轉(zhuǎn)動的內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)結(jié)構(gòu)之間實(shí)現(xiàn)非接觸的電源和信號傳遞，如圖5(b)所示。

對非接觸式匯流環(huán)的研究已有較長時間，并已有相關(guān)產(chǎn)品在軍事及工業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，如軍用雷達(dá)、工業(yè)發(fā)電機(jī)等。

2.2 匯流環(huán)電接觸材料研究發(fā)展現(xiàn)狀

圖5 非接觸式匯流環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

匯流環(huán)主要依靠電刷和導(dǎo)電環(huán)形成電接觸實(shí)現(xiàn)信號的傳輸，因此電接觸材料的性能直接決定了匯流環(huán)的可靠性、穩(wěn)定性、精度和使用壽命。匯流環(huán)工作過程中，受到力、熱、電場、磁場等多種因素的綜合作用，故對電接觸材料要求較高。理想的電接觸材料應(yīng)滿足以下幾個性能要求［13］:(1)物理性能。要求具有低的電阻率、高的熱導(dǎo)率、溶點(diǎn)，并且熱穩(wěn)定性好、溫升小、電子逸出功大，起弧電壓高。(2)機(jī)械性能。在室溫及高溫下強(qiáng)度高，材料的塑性、硬度和韌性要適當(dāng)，要具有高的耐磨性和合適的彈性模數(shù)。(3)電接觸性能。接觸電阻是接觸材料基本的電性能參數(shù)，要求接觸電阻低且穩(wěn)定。材料耐電弧侵蝕，熔焊和金屬轉(zhuǎn)移的傾向小。(4)化學(xué)性能。要求材料對不同介質(zhì)有較好的耐腐蝕性能，在空氣中不易被氧化、碳化、硫化及形成不易導(dǎo)電的化合物，即使形成氧化物也較易揮發(fā)，材料耐化學(xué)腐蝕和氣體溶解的傾向小。(5)加工性能。易加工、易焊接，而且要具有較高的性價比。

國內(nèi)外對電接觸材料的研究已經(jīng)有較長的時間，其中美國、日本、德國等國家的材料制造最為先進(jìn)。目前電接觸材料主要采用貴金屬材料，因?yàn)橘F金屬電接觸材料能較好地滿足上述性能要求，尤其是在輕接觸載荷和小電流下更能顯示出其優(yōu)越性?，F(xiàn)階段應(yīng)用的電接觸材料通常不是單一的貴金屬，而主要是合金及復(fù)合材料。目前廣泛應(yīng)用的貴金屬電接觸材料主要是銀、金、鉑、鈀合金。導(dǎo)電環(huán)主要采用銀、銀銅釩、銀銅、金銀、鉑銥、金銀銅、金銅等貴金屬及其合金材料。為控制成本同時保證材料具有高的導(dǎo)電性和耐磨性，可考慮在銅基體上電鍍貴金屬材料。圖6 為銀導(dǎo)電環(huán)和經(jīng)表面處理的銅基底導(dǎo)電環(huán)［14］。

根據(jù)傳輸功率，選擇合適的電刷材料。若傳輸信號或不大的電流，電刷可采用刷絲形式，材料如AuNi9等貴金屬合金;若傳輸大功率，一般采用塊狀電刷，材料為石墨、銀石墨、二硫化鉬以及一些銀基材料等。

圖6 導(dǎo)電環(huán)

研究人員對電接觸材料開展化學(xué)成分、樣品制備、耐磨特性以及電氣性能等多方面的研究［15－19］，通過研究開發(fā)了許多新型耐磨電接觸材料，如AgTaMoS2G 材料同時具有優(yōu)良的電性能、機(jī)械性能和摩擦磨損性能，可作為電刷材料應(yīng)用于電接觸摩擦副結(jié)構(gòu)中。

2.3 匯流環(huán)關(guān)鍵部件制造工藝研究現(xiàn)狀

匯流環(huán)關(guān)鍵零部件主要包括導(dǎo)電環(huán)、絕緣環(huán)、環(huán)芯、電刷組合等。這些關(guān)鍵零部件的加工工藝會直接影響匯流環(huán)的整體質(zhì)量和性能指標(biāo)要求，進(jìn)而影響雷達(dá)系統(tǒng)的總體技術(shù)指標(biāo)。因此，生產(chǎn)過程中采取合理的加工工藝至關(guān)重要。

對于導(dǎo)電環(huán)，傳統(tǒng)的銅導(dǎo)電環(huán)加工工藝為:坯件采用離心鑄造或棒料彎制成形，然后再進(jìn)行后續(xù)機(jī)械加工。貴金屬電鍍工藝的快速發(fā)展，使得在基體材料表面電鍍貴金屬及其合金成為可能，不僅可以節(jié)約成本，而且其硬度和電接觸性能也較好。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，在表面鍍金的同時涂抹DJB－823 點(diǎn)接觸固體薄膜保護(hù)劑可進(jìn)一步提高導(dǎo)電性和耐磨性。

絕緣環(huán)擔(dān)負(fù)絕緣支撐和準(zhǔn)確定位的作用。目前常用的絕緣環(huán)材料有環(huán)氧樹脂玻璃板、聚四氟乙烯，聚砜等。加工方法有板料加工、塑料模壓、注射成形等。對于環(huán)氧樹脂玻璃板加工的絕緣環(huán)，為提高其絕緣抗?jié)裥阅?，加工完成后需進(jìn)行膠木化處理［20］。

環(huán)芯作為匯流環(huán)的主體部件，加工工藝尤其重要。常規(guī)工藝加工環(huán)芯是在底筒上裝配一定數(shù)量的等間距的導(dǎo)電環(huán)、墊塊及絕緣環(huán)等零件后，用環(huán)氧樹脂經(jīng)整體真空灌注并精車而成。倘若參數(shù)選擇不合理，環(huán)芯易出現(xiàn)質(zhì)量問題，例如灌注并固化后環(huán)氧樹脂出現(xiàn)多處開裂、車削導(dǎo)電環(huán)時環(huán)氧樹脂多處崩裂等。陳亦衛(wèi)［21］、王西哲［22］等人經(jīng)過試驗(yàn)，獲得了加工環(huán)芯的最佳工藝參數(shù):環(huán)氧樹脂的固化溫度為40 ℃，固化時間為8 h，車削速度約為38 r·min－1，車刀前角約為10°。裝配過程中，為提高環(huán)間裝配面的精確度，將匹配的每個導(dǎo)電環(huán)進(jìn)行研磨從而減小相鄰兩環(huán)間的裝配間隙。

對于電刷，常見的有銀基塊狀電刷和金、銀貴金屬絲狀電刷。文獻(xiàn)［14］中描述了銀基塊狀電刷材料的制造工藝:采用粉末冶金工藝制備，將配制好的銀基復(fù)合材料放入模具中冷壓成型后，在氫氣保護(hù)氣氛中850 ℃下燒結(jié)，再在460 ℃下經(jīng)熱補(bǔ)壓后，得到所需尺寸的塊狀材料。表1 為兩組銀基電刷經(jīng)受200 萬轉(zhuǎn)壽命試驗(yàn)前后接觸電阻的測試結(jié)果?？梢钥闯?，前后測試結(jié)果差別不大，表明電刷材料性能優(yōu)異、符合使用要求。

表1 接觸電阻測試結(jié)果

3 結(jié)論與展望

實(shí)踐證明，在多數(shù)雷達(dá)系統(tǒng)中，匯流環(huán)均作為關(guān)鍵部件在電信號連接傳輸方面發(fā)揮了無可替代的重要作用。隨著相關(guān)理論技術(shù)研究的進(jìn)一步深入，今后匯流環(huán)還會有更加廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。未來匯流環(huán)的發(fā)展方向主要包括以下方面:(1)向小型化、輕量化方向發(fā)展。目前大多數(shù)雷達(dá)對多機(jī)動性均有較高的要求［23］，因此促使匯流環(huán)趨向于小型化、輕量化設(shè)計(jì)。采用合理的匯流環(huán)結(jié)構(gòu)形式、開發(fā)輕型耐磨電接觸材料是解決該問題的關(guān)鍵途徑。(2)向集成化、多功能化方向發(fā)展?，F(xiàn)代雷達(dá)，特別是小型雷達(dá)正逐漸向結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方向發(fā)展［24］，因而對匯流環(huán)提出了集成化、多功能化的要求，即一個匯流環(huán)往往可集成低頻、中頻、高頻多個頻段的傳輸通道［25］，甚至包含光、電、液等多種介質(zhì)的傳輸。(3)由軍用領(lǐng)域向民用領(lǐng)域拓展。以往匯流環(huán)主要應(yīng)用于雷達(dá)、衛(wèi)星等尖端軍用產(chǎn)品，近年來在民用領(lǐng)域也逐漸獲得了快速發(fā)展，如在精密儀表、風(fēng)電、導(dǎo)航等設(shè)備上均有較多應(yīng)用。

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