余晶晶 ，雷沫枝

（1.中國航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南 株洲412002；2.航空發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)技術(shù)航發(fā)科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 株洲412002）

對航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力測量試驗(yàn)，目的是確定被測葉片、盤及軸等關(guān)鍵件的振動(dòng)特性、振動(dòng)應(yīng)力及其他相關(guān)參數(shù)，為發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)件的安全性、可靠性評估提供依據(jù)[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)研制相關(guān)的國/軍標(biāo)中均對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子部件的動(dòng)應(yīng)力測量提出了要求。而在航空、航天領(lǐng)域中，在高轉(zhuǎn)速、高溫的惡劣測量環(huán)境下對動(dòng)應(yīng)力測量的關(guān)鍵設(shè)備——滑環(huán)引電器的信號傳輸質(zhì)量、可靠性及壽命提出很高的要求[2-9]。本文對高速滑環(huán)引電器研制關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行梳理分析，為國產(chǎn)高速滑環(huán)引電器的研制奠定了一定的基礎(chǔ)。

1 高速滑環(huán)引電器工作原理

高速滑環(huán)引電器通過連接軸與被測發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)件相連傳扭，外殼部件為靜止件，與數(shù)據(jù)接收裝置相連。核心部件的導(dǎo)電環(huán)與外殼部件的電刷接觸，裝在發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)件上的傳感器獲取的信號經(jīng)由導(dǎo)電環(huán)、刷絲摩擦副傳遞到固定不動(dòng)的外殼部件上，并通過電纜連接至相應(yīng)的信號分析設(shè)備。高速滑環(huán)引電器設(shè)備的組成和工作原理框圖如圖1所示。

圖1 滑環(huán)引電器工作原理框圖

2 高速滑環(huán)引電器性能需求分析

航空、航天領(lǐng)域使用的高速滑環(huán)引電器面臨高轉(zhuǎn)速、高溫度、信號通道數(shù)多等問題。復(fù)雜嚴(yán)苛的使用環(huán)境要求產(chǎn)品在機(jī)電匹配設(shè)計(jì)、信號傳輸、抗噪聲干擾、適用性及壽命方面具有更好的表現(xiàn)，這就對高速滑環(huán)引電器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了新的要求。

（1）摩擦副接觸線速度要求

滑環(huán)引電器的滑環(huán)旋轉(zhuǎn)部件與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)電環(huán)刷絲的接觸線速度為轉(zhuǎn)子最高工作轉(zhuǎn)速與導(dǎo)電環(huán)半徑的乘積。由于被測發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速高達(dá)數(shù)萬轉(zhuǎn)每分鐘，使得引電器中導(dǎo)電環(huán)刷絲的接觸線速度極高，而接觸線速度過高將導(dǎo)致導(dǎo)電環(huán)刷絲的磨損和摩擦發(fā)熱量增加。為減少導(dǎo)電環(huán)刷絲的摩擦損耗和降低發(fā)熱量，應(yīng)盡量減小接觸線速度，在被試件轉(zhuǎn)速不可改變的前提下，只能盡量減小導(dǎo)電環(huán)的徑向尺寸及接觸面積。與此同時(shí)，還應(yīng)配備有效的冷卻系統(tǒng)對導(dǎo)電環(huán)刷絲的接觸摩擦部位進(jìn)行有效的冷卻。

（2）信號傳輸?shù)馁|(zhì)量要求

高速滑環(huán)引電器在工作過程中，導(dǎo)電環(huán)與刷絲之間高速摩擦，為保證引電器的正常工作，刷絲材料需滿足高導(dǎo)電率、高導(dǎo)熱、高耐磨等要求[2]。導(dǎo)電環(huán)的材料作為滑動(dòng)摩擦副中的匹配材料，在選材時(shí)需考慮二者匹配以后的綜合性能，使其接觸電阻小，傳輸信號的信噪比低。此外由于導(dǎo)電環(huán)和刷絲需要使用冷卻液進(jìn)行降溫，所以導(dǎo)電環(huán)及刷絲的材料還需具備抗氧化、抗腐蝕的特性，并且冷卻液的選用應(yīng)該具有足夠的絕緣特性，以防止對傳輸?shù)碾娦盘柈a(chǎn)生干擾。

（3）滑環(huán)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)要求

滑環(huán)轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，為避免轉(zhuǎn)子產(chǎn)生動(dòng)力學(xué)振動(dòng)問題，應(yīng)增大轉(zhuǎn)子的剛性，采用足夠的支點(diǎn)數(shù)目并降低支點(diǎn)跨距，使得設(shè)計(jì)的滑環(huán)轉(zhuǎn)子為剛性轉(zhuǎn)子。受滑環(huán)線速度不可過高的限制，滑環(huán)轉(zhuǎn)子的徑向尺寸需要設(shè)計(jì)得盡可能小，為提高轉(zhuǎn)子剛性，轉(zhuǎn)子的軸向尺寸隨之也需盡可能縮短，在滑環(huán)引電器需要到達(dá)足夠多傳輸通道數(shù)的條件下，只能將導(dǎo)電環(huán)的厚度做到盡可能小，以滿足在有限軸向空間內(nèi)裝配足夠多數(shù)目的導(dǎo)電環(huán)。

3 滑環(huán)引電器關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 單環(huán)雙刷并聯(lián)滑動(dòng)摩擦副設(shè)計(jì)

導(dǎo)電環(huán)和刷絲一般采用滑動(dòng)接觸的方式來實(shí)現(xiàn)電信號的傳遞。摩擦副最好采用單環(huán)雙刷接觸形式，即兩根刷絲并聯(lián)與一個(gè)導(dǎo)電環(huán)構(gòu)成一個(gè)回路，這樣即使單根刷絲出現(xiàn)問題，也能保證電信號的正常傳輸，提高了電信號傳輸?shù)目煽啃?。單環(huán)雙刷接觸的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2.

圖2 單環(huán)雙刷接觸結(jié)構(gòu)示意圖

滑環(huán)引電器在工作過程中，電刷刷絲與導(dǎo)電環(huán)之間存在高速接觸磨損，為保證滑環(huán)引電器的正常工作，刷絲材料需具備優(yōu)良的力學(xué)、化學(xué)及電學(xué)性能（高韌性、耐磨性、高導(dǎo)熱、抗氧化、抗腐蝕等）。導(dǎo)電環(huán)選材時(shí)需考慮刷絲材料的各項(xiàng)性能，以達(dá)到合理匹配。

3.2 導(dǎo)電環(huán)精細(xì)環(huán)槽加工工藝

導(dǎo)電環(huán)表面有平面槽式和“V”型槽式兩種形式，見圖3.平面式導(dǎo)電環(huán)容易加工，但在高轉(zhuǎn)速下的接觸穩(wěn)定性不高，不能滿足滑環(huán)引電器需要在高轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)的要求?！癡”型槽式導(dǎo)電環(huán)由于表面有卡槽，在振動(dòng)沖擊等工作環(huán)境下，刷絲不易滑離導(dǎo)電環(huán)的工作面，具有更高的接觸可靠性。

圖3 導(dǎo)電環(huán)環(huán)槽形式示意圖

“V”型槽的寬度、深度、表面粗糙度等對摩擦副之間的接觸壓力和摩擦力矩都有很大影響。小尺寸導(dǎo)電環(huán)的機(jī)械加工性能差，精細(xì)“V”型槽加工難度極大。在加工過程中需嚴(yán)格控制機(jī)床、刀具，以及加工工藝確保環(huán)槽的中心位置、深度及表面粗糙度，以滿足導(dǎo)電環(huán)與刷絲的接觸性能要求（環(huán)槽表面粗糙度越小，導(dǎo)電環(huán)刷絲接觸性能越好、電噪聲越低、可靠性越高、使用壽命越長）。

3.3 導(dǎo)電環(huán)引線焊接工藝

導(dǎo)電環(huán)一般為貴金屬合金，且其厚度由于條件限制將會很小，要在如此小的空間內(nèi)完成焊接引線，必須既保證焊點(diǎn)的尺寸足夠小以確保狹小空間內(nèi)數(shù)目眾多的導(dǎo)電環(huán)能夠裝配在轉(zhuǎn)子軸上不互相干涉，又要保證焊點(diǎn)的質(zhì)量牢固可靠，以防止在數(shù)萬轉(zhuǎn)每分的高轉(zhuǎn)速離心力作用下出現(xiàn)的焊點(diǎn)脫落，影響電信號的傳輸。

3.4 導(dǎo)電環(huán)電刷設(shè)計(jì)

導(dǎo)電環(huán)電刷作為高速滑環(huán)引電器的關(guān)鍵零件，具有刷絲數(shù)量多、尺寸小、間距小、刷絲排列位置精度高、摩擦接觸可靠性及摩擦壽命要求高等特點(diǎn)。電刷刷絲需精確排列在刷絲座中，每根刷絲與導(dǎo)電環(huán)裝配后形成合適的接觸壓力。刷絲壓力是電刷對導(dǎo)電環(huán)的彈性作用力，壓力的大小直接影響滑環(huán)引電器的接觸電阻和摩擦力矩。壓力越大，接觸電阻越小，信噪比提高，但摩擦力矩隨之越大，會導(dǎo)致刷絲磨損加劇，降低使用壽命；壓力越小，接觸電阻越大，信噪比下降，但摩擦力矩隨之減小，有利于提高刷絲使用壽命。因此導(dǎo)電環(huán)刷絲設(shè)計(jì)關(guān)系到高速滑環(huán)引電器電信號傳輸?shù)馁|(zhì)量、可靠性及使用壽命，是滑環(huán)引電器設(shè)計(jì)的核心技術(shù)。為確保電刷刷絲與導(dǎo)電環(huán)接觸可靠，需計(jì)算出合理的電刷壓力和刷絲尺寸，并結(jié)合試驗(yàn)對電信號傳輸?shù)馁|(zhì)量、可靠性及使用壽命進(jìn)行必要的驗(yàn)證，通過計(jì)算分析與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法最終獲取導(dǎo)電環(huán)刷絲設(shè)計(jì)技術(shù)。

3.5 緊湊型復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

滑環(huán)引電器軸段尺寸小、加工及裝配精度要求高，對軸的加工精度，軸承的裝配定位，多軸段同心度的保證方面對加工過程及裝配水平提出了較高要求。

3.6 機(jī)電一體化裝配

滑環(huán)引電器機(jī)電一體裝配技術(shù)的主要難點(diǎn)在于引電器滑環(huán)轉(zhuǎn)軸灌封膠材料特性與灌封工藝。引電器滑環(huán)轉(zhuǎn)軸需要灌注結(jié)合劑（例如環(huán)氧樹脂膠）用來絕緣、固定相關(guān)零件。在灌注過程中，須防止形成氣泡、裂紋和疏松等現(xiàn)象的發(fā)生，這些氣泡、裂紋和疏松在后續(xù)使用中易浸入液體和潮氣而導(dǎo)致絕緣電阻下降和機(jī)電一體化軸的強(qiáng)度降低。

4 結(jié)束語

本文通過分析梳理出滑環(huán)引電器研制的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合目前設(shè)計(jì)、加工及裝配方面的技術(shù)水平對關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)可能存在的問題進(jìn)行了分析：

（1）材料方面：滿足耐磨、抗腐蝕、高導(dǎo)電性及高導(dǎo)熱性要求的高速摩擦副材料是高速滑環(huán)引電器研制的關(guān)鍵技術(shù)。高性能材料決定了滑環(huán)引電器電信號傳輸質(zhì)量、傳輸可靠性及高速滑環(huán)引電器的使用壽命，需要通過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證才能最終獲取滿足要求的摩擦副材料。

（2）加工方面：小尺寸空心軸、帶“V”型槽導(dǎo)電環(huán)、刷絲等零件在尺寸公差、形位公差及表面粗糙度方面要求較高。

（3）裝配方面：連接導(dǎo)電環(huán)與信號傳輸線之間的細(xì)微焊接、緊湊型復(fù)雜轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的裝配、包含多通道信號傳輸線、刷絲及導(dǎo)電環(huán)等電器件與高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件的機(jī)電一體裝配都對現(xiàn)有裝配水平提出了較高的要求。