葉 堃，林方密，戴 燁，劉 勵(lì)

(中國船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

匯流環(huán)的作用是使雷達(dá)天線系統(tǒng)與轉(zhuǎn)臺(tái)之間形成電能和信號(hào)通路的連續(xù)連接。作為雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，匯流環(huán)安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)(固定部分)和天線系統(tǒng)(旋轉(zhuǎn)部分)之間，三者旋轉(zhuǎn)軸重合。常用的柱式匯流環(huán)通常以電刷及外殼為外圈，環(huán)芯為內(nèi)圈，外圈與轉(zhuǎn)臺(tái)基座固定，天線系統(tǒng)通過撥叉帶動(dòng)內(nèi)圈轉(zhuǎn)動(dòng)。匯流環(huán)工作異常會(huì)影響信號(hào)和電流的正常傳遞，其可靠性是制約雷達(dá)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一。

1 匯流環(huán)結(jié)構(gòu)及問題概述

1.1 匯流環(huán)結(jié)構(gòu)

本文所述的匯流環(huán)是一種常用的柱形疊片式匯流環(huán)。導(dǎo)電環(huán)和刷絲是匯流環(huán)的核心部件。一個(gè)導(dǎo)電環(huán)與一對(duì)或幾對(duì)刷絲構(gòu)成一組電接觸副。導(dǎo)電環(huán)的外圓柱面為電接觸面，一環(huán)即為一個(gè)電通道。導(dǎo)電環(huán)與導(dǎo)電環(huán)之間用絕緣環(huán)隔開，保證各通道之間的絕緣，多環(huán)疊加在一起固定在底筒上組成環(huán)芯。金屬刷絲與印制板焊接，印制板安裝在匯流環(huán)外殼上。高彈性刷絲通過預(yù)壓力與導(dǎo)電環(huán)保持可靠電接觸，保證匯流環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中電信號(hào)、電能的連續(xù)傳輸。

1.2 瞬斷現(xiàn)象

瞬斷現(xiàn)象一般是指匯流環(huán)在傳輸電信號(hào)時(shí)發(fā)生的時(shí)間持續(xù)長度在 0.1～100 μs 之間的傳輸中斷現(xiàn)象。該現(xiàn)象是單個(gè)導(dǎo)電環(huán)表面的微觀缺陷、摩擦產(chǎn)生的粉屑以及塵埃等共同作用的結(jié)果。出現(xiàn)瞬斷現(xiàn)象還與觸點(diǎn)接觸材料的特性、刷絲壓力大小有關(guān)。如果瞬斷發(fā)生在信號(hào)環(huán)，則會(huì)極大影響輸出信號(hào)質(zhì)量；瞬斷發(fā)生在動(dòng)力環(huán)，影響則可忽略。

本文所述的匯流環(huán)在小范圍內(nèi)長時(shí)間扇掃工作中出現(xiàn)了信號(hào)瞬斷現(xiàn)象，有強(qiáng)烈震動(dòng)時(shí)也出現(xiàn)了信號(hào)瞬斷現(xiàn)象。瞬斷發(fā)生時(shí)表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)接觸電阻變化量≥ 10 mΩ，分析原因?yàn)樗⒔z與導(dǎo)電環(huán)磨損產(chǎn)生的粉末堆積在導(dǎo)電環(huán)的環(huán)槽內(nèi)，刷絲劃過時(shí)與導(dǎo)電環(huán)接觸不良，形成瞬斷。

粉末的產(chǎn)生和堆積與導(dǎo)電環(huán)及刷絲這對(duì)接觸副的接觸材料、接觸形式和接觸壓力有關(guān)。下文將從這3方面說明如何改進(jìn)匯流環(huán)中信號(hào)環(huán)的接觸副的設(shè)計(jì)，以解決信號(hào)環(huán)瞬斷問題。

2 電接觸副

2.1 接觸形式的選擇

導(dǎo)電環(huán)和刷絲的接觸形式粗略劃分為點(diǎn)接觸式和面接觸。本文討論的匯流環(huán)徑向尺寸小，結(jié)構(gòu)緊湊，且信號(hào)環(huán)最大電流在2A以內(nèi)，所以采用點(diǎn)接觸式能夠滿足負(fù)載的需求。

圖1為幾種經(jīng)典的點(diǎn)接觸式。圖中出現(xiàn)瞬斷的信號(hào)環(huán)初始設(shè)計(jì)采用的是圖1(a)V形槽+刷絲束的結(jié)構(gòu)形式。依據(jù)匯流環(huán)運(yùn)行時(shí)觀察到的情況，分析認(rèn)為，其電刷與導(dǎo)電環(huán)在長時(shí)間運(yùn)行后磨損產(chǎn)生的落粉堆積在V形槽底部尖角處難以排出，導(dǎo)致電接觸瞬斷。圖1(b)U形槽(平鋪)+刷絲束的結(jié)構(gòu)形式占用的軸向尺寸大，可排布環(huán)路數(shù)量少于規(guī)定數(shù)量，亦不可接受 。圖1(c)中的環(huán)槽形式是圓滑過渡的U形槽，有利于粉塵及時(shí)排出，且軸向尺寸滿足要求。因此，在改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，圖1(c)U形槽成為導(dǎo)電環(huán)優(yōu)選結(jié)構(gòu)。

圖1 點(diǎn)接觸形式

刷絲束的特點(diǎn)是接觸壓力低、觸點(diǎn)多且電刷導(dǎo)電環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)速度范圍大，在軍用和航天航空領(lǐng)域應(yīng)用較多。但是，由于尺寸限制，刷絲束+U形槽的結(jié)構(gòu)形式占用的軸向尺寸略大，無法滿足本文匯流環(huán)要求，所以采用了單根刷絲+ U形槽的接觸結(jié)構(gòu)形式。

單根刷絲的截面直徑比刷絲束略大，提供的接觸壓力也更大，在艦船振動(dòng)沖擊的工況下更有優(yōu)勢(shì)。刷架結(jié)構(gòu)如圖2所示，兩組刷架呈180°對(duì)稱排布，每環(huán)4個(gè)觸點(diǎn)。為彌補(bǔ)觸點(diǎn)少的不足，設(shè)計(jì)上刷絲的直徑略小于U形槽的直徑。經(jīng)過跑合刷絲與U形槽貼合形成面接觸，使電接觸面積盡可能增大，如此既可以降低接觸電阻又能防止環(huán)芯轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)刷絲的跳動(dòng)，從而提高電信號(hào)傳輸?shù)倪B續(xù)性和穩(wěn)定性。

圖2 刷架結(jié)構(gòu)及組成

2.2 接觸副材料的選擇

作為匯流環(huán)接觸副的導(dǎo)電環(huán)與刷絲，其材料的選擇至關(guān)重要。為保證匯流環(huán)在振動(dòng)、沖擊和加速度等條件下能夠正常工作，要求所選電刷材料有足夠的強(qiáng)度和良好的彈性，且導(dǎo)電性能好，不易氧化。隨著國內(nèi)金屬刷絲性能的提高以及導(dǎo)電環(huán)表面處理工藝的成熟，采用刷絲制造的匯流環(huán)壽命可以滿足雷達(dá)10年使用周期內(nèi)匯流環(huán)免維護(hù)的要求。常用的刷絲一般為φ0.2～φ1.0 mm 的金基合金絲，按成分主要分為金鎳合金刷絲和金銀銅合金刷絲。金屬刷絲的主要特點(diǎn)是耐磨性好，體積小，粉塵少。[1]

為保證導(dǎo)電環(huán)和刷絲這對(duì)摩擦副獲得優(yōu)良的接觸性能和壽命，兩者的材料應(yīng)盡可能匹配，其中材料硬度起到關(guān)鍵的作用，硬度差值越小的摩擦副材料磨損情況就越好。雷達(dá)匯流環(huán)轉(zhuǎn)速較低，在導(dǎo)電環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)先考慮選擇銅合金材料并在表面鍍貴金屬。綜合考慮，選用AuNi9絲作為刷絲材料，線徑0.1～0.75 mm，硬度略小于HV240。[2]選用黃銅作為導(dǎo)電環(huán)基體材料，表面鍍Pd-Ni/Au，鍍層硬度HV258～285[3-5]，導(dǎo)電環(huán)Pd-Ni/Au鍍層的硬度略大于刷絲硬度，磨損形式主要為粘著磨損和磨粒磨損，材料表面發(fā)生輕微的塑性變形。

2.3 接觸壓力的選擇

接觸形式和接觸副材料確定后，在結(jié)構(gòu)上需要選用適當(dāng)?shù)慕佑|壓力，以確保既能夠使刷絲很好地在導(dǎo)電環(huán)槽中滑動(dòng)，又不影響導(dǎo)電環(huán)和刷絲的使用壽命。在傳輸質(zhì)量上，接觸壓力的選擇與導(dǎo)電環(huán)傳導(dǎo)的電流、電壓有關(guān)，還要滿足匯流動(dòng)態(tài)電阻變化量在 10 mΩ 以內(nèi)的要求。電流電壓越大，則需要的接觸壓力越大；接觸壓力增大，則接觸電阻變小，不容易出現(xiàn)電火花及電蝕現(xiàn)象。因此，在匯流環(huán)裝配過程中，會(huì)考慮適當(dāng)增加刷絲的接觸壓力，以便保證匯流環(huán)的技術(shù)性能和使用壽命。但是，壓力的增大有一定的限度，如超過限度就會(huì)增加摩擦力矩，加速磨損，減少壽命。大量試驗(yàn)表明，當(dāng)摩擦副材料為H62鍍覆貴金屬配對(duì)AuNi9 時(shí)，接觸壓力控制在9.5～12 gf比較適宜。[3-4]

2.3.1 計(jì)算刷絲的變形

已知接觸壓力，可通過仿真計(jì)算得到刷絲在接觸壓力下的位移，從而獲得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。仿真的邊界條件設(shè)定為固定約束刷絲一端，載荷設(shè)定為在刷絲與導(dǎo)電環(huán)接觸位置施加垂直方向載荷0.11 N(根據(jù)接觸壓力的范圍選取中間值)。仿真得到，與導(dǎo)電環(huán)接觸位置的節(jié)點(diǎn)位移為0.5 mm左右。

2.3.2 環(huán)境適應(yīng)性計(jì)算

(1) 刷絲在X、Y向受力分析

根據(jù)匯流環(huán)產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)要求，對(duì)刷絲和導(dǎo)電環(huán)進(jìn)行力學(xué)分析，其振動(dòng)方向受X、Y、Z 方向的力。X、Y向受力滿足GJB150.16A-2009振動(dòng)試驗(yàn)的要求，具體要求見表1。該產(chǎn)品X、Y向受力情況相同，受力情況如圖3所示。

表1 振動(dòng)試驗(yàn)的要求

圖3 X-Y向受力情況示意圖

根據(jù)匯流環(huán)振動(dòng)條件，X、Y方向上作用在單槽刷絲作用力為

Fy=m·a

(1)

將刷絲質(zhì)量m=9.5×10-5kg、a=10 m/s2代入公式(1)，可得Fy=9.5×10-4N。

依據(jù)受力分析：

cosα=F′/Fy

(2)

得F′=Fy·cosα。

由于X、Y振動(dòng)方向在產(chǎn)品水平圓周方向上存在Fy作用力，當(dāng)Fy與F′作用力重合時(shí)F′作用力最大，則α=0°，cosα=1，代入式(2)得F′=Fy=9.5×10-4N。產(chǎn)品中刷絲的預(yù)壓力為F預(yù)=0.11 N,刷絲安全系數(shù)為F預(yù)/F′=115.7，滿足振動(dòng)條件，刷絲緊貼導(dǎo)電環(huán)。

(2) 刷絲在Z向受力分析

根據(jù)環(huán)境試驗(yàn)顛震條件：峰值加速度:7 g；半正弦波持續(xù)時(shí)間：>16 ms。該產(chǎn)品Z向受力情況相同，如圖4所示。

圖4 Z向受力情況示意圖

根據(jù)匯流環(huán)顛震條件，Z向上作用在單個(gè)刷絲受力為

Fz=m·a

(3)

將刷絲質(zhì)量m=2.2×10-4kg，a=7 g=68.6 m/s2，代入公式(3)可得Fz=15.1×10-3N。

由于刷絲貼合在導(dǎo)電環(huán)上Z向受摩擦力，根據(jù)

F′摩=μ·F預(yù)

(4)

其中，μ為刷絲和導(dǎo)電環(huán)摩擦系數(shù)，F(xiàn)預(yù)為刷絲和導(dǎo)電環(huán)預(yù)壓力。

AuNi9刷絲與具有較高硬度鍍層的導(dǎo)電環(huán)進(jìn)行配伍，其摩擦系數(shù)為0.8～1.0。考慮電場(chǎng)和熱場(chǎng)的影響，摩擦系數(shù)μ取0.9。[2]已知刷絲的預(yù)壓力為F預(yù)=0.11 N，得F′摩=0.9×0.11=0.099 N。刷絲安全系數(shù)為F′摩/Fz=6.55，滿足顛震條件，刷絲緊貼導(dǎo)電環(huán)，無軸向移動(dòng)。

由于GJB150.20A-2009的炮振條件是根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)得出的，其結(jié)構(gòu)與水面艦船結(jié)構(gòu)完全不同，不適用于艦船設(shè)備，因此沒有核算炮振條件下的刷絲受力。

2.3.3 接觸壓力的實(shí)現(xiàn)

刷絲組主要由刷絲、印制板、導(dǎo)線組成。成對(duì)的刷絲穿過印制板孔后焊接在印制板上，并形成張角，見圖2(b)。刷絲與導(dǎo)電環(huán)的接觸壓力是通過控制印制板與環(huán)芯的距離以及刷絲張角來實(shí)現(xiàn)的。距離與張角的設(shè)計(jì)值受限于環(huán)芯直徑、外殼內(nèi)徑等結(jié)構(gòu)尺寸，設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合上述條件預(yù)設(shè)印制板與環(huán)芯的距離和刷絲張角，即可得到刷絲與導(dǎo)電環(huán)觸點(diǎn)位置，再把0.5 mm的變形量折算至張角，得到最終的張角設(shè)計(jì)值。作為刷絲固定端的印制板，其長寬尺寸應(yīng)盡量小，而厚度尺寸足夠，以增加印制板的剛度，從而提高觸點(diǎn)位置和接觸壓力的穩(wěn)定性。

此外，為保證刷絲能精確地嵌入導(dǎo)電環(huán)槽，設(shè)計(jì)了定位面安裝印制板，并通過專用工裝來控制刷絲焊接位置。

3 產(chǎn)品測(cè)試數(shù)據(jù)

匯流環(huán)的工作轉(zhuǎn)速為0～15 r/min，導(dǎo)電環(huán)與刷絲相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度比較低，而接觸副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度越低磨損越嚴(yán)重。以較高的速度進(jìn)行磨合(跑合)，能使摩擦表面獲得穩(wěn)定的粗糙度，實(shí)際接觸面積增大，磨損速率逐漸減小。良好的磨合能使摩擦副的工作壽命增加1～2倍，還能降低接觸電阻和提高接觸電阻的穩(wěn)定性。[5]因此，匯流環(huán)加電前的加速磨合是必要的。依據(jù)AuNi9合金絲與金鍍層導(dǎo)電環(huán)磨損測(cè)試數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)速100 r/min，滑動(dòng)總距離達(dá)到20 km后摩擦副磨損逐漸減輕。[2]本匯流環(huán)把磨合的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為90、60 r/min，累計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)26萬轉(zhuǎn)，滑動(dòng)總距離達(dá)到100 km，使匯流環(huán)結(jié)束磨合進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。磨合后測(cè)得的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)見表2。

表2 各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

針對(duì)匯流環(huán)出現(xiàn)的瞬斷問題，本文結(jié)合使用環(huán)境及電性能的指標(biāo)要求做出針對(duì)性的改進(jìn)設(shè)計(jì)，在接觸形式、接觸副材料及接觸壓力3方面做了詳細(xì)的闡述。通過仿真給出了保證接觸壓力的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)匯流環(huán)在震動(dòng)環(huán)境下的運(yùn)行可靠性進(jìn)行了計(jì)算校核，采用專用工裝提高了產(chǎn)品成品率及質(zhì)量一致性。改進(jìn)后的匯流環(huán)通過各項(xiàng)試驗(yàn)及實(shí)際使用驗(yàn)證, 其信號(hào)傳輸質(zhì)量得到有效提高，各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求。