李家丁， 鄧將華， 曾明海

（1.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 福建 南平 353000； 2.福州大學(xué)， 福建 福州 350108）

0 引言

隨著各國對(duì)太空發(fā)展戰(zhàn)略的重視， 深空探索已成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，對(duì)航天器的性能也提出了更高的要求，不僅要求航天器小型化、精密化、整體化，而且要求抗疲勞、抗腐蝕、長(zhǎng)壽命[1]。 而復(fù)合材料和鈦鉚釘因具有質(zhì)輕、性能穩(wěn)定和長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，很好地滿足了未來航天器性能要求，比如碳纖維復(fù)合材料耐酸堿腐蝕，密度為鋼的1/5，鋁合金的1/2，拉伸強(qiáng)度相當(dāng)于鋼的10 倍，經(jīng)特殊處理后耐溫可高達(dá)2000℃， 鈦合金密度僅為鋼的60%， 可在450～500℃下穩(wěn)定工作工作，波音787 機(jī)身上使用復(fù)合材料和鈦合金的比例高達(dá)50%，相比傳統(tǒng)的鋁制設(shè)計(jì)，其重量下降了20%[2-3]。 但復(fù)合材料價(jià)格較昂貴，傳統(tǒng)的鉚接工藝容易造成損傷和分層，并且很難修復(fù)，只能更換，鈦合金鉚釘熱強(qiáng)度高，變形系數(shù)小，所以急需一種新型的鉚接工藝[3]。

電磁鉚接技術(shù)由于加載速率快、釘桿變形均勻、鉚接質(zhì)量好、適用于復(fù)合材料和鈦合金的鉚接等優(yōu)點(diǎn)，在國外已被應(yīng)用于航空航天器制造領(lǐng)域[4]。 但我國對(duì)于電磁鉚接技術(shù)研究時(shí)間較晚[5]，加之國外對(duì)先進(jìn)技術(shù)的保密封鎖，致使我國對(duì)電磁鉚接設(shè)備充、放電系統(tǒng)研究還不夠系統(tǒng)，所研制的設(shè)備尺寸大、結(jié)構(gòu)笨重、不易搬運(yùn)和操作[6]，不能較好地攻克充電系統(tǒng)充電耗時(shí)的問題， 鉚接工作通常只能實(shí)現(xiàn)間歇性鉚接，鉚接間隔等待時(shí)間較長(zhǎng)，影響了鉚接效率，所以大大的限制了該技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

1 電磁鉚接設(shè)備充電系統(tǒng)工作原理

電磁鉚接設(shè)備的工作原理見圖1，分為電磁鉚接設(shè)備充電系統(tǒng)與鉚槍兩部分， 充電系統(tǒng)主要是通過充電回路對(duì)電容器進(jìn)行充電[7]，電壓充到指定值后斷開該回路，而后在放電系統(tǒng)中閉合放電開關(guān)[8-9]，電容器對(duì)線圈進(jìn)行放電， 由于線圈與驅(qū)動(dòng)銅片之間的電磁感應(yīng)會(huì)產(chǎn)生很大的電磁排斥力[10]，一方面推動(dòng)線圈向后運(yùn)動(dòng)作用于減振裝置， 另一方面推動(dòng)驅(qū)動(dòng)銅片和放大器向前運(yùn)動(dòng)作用于鉚釘，致使鉚釘鐓粗形變，最終完成板材之間的鉚接。

圖1 電磁鉚接工作原理示意圖[6]

電磁鉚接設(shè)備充電系統(tǒng)是電磁鉚接設(shè)備的電源部分， 可簡(jiǎn)化為如圖2，U0為外部供電電源電壓，R 為限流電阻，其作用是限制充電系統(tǒng)回路電流，KM1 為充電控制開關(guān)，C 為電容器，Uc為電容器兩端電壓。 當(dāng)閉合充電控制開關(guān)后，外部供電電源通過限流電阻后，對(duì)串接在電路中的電容器進(jìn)行充電， 當(dāng)電容器兩端電壓到達(dá)預(yù)設(shè)電壓后，斷開控制開關(guān)，充電系統(tǒng)完成一次充電任務(wù)。

圖2 電磁鉚接設(shè)備充電系統(tǒng)示意圖

電磁鉚接設(shè)備充電系統(tǒng)回路可看作是RC 回路，由KVL 定律可知：Ri+Uc=U0。

2 電磁鉚接設(shè)備充電系統(tǒng)仿真分析

電磁鉚接設(shè)備充電系統(tǒng)中因高壓脈沖電容容值小、體積大、電壓高、對(duì)絕緣性能要求嚴(yán)格，所以通常選用的是電解電容。 電解電容容值大，體積小，較易便可做到幾千微法，所需工作電壓較低，一般只有幾百伏，很好的滿足了電磁鉚接設(shè)備需要。 本文所研究的是22000MFD450VDC電容，即標(biāo)稱容量22000μF，額定工作電壓450V，圓柱形，耐溫-40℃～105℃的鋁電解電容。 為保證使用安全和延長(zhǎng)壽命，電壓?？刂圃?00V 以內(nèi)，室溫下工作。

目前充電模式普遍采用恒壓和恒流，恒壓充電通常是借助變壓設(shè)備和整流裝置對(duì)充電電壓進(jìn)行變壓和整流，然后串接限流電阻再對(duì)電容器進(jìn)行充電， 其特點(diǎn)是充電速度較快、可自動(dòng)調(diào)整充電電流，但充電初始階段電流非常大，而后隨電壓升高，電流減小，會(huì)對(duì)電解電容造成很大的電流沖擊，長(zhǎng)期充放電則會(huì)大大的降低電解電容的使用壽命和性能。

恒流充電是通過接入恒流電源給電容器充電， 其特點(diǎn)是充電電流是恒定的， 給電容器充電時(shí)不會(huì)對(duì)電容造成較大的電流沖擊， 只需檢測(cè)電容器兩端電壓便可以判斷是否充到預(yù)設(shè)值，然后斷電即可，充電精準(zhǔn)、速度快、效果較好，充電過程便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。

根據(jù)前期電磁鉚接設(shè)備的研究可知， 鉚接設(shè)備既要滿足小型化、輕量化，又要具有工程實(shí)用性，能量最好不低于12kJ，鉚接速度最好不低于10 次/min[1，6]，才能滿足實(shí)際需要。因此本文在基于恒流充電的前提下，對(duì)多組電容進(jìn)行充電仿真分析， 而后在采用試驗(yàn)加以驗(yàn)證仿真結(jié)果的可行性。

圖3 充電系統(tǒng)電容組連接方式

由電容充電時(shí)間計(jì)算公式可知：T=UcC總/I，當(dāng)以8 個(gè)電容全并聯(lián)進(jìn)行充電， 電壓最大值設(shè)400V， 則UcC總=70.33A·s，當(dāng)以8 個(gè)電容每?jī)蓚€(gè)串聯(lián)后再并聯(lián)進(jìn)行充電，電壓最大值設(shè)800V，則UcC總=35.2A·s，當(dāng)以9 個(gè)電容每三個(gè)串聯(lián)后再并聯(lián)進(jìn)行充電， 電壓最大值設(shè)1200V，則UcC總=26.4A·s， 當(dāng)以8 個(gè)電容每四個(gè)串聯(lián)后再并聯(lián)進(jìn)行充電，電壓最大值設(shè)為1600V，則UcC總=17.6A·s。 同時(shí)為了滿足工業(yè)實(shí)用性，鉚接速度不低于10 次/分鐘，那么充放電周期至少不慢于6s/次，通過公式：I=UcC總/T 初步計(jì)算可知， 恒流源的電流至少不低于所有電容全并聯(lián)充電的11.73A，每?jī)蓚€(gè)串聯(lián)后再并聯(lián)的5.87A，每三組電容串聯(lián)后并聯(lián)的4.4A，每四個(gè)串聯(lián)后再并聯(lián)的2.933A。

從上述數(shù)值求解及Multisim 仿真結(jié)果如圖4 可知，當(dāng)使用相同規(guī)格的恒流電源對(duì)上述不同電容組合方式進(jìn)行充電時(shí)發(fā)現(xiàn)， 相比于每?jī)蓚€(gè)電容串聯(lián)后再并聯(lián)充電時(shí)間是8 個(gè)電容全并聯(lián)充電所用時(shí)間的約1/2，縮短充電時(shí)間非常顯著， 每三個(gè)電容串聯(lián)后再并聯(lián)所縮短的充電時(shí)間不是很明顯， 每四個(gè)電容串聯(lián)后再并聯(lián)充電時(shí)間也大為縮短。雖然充電時(shí)間縮短是設(shè)備迫切需要的，但充電電壓提高一方面對(duì)設(shè)備絕緣性能要求也隨之增加， 另一方面串聯(lián)上多個(gè)電容之后， 極易造成各電容間分壓不均現(xiàn)象，且串聯(lián)的電容數(shù)量越多，分壓不均現(xiàn)象越顯著，輕則縮短電容使用壽命， 嚴(yán)重的可能會(huì)導(dǎo)致個(gè)別電容超過耐壓值而損壞。 因此綜合設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸、絕緣性能、充電時(shí)間、 充放電能量等因素考慮， 確定以8 個(gè)電容每?jī)蓚€(gè)串聯(lián)后在四個(gè)并聯(lián)組合進(jìn)行充電是比較理想的選擇， 充電電流可以設(shè)置為恒流源3～8A，0～850V 可調(diào)。

圖4 恒流源對(duì)不同電容組連接方式充電時(shí)間和電壓仿真結(jié)果

3 試驗(yàn)

結(jié)合數(shù)值求解和仿真結(jié)果開展試驗(yàn)， 選用8 個(gè)22000MFD450VDC 電容，按每?jī)蓚€(gè)電容串聯(lián)后再進(jìn)行并聯(lián)充電，恒流源選用3～8A 可調(diào)，最高充電電壓850V，顯示和控制部分采用觸摸屏、PLC、 接觸器來實(shí)現(xiàn)充電回路的控制。 應(yīng)用數(shù)字電橋測(cè)量各電容實(shí)際容值和示波器測(cè)量充電電流和電壓，每組值測(cè)量3 次后取平均值，所用測(cè)量設(shè)備和測(cè)得數(shù)值如圖5、表1，所用恒流源和電容組及每?jī)蓚€(gè)電容串聯(lián)后再并聯(lián)仿真和實(shí)際充電曲線見圖6 和圖7。

圖5 所用測(cè)量設(shè)備

表1 8 個(gè)22000MFD450VDC 電容實(shí)測(cè)容值和對(duì)應(yīng)電壓

圖6 所用恒流源和電容組

圖7 每?jī)蓚€(gè)電容串聯(lián)后再并聯(lián)仿真和實(shí)際充電曲線

從測(cè)試結(jié)果可知，設(shè)定恒流源充電電流8A 對(duì)電容組充電試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果基本一致，充電到設(shè)定電壓800V時(shí)，每?jī)蓚€(gè)串聯(lián)后再并聯(lián)電容組實(shí)際充電所用時(shí)間為4.09s，設(shè)備能量12.75kJ， 仿真所用時(shí)間為4.41s，設(shè)備能量14.08kJ，可以實(shí)現(xiàn)單次或多次連續(xù)充放電，每次電容組充放電時(shí)間約為4.3s 均短于6s，因此不論是充電時(shí)間還是設(shè)備能量均能滿足工程實(shí)際需要。 但測(cè)試結(jié)果也不難發(fā)現(xiàn)，電容標(biāo)稱容值和實(shí)測(cè)容值存在一定差異，這可能是因?yàn)殡娙莸募庸ぶ圃旃に?、放置時(shí)間、環(huán)境溫度、工作電壓等引起的偏差，各電容的偏差均在允許偏差KII 級(jí)（±10%）范圍內(nèi)，不同電容間實(shí)測(cè)容值偏差小于5%， 因此還是合格的；各電容間的最大電壓偏差由（Ucmax-Ucmin）/Ucmax×100% 可知為2.58%＜5%，雖然在允許范圍之內(nèi)，但是長(zhǎng)期充放電必然會(huì)導(dǎo)致，串聯(lián)電容間電壓差不斷擴(kuò)大，最終導(dǎo)致設(shè)備能量降低，更有甚者，可能會(huì)使得個(gè)別電容超過耐壓值而損壞。經(jīng)過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，可以考慮將實(shí)測(cè)電容容量值相近的兩個(gè)電容串聯(lián)在一起使用，這樣既可以保證設(shè)備能量，又可以盡可能的降低電容間的電壓偏差，充電使用效果更佳。

將上述電磁鉚接設(shè)備充電系統(tǒng)搭配電磁鉚槍， 設(shè)備參數(shù)如表2 所示，對(duì)?8mm 1040 鋁鉚釘開展鉚接試驗(yàn)。

表2 電磁鉚接設(shè)備充電系統(tǒng)和電磁鉚槍參數(shù)

鉚接效果見圖8，當(dāng)設(shè)備充電電壓為450V 時(shí)實(shí)施放電鉚接，鋁鉚釘出現(xiàn)明顯變形鐓粗， 通過查閱鉚釘鐓頭標(biāo)準(zhǔn)成形尺寸可知，當(dāng)充電電壓為700～750V 實(shí)施放電鉚接，已能完全滿足?8mm 1040 鋁鉚釘?shù)你T接成形要求。

圖8 1040 鋁鉚釘鉚接

4 結(jié)論

本文基于恒流充電對(duì)電磁鉚接設(shè)備充電系統(tǒng)進(jìn)行原理分析，借助仿真手段對(duì)多種電容器組合方式進(jìn)行仿真，并結(jié)合行業(yè)要求對(duì)電磁鉚接設(shè)備充電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過仿真和試驗(yàn)，在忽略一定測(cè)量誤差的前提下，采用3～8A，0～850V 恒流源，充電電流設(shè)為8A，對(duì)8 個(gè)22000MFD450VDC電容器每?jī)蓚€(gè)串聯(lián)后再并聯(lián)進(jìn)行充電到設(shè)定電壓800V，所需時(shí)間僅需4.09s，設(shè)備能量12.75kJ，可實(shí)現(xiàn)單次或多次連續(xù)充放電， 電容間電壓偏差小于5%； 設(shè)備充電電壓在700～750V 可完成?8mm1040 鋁鉚釘?shù)你T接工作， 對(duì)我國航空航天器研制具有較好的工程實(shí)用價(jià)值。