匯流環(huán)金屬絲—環(huán)芯瞬態(tài)響應研究

文廣 劉兆有 左芳君 劉平平

摘要：以某滑動式匯流環(huán)的主要結構-金屬絲-環(huán)芯摩擦副為研究對象，利用有限元法對其進行瞬態(tài)動力學分析，考察結構在沖擊載荷作用下的瞬態(tài)響應，研究轉速和沖擊載荷大小對其瞬態(tài)響應的影響。研究結果表明：金屬絲-環(huán)芯摩擦副結構在載荷作用下的最大等效應力位于金屬絲與環(huán)芯的接觸部位，其值仍小于材料許用應力。隨著沖擊載荷數值的增大，結構瞬態(tài)響應最大峰值會隨之增大，在現(xiàn)有轉速條件下，隨著環(huán)芯轉動速度的增加，其瞬態(tài)響應最大峰值反而會降低。

關鍵詞：匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯摩擦副；沖擊載荷；轉速；瞬態(tài)響應；有限元法

中圖分類號：TH131文獻標志碼：A

文章編號：2095-5383（2019）01-0001-06

Study on Transient Response of Electric Brushring Core of Slip Ring

WEN Guang， LIU Zhaoyou， ZUO Fangjun， LIU Pingping

（School of Mechanical Engineering， Chengdu Technological University， Chengdu 611730， China）

Abstract：

Taking the main structure of a slip ring， electric brushring core friction pair， as the research object， the transient dynamic analysis of the friction pair was carried out by using finite element method. The transient response of the structure under impact load was investigated， and the influence of rotational speed and impact load on its transient response was studied. The results show that the maximum equivalent stress of electric brushring core friction pair structure under load is located at the contact area between electric brush and ring core， and its value is still less than the allowable stress of material. With the increase of the impact load， the maximum peak value of the transient response of the structure will increase. Under the existing rotational speed conditions， the maximum peak value of the transient response will decrease with the increase of the core rotational speed.

Keywords：

electric brushring core of slip ring； impact load； rotational speed； transient response； finite element method

匯流環(huán)是一種傳輸裝置，主要用于傳遞兩個相對旋轉機構間的功率與信號，在雷達、衛(wèi)星、風力發(fā)電等設備上有著廣泛應用[1]。作為系統(tǒng)的重要組成部分，匯流環(huán)的性能質量和工作狀態(tài)會影響系統(tǒng)整體的工作精度和可靠性[2]。對于匯流環(huán)來說，電刷與導電環(huán)組成的接觸副是其主要的核心部件，其工作性能是否可靠關系到匯流環(huán)的使用壽命。沖擊載荷往往作用時間短，載荷數值大，與靜態(tài)工況相比，結構在沖擊載荷作用下的力學響應要復雜得多，因此，在開展工程結構設計時，非常有必要研究其在沖擊載荷作用下的瞬態(tài)響應。唐征明等[3]針對某柴油發(fā)電機組基座，利用ANSYS軟件研究了減震器剛度對基座抗沖擊強度的影響。韋洲等[4]以某旋壓鋁合金輪轂為研究對象，借助有限元軟件ANSYS分析了其13°沖擊強度，得出了輪轂的正面最大應變量和背面最大應變量等指標參數。高健翔等[5]同樣借助ANSYS有限元軟件對某數控轉塔沖床的床身進行了瞬態(tài)動力學分析。但是在匯流環(huán)設計領域，大部分的科研人員都將研究方向集中在靜態(tài)接觸應力分析、電特性分析、材料及結構匹配特性分析等方面，較少關注到匯流環(huán)在承受外界沖擊載荷作用下的瞬態(tài)動力學特性。馬春生等[6]利用三維軟件Solidworks對一種新型大功率滾動式匯流環(huán)裝置進行了參數化建模，并借助有限元軟件Ansys Workbench研究了其內、外環(huán)上接觸應力的分布情況。劉文科等[7]以某型號雷達匯流環(huán)為研究對象，通過測試獲得了接觸電阻、絕緣電阻、電介質強度等主要電性能參數，并根據測試結果來分析產品出現(xiàn)問題的原因。鄧書山等[8]在文獻中介紹了匯流環(huán)設計中關鍵材料的選用原則，并強調要根據使用要求和環(huán)境條件來選用合適的關鍵材料。常健等[9]通過研究發(fā)現(xiàn)電刷-導電環(huán)電接觸滑動摩擦副使用壽命是包括電刷-導電環(huán)配對材料、周圍氣體環(huán)境和濕度環(huán)境、電接觸摩擦副的壓力以及相對滑動速度、電刷的加工方法、燒結密度及其中石墨的含量、晶粒大小和晶粒取向等在內的多種因素綜合作用的結果。薛萍等[10]在文獻中介紹了大量常用的導電環(huán)和電刷材料，并通過試驗數據分析，篩選出適合于不同使用要求的導電環(huán)和電刷的材料和結構。本文借助有限元軟件，假設由于結構安裝或者外界激勵等原因導致某滑動匯流環(huán)在工作過程中產生了一定大小的沖擊載荷，將環(huán)芯轉動過程中，金屬絲-環(huán)芯摩擦副結構承受的載荷當作時間歷程載荷，對該滑動匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯摩擦副結構進行瞬態(tài)動力學分析，研究該結構在沖擊載荷作用下的瞬態(tài)響應，并考察沖擊載荷大小和環(huán)芯轉速對結構瞬態(tài)響應的影響規(guī)律，為該滑動匯流環(huán)的動力學優(yōu)化提供理論基礎。

1匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯結構分析及有限元模型

該結構主要由環(huán)芯、金屬絲、金屬絲安裝板構成，其中金屬絲的一端和環(huán)芯接觸，另一端固定于安裝板上，安裝板固定安裝在匯流環(huán)外殼上，如圖1所示。工作時，安裝板及金屬絲與外殼相連，保持不動，環(huán)芯與轉動構件連接，隨轉動構件的轉動而轉動。由于實際環(huán)芯較長，整體結構可看作是由數道金屬絲和環(huán)芯槽組成的接觸副組裝而成，本文為了分析簡便，選取了其中的一段作為研究對象。環(huán)芯、金屬絲、金屬絲安裝板分別由45鋼、AuNi9、玻璃纖維材料制成，這3種材料的相關材料特性參數如表1所示。

分析前，在有限元軟件中對其進行建模，為提高分析效率，建模采用參數化編程來實現(xiàn)。實體模型建成后對其進行網格劃分，環(huán)芯用實體單元solid45單元來模擬，金屬絲采用梁單元beam188來模擬，安裝板則由板單元shell63來模擬，分別采用掃掠和映射網格劃分方式對環(huán)芯、安裝板實體模型進行網格劃分，整個結構被劃分成30 557個單元，其中實體單元30 240個，板單元297個，梁單元20個，共有41 348個節(jié)點。經過網格劃分后的有限元模型如圖2所示。

金屬絲與環(huán)芯的接觸是分析時必須考慮的問題，接觸問題是高度非線性問題，計算成本相對較高，相關接觸參數的設置也較為復雜，因此，本文選擇使用節(jié)點耦合法來模擬金屬絲與環(huán)芯的接觸，將接觸非線性問題轉換成線性問題來處理。節(jié)點自由度耦合[11]是人為地迫使相互接觸的部分表現(xiàn)為剛體，形成過約束，從而造成耦合區(qū)域應力集中，計算出的接觸應力也比使用一般的接觸算法計算出的要大，因此，采用這種方法對金屬絲和環(huán)芯的接觸進行分析是可靠的。本文在建模時，將金屬絲末端節(jié)點和環(huán)芯上對應位置的節(jié)點的6個自由度全部耦合（如圖2所示）。

2加載和求解

21匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯結構瞬態(tài)動力學分析

有限元模型建立后，按照該滑動匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯摩擦副結構的實際工作情況對其進行加載和約束，具體的約束和載荷為：環(huán)芯2個端面上的所有節(jié)點全約束，通過在安裝板節(jié)點上施加豎直方向的位移來模擬環(huán)芯與金屬絲的接觸載荷。

滑動匯流環(huán)裝置在工作時，環(huán)芯轉動，金屬絲通過安裝板固定安裝在匯流環(huán)外殼上，工作過程中保持靜止狀態(tài)。進行瞬態(tài)分析時，將環(huán)芯轉動1周的時間看成1個運動周期，本文只分析1個運動周期內的結構瞬態(tài)響應。在環(huán)芯轉動的1個運動周期內，金屬絲-環(huán)芯摩擦副結構承受的載荷可以分為3個階段：第1階段是未開始承受沖擊載荷；第2階段是承受由結構安裝誤差或碰撞過程中產生的沖擊載荷；第3階段是沖擊載荷已經過去，載荷狀態(tài)恢復到第1階段。現(xiàn)在假設其轉速為n1 r/s，安裝板節(jié)點豎直方向上承受的靜態(tài)位移載荷大小為Uy，沖擊載荷系數為x1，則環(huán)芯轉動1周的時長，即運動周期為1/n1s，沖擊載荷大小為x1×Uy，第1階段對應的起止時間為：0～19/（40×n1） s，安裝板節(jié)點豎直方向上承受的位移載荷大小為Uy；第2階段對應的起止時間為：19/（40×n1）～21/（40×n1） s，安裝板節(jié)點豎直方向上承受的位移載荷大小為x1×Uy；第3階段對應的起止時間為：21/（40×n1）～1/n1s，安裝板節(jié)點豎直方向上承受的位移載荷大小為Uy。

通過分析對比，選取金屬絲與環(huán)芯結構接觸處的節(jié)點為危險點，即瞬態(tài)動力學的分析點，由于該金屬絲-環(huán)芯摩擦副結構為對稱結構，安裝板上節(jié)點承受的載荷也呈對稱分布，因此選取了環(huán)芯其中一側圓柱面上的10個接觸節(jié)點為分析點，上述分析點的位置如圖1所示，接觸處節(jié)點從左至右依次為P1至P10。

采用完全法對該滑動匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯摩擦副結構進行瞬態(tài)動力學分析，分析結束后提取分析點的瞬態(tài)響應，即上述分析點在瞬態(tài)載荷作用下的等效應力值。為全面研究結構的瞬態(tài)響應，考察了該金屬絲-環(huán)芯摩擦副結構在不同的環(huán)芯轉速、不同沖擊載荷大小下的瞬態(tài)響應。

22不同載荷工況下的瞬態(tài)響應

為了研究不同載荷工況下，金屬絲-環(huán)芯摩擦副結構的瞬態(tài)響應，本文通過改變沖擊載荷系數x1的大小來模擬不同的載荷大小工況，考察x1分別為14、15時結構的瞬態(tài)響應。分析后，分別提取上述分析點的等效應力，圖3給出了x1=14、轉速為1 r/s時，金屬絲與環(huán)芯結構的接觸節(jié)點，即各分析點的等效應力隨時間變化的曲線。

從圖3可以看出，該滑動匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯摩擦副結構上所有分析點的瞬態(tài)響應最大峰值都出現(xiàn)在0052 5 s時刻。在環(huán)芯轉速為1 r/s時，該時刻剛好是沖擊載荷離開結構的時間節(jié)點，說明隨著沖擊載荷作用時間的增加，結構的瞬態(tài)響應值也逐漸增大，至沖擊載荷消失的時刻，其瞬態(tài)響應值達到最大峰值。另外，從圖3也可以看出，在該金屬絲-環(huán)芯摩擦副結構上，分析點P1和P10處的最大等效應力值最大，略大于其他分析點，但仍小于材料的許用應力，這2個分析點位于環(huán)芯結構的兩端，位置距離兩端越遠的分析點其瞬態(tài)響應峰值越小。上述10個分析點的位置剛好呈對稱分布，處于對稱位置的分析點的瞬態(tài)響應峰值也相等，如P1和P10的瞬態(tài)響應峰值相等，P2和P9的瞬態(tài)響應峰值相等，P3和P8的瞬態(tài)響應峰值相等。為了提高分析效率，后續(xù)分析將會重點討論分析點P1和P10處的瞬態(tài)響應。

從圖3a、圖4a可以看出，隨著沖擊載荷系數的增加，即沖擊載荷的增大，分析點P1的瞬態(tài)響應最大峰值也隨之增加，但是，無論沖擊載荷值為多大，瞬態(tài)響應最大峰值出現(xiàn)的時刻都相同，同樣是，隨著沖擊載荷作用時間的延長，其瞬態(tài)響應峰值也逐漸增大，直到沖擊載荷消失的時刻。從圖3j、圖4b可以看出，分析點P10的瞬態(tài)響應最大峰值也是隨著沖擊載荷的增加而增大，同樣地，隨著沖擊載荷作用時間的累積，結構瞬態(tài)響應值也會逐步增加，最大值出現(xiàn)在沖擊載荷消失的時刻。

23不同環(huán)芯轉速工況下的瞬態(tài)響應

為了研究環(huán)芯轉速對滑動匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯摩擦副結構瞬態(tài)響應的影響，本文分析了環(huán)芯的轉速分別為1、2 r/s時，金屬絲-環(huán)芯摩擦副結構的瞬態(tài)響應，分析時，安裝板上節(jié)點承受的x1=14。圖5給出了環(huán)芯轉速為2 r/s時的瞬態(tài)響應曲線。

從圖5a和圖5b可以看出，無論是分析點P1處，還是分析點P10處，該金屬絲-環(huán)芯結構的瞬態(tài)響應最大峰值同樣出現(xiàn)在沖擊載荷離開的時刻，與其他載荷工況下的表現(xiàn)一致。

從圖3a和圖5a可以看出，隨著環(huán)芯轉速從1 r/s增加至2 r/s，分析點P1的最大瞬態(tài)響應峰值基本沒有變化，從圖3j和圖5b可以看出，隨著環(huán)芯轉速的增加，分析點P10的最大瞬態(tài)響應峰值也基本保持不變，說明在目前的環(huán)芯轉速條件下，該匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯摩擦副結構的瞬態(tài)等效應力對轉速的變化不是很敏感。

3結論

本文以某滑動匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯摩擦副結構為研究對象，假設由于安裝誤差或外界激勵等原因導致結構工作過程中產生了沖擊載荷，研究該匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯摩擦副結構在沖擊載荷作用下的瞬態(tài)響應，通過分析得出如下結論：

1）該滑動匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯摩擦副結構在沖擊載荷作用下，金屬絲與環(huán)芯的接觸節(jié)點都出現(xiàn)了瞬態(tài)響應，瞬態(tài)響應值隨著沖擊載荷作用時間的增加而變大，其峰值出現(xiàn)在沖擊載荷離開安裝板節(jié)點的時刻。相對而言，位于環(huán)芯兩端的金屬絲與環(huán)芯的接觸節(jié)點即分析點P1和P10處，結構瞬態(tài)響應更為明顯，但其應力峰值仍小于材料許用應力。處在環(huán)芯對稱位置的分析點處的瞬態(tài)響應峰值也相等。

2）隨著沖擊載荷的增大，金屬絲-環(huán)芯摩擦副結構的瞬態(tài)響應最大峰值也會增加，即，結構的瞬態(tài)響應對載荷大小的變化較為敏感。在現(xiàn)有轉速條件下，隨著環(huán)芯轉速的增加，其瞬態(tài)響應的最大峰值基本不變，說明該結構的瞬態(tài)響應對環(huán)芯轉速的變化不是很敏感。參考文獻：

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