某匯流裝置的電刷設計

曹勇

摘? 要：匯流裝置是實現(xiàn)雷達天線在旋轉(zhuǎn)過程中與固定部分的電氣信號連續(xù)而可靠傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，在匯流裝置電刷與導電環(huán)環(huán)導電摩擦副材料確定后，電刷接觸壓力的設計和對變化范圍的控制就成為電刷與導電滑環(huán)靜態(tài)和動態(tài)接觸電阻的關鍵。該文通過對有限元方法對電刷的仿真分析，可了解電刷的接觸壓力及觸點的變化情況，從而對電刷進行進一步的優(yōu)化設計。

關鍵詞：匯流裝置;導電滑環(huán);電刷;接觸壓力

中圖分類號： TN95? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

某自行防空武器系統(tǒng)相控陣搜索雷達要求行進中全程連續(xù)工作，其匯流裝置是實現(xiàn)雷達天線連續(xù)旋轉(zhuǎn)過程中電氣信號傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)。匯流裝置的導電滑環(huán)隨雷達天線以60 r/min的轉(zhuǎn)速長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)，由于主軸結構的需要，因此導電滑環(huán)的直徑設計較大，電刷與導電滑環(huán)間的線速度達到450 mm/s。電刷在工作時既要有足夠的接觸壓力保證與導電滑環(huán)的可靠接觸，又要盡可能地降低接觸壓力以減小電刷與導電滑環(huán)間的磨損。該文以該匯流裝置的中頻環(huán)電刷設計為例，介紹了電刷設計中彈簧絲的選擇與接觸壓力變化關系的有限元仿真分析方法，并通過對電刷在產(chǎn)生一定磨損后，電刷觸點位移變化的仿真分析，進一步對電刷觸點的設計進行優(yōu)化。

1 方案設計

匯流裝置集成在搜索雷達天線座的方位主軸上，導電滑環(huán)設計為柱式結構，包括中頻環(huán)、信號環(huán)以及功率環(huán)。導電滑環(huán)之間均由環(huán)氧玻璃纖維絕緣環(huán)進行絕緣隔離。不同功能的導電滑環(huán)和電刷在軸向獨立分區(qū)布置，以避免或減小導電滑環(huán)之間的信號串擾。由于匯流裝置導電滑環(huán)數(shù)量多，軸向空間尺寸有限，各種導電滑環(huán)的厚度均設計為2 mm，絕緣環(huán)的厚度設計為0.5 mm，所以電刷的尺寸也就受到了很大限制。導電滑環(huán)采用銅合金材料作為基體，其外圓柱面設計為具有較好導向性和抗沖擊震動性能的V型槽結構，并通過金剛石刀具對滑環(huán)V型槽的超高精度切削加工，其徑向跳動小于0.01 mm，表面光潔度可達鏡面，粗糙度達到Ra 0.04。

V型槽表面再電鍍一層10 μm左右的具有優(yōu)良耐磨性能和導電性能的金銅鎘（Au75Cu22Gd3）三元金合金硬化鍍層，該三元金合金鍍層較通常的鈀鎳（PbNi20）二元合金鍍層與金合金電刷滑動接觸的電氣指標和抗磨性有明顯的提升[1]，可使導電滑環(huán)與電刷獲得更加優(yōu)良的電接觸性能和使用壽命。

匯流裝置的電刷安裝在電刷架上，沿導電滑環(huán)四周進行布置，并根據(jù)不同功能的導電滑環(huán)及其傳輸信號的不同而設計成不同結構形式。功率環(huán)及其電刷主要用于傳遞大功率電流，電刷接觸壓力一般都較大，主要是由螺旋彈簧、扭簧以及片式彈簧等彈性元件提供，電刷觸頭一般采用銀石墨或二硫化鉬的粉末合金材料作為電刷的接觸材料，既具有極低的摩擦因數(shù)和良好的減磨性能，又能提供足夠的接觸面積用以傳遞大功率電流。

信號環(huán)主要用于傳遞小電流的低頻信號。中頻環(huán)主要用于傳遞小電流的頻率范圍在幾十或上百兆赫茲的中頻及視頻信號，其電刷一般采用單根或多根AuNi9等金合金貴金屬彈簧絲作為彈性元件，為電刷提供接觸壓力并直接作為接觸材料與導電滑環(huán)接觸形成導電摩擦副。

由于匯流裝置的中頻環(huán)和信號環(huán)的電刷數(shù)量較多，為有效減少貴金屬彈簧材料的用量，在該方案設計中，采用了單根鈹青銅彈簧絲作為彈性元件，并在其與導電滑環(huán)接觸的位置焊接AuCu10等金合金絲電刷觸頭作為接觸材料，由此與導電滑環(huán)表面電鍍的三元金合金鍍層匹配形成具有優(yōu)良導電性能和耐磨性能的導電摩擦副。

2 電刷設計

根據(jù)匯流裝置的結構空間尺寸和導電滑環(huán)的直徑，可初步確定電刷的結構和尺寸。當電刷與導電滑環(huán)的接觸導電摩擦副材料確定后，接觸壓力就是決定其接觸電阻的關鍵因素，接觸壓力大則接觸電阻相對就小，但磨損率卻較大。接觸壓力小則磨損率相對就小，但接觸電阻就相對較大。并且由于電刷在長期工作中必然產(chǎn)生磨損，磨損量的增加必然引起接觸壓力下降，當接觸壓力下降到一定程度時動態(tài)接觸電阻就會逐漸變大，并導致所傳遞的電氣信號產(chǎn)生電噪聲，甚至無法可靠的連續(xù)傳輸[2]。

因此接觸壓力必須根據(jù)導電摩擦副的材料特性和匯流裝置的指標要求進行綜合考慮，使接觸壓力在全生命周期能夠保持在一個合理的區(qū)間。

中頻環(huán)所傳遞頻率較高，相互間極易產(chǎn)生互擾，因此在設計中必須采取相應的屏蔽和隔離措施，并且導電滑環(huán)和電刷的結構尺寸也須嚴格計算，以避免阻抗不匹配和相移而形成駐波和插損。在進行該中頻環(huán)設計時，采用3個導電滑環(huán)組成1個滑環(huán)組，上下為直徑稍大的用于進行電磁屏蔽的導電滑環(huán)，中間為傳遞中頻信號的導電滑環(huán)，由此形成一個類似封閉的同軸線形式的傳輸通道[3]。

與中頻導電滑環(huán)組相對應的3個電刷起到同樣的作用，并在電刷組外側(cè)設計增加了一個屏蔽罩，形成雙屏蔽結構，可以有效地提高中頻環(huán)電刷的電氣隔離度，避免了中頻環(huán)通過電刷而引起的信號串擾。

導電滑環(huán)及電刷的連接電纜分別采用相同阻抗的雙屏蔽同軸電纜，其內(nèi)層屏蔽線連接屏蔽環(huán)及其電刷，外層屏蔽線連接屏蔽罩，內(nèi)外層屏蔽線分別獨立接地，從而避免由于地線引起的竄擾。電刷彈簧絲的結構形式設計成非對稱的“八”字形狀，可避免導電滑環(huán)高速旋轉(zhuǎn)可能引起的諧振，從而造成電氣信號傳輸?shù)募y波或瞬斷，保證電刷與導電滑環(huán)能夠始終可靠接觸。中頻環(huán)的結構形式如圖1所示。

通過選擇不同直徑的電刷彈簧絲和不同的初始角度可獲得不同的電刷接觸壓力。為在設計時了解電刷接觸壓力隨磨損量變化及電刷觸點在磨損后的位移變化情況，筆者對不同直徑電刷彈簧絲在不同初始接觸壓力時電刷的變形情況進行了有限元仿真分析。并通過調(diào)整電刷與導電滑環(huán)的彈性壓縮量，以模擬電刷在導電滑環(huán)上的磨損量，從而發(fā)現(xiàn)不同彈簧絲直徑的電刷在相同初始值接觸壓力時，磨損量與接觸壓力的變化關系，仿真分析測量結果如圖2所示。

由仿真分析結果可以看出2點。1）彈簧絲直徑為d1時，在觸頭產(chǎn)生約0.55 mm磨損量時，接觸壓力就已下降到10 gf，超出了許用接觸壓力的下限。2）彈簧絲直徑為d2時，在觸頭產(chǎn)生約0.8 mm磨損量時，接觸壓力仍能保持在15 gf的最小許用接觸壓力之上。同時，通過仿真分析還可以發(fā)現(xiàn)，電刷彈簧絲的直徑較大時，磨損量引起的接觸壓力變化率較大，但由于其在受力時的彎曲變形較小，接觸點在磨損前后的位置的變化較小。當電刷彈簧絲的直徑較小時，磨損量引起的接觸壓力變化率較小，但由于其受力時的變形彎曲較大，與導電滑環(huán)的接觸位置變化量就較大，使接觸點在磨損前后的位置在電刷軸線方向出現(xiàn)了較大的位移變化。電刷觸點的變化情況如圖3所示。

基于以上的仿真分析和試驗結果，設計時應在保證所需接觸壓力的條件下，選用直徑較小的φ0.6 mm的彈簧絲，觸頭處焊接直徑為φ1.2 mm，長度為10 mm的金合金絲，但須對其在不同接觸壓力和磨損量狀態(tài)下的接觸位置進行仿真，由此即可設計確定電刷彈簧絲的幾何形狀和尺寸，并保證在金合金觸頭長度最小的情況下，使觸頭在全生命周期內(nèi)均能始終與導電滑環(huán)可靠接觸，并使金合金觸頭的長度和用量最小，可有效降低使用成本和費用。

3 接觸壓力檢測和裝調(diào)

由以上的分析可知，電刷彈簧絲在接觸壓力作用下會產(chǎn)生一定的彎曲變形，電刷觸頭與滑環(huán)的接觸點也會隨之產(chǎn)生位移。為在生產(chǎn)制造中檢測和控制電刷的接觸壓力和觸點位置，依照滑環(huán)與電刷架的結構尺寸和安裝位置的結構尺寸，設計了電刷接觸壓力測試專用工裝，并使其能夠完全復現(xiàn)電刷接觸時的實際變形狀態(tài)和觸點位置，以保證接觸壓力測量的真實性和準確性[4]。檢測工裝主要由克力表、表架、電刷支架安裝座、導電滑環(huán)、底板、電源和指示燈等組成，其結構如圖4所示。

接觸壓力測試工裝工作原理：克力表安裝在可以調(diào)整高低及水平位置的表架上，當克力表探針調(diào)整到與電刷相同高度后，在電刷接觸點沿導電滑環(huán)法向水平移動探針，使電刷產(chǎn)生的形變及位移量和滑環(huán)使電刷產(chǎn)生的形變及位移量相同的時刻，電刷觸頭與導電滑環(huán)脫離，指示燈熄滅，這時克力表的數(shù)值即為電刷在滑環(huán)上的初始接觸壓力值，必要時通過調(diào)整電刷的初始角度來調(diào)整接觸壓力和觸點位置，直至滿足設計要求。

在測試工裝上進行初始接觸壓力及接觸位置調(diào)試和檢測合格后的電刷，通過電刷架上的定位銷將電刷準確裝配到匯流裝置上，確保電刷與導電滑環(huán)的相對位置滿足設計要求。

4 結論

在匯流裝置中頻環(huán)的電刷設計過程中，利用有限元仿真方法，對不同電刷彈簧絲直徑在工作過程中接觸壓力變化以及電刷觸頭隨磨損量增加后觸點位移情況進行仿真分析，解決了電刷設計時通常均須采用模擬跑合試驗才能精確設計電刷初始角度及結構尺寸的問題。電刷和導電滑環(huán)通過匯流裝置的模擬跑合試驗和實際裝機驗證，結果與仿真分析完全一致。該結構形式的匯流裝置在多項型號產(chǎn)品中得到批量裝備，現(xiàn)已免維護正常工作了十多年，充分驗證了電刷設計的合理性和可靠性。

近年來，采用多根更細金合金彈簧絲組成的簇狀電刷陸續(xù)開始在各種匯流裝置中得到應用，簇狀電刷與導電滑環(huán)可形成多個接觸點，因此導電接觸性能更優(yōu)，且其單根的接觸壓力更小，使用壽命相應更長。簇狀電刷的研究和設計，同樣可以采用以上的設計方法對其金合金彈簧絲的結構形式和幾何參數(shù)、接觸壓力等進行仿真分析，從而進一步優(yōu)化電刷在匯流裝置中的使用性能。

參考文獻

[1]馮本政.幾種金基合金的耐磨特性[J].貴金屬，1995，16（1）：16-23.

[2]童澤新，馮本政，杜軍. 金合金滑動接觸電阻的動態(tài)特性[J].貴金屬，1993（9）：23-29.

[3]馬伯淵.雷達中頻信號匯流環(huán)的設計[J].火控雷達技術，1993（9）：25-31.

[4]葉威.環(huán)刷刷絲接觸壓力檢測系統(tǒng)設計[J].新技術新儀器，2011（3）：15.