一种针对短波发射机天线交换开关的组合轴套设计

邵昱博

摘 要 因天线交换开关下轴套在倒换中错误率较高，导致轴套产生非正常磨损，严重时甚至引起主轴抱死，开关无法及时到位。经过分析上一代轴套与现场实际使用情况，提出了一种组合轴套设计，通过建立结构接触模型，论证了设计的可行性与应用价值，较好地解决了开关转动卡死等问题。

关键词 组合轴套;磨损;压力轴承;转动卡死

随着我国科技的迅猛发展，短波天线技术被广泛应用在远程电磁波传输发送中，这一点在我国广播电台得到了充分的体现。短波天线技术的稳定对广播电视节目的正常播放与系统的安全运行产生直接影响，其中短波天线交换开关的维护一直是短波天线技术中重要的一个环节，其维护的效果直接影响到倒换天线时的效率。具体的维护工作大体分为三类，上下轴套，刀口与开关限位触点，开关马达电机。在实际维护中，常常出现因为上下轴套抱死主轴引起的开关无法及时到位故障，直接影响自动化系统告警并错误检测到位信号，造成停播隐患。同时考虑到设备所处空气环境的因素，比如含沙量大等极端恶劣条件，将会加剧轴套的磨损程度，降低系统稳定性。本文提出了一种组合轴套设计，替换了原有的摩擦环与三眼轴套，很大程度地降低了转动卡死等故障，明显降低维护量，推动了安全传输发射工作更好发展。

1组合轴套设计

1.1 磨损损伤物理机制分析

在相对运动的条件下，任意两个零件相互接触，在其接触面上会产生阻止相对运动的现象，称为摩擦。假设在这个相对运动的过程中出现了能量转换与损耗，最终形态可称之为磨损。如图1，以上一代轴套中摩擦环为例，材料的磨损是一个动态的过程。

因为上一代轴套的摩损件为磨擦环，所以可以总结交换开关主轴与下轴套的磨损大概分为几个阶段：由于铸铁主轴因加工原因表面粗糙度值大，同时新轴套表面也会存在轻微刀痕，经过磨合期后，轴套内径表面微凸体会被磨平，几何形貌发生改变，粗糙度显著降低，在磨合期施加适量的润滑，有利于两者之间的磨合。在经历的磨合期后两者会进入稳定磨损阶段，由于设备所处环境的工况恶劣，自身密封条件差，空气中的磨粒很容易进入摩擦副，在巨大的径向载荷和切向载荷的作用下，较硬的磨粒会在轴表面产生划伤，继续使用下进一步加剧轴套的磨损，产生磨粒磨损。

考虑到轴套上表面存在弧度，如图2，结合轴套与主轴的摩擦力相当于给轴套的切向增加了一个切向力，方向设为正方向，此接触面的处理是在微元法的基础上，求得等效力矩的大小。

暂考虑主轴与轴套内径相差不大，假设切面均分，两处接触模型中单侧配合面与两侧配合面原理类似[1]，其等效摩擦力可表示为：

（1）

主轴转动正压力为：

（2）

其中为配合面上的平均压应力，为两侧接触面积之和。因将切面均分，此处需按照两个半周的和面积。

（3）

为两半周面平均接触宽度，同时的取值与配合间隙有关。考虑在实际使用中轴心的接触变形压缩量，总结出：

（4）

为调整系数，轴套内长为。将（2）、（3）、（4）代入（1），其中，得出：

（5）

在实际工作过程中轴与轴套并非完全接触，实际使用中的主轴与轴套的配合采用的是间隙配合，配合间隙的大小会在一定程度上影响轴套的磨损，当间隙过小时，摩擦副间形成的润滑油膜不稳定，且油膜承载能力有限容易导致轴套磨损或断裂;而当间隙过大时，轴套的接触疲劳寿命会大大缩短。轴套作为开关中长久性使用的部件，在运行过程中，轴套的挤压力和复合机械力同时作用于轴径表面，引发长久性变形，严重降低金属的退让性[2]。在出现间隙以后，如果不及时发现并采取相应措施，就会出现间隙不断扩大直到磨损的情况出现。

1.2 组合轴套设计

如图3，组合轴套由主体轴套、压力轴承、平面垫圈三部分组成，主体轴套作为设计的框架，一方面保证组合轴套可以顺利的安装在原有孔洞处，保持上下轴套位置不发生改变，另一方面可以作为压力轴承的滚槽，确保压力轴承在一定空间位置内移动。压力轴承由带滚针或圆柱滚子的平面保持架组件组成，滚针和圆柱滚子受到平面保持架的保持和引导完成工作。平面垫圈的设计为轴套磨损的问题提出了很好的解决思路，防止因轴套的频繁更换导致固定位置不稳定，从而加剧维护量。

1.3 新旧轴套对比分析

从摩擦磨损上讲，因老一代轴套中摩擦环与主轴直接接触，长期使用下，必然会诱发磨料磨损、粘着磨损、氧化磨损和塑性变形等一系列情况，随着轴套内部的磨损程度加大，主轴质量过大，塑性变形表现更加突出，引发直接抱死等复杂问题，维护中只能借助拔轴器进行拆卸。组合轴套中平面垫圈直接与主杆接触，减少主体轴套的受力程度，同时压力轴承由于选用高精度圆柱滚针增加了接触长度，强载荷能力与高刚度得到保持，同时可作业于狭小空间中。其中核心部件中以滚针和圆柱滚子的弧面定为修形面，明显降低边缘应力，提高使用寿命。

从固定结构上讲，老一代轴套从卡孔底部顶入，其中三个固定螺杆因受整体轴承自身重力导致负荷过大，长期使用会发生退丝现象。改进后的组合轴套从卡孔顶部进入位置，在自身重力的作用下恰好作用预设卡孔位置。为辅助固定轴套，将原有三螺杆固定改为四螺杆固定，因轴套的卡孔平面上会产生整体向上的支持力，如图4，较老一代轴套来讲，一定程度上减轻了螺杆负荷。在长期大扭矩使用中，整体稳定性表现更好，所以组合轴套的设计明显降低维护量，减轻维护成本。考虑到外部环境空气中含沙量大，沙砾进入主轴与轴套间隙中会增加摩擦，平面垫圈在保证压力轴承在滚槽内不发生位移的条件下，可以有效阻止沙砾的进入，在一定程度上减少磨损。

2结束语

轴套作为一个在天线交换开关中常见却十分重要的机械零件，因其本身单个价值不高有时甚至不足以引起人们的重视，但其使用量大、报废率高，在资源和能源日益紧缺的今天，是十分值得研究的。本文主要针对天线交换开关轴套提出了一种组合轴套的设计思路，在很大程度上减少了摩擦磨损，降低了其维护量，使得整体稳定性大幅提高，但在使用中，考虑到多重因素造成的复杂性，仍需根据不同广播电视台站的实际情况进行改进，最终达到较好的使用效果。

参考文献

[1] 边春华，王云伟，文杰.长轴泵导轴承磨损原因分析[J].金属热处理，2019，44（S1）：417-420.

[2] 黄河.机构转动副间隙磨损研究及其在机构设计中的应用[D].華侨大学，2018.