基于汇流环瞬断问题的电接触副改进设计

叶 堃，林方密，戴 烨，刘 励

(中国船舶集团有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

汇流环的作用是使雷达天线系统与转台之间形成电能和信号通路的连续连接。作为雷达转台系统的关键部件，汇流环安装在转台系统(固定部分)和天线系统(旋转部分)之间，三者旋转轴重合。常用的柱式汇流环通常以电刷及外壳为外圈，环芯为内圈，外圈与转台基座固定，天线系统通过拨叉带动内圈转动。汇流环工作异常会影响信号和电流的正常传递，其可靠性是制约雷达系统工作稳定性的关键因素之一。

1 汇流环结构及问题概述

1.1 汇流环结构

本文所述的汇流环是一种常用的柱形叠片式汇流环。导电环和刷丝是汇流环的核心部件。一个导电环与一对或几对刷丝构成一组电接触副。导电环的外圆柱面为电接触面，一环即为一个电通道。导电环与导电环之间用绝缘环隔开，保证各通道之间的绝缘，多环叠加在一起固定在底筒上组成环芯。金属刷丝与印制板焊接，印制板安装在汇流环外壳上。高弹性刷丝通过预压力与导电环保持可靠电接触，保证汇流环转动过程中电信号、电能的连续传输。

1.2 瞬断现象

瞬断现象一般是指汇流环在传输电信号时发生的时间持续长度在 0.1～100 μs 之间的传输中断现象。该现象是单个导电环表面的微观缺陷、摩擦产生的粉屑以及尘埃等共同作用的结果。出现瞬断现象还与触点接触材料的特性、刷丝压力大小有关。如果瞬断发生在信号环，则会极大影响输出信号质量；瞬断发生在动力环，影响则可忽略。

本文所述的汇流环在小范围内长时间扇扫工作中出现了信号瞬断现象，有强烈震动时也出现了信号瞬断现象。瞬断发生时表现为动态接触电阻变化量≥ 10 mΩ，分析原因为刷丝与导电环磨损产生的粉末堆积在导电环的环槽内，刷丝划过时与导电环接触不良，形成瞬断。

粉末的产生和堆积与导电环及刷丝这对接触副的接触材料、接触形式和接触压力有关。下文将从这3方面说明如何改进汇流环中信号环的接触副的设计，以解决信号环瞬断问题。

2 电接触副

2.1 接触形式的选择

导电环和刷丝的接触形式粗略划分为点接触式和面接触。本文讨论的汇流环径向尺寸小，结构紧凑，且信号环最大电流在2A以内，所以采用点接触式能够满足负载的需求。

图1为几种经典的点接触式。图中出现瞬断的信号环初始设计采用的是图1(a)V形槽+刷丝束的结构形式。依据汇流环运行时观察到的情况，分析认为，其电刷与导电环在长时间运行后磨损产生的落粉堆积在V形槽底部尖角处难以排出，导致电接触瞬断。图1(b)U形槽(平铺)+刷丝束的结构形式占用的轴向尺寸大，可排布环路数量少于规定数量，亦不可接受 。图1(c)中的环槽形式是圆滑过渡的U形槽，有利于粉尘及时排出，且轴向尺寸满足要求。因此，在改进设计时，图1(c)U形槽成为导电环优选结构。

图1 点接触形式

刷丝束的特点是接触压力低、触点多且电刷导电环转动速度范围大，在军用和航天航空领域应用较多。但是，由于尺寸限制，刷丝束+U形槽的结构形式占用的轴向尺寸略大，无法满足本文汇流环要求，所以采用了单根刷丝+ U形槽的接触结构形式。

单根刷丝的截面直径比刷丝束略大，提供的接触压力也更大，在舰船振动冲击的工况下更有优势。刷架结构如图2所示，两组刷架呈180°对称排布，每环4个触点。为弥补触点少的不足，设计上刷丝的直径略小于U形槽的直径。经过跑合刷丝与U形槽贴合形成面接触，使电接触面积尽可能增大，如此既可以降低接触电阻又能防止环芯转动时刷丝的跳动，从而提高电信号传输的连续性和稳定性。

图2 刷架结构及组成

2.2 接触副材料的选择

作为汇流环接触副的导电环与刷丝，其材料的选择至关重要。为保证汇流环在振动、冲击和加速度等条件下能够正常工作，要求所选电刷材料有足够的强度和良好的弹性，且导电性能好，不易氧化。随着国内金属刷丝性能的提高以及导电环表面处理工艺的成熟，采用刷丝制造的汇流环寿命可以满足雷达10年使用周期内汇流环免维护的要求。常用的刷丝一般为φ0.2～φ1.0 mm 的金基合金丝，按成分主要分为金镍合金刷丝和金银铜合金刷丝。金属刷丝的主要特点是耐磨性好，体积小，粉尘少。[1]

为保证导电环和刷丝这对摩擦副获得优良的接触性能和寿命，两者的材料应尽可能匹配，其中材料硬度起到关键的作用，硬度差值越小的摩擦副材料磨损情况就越好。雷达汇流环转速较低，在导电环设计时优先考虑选择铜合金材料并在表面镀贵金属。综合考虑，选用AuNi9丝作为刷丝材料，线径0.1～0.75 mm，硬度略小于HV240。[2]选用黄铜作为导电环基体材料，表面镀Pd-Ni/Au，镀层硬度HV258～285[3-5]，导电环Pd-Ni/Au镀层的硬度略大于刷丝硬度，磨损形式主要为粘着磨损和磨粒磨损，材料表面发生轻微的塑性变形。

2.3 接触压力的选择

接触形式和接触副材料确定后，在结构上需要选用适当的接触压力，以确保既能够使刷丝很好地在导电环槽中滑动，又不影响导电环和刷丝的使用寿命。在传输质量上，接触压力的选择与导电环传导的电流、电压有关，还要满足汇流动态电阻变化量在 10 mΩ 以内的要求。电流电压越大，则需要的接触压力越大；接触压力增大，则接触电阻变小，不容易出现电火花及电蚀现象。因此，在汇流环装配过程中，会考虑适当增加刷丝的接触压力，以便保证汇流环的技术性能和使用寿命。但是，压力的增大有一定的限度，如超过限度就会增加摩擦力矩，加速磨损，减少寿命。大量试验表明，当摩擦副材料为H62镀覆贵金属配对AuNi9 时，接触压力控制在9.5～12 gf比较适宜。[3-4]

2.3.1 计算刷丝的变形

已知接触压力，可通过仿真计算得到刷丝在接触压力下的位移，从而获得结构设计数据。仿真的边界条件设定为固定约束刷丝一端，载荷设定为在刷丝与导电环接触位置施加垂直方向载荷0.11 N(根据接触压力的范围选取中间值)。仿真得到，与导电环接触位置的节点位移为0.5 mm左右。

2.3.2 环境适应性计算

(1) 刷丝在X、Y向受力分析

根据汇流环产品环境试验要求，对刷丝和导电环进行力学分析，其振动方向受X、Y、Z 方向的力。X、Y向受力满足GJB150.16A-2009振动试验的要求，具体要求见表1。该产品X、Y向受力情况相同，受力情况如图3所示。

表1 振动试验的要求

图3 X-Y向受力情况示意图

根据汇流环振动条件，X、Y方向上作用在单槽刷丝作用力为

Fy=m·a

(1)

将刷丝质量m=9.5×10-5kg、a=10 m/s2代入公式(1)，可得Fy=9.5×10-4N。

依据受力分析：

cosα=F′/Fy

(2)

得F′=Fy·cosα。

由于X、Y振动方向在产品水平圆周方向上存在Fy作用力，当Fy与F′作用力重合时F′作用力最大，则α=0°，cosα=1，代入式(2)得F′=Fy=9.5×10-4N。产品中刷丝的预压力为F预=0.11 N,刷丝安全系数为F预/F′=115.7，满足振动条件，刷丝紧贴导电环。

(2) 刷丝在Z向受力分析

根据环境试验颠震条件：峰值加速度:7 g；半正弦波持续时间：>16 ms。该产品Z向受力情况相同，如图4所示。

图4 Z向受力情况示意图

根据汇流环颠震条件，Z向上作用在单个刷丝受力为

Fz=m·a

(3)

将刷丝质量m=2.2×10-4kg，a=7 g=68.6 m/s2，代入公式(3)可得Fz=15.1×10-3N。

由于刷丝贴合在导电环上Z向受摩擦力，根据

F′摩=μ·F预

(4)

其中，μ为刷丝和导电环摩擦系数，F预为刷丝和导电环预压力。

AuNi9刷丝与具有较高硬度镀层的导电环进行配伍，其摩擦系数为0.8～1.0。考虑电场和热场的影响，摩擦系数μ取0.9。[2]已知刷丝的预压力为F预=0.11 N，得F′摩=0.9×0.11=0.099 N。刷丝安全系数为F′摩/Fz=6.55，满足颠震条件，刷丝紧贴导电环，无轴向移动。

由于GJB150.20A-2009的炮振条件是根据飞机结构的响应得出的，其结构与水面舰船结构完全不同，不适用于舰船设备，因此没有核算炮振条件下的刷丝受力。

2.3.3 接触压力的实现

刷丝组主要由刷丝、印制板、导线组成。成对的刷丝穿过印制板孔后焊接在印制板上，并形成张角，见图2(b)。刷丝与导电环的接触压力是通过控制印制板与环芯的距离以及刷丝张角来实现的。距离与张角的设计值受限于环芯直径、外壳内径等结构尺寸，设计时结合上述条件预设印制板与环芯的距离和刷丝张角，即可得到刷丝与导电环触点位置，再把0.5 mm的变形量折算至张角，得到最终的张角设计值。作为刷丝固定端的印制板，其长宽尺寸应尽量小，而厚度尺寸足够，以增加印制板的刚度，从而提高触点位置和接触压力的稳定性。

此外，为保证刷丝能精确地嵌入导电环槽，设计了定位面安装印制板，并通过专用工装来控制刷丝焊接位置。

3 产品测试数据

汇流环的工作转速为0～15 r/min，导电环与刷丝相对运动速度比较低，而接触副的相对运动速度越低磨损越严重。以较高的速度进行磨合(跑合)，能使摩擦表面获得稳定的粗糙度，实际接触面积增大，磨损速率逐渐减小。良好的磨合能使摩擦副的工作寿命增加1～2倍，还能降低接触电阻和提高接触电阻的稳定性。[5]因此，汇流环加电前的加速磨合是必要的。依据AuNi9合金丝与金镀层导电环磨损测试数据，转速100 r/min，滑动总距离达到20 km后摩擦副磨损逐渐减轻。[2]本汇流环把磨合的转速设计为90、60 r/min，累计转数26万转，滑动总距离达到100 km，使汇流环结束磨合进入稳定磨损阶段。磨合后测得的各项指标数据见表2。

表2 各项指标的测试数据

4 结束语

针对汇流环出现的瞬断问题，本文结合使用环境及电性能的指标要求做出针对性的改进设计，在接触形式、接触副材料及接触压力3方面做了详细的阐述。通过仿真给出了保证接触压力的结构设计参数，对汇流环在震动环境下的运行可靠性进行了计算校核，采用专用工装提高了产品成品率及质量一致性。改进后的汇流环通过各项试验及实际使用验证, 其信号传输质量得到有效提高，各项性能指标均符合设计要求。