导电滑环刷丝压力测试装置及接触力特性研究.pdf
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1、第 期 年 月机电元件 收稿日期:试 验 与 检 测导电滑环刷丝压力测试装置及接触力特性研究宗晓明,夏仁善,张永星,张亚楠,刘鹏飞(中航光电科技股份有限公司,河南洛阳,)摘要:本研究针对精密导电滑环接触压力的测试难点,提出了基于悬臂梁理论的测试方案,实现了刷丝压力的精确测量。对导电滑环的接触力学特性问题进行研究,以刷丝和导电环接触问题为研究对象,将其抽象为两圆柱体垂直接触的模型,并对解析公式进行推导,得到了刷丝与导电环间赫兹接触应力与变形的有效计算方法。为了验证计算分析的准确性,建立导电环和刷丝的三维模型,划分有效的结构化网格,对刷丝与导电环的赫兹接触问题进行仿真,并与解析公式的结果作对比。结
2、果表明,采用解析法与仿真分析法,最大表面压力的误差为 ,变形量的误差为 ,二者数值较为接近,采用该算法,可有效对刷丝与导电环间的最大接触应力与变形问题进行分析。关键词:导电滑环;刷丝压力;力学特性;赫兹接触;仿真分析 :中图分类号:文献标识码:文章编号:()引言近几十年来,随着对科研的不断大力投入,我国在尖端科技上取得了较大突破,未来我国发展的重点将集中于航天航空、军事、风能、电子自动化等领域。我国在高端装备领域取得巨大成就的同时,也面临不少困难和问题,与国际先进水平相比,仍存在较大差距。关键材料和核心部件仍然是制约我国高端装备发展的瓶颈 。导电滑环能够实现两个相对转动机构之间图像、数据信号及
3、动力的传递,其广泛应用于各种高端装备中,对整机的性能具有较大影响 ,。高端装备产业的发展对旋转连接器的寿命提出了更高的要求,对其基础寿命的要求已由初期的百万转级提升至千万转级,需要满足高转速、长寿命和高可靠性的工作要求。作为导电滑环工作的关键部件,电刷与导电环之间的摩擦接触对导电滑环的性能有决定性影响。目前,市面上常用的电刷主要有块状电刷和丝状电刷两种,其中丝状电刷具有弹性好、接触电阻小、体积小的优势,近年来在导电滑环中应用广泛 ,。本研究以刷丝和导电环接触问题为研究对象,针对精密导电滑环接触压力的测试难点,提出了基于悬臂梁理论的测试方案,实现了刷丝压力的精确测量。将其抽象为两圆柱体垂直接触的
4、模型,并对解析公式进行推导,给出了有效的解决办法。同时,为验证计算方法的有效性,建立导电环和刷丝的三维模型,划分有效的结构化网格,施加载荷和边界条件来模拟刷丝和导电环的静力接触状态,并与解析公式的结果作对比,为导电滑环行业的发展提供理论基础与技术支持。导电滑环刷丝压力测量原理与装置 导电滑环刷丝压力测量原理在测量原理方面,导电滑环刷丝压力测试采用经典的悬臂梁模型,见图 。在小变形条件下,其挠曲线方程如公式()所示:()()()其中,为悬臂梁的惯性矩,为施加力,为弹性模量,为悬臂梁长度,为变形位置与固定点间的距离。当载荷施加在悬臂梁任意位置 点时,如图 所示,则在该处产生的位移为:()()其中
5、为载荷大小,为载荷施加位置到固定点距离。由公式()可知,在端部载荷 条件下,处产生的位移可以表示为:()()综合公式()和公式(),在端部 电及在 点施加载荷,都会引起 点的变形,当二者在 点产生的变形位移相同时,即,则需满足 ()()对公式()进行转化可得:()由公式()可知,两个点之间的位置越近,数值差别越小,二者具有对应关系,当 时,。由于刷丝压力测试时,测量位置很难与实际接触位置重合,因此需采用公式()进行对应转化。图 悬臂梁的变形图 载荷施加在中部悬臂梁 导电滑环刷丝压力测试装置测试装置的目的在于实现对刷丝压力的精确测量,确定刷丝与导电环的实际接触压力。刷丝压力值一般较小,其体量一般
6、在 之间,对刷丝压力的精确测试需要实现两点,一是对微小力能准确测试,二是能够实现微小位移的控制。目前,关于刷丝压力精确测试还没有比较完善、成熟的方案,国内已有的一些结构都是自行设计研制的小型装置,可以提供一定的参考价值,但需要改进,以适应本公司的需求。测试装置的结构图 所示为本测试装置的原理图,其基本结构包括 部分,分别是安装平台、微力测试计、三维调节平台和导电滑环定位工装。测试时,通过定位工装将导电滑环在三维调节平台上水平定位准确,同时手动调整刷丝位置至目视水平状态;调整三维平台的水平移动,将待测刷丝移至微力测试计正下方;将拉力线与待测丝固定,位置为过刷丝与导电环切点 ,转动三维调节平台的
7、、方向的调节螺杆,直到目测拉力线无明显倾斜为止,使得拉力方向与刷丝法向基本重合。用油酸纸或绝缘塑料带将刷丝与导电环接触的另一个触点隔离,用蜂鸣器一端夹住导电滑环被测环路的刷引线,另一端夹住被测环路的环引线,使得蜂鸣器发出报警。缓慢地转动三维调节平台的 方向的调节螺杆,缓慢沿法向拉动刷丝,直到蜂鸣器刚好停止报警为止,认为环刷接触分离,读取此时微测力计的数值,即为将刷丝拉脱接触所需实际力。图 旋转连接器压力测试装置原理图 测试装置的组成及精度分析()拉力测试仪根据以往设计情况,单丝压力一般在 ,拉力计的量程需涵盖该范围,同时为了提升测量精度,本方案中选用了目前市面上可采购到的量程最小,精度最高的数
8、显拉力计。其中测力计量程为 ,精度 (即 ),可有效的实现对微小力的测试。()位移调整装置为了精确的捕捉刷丝与导电环的脱离瞬间,需要精确的控制测试过程中垂直方向上的位移,本研究中,采用高精度三维调整平台,该平台可实现 、和 三个方向上的精确位移,控制精度可以达到 。可以精确的控制电信号连接与断开瞬间刷丝在垂直方向上的位移。第 期宗晓明等:导电滑环刷丝压力测试装置及接触力特性研究()安装平台支撑装置安装平台采用成品大理石比测台,主要用于实现导电滑环的三维调整平台的固定和拉力测试仪的固定,平台尺寸选取 ,垂直方向位移极限为 。()旋转连接器固定装置导电滑环在台架上固定时,由于导电滑环两端面结构多为
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