一种用于涡轮空气马达螺旋桨动力模拟试验系统旋转导通设备的研究

一种用于涡轮空气马达螺旋桨动力模拟试验系统旋转导通设备的研究

谭洪,郭成, 孙鹏涛

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杭州欣扬科技有限公司

浙江省杭州市，311100

摘要：随着国防装备可靠性要求逐步提高，涡轮空气马达螺旋桨动力模拟试验系统需要在超速破坏性试验条件下采集相关信息，一种用于涡轮空气马达螺旋桨动力模拟试验系统旋转导通设备主要解决在高速旋转状态下能实现电信号传输的可靠性。

关键词：试验系统，旋转导通，高转速

1基本概要

1.1功能和配置

a、转动功能：通过机械接口部分，驱动转动部分和静止部分产生相对的旋

转运动，实现转动部分和静止部分的n±360°连续正向、反向运转；

b、电传输功能：在静止部分和转动部分在产生相对运转时，用于将旋转件（如旋转叶片）上的信号（如应力信号、压力信号等）传输到采集系统中进行采。

1.2 任务需求分析

高速旋转连接器是实现两个相对旋转机构，在转速10000prm条件下，将旋转件（如旋转叶片）上的信号（如应力信号、压力信号等）无误的传输到采集系统中进行采，并且满足试验时间与周期要求。

2设计方案

2.1 功能设计

根据电传输功能要求，高速旋转连接器电传输功能主要是在转动部分和静止部分之间，通过导线、滑动摩擦副实现电信号的传输。

通过机械接口连接，驱动高速旋转连接器的转动部分和静止部分产生相对的旋转运动，实现转动部分和静止部分的n±360°无限制旋转。

高速旋转连接器的工作原理：转动部分和静止部分以轴承为支撑，形成n±360°无限制转动，依靠转动部分和静止部分之间的摩擦副，实现转动部分和静止部分之间的电信号传输。

2.2 整体方案设计

整体方案设计中包含两个单元：旋转连接器单元、旋转连接器摩擦副冷却单元（润滑设备）。

旋转连接器单元：高速旋转连接器主要由导电环体、轴承端盖、轴承组件、电刷组件、组合支架、定子线束管、转子线束管等组成。

润滑设备：旋转连接器润滑设备采用循环冷却方式，循环液体采用低粘度绝缘润滑油。

2.3 可靠性设计

2.3.1 轴承长寿命设计

a、轴系转速与平稳性设计

MR128与MR85高速轴承运行精度高，油润滑下转速最低可达48000rpm；轴承分布在导电旋转连接器体两端，采用轴承端盖锁紧轴承内圈，可保证导电环体（转子）在10000rpm条件下平稳运行。

b、轴承长寿命设计

轴承寿命主要受四个方面影响：载荷、极限转速、轴承精度与预紧力、轴承的冷却与润滑；以下对四个方面分别进行论述。

载荷：轴承载荷来自四个方面，导电环体重量带来的载荷，装配精度带来的载荷，导电环体轴承位精度与组合支架轴承位精度带来的载荷，外部带来的载荷。

装配精度带来的载荷：导电环体各零部件的装配由经验丰富的装配工程师完成，保证转子导线在导电环体中分布均匀，减小转子在高速状态下的离心力；轴承与转子，定子组合支架间的装配采用滑配式装配，避免外部敲击等因素使轴承与其余结构件变形。

外部带来的载荷：外部带来的载荷主要是客户台体旋转精度带来的载荷，客户台体转子旋转同轴度需优于Φ0.05mm，可保证旋转连接器良好高速运行。

极限转速：MR128与MR85高速轴承在油润滑下转速最低可达48000rpm，从而保证了旋转连接器10000rpm的转速要求。

2.3.2 导电环体与电刷组件长寿命设计

导电环体与电刷组件构成的滑动摩擦副，其寿命直接决定了导电环体与电刷组件的使用寿命。在导电环体高速转动时，高速产生的热量腐蚀会加剧摩擦副的磨损。以下主要从四个方面讲解如何降低摩擦副的摩擦磨损。

降低摩擦副的直线线距离：高速旋转连接器的环片外径为Ф7mm，以10000rpm转速与100h的使用条件计算，其直线距离L=nπD=100×60×10000×3.14×7≈1.32×109mm。根据给航发某所研制的36通道45000rpm旋转连接器（寿命1亿转）寿命试验情况，φ0.25的AuNi9刷丝在配合冷却润滑条件下其寿命的直线长度可以达到L=2.2×109mm，满足高速旋转连接器的的1.32×109mm的直线距离寿命要求。

摩擦副硬度匹配：摩擦副的硬度匹配关系着摩擦副的磨损，根据国内外摩擦副的硬度检测与以往的研制经验，电刷组件刷丝硬度为Hv270，导电环体环片硬度为Hv400为最佳匹配。

摩擦副的冷却与润滑：采用冷却油循环冷却与润滑的方式，及时带走摩擦副的热量与摩擦副产生的磨屑，使摩擦副温度保持在30℃以下；同时降低摩擦副摩擦系数，从而综合降低摩擦磨损。

2.3.3 环刷接触可靠性设计

环刷接触压力设计

高速旋转连接器转动部分和静止部分的传输方式是通过电刷丝与环片之间的滑动接触来实现。根据研制经验，刷丝的接触压力在30g～40g可满足在10000rpm条件下信号传输可靠性。

环片V型槽设计

深度为0.32的75°V型槽可保证电刷丝在30g～40g刷丝压力，转速为10000rpm的条件下，无电刷丝跳槽现象，保证了各通道之间信号传输的独立性。

导电环体动平衡设计

在高转速条件下需对旋转连接器转子—导电环体采取动平衡设计。导电环体材料需采用均质材料，零件设计与加工需保证质量分布均匀的原则，导电环片组装焊点与导线需分布均匀。

3 主要工艺方法

3.1全过程环境控制及特殊防护技术

通过采取严格控制关重部件、镀膜部件及整机产品的装配调试厂房和试验室环境参数（包括温度、相对湿度、洁净度等），定制专用高速旋转连接器包装箱及保护装备，利用电子干燥柜贮存半成品等工艺措施对产品的生产环境进行控制。

在装配过程，采用电子干燥柜进行高速旋转连接器的半成品贮存，确保半成品的贮存环境相对湿度小于40%；在产品贮存、转运及运输过程中，利用包装箱、真空袋、通过抽出真空袋内空气保持真空状态对产品进行保护。

3.2 导电环体加工技术

导电环体两轴承位的误差直接影响旋转连接器的动态接触电阻值，是关键特性尺寸。两轴承位的同轴度要求较高为φ0.01mm ，导电环上75°"V"形槽，表面粗糙度为 Ra0.1。在工艺路线上采用：浇注→粗车→去应力（自然时效）→精车→铣→钳→清洗→镀覆。加工过程采用人工时效加自然时效（烘箱内旋转连接器体垂直悬挂12小时，取出后在自然环境中垂直悬挂72小时以上 ）来去除切削应力。为了保证精度要求，精车两轴承位及环槽时，设计专用工装，一次性加工两端轴承位、导电环片外圆和环槽到要求。精车在S1-235超高精度仪表车床上加工。导电环"V"环槽的加工，采用金刚石成型车刀车出槽型，可以保证"V"环槽表面粗糙度及环体的跳动及两轴承位同轴度要求。

3.3 电刷组件的加工技术

a）刷丝材料以贵金属生产商以热校直直丝状态提供，无后期冷校直带来的残余应力。

b）电刷组件加工技术：刷丝孔采用高速铣钻加工技术保证尺寸和形位精度，可以实现刷丝接触压力的1gf精确控制（以不调整刷丝变形量的方式实现）。

3.4 装配过程关键技术

通过调节刷丝的预变形，用测克计测量刷丝压力，控制刷丝变形量，使刷丝与导电环体环槽接触压力调整在30g -40g，并保证刷丝压力的一致性来保证动态接触电阻。

3.5 工艺关键特性识别

影响旋转连接器设计关键特性的工艺关键特性有：

1）影响镀层的硬度、厚度、表面粗糙度、镀层结合力的工艺关键特性：镀液的浓度、温度、PH值、电镀的电流密度，在电镀过程中严格按照工艺文件监测控制这些工艺参数来保证镀层质量。

2）影响刷丝硬度、环刷接触压力、刷丝与环刷对位精度的工艺关键特性：刷丝丝材的成形，刷丝张角与悬臂及电刷组件的加工与装配。

4 结语

本高速旋转连接器的研究，通过专家评审及样机试制与试验，满足某军工研究所技术要求，后续根据实际使用情况进行专项改善与提升。

参考文献：

GJB1217A-2009 电连接器试验方法

GJB663-89 军用通信设备系统安全要求

GJB467A-2008 生产提供过程质量控制

GJB190-1986 特性分析

GJB909A-2005 关键件和重要件的质量控制

GJB2648-1998 旋转关节总规范