張哲軍

(中國電子科技集團公司第三十九研究所， 陜西 西安 710065)

差動匯流環(huán)誤差分析與優(yōu)化設計

張哲軍

(中國電子科技集團公司第三十九研究所， 陜西 西安 710065)

為解決原150路差動匯流環(huán)存在的以信號無故閃斷為主要故障現(xiàn)象的系列問題，設計制造了一套性能優(yōu)良、安全可靠的差動匯流環(huán)。以差動匯流環(huán)機電傳輸原理為基礎，建立了數(shù)學模型，進行了誤差分析計算，對原差動匯流環(huán)存在的問題進行了梳理和原因分析，對各種誤差按主次進行了合理分配，提出了經(jīng)濟合理的設計制造精度，徹底解決了上述問題。后續(xù)大批量差動匯流環(huán)的工程應用，證明了對差動匯流環(huán)進行的誤差分析是正確的，誤差分配是合理的，優(yōu)化設計是成功的。

差動匯流環(huán)；差動機構；誤差；回程誤差；接觸塊；電刷組件

引 言

我國自行研制靶場精密測控雷達已有40多年的歷史，而每臺測控雷達都離不了匯流環(huán)，尤其是差動匯流環(huán)以其傳輸信號路數(shù)多、軸向尺寸小的明顯優(yōu)勢而后來居上，得到非常廣泛的應用。近年來，對差動匯流環(huán)的研究以簡化結構、提高可靠性為目標，結構上向大型化方向發(fā)展，目前230路大型圓錐行星齒輪式差動匯流環(huán)已成功應用于口徑為16 ～ 60 m的系列大型天線系統(tǒng)中。原150路差動匯流環(huán)設計于20世紀80年代初，其應用存在一些疑難問題。20世紀90年代中期，隨著國家航天事業(yè)的迅猛發(fā)展，差動匯流環(huán)的應用也與日俱增，原匯流環(huán)存在的問題日益突顯，對差動匯流環(huán)進行誤差分析與優(yōu)化設計的要求也迫在眉睫。

論證表明：原匯流環(huán)設計原理是可行的和科學的，結構布局也是合理的，但是由于沒能充分認識到影響差動匯流環(huán)性能的主次因素，而盲目分配零部件設計誤差，使差動匯流環(huán)在工程應用中經(jīng)常出現(xiàn)以信號無故閃斷為主要故障現(xiàn)象的系列問題。因此，天線系統(tǒng)在執(zhí)行國家級重大試驗任務中，為了確保信號傳輸?shù)娜f無一失，對差動匯流環(huán)各信號通路除采取多路并聯(lián)的方法外，還常常對關鍵信號通路采用多根導線將匯流環(huán)的動、靜電刷組進行短路連接，再配備人員值守，以增加可靠性，使匯流環(huán)變成了“需要專人陪護的電纜卷繞”，嚴重影響了雷達天線的實戰(zhàn)性能。

本文旨在解決困擾設計者多年的上述問題，設計制造出一套性能優(yōu)良、安全可靠的差動匯流環(huán)，以提高天線系統(tǒng)的整機質量和可靠性。

1 差動匯流環(huán)的結構及工作原理

1.1 差動匯流環(huán)的結構

差動匯流環(huán)由動刷環(huán)、靜刷環(huán)、轉子環(huán)、差動機構等組成，如圖1所示。

圖1 差動匯流環(huán)的結構

1.2 差動匯流環(huán)的工作原理

差動匯流環(huán)通過基座安裝在天線座上，其中的動電刷環(huán)固定在中心軸上，轉子環(huán)通過差動機構和中心軸相連，轉子環(huán)中上、下2組相對應的接觸塊用導線連通，靜電刷環(huán)固定在基座上。

動電刷環(huán)、靜電刷環(huán)組分別與轉子環(huán)上的上、下2層接觸塊在圓柱面上相接觸，電刷壓力通過彈簧來調(diào)節(jié)。當中心軸以轉速ω轉動時，轉子環(huán)將以ω/2的轉速同向轉動(由差動機構決定)，保證了信號傳輸?shù)恼_性。差動匯流環(huán)的工作原理如圖2所示。

圖2 差動匯流環(huán)的工作原理

2 差動匯流環(huán)的誤差分析計算

任何機械裝置的零部件都存在加工、裝配誤差，該差動匯流環(huán)為中心距可調(diào)的多層柱面接觸式差動匯流環(huán)，其誤差包括機械傳動誤差和由接觸塊及電刷組件構成的電氣誤差2部分。

2.1 差動傳動機構誤差

差動傳動機構主要由中心轉軸、球軸承、差動轉動體、聯(lián)接底座、中心齒輪、差動齒輪、小齒輪、大齒輪等組成，2組相互對應嚙合的圓柱齒輪采用平行軸安裝方式，如圖3所示。

圖3 差動傳動機構

根據(jù)其傳動特點分析，回程誤差是造成電刷與接觸塊錯位的主要因素，其次是傳動誤差，各零部件的加工、裝配誤差等。

2.1.1 回程誤差的分析計算

影響回程誤差的主要因素有齒輪公法線均長偏差、齒圈徑跳、軸承游隙、孔軸配合公差、孔中心距公差等。

(1)各誤差的均值和方差計算

各主要誤差影響因素均符合正態(tài)分布，各均值和方差計算查表結果(其中軸承精度6級，齒輪精度7級)見表1。

(2)齒輪副的切向誤差綜合計算

齒輪副的切向誤差計算結果見表2、表3。

表1 回程誤差計算查表結果

表2 齒輪副的切向誤差綜合計算結果(齒隙范圍調(diào)整前) mm

名稱M1，2D1，2M3，4D3，4δ1，2δ3，4計算結果-0．24579305．586×10-6-0．24579309．286×10-6-0．24579±0．05244-0．24579±0．05276名稱(齒隙范圍可調(diào))Z1?Z2Z3?Z4計算結果-0．29824?-0．19335-0．29856?-0．19303

表3 齒隙范圍調(diào)整后(調(diào)整距離為0.193 03)齒輪副切向誤差綜合計算結果 mm

名稱 Z1?Z2Z3?Z4計算結果 -0．10520?-0．00032-0．10552?0

注：差動機構為齒輪中心距可調(diào)結構。

(3)調(diào)整中心距后回差計算

調(diào)整齒輪中心距后，回差計算結果見表4。

表4 回差計算結果

2.1.2 調(diào)整中心距后傳動誤差計算

調(diào)整中心距后傳動誤差的計算公式為

式中：mn為齒輪法向模數(shù)；Fi′為切向綜合公差；δc為孔/軸配合公差；δs為軸(齒圈)徑跳；δa為孔中心距公差；Z為齒輪齒數(shù)。

傳動誤差計算結果見表5。

表5 傳動誤差計算結果

此外，單個齒輪的均方根公差值為

±3×0.858 998=±2.576 99(′)

折算到輸入軸后的誤差值為

式中，it為速比。

2.2 接觸塊及電刷組件誤差

2.2.1 接觸塊組合誤差

接觸塊組合誤差包括接觸塊自身的加工、裝配誤差以及轉子上接觸塊安裝孔的分度誤差。接觸塊加工誤差按經(jīng)濟加工精度進行預先分配：

1)接觸塊寬度為7.8 ± 0.04 mm；

2)接觸塊對稱度為0.3 mm(IT13)；

3)接觸塊定位孔最大間隙為0.24 mm；

4)接觸塊裝配傾斜為0.2 mm；

5)接觸塊安裝孔的分度誤差為± 0.28 mm；

6)接觸塊中心距為10.053 ± 0.28 mm。

2.2.2 電刷組件誤差

電刷組件誤差包括3部分：電刷自身的設計、加工、裝配誤差；電刷導向套的加工、裝配誤差；動刷環(huán)、靜刷環(huán)上導向套安裝孔的分度誤差。

1)電刷與導向套位孔最大間隙為0.122 mm；

2)導向套位安裝孔的分度誤差為± 0.28 mm；

3)導向套裝配傾斜為0.2 mm；

4)導向套裝配最大間隙為0.125 mm；

5)電刷傾斜為0.2 mm。

2.2.3 接觸塊組合及電刷組件誤差綜合

上述各項誤差按正態(tài)分布處理，其方差Dd=258.585 1 × 10-4mm，均值μd=0 mm。

2.3 機電綜合誤差計算

綜合誤差為機械誤差和電氣誤差的綜合，其計算公式為

式中：Δz為總誤差；Δh為回差；Dj為機械誤差的方差；Dd為電機誤差的方差。

其計算結果為Δz= 0.909 1 mm。

3 優(yōu)化設計

3.1 優(yōu)化設計思路

根據(jù)差動匯流環(huán)的機電傳輸原理，建立數(shù)學誤差模型，從影響差動匯流環(huán)性能的誤差來源入手，進行誤差分析計算，在確保產(chǎn)品性能的前提下，按主次提出經(jīng)濟合理的加工制造精度。在解決存在的問題基礎上，設計制造出性能優(yōu)良、性價比高的差動匯流環(huán)，為后續(xù)實現(xiàn)匯流環(huán)的標準化、系列化、模塊化、專業(yè)化打下基礎。

優(yōu)化設計的關鍵步驟在于：1)解決現(xiàn)存問題；2)認準誤差來源；3)分清誤差機理；4)對各種誤差按主次進行合理分配； 5)提出經(jīng)濟的加工制造精度。

3.2 匯流環(huán)存在的問題與優(yōu)化設計方法

原差動匯流環(huán)從20世紀80年代初期一直沿用至20世紀90年代中期，雖然根據(jù)生產(chǎn)加工中發(fā)現(xiàn)的問題做過一些必要的改進，但其設計還未達到合理、優(yōu)化的程度，因而加工出的產(chǎn)品一次成功的概率低，且生產(chǎn)難度大，在應用中還經(jīng)常出現(xiàn)以信號無故閃斷為主要故障現(xiàn)象的系列問題。匯流環(huán)存在的問題與優(yōu)化設計方法及優(yōu)化成果主要表現(xiàn)在以下3個方面。

3.2.1 原材料選取方面

(1)原匯流環(huán)存在的問題

在原材料材質選取方面缺乏產(chǎn)品觀念，選材不合理，有一些特殊器材，消耗量不大，但市場上不易購買，每次都單獨解決這些器材，經(jīng)濟上浪費很大。

?導電接觸摩擦副材料價格昂貴：匯流塊為銀銅釩，電刷為銀-石墨合金(J390-1)；

?傳動齒輪副材料價格昂貴，熱處理工藝復雜。大齒輪材料為38CrMoAIA，小齒輪材料為20CrMnTi。

(2)優(yōu)化設計方法與措施

?匯流塊材料改為62黃銅，電刷材料改為銀-碳纖維(JF390-1)；

?大齒輪、小齒輪材料均改為45鋼。

(3)優(yōu)化成果

?解決了稀有材料價格昂貴和不易采購的問題，極大地降低了成本, 提高了耐磨性和產(chǎn)品壽命；

?極大地降低了成本，提高了生產(chǎn)效率。

3.2.2 零部件的加工精度要求方面

零部件的加工精度要求不盡合理，實現(xiàn)的加工精度與圖紙要求的精度相差甚遠，只好由設計師現(xiàn)場簽名“讓步接收”后使用，而不同的設計師對某些誤差的理解有差異，造成精度要求很隨意。

(1)原匯流環(huán)存在的問題

?匯流環(huán)總裝技術要求中沒有總裝精度要求，使總裝精度失控。

?匯流塊為分體焊接結構，各分體件尺寸要求、基準選取不合理, 成品率僅為20%；采用2次鍍銀工序，成本很高。

?電刷頭和導電柱為分體焊接結構，表面處理采用2次鍍銀工序，工藝過程復雜，成本很高。

?轉子上接觸塊安裝孔與匯流塊安裝軸徑配合間隙太大，手工安裝接觸塊很難保證精度。

?動刷環(huán)、靜刷環(huán)上電刷安裝孔，轉子上接觸塊安裝孔圓周分布公差等級嚴重偏高，生產(chǎn)中無法滿足精度要求。

(2)優(yōu)化設計方法與措施

?在總裝技術要求中，增加總裝誤差要求，使總裝精度得到有效控制；

?匯流塊改為一體結構，取消了焊接和鍍銀工序；

?電刷頭和導電柱改為一體結構，取消了焊接和鍍銀工序；

?按經(jīng)濟加工精度調(diào)整軸、孔徑配合間隙，采用工裝安裝；

?顯著降低動刷環(huán)、靜刷環(huán)上電刷安裝孔及轉子接觸塊安裝孔圓周分布公差等級。

(3)優(yōu)化成果

?生產(chǎn)制造時，操作方便，有章可循，質量可控；

?極大地縮減了工藝流程，杜絕了2個誤差源，降低了公差等級，成品率提高到100%，極大地降低了成本，縮短了生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率。

3.2.3 結構設計形式方面

設計師在原材料型材選取方面缺乏產(chǎn)品觀念，型材選取不合理，不計成本，對導電接觸摩擦副最佳壓力不清楚，對中心距可調(diào)式結構沒有完全理解。

(1)原匯流環(huán)存在的問題

?采用聯(lián)軸齒輪結構耗材太多，由于齒輪分度圓和兩端軸徑相差較大，設計成一體結構，浪費的材料大于80%；

?內(nèi)孔徑較大的中心軸、套筒、各種襯套的選材全部為棒料，加工時浪費材料，耗費工時；

?不清楚導電摩擦副最佳壓力，隨意設計壓力彈簧；

?電刷的壓力調(diào)整彈簧剛度太大，沒法正常調(diào)整，整機組裝時，現(xiàn)場常采用剪短彈簧的辦法，一方面使彈簧長短不一，另一方面破壞了彈簧端平面，使電刷的壓力很難調(diào)整；

?齒厚極限偏差為GK。

(2)優(yōu)化設計方法與措施

?將聯(lián)軸齒輪改為分體結構，熱套裝配；

?根據(jù)各件結構，選用相近管材；

?依據(jù)導電摩擦副最佳壓力，重新設計彈簧；

?齒厚極限偏差修改為FH。

(3)優(yōu)化成果

?極大地降低了材料及加工成本，提高了工作效率；

?導電副摩擦副壓力便于調(diào)節(jié)，接觸電阻小，運行穩(wěn)定可靠；

?減小回差，調(diào)整方便。

4 電刷短路與斷路的判斷及分析計算

電刷短路與斷路問題是決定差動匯流環(huán)成敗的關鍵問題。

4.1 電刷短路的判斷及分析計算

4.1.1 電刷短路及發(fā)生的條件

電刷短路是指2組動、靜對應電刷及相應的接觸塊，由于相互位置發(fā)生錯位，電刷和第3個接觸塊同時發(fā)生接觸現(xiàn)象，引起電流短路。只有在接觸塊寬度尺寸最大、電刷厚度尺寸最大及圓周分布間距最小時才會發(fā)生電刷短路。

4.1.2 電刷短路的判斷計算

根據(jù)電刷短路條件繪制尺寸鏈, 如圖4所示。

圖4 短路條件尺寸鏈

電刷組件最大尺寸為Amax=(0.1+4+0.006) × 2=8.212 mm，接觸塊間距最小尺寸為Bmin=[10.053-0.28-(3.9+0.02+0.15+0.12+0.1)]× 2=10.96 mm >Amax，故不會發(fā)生短路現(xiàn)象。

4.2 電刷斷路的判斷及分析計算

4.2.1 電刷斷路及發(fā)生的條件

電刷斷路是指2組動、靜對應電刷及相應接觸塊由于相互位置錯位，一組電刷和接觸塊發(fā)生脫離現(xiàn)象，引起電流斷路。只有在接觸塊寬度尺寸最小、電刷厚度尺寸最小及圓周分布間距最大時才會發(fā)生電刷斷路。

4.2.2 電刷斷路的判斷計算

根據(jù)電刷斷路條件繪制尺寸鏈, 如圖5所示。

圖5 斷路條件尺寸鏈

兩接觸塊中心間距最大尺寸為 10.053+0.28=10.333 mm，兩接觸塊側距最大尺寸為Amax= 10.333-(3.9-0.02-0.12-0.15) × 2= 3.113 mm。

此時電刷相互錯位為 7.8-3.113 = 4.687 mm，就其對稱位置錯位為±2.343 5 mm，即當電刷中心相互錯位為±2.343 5 mm時，就會發(fā)生斷路現(xiàn)象。

根據(jù)已知條件：由傳動機構誤差引起的電刷最大錯位為0.909 1 mm，總裝要求2組電刷相互錯位最大為±0.5 mm(工程中很容易實現(xiàn)),則電刷實際相互錯位最大值為0.909 1+0.5=1.409 1 mm < 2.343 5 mm，故不會發(fā)生斷路現(xiàn)象。

5 結束語

從對影響差動匯流環(huán)質量的各種誤差進行的分析計算可以看出，差動匯流環(huán)對其各零部件的加工精度要求并不高，只要對加工誤差進行合理分配，就能以非常經(jīng)濟的加工精度生產(chǎn)出高質量的差動匯流環(huán)。據(jù)此對差動匯流環(huán)進行優(yōu)化設計，可以極大地提高差動匯流環(huán)的質量，降低生產(chǎn)成本。20多年來，近百套差動匯流環(huán)的成功應用，充分證明了誤差分析計算及優(yōu)化設計的正確性。

[1] 龔振邦, 陳守春. 伺服機械傳動裝置[M]. 上海: 國防工業(yè)出版社, 1998.

[2] 廖念釗,古瑩菴，莫雨松，等. 互換性與技術測量[M]. 北京：計量出版社, 1982.

張哲軍 (1963-)，男，高級工程師，主要從事天線結構系統(tǒng)設計與研究工作。

Error Analysis and Optimization Design of Differential Slip-ring Electromechanical Equipment

ZHANG Zhe-jun

(The39thResearchInstituteofCETC，Xi′an710065,China)

To solve the series of problems (with the signal flash without reason as the main one) of the original 150-road differential slip-ring electromechanical equipment (DSREE), a set of DSREE with excellent performance, safe and reliable convergence are designed and manufactured. According to the principle of DSREE mechanical and electrical transmission, the mathematical model is established, error analysis & calculation are carried out, the errors are distributed reasonably and the original DSREE problems are sorted and analyzed. The economic and reasonable design and manufacture precisions are put forward. As a result, the above prob-lems are thoroughly solved. Subsequent mass engineering applications of DSREE have proved that the erroranalysis of the DSREE convergence is correct, the error distribution is reasonable and the optimization design is successful.

differential slip-ring electromechanical equipment；differential mechanism；error；return error；contact block；conductive brush assembly

2013-11-29

TN621

A

1008-5300(2014)02-0046-05