新型空間大功率滾環(huán)熱分析

劉自立 侯欣賓 王立 秦曉剛 宋晨飛

(1 錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094) (2 真空技術(shù)與物理國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000) (3 河南科技大學(xué)材料工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471003)

新型空間大功率滾環(huán)熱分析

劉自立1侯欣賓1王立1秦曉剛2宋晨飛3

(1 錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094) (2 真空技術(shù)與物理國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000) (3 河南科技大學(xué)材料工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471003)

首先，針對(duì)航天器的大功率、低損耗、長(zhǎng)壽命等要求，詳細(xì)介紹新型滾環(huán)模塊化、多滾動(dòng)摩擦滾子、協(xié)同運(yùn)動(dòng)等典型結(jié)構(gòu)特征；然后，針對(duì)空間滾環(huán)大功率、長(zhǎng)壽命帶來(lái)的熱設(shè)計(jì)問(wèn)題，建立接觸電阻模型、滾動(dòng)摩擦力矩模型，理論分析計(jì)算了空間滾環(huán)設(shè)計(jì)方案參數(shù)條件下的電阻、滾動(dòng)摩擦熱；最后，利用有限元技術(shù)，對(duì)真空環(huán)境中的單通道滾環(huán)，在傳輸不同電流情況下的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。為改善滾環(huán)的熱特性以進(jìn)一步提高傳輸功率，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料等方面給出了建議并指出后續(xù)的研究方向。

大功率滾環(huán)；電阻熱；滾動(dòng)摩擦熱；熱分析

1 引言

隨著空間技術(shù)的快速發(fā)展，人類探索太空和開發(fā)空間資源的步伐逐漸加大，對(duì)于航天器的供電要求不斷提升，我國(guó)正在研制的空間站[1-2]的供電需求將達(dá)到40 kW以上、未來(lái)的擴(kuò)展供電需求可能達(dá)到100 kW，而更為長(zhǎng)遠(yuǎn)的空間太陽(yáng)能電站的供電需求將達(dá)到MW級(jí)甚至GW級(jí)[1-10]。由于運(yùn)行軌道的特性，在空間運(yùn)行的航天器的太陽(yáng)能電池陣必須連續(xù)旋轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)跟蹤，對(duì)應(yīng)軌道周期，其轉(zhuǎn)速約為90 min/r(低地球軌道)或者24 min/r(地球靜止軌道)，因此必須采用可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)的大功率導(dǎo)電裝置(也稱為導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié))實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池陣與航天器本體間的電力傳輸。

目前，衛(wèi)星上的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電裝置主要采用滑環(huán)式結(jié)構(gòu)，利用電刷和導(dǎo)電環(huán)環(huán)片之間的滑動(dòng)電接觸來(lái)傳輸功率，由于滑動(dòng)載流摩擦副存在磨屑積累、接觸電阻相對(duì)較高、驅(qū)動(dòng)力矩大等固有缺陷，已成為制約大功率、長(zhǎng)壽命航天器發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸之一。

對(duì)應(yīng)于目前廣泛應(yīng)用的滑環(huán)式導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)裝置，滾環(huán)式導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)裝置由球軸承和電傳輸技術(shù)演變而來(lái)，受滾動(dòng)軸承高精度、低磨損的啟發(fā)，研究人員開發(fā)出滾環(huán)式導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它主要由內(nèi)環(huán)、外環(huán)、滾動(dòng)聯(lián)結(jié)器構(gòu)成。滾環(huán)核心是用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，從而大幅降低了摩擦力矩，進(jìn)而減少磨損和磨屑積累。20 世紀(jì)80 年代, Terry Allen，Peter Jacobson 等美國(guó)學(xué)者發(fā)明了滾環(huán)。隨后,基于“國(guó)際空間站”上的功率傳輸?shù)钠惹幸?由美國(guó)NASA的劉易斯研究中心資助，開始研發(fā)大功率滾動(dòng)匯流環(huán)技術(shù),其功率可達(dá)到數(shù)百千瓦，并通過(guò)空間站在軌驗(yàn)證(65.5 kW)。滾環(huán)具有長(zhǎng)壽命、低損耗、高傳輸功率、低電噪聲和高速度穩(wěn)定性等方面的優(yōu)勢(shì)，使其成為空間高功率電能傳輸?shù)谋厝贿x擇[11-14]。同時(shí)，滾環(huán)在無(wú)人機(jī)、防空雷達(dá)、預(yù)警天線、大型航天器空間設(shè)施等領(lǐng)域也具有極高的應(yīng)用價(jià)值。

國(guó)外以NASA為代表的研究機(jī)構(gòu)對(duì)于滾環(huán)技術(shù)持續(xù)關(guān)注，研發(fā)出滿足不同需求的系列產(chǎn)品，典型空間應(yīng)用的滾環(huán)最高電壓約為500 V，最大傳遞功率約為65.5 kW，但針對(duì)空間應(yīng)用的滾環(huán)核心技術(shù)一直處于封鎖狀態(tài)。國(guó)內(nèi)關(guān)于滾環(huán)的研究處于起步階段[15-16]，針對(duì)大功率、長(zhǎng)壽命滾環(huán)亟需解決的熱設(shè)計(jì)問(wèn)題，諸如結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)、滾環(huán)熱源構(gòu)成以及分析計(jì)算與仿真方面的研究鮮有報(bào)道。本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，通過(guò)模塊化以及多滾子協(xié)同運(yùn)動(dòng)等方式提高滾環(huán)的傳輸功率，全面地分析了大功率滾環(huán)的熱源構(gòu)成以及比重，從工程角度給出了回路電阻的簡(jiǎn)化計(jì)算模型，以為后續(xù)滾環(huán)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)提供參考。

2 空間大功率滾環(huán)原理及典型結(jié)構(gòu)特征

為適應(yīng)空間太陽(yáng)能電站等大功率航天器(設(shè)施)的功率傳輸需求，采用組合模塊(多通道)、高電壓(500 V)設(shè)計(jì)，每個(gè)通道內(nèi)增加彈性環(huán)數(shù)量以提高電流傳輸值。

為了實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)電接觸，滾環(huán)主要由內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)以及多個(gè)彈性環(huán)和惰輪構(gòu)成，彈性環(huán)通過(guò)一定的徑向變形與內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)保持合理的接觸壓力，通過(guò)多個(gè)彈性環(huán)和惰輪形成一個(gè)高精度的滾動(dòng)系統(tǒng)，彈性環(huán)和內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)之間構(gòu)成滾動(dòng)載流摩擦副，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)外導(dǎo)電環(huán)穩(wěn)定的電接觸，確保在相互轉(zhuǎn)動(dòng)下電功率的連續(xù)傳輸。以下是一種大功率滾環(huán)設(shè)計(jì)方案及特征。

1)薄壁彈性環(huán)及協(xié)同運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為減小導(dǎo)體電阻，滾動(dòng)聯(lián)結(jié)器采用薄壁彈性環(huán)結(jié)構(gòu)，彈性環(huán)通過(guò)自身彈性變形產(chǎn)生預(yù)緊力，實(shí)現(xiàn)與內(nèi)外環(huán)的穩(wěn)定接觸，確保在相互轉(zhuǎn)動(dòng)下電功率的連續(xù)傳輸，如圖1所示。為進(jìn)一步降低回路電阻減少熱損耗以提高電能傳輸效率，在內(nèi)外環(huán)形成的導(dǎo)電回路之間并聯(lián)多個(gè)彈性環(huán)，為防止運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的相鄰彈性環(huán)發(fā)生碰撞、錯(cuò)位，提高協(xié)同運(yùn)動(dòng)精度，每彈性環(huán)之間設(shè)計(jì)了惰輪及其運(yùn)動(dòng)軌道，如圖2所示。

圖1 空間大功率滾環(huán)Fig.1 Space huge-power roll-ring

圖2 惰輪軌道Fig.2 Path of idler

2)模塊化設(shè)計(jì)

為提高滾環(huán)電能傳輸能力，進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)不同功率需求，可組合多個(gè)導(dǎo)電回路。如圖3所示，為單通道滾環(huán)的物理模型，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件包括內(nèi)環(huán)、外環(huán)、彈性環(huán)和惰輪，為提高電流傳輸能力，每一通道設(shè)計(jì)包括10個(gè)薄壁彈性環(huán)。為保證相鄰兩彈性環(huán)之間不發(fā)生碰撞、卡死現(xiàn)象，設(shè)計(jì)惰輪分離相鄰彈性環(huán)。為進(jìn)一步提高傳輸功率，可以采用模塊(通道)組合。如圖4所示。

圖3 單通道滾環(huán)示意圖Fig.3 Single channel of roll-ring

圖4 多通道滾環(huán)示意圖Fig.4 Multi- channel of roll-ring

3 滾環(huán)熱源分析計(jì)算

滾環(huán)在真空運(yùn)行中無(wú)法對(duì)流散熱，發(fā)熱形成的高溫及其帶來(lái)的接觸表面乃至其它器件和材料的加速劣化問(wèn)題尤為突出，滾環(huán)熱源分析計(jì)算是滾環(huán)熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。滾環(huán)熱源由滾動(dòng)摩擦熱、電阻熱、電弧熱等3部分組成。對(duì)于電弧熱，由于真空缺乏對(duì)流散熱，摩擦副溫升可能更加劇烈，同時(shí)溫度的升高有利于電弧產(chǎn)生。而真空缺乏導(dǎo)電介質(zhì)，此時(shí)電弧的形成主要依靠接觸副表面微凸峰之間的電子發(fā)射和金屬蒸汽，真空又具有滅弧作用。因此真空對(duì)摩擦電弧的影響十分復(fù)雜，其規(guī)律尚不清楚。因此，本文暫不考慮電弧熱，將重點(diǎn)分析滾環(huán)電阻熱和滾動(dòng)摩擦熱。

3.1電阻熱分析計(jì)算

電流由內(nèi)環(huán)至彈性環(huán)，再由彈性環(huán)到外環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)電流由旋轉(zhuǎn)端到固定端的傳輸。其中，彈性環(huán)的總電阻由體電阻、接觸電阻組成。

R=R12+R2+R23

(1)

式中：R為彈性環(huán)總電阻；R12為外環(huán)-彈性環(huán)接觸電阻；R2為彈性環(huán)體電阻；R23為彈性環(huán)-內(nèi)環(huán)接觸電阻;R12=R23。

由導(dǎo)體電阻公式

(2)

式中：彈性環(huán)材料為鈹青銅，電阻率ρ=7.19×10-6Ω·cm；彈性環(huán)直徑D=37 mm；彈性環(huán)軸向長(zhǎng)度b=4.84 mm；彈性環(huán)徑向?qū)挾萩=0.35 mm；彈性環(huán)矩形截面積S=b×c=1.694 mm2。得R2=1.23×10-3Ω。

接觸電阻的物理本質(zhì)是接觸電流流過(guò)導(dǎo)電斑點(diǎn)產(chǎn)生收縮效應(yīng)引起的收縮電阻與表面膜電阻之和，接觸電阻與導(dǎo)電斑點(diǎn)的形狀、數(shù)目等有關(guān)。影響導(dǎo)電斑點(diǎn)的因素比較復(fù)雜，如接觸元件的材料、接觸形式、表面膜狀況、接觸力、電流大小等[17-19]，根據(jù)電接觸理論與經(jīng)驗(yàn)公式

(3)

式中：ρ1、ρ分別為內(nèi)環(huán)、外環(huán)材料的電阻率，在此次設(shè)計(jì)方案中(圖5)，內(nèi)環(huán)、外環(huán)均選用黃銅材料，ρ1=ρ=6.63×10-6Ω·mm，AC為赫茲接觸斑面積，AC=πabj，其中a為接觸斑半寬，bj為接觸斑長(zhǎng)度，bj=b=4.84 mm。

圖5 圓柱體彈性赫茲接觸示意圖Fig.5 Cylinder elastic Hertz contact

(4)

式中：μ1,μ2分別為彈性環(huán)、內(nèi)環(huán)的泊松比；E1,E2分別為彈性環(huán)、內(nèi)環(huán)的彈性模量；r1,r2分別為彈性環(huán)、內(nèi)環(huán)的曲率半徑；F為彈性環(huán)的變形預(yù)緊力。

取F=3.04N，r1=18.5 mm，r2=40 mm，由式(4)得a=0.89×10-2mm， 可得AC=13.5×10-2mm-2。代入式(3)得

(5)

R12=R23，代入式(1)，則R=R12+R2+R23=1.6+1.23+1.6=4.43 mΩ，按照滾環(huán)設(shè)計(jì)方案，其電壓500 V，功率20 kW，共1個(gè)通道，每個(gè)通道10彈性環(huán)，則每個(gè)彈性環(huán)通流4 A，忽略內(nèi)、外環(huán)電阻熱耗，其單個(gè)彈性環(huán)電阻熱耗為P1=I2R2=0.071 W。其中，通道總電流I=40A。

3.2滾動(dòng)摩擦熱分析計(jì)算

假設(shè)內(nèi)環(huán)固定，外環(huán)旋轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖6所示，彈性環(huán)做純滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，受力情況如圖7所示。

圖6 內(nèi)環(huán)、外環(huán)、彈性環(huán)運(yùn)動(dòng)關(guān)系Fig.6 Kinematic connection of inner ring, outer ring and flexure

圖7 彈性環(huán)受力圖 Fig.7 Mechanics of flexure

假設(shè)彈性環(huán)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，忽略彈性環(huán)軸向力，外環(huán)對(duì)彈性環(huán)的滾動(dòng)摩擦驅(qū)動(dòng)力作用在A點(diǎn)，內(nèi)環(huán)對(duì)彈性環(huán)的約束力作用在B點(diǎn)，AB過(guò)圓心O，由理論力學(xué)知，對(duì)B點(diǎn)求力矩，有

∑mB(Fi)=0

(6)

a?r1，因此

FA×2r1=NA×2a

(7)

式中：FA為滾動(dòng)摩擦力；NA為彈性環(huán)正壓力。因?yàn)榻佑|斑a在數(shù)值上非常小，可近似認(rèn)為NA方向垂直向上，過(guò)圓心O。

取F=NA=3.04N，將其它各值代入式(7)得FA=0.146×10-2N。

Pf=FA×V=FA×Rw×ω1

(8)

式中：Rw表示外環(huán)半徑,Rw=77 mm；ω1表示外環(huán)角速度，ω1=5 r/min；Pf表示摩擦熱功率，得Pf=5.96×10-5W。

3.3滾環(huán)熱源分析計(jì)算結(jié)論

單通道滾環(huán)轉(zhuǎn)速5 r/min，外環(huán)半徑77 mm，電壓500 V，功率20 kW，包含10彈性環(huán)，忽略內(nèi)、外環(huán)電阻熱耗，其回路電阻熱耗為0.71 W，功率傳輸效率理論值見表1。

表1 單通道不同功率下的功率傳輸效率

由表1可知，單通道滾環(huán)設(shè)計(jì)方案中的回路電阻相關(guān)的彈性環(huán)結(jié)構(gòu)、預(yù)緊力等關(guān)鍵參數(shù)滿足要求，使接觸電阻較小，其功率傳輸效率理論值都在99.99%以上。

單通道傳輸功率20 kW時(shí)，回路電阻熱耗為0.71 W，而滾動(dòng)摩擦熱損耗5.96×10-4W。滾動(dòng)摩擦熱損耗約為電阻熱功率的千分之一。后續(xù)的溫度場(chǎng)計(jì)算中應(yīng)重點(diǎn)考慮電阻熱帶來(lái)的溫升。

4 滾環(huán)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)仿真

在空間環(huán)境中，由于真空條件，滾環(huán)缺乏對(duì)流散熱，能量散失主要通過(guò)熱傳導(dǎo)和熱輻射兩種方式，假設(shè)滾環(huán)所有表面均為漫射表面，且同一表面在不同地點(diǎn)向外輻射熱流密度是均勻的，各材料為均勻介質(zhì)。滾環(huán)系統(tǒng)上各點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)溫度是其位置的函數(shù)，T=T(x,y,z)，坐標(biāo)系如圖8示。

圖8 單通道滾環(huán)及其坐標(biāo)系Fig.8 Single channel of roll-ring and reference frame

1)熱傳導(dǎo)對(duì)滾環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部溫度分布影響分析

滾環(huán)三維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)滿足傅里葉定律和能量守恒定律，熱源包括電阻熱和滾動(dòng)摩擦熱，滾環(huán)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)主要受其內(nèi)熱源熱流量和材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響。

2)熱輻射對(duì)滾環(huán)系統(tǒng)能量散失的影響

滾環(huán)熱量向周圍環(huán)境的輻射，以及表面的相互輻射，輻射熱量滿足：

(9)

式中：σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；A為輻射面積；ε為輻射率；Tsurface為表面溫度；Tambient為輻射環(huán)境溫度。

3)滾環(huán)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)數(shù)值仿真分析

單通道模塊溫度場(chǎng)分布是滾環(huán)熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，因此以單通道滾環(huán)為研究對(duì)象，在ANSYS WORKBENCH 15.0仿真平臺(tái)中對(duì)滾環(huán)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱仿真計(jì)算)。計(jì)算單通道滾環(huán)在真空不同環(huán)境溫度條件下熱平衡狀態(tài)后的溫度場(chǎng)分布。

設(shè)計(jì)方案為滾環(huán)單通道，單通道共包含10個(gè)彈性環(huán)，材料選用鈹青銅，相鄰彈性環(huán)之間設(shè)計(jì)惰輪，材料選用工程塑料，內(nèi)、外環(huán)材料選用銅合金。材料屬性見表2。

表2 穩(wěn)態(tài)熱分析輸入的材料屬性

傳熱邊界條件：功率密度為體積載荷，施加在各彈性環(huán)上，模擬電流生熱；電阻熱通過(guò)熱傳導(dǎo)形式傳遞到內(nèi)環(huán)、外環(huán)與惰環(huán)，暫不考慮外環(huán)進(jìn)一步與其他結(jié)構(gòu)之間的導(dǎo)熱；輻射熱量與環(huán)境進(jìn)行交換，給定輻射環(huán)境溫度為20 ℃。

考慮真空環(huán)境影響，傳熱方式為傳導(dǎo)和熱輻射。熱源為10個(gè)彈性環(huán)電阻熱及各環(huán)滾動(dòng)摩擦熱。彈性環(huán)體積為190.17 mm3，電阻熱功耗及其功率密度見表3。在有限元模型中，彈性環(huán)與內(nèi)外環(huán)、惰輪接觸均設(shè)置為綁定接觸，共40個(gè)接觸對(duì)，輻射率為0.6。

表3 不同載流條件下的電阻熱耗

彈性環(huán)傳輸電流4 A，6 A，8 A，10 A，其單通道滾環(huán)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)如圖9所示。

(1)彈性環(huán)傳輸電流4 A時(shí)，滾環(huán)內(nèi)部最高溫度約37 ℃，最低溫34 ℃，溫差約3 ℃；彈性環(huán)傳輸電流6 A時(shí)，滾環(huán)內(nèi)部最高溫度約55 ℃，最低溫49 ℃，溫差約6 ℃；彈性環(huán)傳輸電流8 A時(shí)，滾環(huán)內(nèi)部最高溫度約77 ℃，最低溫67 ℃，溫差約10 ℃；彈性環(huán)傳輸電流10 A時(shí)，滾環(huán)內(nèi)部最高溫度約99 ℃，最低溫83 ℃，溫差約16 ℃。傳輸不同強(qiáng)度的電流時(shí)，最高溫與最低溫均出現(xiàn)在彈性環(huán)與惰輪區(qū)域，在傳輸電流較小時(shí)(小于4 A)，可以從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方向增強(qiáng)散熱，隨著傳輸電流的增大(大于10 A)，其溫差也遞增，對(duì)于薄壁彈性環(huán)結(jié)構(gòu)，若進(jìn)一步提高電流傳輸值，重點(diǎn)應(yīng)該從新型材料入手以增強(qiáng)散熱，避免局部溫差較大而引起的熱應(yīng)力與變形。

(2)相同工況條件下，不同彈性環(huán)之間溫度場(chǎng)分布規(guī)律一致，內(nèi)環(huán)不同區(qū)域以及外環(huán)不同區(qū)域的溫度場(chǎng)基本一致。驗(yàn)證了滾環(huán)設(shè)計(jì)方案,尤其是傳輸電流較大的工況,應(yīng)保證對(duì)稱性，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)、裝配不對(duì)稱引起的局部溫度畸點(diǎn)。

(3)傳輸電流強(qiáng)度不同，其他條件不變時(shí)，滾環(huán)內(nèi)部溫差隨電流強(qiáng)度遞增。

(4)電流傳輸關(guān)鍵部件-薄壁彈性環(huán)，在傳輸不同強(qiáng)度電流時(shí)，穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)溫差均較低，在0.5～3 ℃之間，較低溫度區(qū)域均出現(xiàn)在與內(nèi)環(huán)的接觸區(qū)附近，較低的溫差可避免大溫度梯度帶來(lái)的熱應(yīng)力變形。驗(yàn)證了滾環(huán)方案中的薄壁彈性環(huán)結(jié)構(gòu)(寬4.8 mm，厚0.35 mm，半徑18.5 mm)、材料(鈹青銅)設(shè)計(jì)，避免了溫差較大薄壁結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力變形，可以滿足大電流傳輸條件下的穩(wěn)態(tài)溫度要求。

(5)如圖10所示，滾環(huán)材料熱輻射發(fā)射率對(duì)滾環(huán)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)影響較大。單個(gè)彈性環(huán)傳輸電流為10 A時(shí)，熱輻射發(fā)射率為0.8時(shí)，最高溫度約68 ℃，比熱輻射發(fā)射率0.4的最高溫度(99 ℃)下降了46%；最低溫度約53 ℃，比熱輻射發(fā)射率0.4的最高溫度(83 ℃)下降了57%。在后續(xù)的材料以及表面涂覆工藝方面應(yīng)該更大的面積上增大熱輻射發(fā)射率。另外，隨著輻射率的升高，圖10(b)中的外環(huán)局部區(qū)域出現(xiàn)了約2 ℃的溫差，由于后期應(yīng)用方案中，外環(huán)軸向(Y)環(huán)面與通道間絕緣結(jié)構(gòu)接觸導(dǎo)熱，因此在此分析中均未設(shè)置成輻射面，導(dǎo)致在輻射率升高后，外環(huán)局部出現(xiàn)溫差。

圖10 單環(huán)電流10 A，不同熱輻射條件下的單通道滾環(huán)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)圖Fig.10 Temperature distributing of single channel of roll-ring on transferring current 10A and different emissivity

5 結(jié)論

與目前廣泛應(yīng)用的滑環(huán)相比，滾環(huán)利用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，摩擦力矩大幅減小，抑制磨屑產(chǎn)生的同時(shí)減小了摩擦發(fā)熱，以單通道20 kW，500 V, 共10個(gè)彈性環(huán),滾環(huán)轉(zhuǎn)速5 r/min為例，滾動(dòng)摩擦熱功率約為電阻熱功率的1‰，驗(yàn)證了滾環(huán)的優(yōu)越性。

(1)滾環(huán)方案設(shè)計(jì)中的薄壁彈性環(huán)設(shè)計(jì)(結(jié)構(gòu)尺寸、材料、彈性預(yù)緊力)使彈性環(huán)總電阻僅為4.43 mΩ，保證了較高的功率傳輸效率。

(2)單通道滾環(huán)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)仿真表明，內(nèi)環(huán)、外環(huán)等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及多彈性環(huán)裝配應(yīng)該保證對(duì)稱性，避免傳輸電流進(jìn)一步提高時(shí)因結(jié)構(gòu)、裝配不對(duì)稱引起的局部溫度畸點(diǎn)。同時(shí)，也驗(yàn)證了單通道滾環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性。另外，電流傳輸關(guān)鍵部件-薄壁彈性環(huán)，在傳輸不同強(qiáng)度電流時(shí)，穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)溫差均較低，可避免大溫度梯度帶來(lái)的熱應(yīng)力變形。驗(yàn)證了滾環(huán)方案中的薄壁彈性環(huán)結(jié)構(gòu)(寬4.8 mm，厚0.35 mm，半徑18.5 mm)、材料(鈹青銅)設(shè)計(jì)的可行性。

(3)單個(gè)彈性環(huán)傳輸電流為4 A、6 A、8 A、10 A遞增時(shí)，滾環(huán)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)上升較快，彈性環(huán)電流為4 A、10 A為例，滾環(huán)最高溫度分別為37 ℃、99 ℃。若進(jìn)一步提高滾環(huán)的電流傳輸能力，對(duì)新型滾環(huán)材料、散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出很高的要求。

本文提出薄壁彈性環(huán)式滾環(huán)的結(jié)構(gòu)特征，從宏觀角度提出了關(guān)鍵熱源電阻熱、滾動(dòng)摩擦熱分析模型，為樣機(jī)早期方案熱分析提供了工程方法，為后續(xù)的滾環(huán)滾動(dòng)摩擦、導(dǎo)電接觸試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)的選取提供重要參考。后續(xù)研究重點(diǎn)應(yīng)該放在新型滾環(huán)試驗(yàn)上，從微觀角度，通過(guò)試驗(yàn)后的滾環(huán)樣品三維形貌表征，重點(diǎn)關(guān)注大功率傳輸過(guò)程中熱載荷特性以及對(duì)材料、結(jié)構(gòu)的損傷特性。

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Thermal Analysis of Novel High-power Roll-ring

LIU Zili1HOU Xinbin1WANG Li1QIN Xiaogang2SONG Chenfei3

(1 Qian Xuesen Laboratory of Space Technology, Beijing 100094, China) (2 National Key Laboratory of Science and Technology and Physics, Lanzhou 730000, China) (3 Institute of Materials Science and Engineering，Henan University of Science and Technology，Luoyang，Henan 471003，China)

Aimed at the desire of high-power transferring, longer life and higher reliability, some typical characteristics of novel roll-ring, such as roll-ring blocking, multi-flexure and accordant movement are introduced in the paper. Then, the model of contact resistance and rolling attrition moment is established, and,the resistance heat and friction heat under the roll-ring’s key parameters are investigated theoretically and compared in the paper. Lastly, the steady-state thermal numerical analysis of different current transferring in vacuum environment is finished. And for improving heat characteristic to enhance transferring power, some comments on the structure design and material are given and the future research direction is indicated in this paper.

high-power roll-ring；resistance heat; rolling attrition；thermal analysis

V443

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.04.009

2017-05-17；

2017-07-24

真空技術(shù)與物理國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(ZWK1603)

劉自立，男，工程師，碩士，從事空間超高壓電力傳輸技術(shù)、空間太陽(yáng)能電站等領(lǐng)域的研究工作。Email：ronger2007@126.com。

(編輯：張小琳)