汇流环金属丝—环芯瞬态响应研究

文广 刘兆有 左芳君 刘平平

摘要：以某滑动式汇流环的主要结构-金属丝-环芯摩擦副为研究对象，利用有限元法对其进行瞬态动力学分析，考察结构在冲击载荷作用下的瞬态响应，研究转速和冲击载荷大小对其瞬态响应的影响。研究结果表明：金属丝-环芯摩擦副结构在载荷作用下的最大等效应力位于金属丝与环芯的接触部位，其值仍小于材料许用应力。随着冲击载荷数值的增大，结构瞬态响应最大峰值会随之增大，在现有转速条件下，随着环芯转动速度的增加，其瞬态响应最大峰值反而会降低。

关键词：汇流环金属丝-环芯摩擦副；冲击载荷；转速；瞬态响应；有限元法

中图分类号：TH131文献标志码：A

文章编号：2095-5383（2019）01-0001-06

Study on Transient Response of Electric Brushring Core of Slip Ring

WEN Guang， LIU Zhaoyou， ZUO Fangjun， LIU Pingping

（School of Mechanical Engineering， Chengdu Technological University， Chengdu 611730， China）

Abstract：

Taking the main structure of a slip ring， electric brushring core friction pair， as the research object， the transient dynamic analysis of the friction pair was carried out by using finite element method. The transient response of the structure under impact load was investigated， and the influence of rotational speed and impact load on its transient response was studied. The results show that the maximum equivalent stress of electric brushring core friction pair structure under load is located at the contact area between electric brush and ring core， and its value is still less than the allowable stress of material. With the increase of the impact load， the maximum peak value of the transient response of the structure will increase. Under the existing rotational speed conditions， the maximum peak value of the transient response will decrease with the increase of the core rotational speed.

Keywords：

electric brushring core of slip ring； impact load； rotational speed； transient response； finite element method

匯流环是一种传输装置，主要用于传递两个相对旋转机构间的功率与信号，在雷达、卫星、风力发电等设备上有着广泛应用[1]。作为系统的重要组成部分，汇流环的性能质量和工作状态会影响系统整体的工作精度和可靠性[2]。对于汇流环来说，电刷与导电环组成的接触副是其主要的核心部件，其工作性能是否可靠关系到汇流环的使用寿命。冲击载荷往往作用时间短，载荷数值大，与静态工况相比，结构在冲击载荷作用下的力学响应要复杂得多，因此，在开展工程结构设计时，非常有必要研究其在冲击载荷作用下的瞬态响应。唐征明等[3]针对某柴油发电机组基座，利用ANSYS软件研究了减震器刚度对基座抗冲击强度的影响。韦洲等[4]以某旋压铝合金轮毂为研究对象，借助有限元软件ANSYS分析了其13°冲击强度，得出了轮毂的正面最大应变量和背面最大应变量等指标参数。高健翔等[5]同样借助ANSYS有限元软件对某数控转塔冲床的床身进行了瞬态动力学分析。但是在汇流环设计领域，大部分的科研人员都将研究方向集中在静态接触应力分析、电特性分析、材料及结构匹配特性分析等方面，较少关注到汇流环在承受外界冲击载荷作用下的瞬态动力学特性。马春生等[6]利用三维软件Solidworks对一种新型大功率滚动式汇流环装置进行了参数化建模，并借助有限元软件Ansys Workbench研究了其内、外环上接触应力的分布情况。刘文科等[7]以某型号雷达汇流环为研究对象，通过测试获得了接触电阻、绝缘电阻、电介质强度等主要电性能参数，并根据测试结果来分析产品出现问题的原因。邓书山等[8]在文献中介绍了汇流环设计中关键材料的选用原则，并强调要根据使用要求和环境条件来选用合适的关键材料。常健等[9]通过研究发现电刷-导电环电接触滑动摩擦副使用寿命是包括电刷-导电环配对材料、周围气体环境和湿度环境、电接触摩擦副的压力以及相对滑动速度、电刷的加工方法、烧结密度及其中石墨的含量、晶粒大小和晶粒取向等在内的多种因素综合作用的结果。薛萍等[10]在文献中介绍了大量常用的导电环和电刷材料，并通过试验数据分析，筛选出适合于不同使用要求的导电环和电刷的材料和结构。本文借助有限元软件，假设由于结构安装或者外界激励等原因导致某滑动汇流环在工作过程中产生了一定大小的冲击载荷，将环芯转动过程中，金属丝-环芯摩擦副结构承受的载荷当作时间历程载荷，对该滑动汇流环金属丝-环芯摩擦副结构进行瞬态动力学分析，研究该结构在冲击载荷作用下的瞬态响应，并考察冲击载荷大小和环芯转速对结构瞬态响应的影响规律，为该滑动汇流环的动力学优化提供理论基础。

1汇流环金属丝-环芯结构分析及有限元模型

该结构主要由环芯、金属丝、金属丝安装板构成，其中金属丝的一端和环芯接触，另一端固定于安装板上，安装板固定安装在汇流环外壳上，如图1所示。工作时，安装板及金属丝与外壳相连，保持不动，环芯与转动构件连接，随转动构件的转动而转动。由于实际环芯较长，整体结构可看作是由数道金属丝和环芯槽组成的接触副组装而成，本文为了分析简便，选取了其中的一段作为研究对象。环芯、金属丝、金属丝安装板分别由45钢、AuNi9、玻璃纤维材料制成，这3种材料的相关材料特性参数如表1所示。

分析前，在有限元软件中对其进行建模，为提高分析效率，建模采用参数化编程来实现。实体模型建成后对其进行网格划分，环芯用实体单元solid45单元来模拟，金属丝采用梁单元beam188来模拟，安装板则由板单元shell63来模拟，分别采用扫掠和映射网格划分方式对环芯、安装板实体模型进行网格划分，整个结构被划分成30 557个单元，其中实体单元30 240个，板单元297个，梁单元20个，共有41 348个节点。经过网格划分后的有限元模型如图2所示。

金属丝与环芯的接触是分析时必须考虑的问题，接触问题是高度非线性问题，计算成本相对较高，相关接触参数的设置也较为复杂，因此，本文选择使用节点耦合法来模拟金属丝与环芯的接触，将接触非线性问题转换成线性问题来处理。节点自由度耦合[11]是人为地迫使相互接触的部分表现为刚体，形成过约束，从而造成耦合区域应力集中，计算出的接触应力也比使用一般的接触算法计算出的要大，因此，采用这种方法对金属丝和环芯的接触进行分析是可靠的。本文在建模时，将金属丝末端节点和环芯上对应位置的节点的6个自由度全部耦合（如图2所示）。

2加载和求解

21汇流环金属丝-环芯结构瞬态动力学分析

有限元模型建立后，按照该滑动汇流环金属丝-环芯摩擦副结构的实际工作情况对其进行加载和约束，具体的约束和载荷为：环芯2个端面上的所有节点全约束，通过在安装板节点上施加竖直方向的位移来模拟环芯与金属丝的接触载荷。

滑动汇流环装置在工作时，环芯转动，金属丝通过安装板固定安装在汇流环外壳上，工作过程中保持静止状态。进行瞬态分析时，将环芯转动1周的时间看成1个运动周期，本文只分析1个运动周期内的结构瞬态响应。在环芯转动的1个运动周期内，金属丝-环芯摩擦副结构承受的载荷可以分为3个阶段：第1阶段是未开始承受冲击载荷；第2阶段是承受由结构安装误差或碰撞过程中产生的冲击载荷；第3阶段是冲击载荷已经过去，载荷状态恢复到第1阶段。现在假设其转速为n1 r/s，安装板节点竖直方向上承受的静态位移载荷大小为Uy，冲击载荷系数为x1，则环芯转动1周的时长，即运动周期为1/n1s，冲击载荷大小为x1×Uy，第1阶段对应的起止时间为：0～19/（40×n1） s，安装板节点竖直方向上承受的位移载荷大小为Uy；第2阶段对应的起止时间为：19/（40×n1）～21/（40×n1） s，安装板节点竖直方向上承受的位移载荷大小为x1×Uy；第3阶段对应的起止时间为：21/（40×n1）～1/n1s，安装板节点竖直方向上承受的位移载荷大小为Uy。

通过分析对比，选取金属丝与环芯结构接触处的节点为危险点，即瞬态动力学的分析点，由于该金属丝-环芯摩擦副结构为对称结构，安装板上节点承受的载荷也呈对称分布，因此选取了环芯其中一侧圆柱面上的10个接触节点为分析点，上述分析点的位置如图1所示，接触处节点从左至右依次为P1至P10。

采用完全法对该滑动汇流环金属丝-环芯摩擦副结构进行瞬态动力学分析，分析结束后提取分析点的瞬态响应，即上述分析点在瞬态载荷作用下的等效应力值。为全面研究结构的瞬态响应，考察了该金属丝-环芯摩擦副结构在不同的环芯转速、不同冲击载荷大小下的瞬态响应。

22不同载荷工况下的瞬态响应

为了研究不同载荷工况下，金属丝-环芯摩擦副结构的瞬态响应，本文通过改变冲击载荷系数x1的大小来模拟不同的载荷大小工况，考察x1分别为14、15时结构的瞬态响应。分析后，分别提取上述分析点的等效应力，图3给出了x1=14、转速为1 r/s时，金属丝与环芯结构的接触节点，即各分析点的等效应力随时间变化的曲线。

从图3可以看出，该滑动汇流环金属丝-环芯摩擦副结构上所有分析点的瞬态响应最大峰值都出现在0052 5 s时刻。在环芯转速为1 r/s时，该时刻刚好是冲击载荷离开结构的时间节点，说明随着冲击载荷作用时间的增加，结构的瞬态响应值也逐渐增大，至冲击载荷消失的时刻，其瞬态响应值达到最大峰值。另外，从图3也可以看出，在该金属丝-环芯摩擦副结构上，分析点P1和P10处的最大等效应力值最大，略大于其他分析点，但仍小于材料的许用应力，这2个分析点位于环芯结构的两端，位置距离两端越远的分析点其瞬态响应峰值越小。上述10个分析点的位置刚好呈对称分布，处于对称位置的分析点的瞬态响应峰值也相等，如P1和P10的瞬态响应峰值相等，P2和P9的瞬态响应峰值相等，P3和P8的瞬态响应峰值相等。为了提高分析效率，后续分析将会重点讨论分析点P1和P10处的瞬态响应。

从图3a、图4a可以看出，随着冲击载荷系数的增加，即冲击载荷的增大，分析点P1的瞬态响应最大峰值也随之增加，但是，无论冲击载荷值为多大，瞬态响应最大峰值出现的时刻都相同，同样是，随着冲击载荷作用时间的延长，其瞬态响应峰值也逐渐增大，直到冲击载荷消失的时刻。从图3j、图4b可以看出，分析点P10的瞬态响应最大峰值也是随着冲击载荷的增加而增大，同样地，随着冲击载荷作用时间的累积，结构瞬态响应值也会逐步增加，最大值出现在冲击载荷消失的时刻。

23不同环芯转速工况下的瞬态响应

为了研究环芯转速对滑动汇流环金属丝-环芯摩擦副结构瞬态响应的影响，本文分析了环芯的转速分别为1、2 r/s时，金属丝-环芯摩擦副结构的瞬態响应，分析时，安装板上节点承受的x1=14。图5给出了环芯转速为2 r/s时的瞬态响应曲线。

从图5a和图5b可以看出，无论是分析点P1处，还是分析点P10处，该金属丝-环芯结构的瞬态响应最大峰值同样出现在冲击载荷离开的时刻，与其他载荷工况下的表现一致。

从图3a和图5a可以看出，随着环芯转速从1 r/s增加至2 r/s，分析点P1的最大瞬态响应峰值基本没有变化，从图3j和图5b可以看出，随着环芯转速的增加，分析点P10的最大瞬态响应峰值也基本保持不变，说明在目前的环芯转速条件下，该汇流环金属丝-环芯摩擦副结构的瞬态等效应力对转速的变化不是很敏感。

3结论

本文以某滑动汇流环金属丝-环芯摩擦副结构为研究对象，假设由于安装误差或外界激励等原因导致结构工作过程中产生了冲击载荷，研究该汇流环金属丝-环芯摩擦副结构在冲击载荷作用下的瞬态响应，通过分析得出如下结论：

1）该滑动汇流环金属丝-环芯摩擦副结构在冲击载荷作用下，金属丝与环芯的接触节点都出现了瞬态响应，瞬态响应值随着冲击载荷作用时间的增加而变大，其峰值出现在冲击载荷离开安装板节点的时刻。相对而言，位于环芯两端的金属丝与环芯的接触节点即分析点P1和P10处，结构瞬态响应更为明显，但其应力峰值仍小于材料许用应力。处在环芯对称位置的分析点处的瞬态响应峰值也相等。

2）随着冲击载荷的增大，金属丝-环芯摩擦副结构的瞬态响应最大峰值也会增加，即，结构的瞬态响应对载荷大小的变化较为敏感。在现有转速条件下，随着环芯转速的增加，其瞬态响应的最大峰值基本不变，说明该结构的瞬态响应对环芯转速的变化不是很敏感。参考文献：

[1]马伯渊，赵克. 大直径多功能汇流环的结构设计特点[J]. 机械设计与制造，2002（4）：8788.

[2]杨金川，田茂君，姚智慧，等. 滚动汇流环装配力学特性分析与优化设计[J]. 工程设计学报，2016，23（4）：364370.

[3]唐征明，刘现星，孙海军，等. 浮动核电站应急柴油发电机组基座抗冲击分析[J]. 舰船科学技术，2018，40（11）：9397.

[4]韦洲，张晓光，马振哲. 基于有限元的旋壓铝合金轮毂13°冲击分析[J]. 铸造技术，2018，39（11）：26082610.

[5]高健翔，高建和，龚俊杰，等. 基于瞬态动力学的数控转塔冲床床身动力学研究[J]. 机械工程与自动化，2017（1）：7476.

[6]马春生，李俊帅，李瑞琴，等. 一种新型汇流环装置的接触应力与动态特性分析[J]. 机械设计与制造，2017（7）：7477.

[7]刘文科，郑传荣，赵克俊，等. 某雷达汇流环主要电性能参数分析[J]. 火控雷达技术，2015，44（4）：8183.

[8]邓书山，赵克俊，康成彬，等. 汇流环关键材料选用探讨[J]. 电工材料，2014（1）：3942.

[9]常健，赵克俊，郑传荣，等. 浅谈电刷-导电环摩擦副使用寿命的影响因素[J]. 火控雷达技术，2014，43（1）：101104.

[10]薛萍，陈少兵，刘丽. 电滑环中的导电环和电刷[J]. 光纤与电缆及其应用技术，2012（1）：1113，25.

[11]程兵，于兰峰，符康，等. 地坑式架车机托头接触问题的有限元分析[J]. 铁道科学与工程学报，2017，14（2）：364369.