文廣 劉兆有 左芳君 劉平平

摘要：以某滑動(dòng)式匯流環(huán)的主要結(jié)構(gòu)-金屬絲-環(huán)芯摩擦副為研究對(duì)象，利用有限元法對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，考察結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的瞬態(tài)響應(yīng)，研究轉(zhuǎn)速和沖擊載荷大小對(duì)其瞬態(tài)響應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明：金屬絲-環(huán)芯摩擦副結(jié)構(gòu)在載荷作用下的最大等效應(yīng)力位于金屬絲與環(huán)芯的接觸部位，其值仍小于材料許用應(yīng)力。隨著沖擊載荷數(shù)值的增大，結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)最大峰值會(huì)隨之增大，在現(xiàn)有轉(zhuǎn)速條件下，隨著環(huán)芯轉(zhuǎn)動(dòng)速度的增加，其瞬態(tài)響應(yīng)最大峰值反而會(huì)降低。

關(guān)鍵詞：匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯摩擦副；沖擊載荷；轉(zhuǎn)速；瞬態(tài)響應(yīng)；有限元法

中圖分類號(hào)：TH131文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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

匯流環(huán)是一種傳輸裝置，主要用于傳遞兩個(gè)相對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)間的功率與信號(hào)，在雷達(dá)、衛(wèi)星、風(fēng)力發(fā)電等設(shè)備上有著廣泛應(yīng)用[1]。作為系統(tǒng)的重要組成部分，匯流環(huán)的性能質(zhì)量和工作狀態(tài)會(huì)影響系統(tǒng)整體的工作精度和可靠性[2]。對(duì)于匯流環(huán)來(lái)說(shuō)，電刷與導(dǎo)電環(huán)組成的接觸副是其主要的核心部件，其工作性能是否可靠關(guān)系到匯流環(huán)的使用壽命。沖擊載荷往往作用時(shí)間短，載荷數(shù)值大，與靜態(tài)工況相比，結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的力學(xué)響應(yīng)要復(fù)雜得多，因此，在開(kāi)展工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，非常有必要研究其在沖擊載荷作用下的瞬態(tài)響應(yīng)。唐征明等[3]針對(duì)某柴油發(fā)電機(jī)組基座，利用ANSYS軟件研究了減震器剛度對(duì)基座抗沖擊強(qiáng)度的影響。韋洲等[4]以某旋壓鋁合金輪轂為研究對(duì)象，借助有限元軟件ANSYS分析了其13°沖擊強(qiáng)度，得出了輪轂的正面最大應(yīng)變量和背面最大應(yīng)變量等指標(biāo)參數(shù)。高健翔等[5]同樣借助ANSYS有限元軟件對(duì)某數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的床身進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。但是在匯流環(huán)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，大部分的科研人員都將研究方向集中在靜態(tài)接觸應(yīng)力分析、電特性分析、材料及結(jié)構(gòu)匹配特性分析等方面，較少關(guān)注到匯流環(huán)在承受外界沖擊載荷作用下的瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)特性。馬春生等[6]利用三維軟件Solidworks對(duì)一種新型大功率滾動(dòng)式匯流環(huán)裝置進(jìn)行了參數(shù)化建模，并借助有限元軟件Ansys Workbench研究了其內(nèi)、外環(huán)上接觸應(yīng)力的分布情況。劉文科等[7]以某型號(hào)雷達(dá)匯流環(huán)為研究對(duì)象，通過(guò)測(cè)試獲得了接觸電阻、絕緣電阻、電介質(zhì)強(qiáng)度等主要電性能參數(shù)，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果來(lái)分析產(chǎn)品出現(xiàn)問(wèn)題的原因。鄧書(shū)山等[8]在文獻(xiàn)中介紹了匯流環(huán)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵材料的選用原則，并強(qiáng)調(diào)要根據(jù)使用要求和環(huán)境條件來(lái)選用合適的關(guān)鍵材料。常健等[9]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)電刷-導(dǎo)電環(huán)電接觸滑動(dòng)摩擦副使用壽命是包括電刷-導(dǎo)電環(huán)配對(duì)材料、周圍氣體環(huán)境和濕度環(huán)境、電接觸摩擦副的壓力以及相對(duì)滑動(dòng)速度、電刷的加工方法、燒結(jié)密度及其中石墨的含量、晶粒大小和晶粒取向等在內(nèi)的多種因素綜合作用的結(jié)果。薛萍等[10]在文獻(xiàn)中介紹了大量常用的導(dǎo)電環(huán)和電刷材料，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，篩選出適合于不同使用要求的導(dǎo)電環(huán)和電刷的材料和結(jié)構(gòu)。本文借助有限元軟件，假設(shè)由于結(jié)構(gòu)安裝或者外界激勵(lì)等原因?qū)е履郴瑒?dòng)匯流環(huán)在工作過(guò)程中產(chǎn)生了一定大小的沖擊載荷，將環(huán)芯轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，金屬絲-環(huán)芯摩擦副結(jié)構(gòu)承受的載荷當(dāng)作時(shí)間歷程載荷，對(duì)該滑動(dòng)匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯摩擦副結(jié)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，研究該結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的瞬態(tài)響應(yīng)，并考察沖擊載荷大小和環(huán)芯轉(zhuǎn)速對(duì)結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)的影響規(guī)律，為該滑動(dòng)匯流環(huán)的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯結(jié)構(gòu)分析及有限元模型

該結(jié)構(gòu)主要由環(huán)芯、金屬絲、金屬絲安裝板構(gòu)成，其中金屬絲的一端和環(huán)芯接觸，另一端固定于安裝板上，安裝板固定安裝在匯流環(huán)外殼上，如圖1所示。工作時(shí)，安裝板及金屬絲與外殼相連，保持不動(dòng)，環(huán)芯與轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件連接，隨轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。由于實(shí)際環(huán)芯較長(zhǎng)，整體結(jié)構(gòu)可看作是由數(shù)道金屬絲和環(huán)芯槽組成的接觸副組裝而成，本文為了分析簡(jiǎn)便，選取了其中的一段作為研究對(duì)象。環(huán)芯、金屬絲、金屬絲安裝板分別由45鋼、AuNi9、玻璃纖維材料制成，這3種材料的相關(guān)材料特性參數(shù)如表1所示。

分析前，在有限元軟件中對(duì)其進(jìn)行建模，為提高分析效率，建模采用參數(shù)化編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)體模型建成后對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，環(huán)芯用實(shí)體單元solid45單元來(lái)模擬，金屬絲采用梁?jiǎn)卧猙eam188來(lái)模擬，安裝板則由板單元shell63來(lái)模擬，分別采用掃掠和映射網(wǎng)格劃分方式對(duì)環(huán)芯、安裝板實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，整個(gè)結(jié)構(gòu)被劃分成30 557個(gè)單元，其中實(shí)體單元30 240個(gè)，板單元297個(gè)，梁?jiǎn)卧?0個(gè)，共有41 348個(gè)節(jié)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分后的有限元模型如圖2所示。

金屬絲與環(huán)芯的接觸是分析時(shí)必須考慮的問(wèn)題，接觸問(wèn)題是高度非線性問(wèn)題，計(jì)算成本相對(duì)較高，相關(guān)接觸參數(shù)的設(shè)置也較為復(fù)雜，因此，本文選擇使用節(jié)點(diǎn)耦合法來(lái)模擬金屬絲與環(huán)芯的接觸，將接觸非線性問(wèn)題轉(zhuǎn)換成線性問(wèn)題來(lái)處理。節(jié)點(diǎn)自由度耦合[11]是人為地迫使相互接觸的部分表現(xiàn)為剛體，形成過(guò)約束，從而造成耦合區(qū)域應(yīng)力集中，計(jì)算出的接觸應(yīng)力也比使用一般的接觸算法計(jì)算出的要大，因此，采用這種方法對(duì)金屬絲和環(huán)芯的接觸進(jìn)行分析是可靠的。本文在建模時(shí)，將金屬絲末端節(jié)點(diǎn)和環(huán)芯上對(duì)應(yīng)位置的節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度全部耦合（如圖2所示）。

2加載和求解

21匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯結(jié)構(gòu)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

有限元模型建立后，按照該滑動(dòng)匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯摩擦副結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作情況對(duì)其進(jìn)行加載和約束，具體的約束和載荷為：環(huán)芯2個(gè)端面上的所有節(jié)點(diǎn)全約束，通過(guò)在安裝板節(jié)點(diǎn)上施加豎直方向的位移來(lái)模擬環(huán)芯與金屬絲的接觸載荷。

滑動(dòng)匯流環(huán)裝置在工作時(shí)，環(huán)芯轉(zhuǎn)動(dòng)，金屬絲通過(guò)安裝板固定安裝在匯流環(huán)外殼上，工作過(guò)程中保持靜止?fàn)顟B(tài)。進(jìn)行瞬態(tài)分析時(shí)，將環(huán)芯轉(zhuǎn)動(dòng)1周的時(shí)間看成1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，本文只分析1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)。在環(huán)芯轉(zhuǎn)動(dòng)的1個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，金屬絲-環(huán)芯摩擦副結(jié)構(gòu)承受的載荷可以分為3個(gè)階段：第1階段是未開(kāi)始承受沖擊載荷；第2階段是承受由結(jié)構(gòu)安裝誤差或碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊載荷；第3階段是沖擊載荷已經(jīng)過(guò)去，載荷狀態(tài)恢復(fù)到第1階段?，F(xiàn)在假設(shè)其轉(zhuǎn)速為n1 r/s，安裝板節(jié)點(diǎn)豎直方向上承受的靜態(tài)位移載荷大小為Uy，沖擊載荷系數(shù)為x1，則環(huán)芯轉(zhuǎn)動(dòng)1周的時(shí)長(zhǎng)，即運(yùn)動(dòng)周期為1/n1s，沖擊載荷大小為x1×Uy，第1階段對(duì)應(yīng)的起止時(shí)間為：0～19/（40×n1） s，安裝板節(jié)點(diǎn)豎直方向上承受的位移載荷大小為Uy；第2階段對(duì)應(yīng)的起止時(shí)間為：19/（40×n1）～21/（40×n1） s，安裝板節(jié)點(diǎn)豎直方向上承受的位移載荷大小為x1×Uy；第3階段對(duì)應(yīng)的起止時(shí)間為：21/（40×n1）～1/n1s，安裝板節(jié)點(diǎn)豎直方向上承受的位移載荷大小為Uy。

通過(guò)分析對(duì)比，選取金屬絲與環(huán)芯結(jié)構(gòu)接觸處的節(jié)點(diǎn)為危險(xiǎn)點(diǎn)，即瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)的分析點(diǎn)，由于該金屬絲-環(huán)芯摩擦副結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，安裝板上節(jié)點(diǎn)承受的載荷也呈對(duì)稱分布，因此選取了環(huán)芯其中一側(cè)圓柱面上的10個(gè)接觸節(jié)點(diǎn)為分析點(diǎn)，上述分析點(diǎn)的位置如圖1所示，接觸處節(jié)點(diǎn)從左至右依次為P1至P10。

采用完全法對(duì)該滑動(dòng)匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯摩擦副結(jié)構(gòu)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，分析結(jié)束后提取分析點(diǎn)的瞬態(tài)響應(yīng)，即上述分析點(diǎn)在瞬態(tài)載荷作用下的等效應(yīng)力值。為全面研究結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)，考察了該金屬絲-環(huán)芯摩擦副結(jié)構(gòu)在不同的環(huán)芯轉(zhuǎn)速、不同沖擊載荷大小下的瞬態(tài)響應(yīng)。

22不同載荷工況下的瞬態(tài)響應(yīng)

為了研究不同載荷工況下，金屬絲-環(huán)芯摩擦副結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)，本文通過(guò)改變沖擊載荷系數(shù)x1的大小來(lái)模擬不同的載荷大小工況，考察x1分別為14、15時(shí)結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)。分析后，分別提取上述分析點(diǎn)的等效應(yīng)力，圖3給出了x1=14、轉(zhuǎn)速為1 r/s時(shí)，金屬絲與環(huán)芯結(jié)構(gòu)的接觸節(jié)點(diǎn)，即各分析點(diǎn)的等效應(yīng)力隨時(shí)間變化的曲線。

從圖3可以看出，該滑動(dòng)匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯摩擦副結(jié)構(gòu)上所有分析點(diǎn)的瞬態(tài)響應(yīng)最大峰值都出現(xiàn)在0052 5 s時(shí)刻。在環(huán)芯轉(zhuǎn)速為1 r/s時(shí)，該時(shí)刻剛好是沖擊載荷離開(kāi)結(jié)構(gòu)的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，說(shuō)明隨著沖擊載荷作用時(shí)間的增加，結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)值也逐漸增大，至沖擊載荷消失的時(shí)刻，其瞬態(tài)響應(yīng)值達(dá)到最大峰值。另外，從圖3也可以看出，在該金屬絲-環(huán)芯摩擦副結(jié)構(gòu)上，分析點(diǎn)P1和P10處的最大等效應(yīng)力值最大，略大于其他分析點(diǎn)，但仍小于材料的許用應(yīng)力，這2個(gè)分析點(diǎn)位于環(huán)芯結(jié)構(gòu)的兩端，位置距離兩端越遠(yuǎn)的分析點(diǎn)其瞬態(tài)響應(yīng)峰值越小。上述10個(gè)分析點(diǎn)的位置剛好呈對(duì)稱分布，處于對(duì)稱位置的分析點(diǎn)的瞬態(tài)響應(yīng)峰值也相等，如P1和P10的瞬態(tài)響應(yīng)峰值相等，P2和P9的瞬態(tài)響應(yīng)峰值相等，P3和P8的瞬態(tài)響應(yīng)峰值相等。為了提高分析效率，后續(xù)分析將會(huì)重點(diǎn)討論分析點(diǎn)P1和P10處的瞬態(tài)響應(yīng)。

從圖3a、圖4a可以看出，隨著沖擊載荷系數(shù)的增加，即沖擊載荷的增大，分析點(diǎn)P1的瞬態(tài)響應(yīng)最大峰值也隨之增加，但是，無(wú)論沖擊載荷值為多大，瞬態(tài)響應(yīng)最大峰值出現(xiàn)的時(shí)刻都相同，同樣是，隨著沖擊載荷作用時(shí)間的延長(zhǎng)，其瞬態(tài)響應(yīng)峰值也逐漸增大，直到?jīng)_擊載荷消失的時(shí)刻。從圖3j、圖4b可以看出，分析點(diǎn)P10的瞬態(tài)響應(yīng)最大峰值也是隨著沖擊載荷的增加而增大，同樣地，隨著沖擊載荷作用時(shí)間的累積，結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)值也會(huì)逐步增加，最大值出現(xiàn)在沖擊載荷消失的時(shí)刻。

23不同環(huán)芯轉(zhuǎn)速工況下的瞬態(tài)響應(yīng)

為了研究環(huán)芯轉(zhuǎn)速對(duì)滑動(dòng)匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯摩擦副結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)的影響，本文分析了環(huán)芯的轉(zhuǎn)速分別為1、2 r/s時(shí)，金屬絲-環(huán)芯摩擦副結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)，分析時(shí)，安裝板上節(jié)點(diǎn)承受的x1=14。圖5給出了環(huán)芯轉(zhuǎn)速為2 r/s時(shí)的瞬態(tài)響應(yīng)曲線。

從圖5a和圖5b可以看出，無(wú)論是分析點(diǎn)P1處，還是分析點(diǎn)P10處，該金屬絲-環(huán)芯結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)最大峰值同樣出現(xiàn)在沖擊載荷離開(kāi)的時(shí)刻，與其他載荷工況下的表現(xiàn)一致。

從圖3a和圖5a可以看出，隨著環(huán)芯轉(zhuǎn)速?gòu)? r/s增加至2 r/s，分析點(diǎn)P1的最大瞬態(tài)響應(yīng)峰值基本沒(méi)有變化，從圖3j和圖5b可以看出，隨著環(huán)芯轉(zhuǎn)速的增加，分析點(diǎn)P10的最大瞬態(tài)響應(yīng)峰值也基本保持不變，說(shuō)明在目前的環(huán)芯轉(zhuǎn)速條件下，該匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯摩擦副結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)等效應(yīng)力對(duì)轉(zhuǎn)速的變化不是很敏感。

3結(jié)論

本文以某滑動(dòng)匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯摩擦副結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，假設(shè)由于安裝誤差或外界激勵(lì)等原因?qū)е陆Y(jié)構(gòu)工作過(guò)程中產(chǎn)生了沖擊載荷，研究該匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯摩擦副結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下的瞬態(tài)響應(yīng)，通過(guò)分析得出如下結(jié)論：

1）該滑動(dòng)匯流環(huán)金屬絲-環(huán)芯摩擦副結(jié)構(gòu)在沖擊載荷作用下，金屬絲與環(huán)芯的接觸節(jié)點(diǎn)都出現(xiàn)了瞬態(tài)響應(yīng)，瞬態(tài)響應(yīng)值隨著沖擊載荷作用時(shí)間的增加而變大，其峰值出現(xiàn)在沖擊載荷離開(kāi)安裝板節(jié)點(diǎn)的時(shí)刻。相對(duì)而言，位于環(huán)芯兩端的金屬絲與環(huán)芯的接觸節(jié)點(diǎn)即分析點(diǎn)P1和P10處，結(jié)構(gòu)瞬態(tài)響應(yīng)更為明顯，但其應(yīng)力峰值仍小于材料許用應(yīng)力。處在環(huán)芯對(duì)稱位置的分析點(diǎn)處的瞬態(tài)響應(yīng)峰值也相等。

2）隨著沖擊載荷的增大，金屬絲-環(huán)芯摩擦副結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)最大峰值也會(huì)增加，即，結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)對(duì)載荷大小的變化較為敏感。在現(xiàn)有轉(zhuǎn)速條件下，隨著環(huán)芯轉(zhuǎn)速的增加，其瞬態(tài)響應(yīng)的最大峰值基本不變，說(shuō)明該結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)響應(yīng)對(duì)環(huán)芯轉(zhuǎn)速的變化不是很敏感。參考文獻(xiàn)：

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