航天用导电滑环失效建模与工艺优化研究
发布时间：2021-08-17 10:46
航天信号传输系统是航天系统的生命线,而导电滑环是航天系统信号传输系统的重要组成部件,是整星少数几个单点失效环节之一。由于导电滑环的工作环境中涉及电流和摩擦影响,使得滑环处于多场耦合的复杂环境,导致对其进行物理建模尤为困难;同时由于滑环价格高、试验过程复杂的特点,更进一步增加滑环研究的难度。为了提升航天信号传输系统稳定性与可靠性,对航天系统中重要的信号传输部件导电滑环进行失效物理建模,并基于模型对滑环工艺进行优化。针对导电滑环运行原理和失效特点,将滑环失效的关键部位摩擦副产生的磨屑量作为滑环性能退化特征量;应用赫兹接触理论和传热学方法分别计算摩擦副磨损过程中的接触区域变化和温度变化,量化热力电多场耦合对摩擦副磨损的影响;同时结合磨损计算方法建立多物理场耦合磨损模型,对摩擦副磨损寿命进行预测,达到对滑环可靠性与稳定性提升的目的。通过与真实滑环磨损试验数据进行对比,验证模型的正确性,并将该模型应用于实际的滑环摩擦副工艺设计。结果表明,多场耦合模型可有效揭示滑环摩擦副微观运作机理并实施寿命预测,进而可靠地实施滑环工艺优化,提高滑环寿命与运作可靠性,满足新一代长寿命卫星空间无故障长期可靠运行的需...
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(16)北大核心EICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
空间用盘式导电滑环
月2020年8月孙远航等：航天用导电滑环失效建模与工艺优化研究7图6基于导电滑环磨损模型的滑环工艺优化3试验验证与结果分析为了验证摩擦副多场耦合磨损计算模型的正确性，进行导电滑环摩擦副磨损试验，将试验结果数据与本文提出的多物理场耦合磨损模型的计算结果比较，验证模型正确性与可靠性。本文将某厂制造的空间用盘式导电滑环作为试验对象，导电滑环结构如图7所示，性能参数如表1所示。图7盘式滑环环体组环示意图滑环摩擦副磨损试验分为大气跑合试验与真空环境跑合试验两个阶段，试验方案如图8所示。其中大气跑合试验用于模拟导电滑环摩擦副在初始运行阶段磨损跑合阶段，使导电滑环进入稳定磨损阶段；真空跑合试验模拟导电滑环稳定磨损阶段，表1导电滑环组件性能指标项目技术指标功率环额定电流/A7信号环额定电流/A0.25环境温度/℃20±5静摩擦力矩/(N·m)≤1绝缘电阻/M≥200静态接触电阻变化值/m≤5动态接触电阻变化值/m≤5触头材料AuCuAgZn导电环材料紫铜，表面覆Au-Co镀层触头硬度HV300汇流盘硬度HV180额定寿命/转50000图8导电滑环摩擦副试验流程图
产生焦耳热，电流经过头分两条支路流经汇流盘，最后经过导线传出，输入到星体。电流流入过程中，电阻值随着触头运动处于动态变化，电流通过左右两侧动态电阻产生热量，则通过式(6)表示电阻变化规律12111RRR+=(6)1R=rθρ(7)2R=r(2πθ)ρ(8)式中，RB1B与RB2B分别为电流流经盘面时的左侧与右侧盘道电阻，两者随着触头位置变化而处于动态变化；θ与r分别表示为触头对应转过角度和圆盘半径，ρ为盘面镀层材料电阻率。接触过程简化图如图4所示，R为摩擦副运行过程中的汇流盘动态总电阻。当转速为nr/s时，则滑环摩擦副运转产生的焦耳热功率可表示为222222201(2)2/d23rPIRnIrnnρθθρρππ===ππ∫(9)图4导电滑环电流传输过程2.2.2摩擦热触头与汇流盘滑动摩擦，根据摩擦学计算两者之间摩擦功率近似为3P=fFv(10)式中，v为滑环触头转速，f为触头与汇流盘之间摩擦因数。2.3滑环摩擦副接触热平衡触头与汇流盘在动态接触中由于焦耳热、摩擦热的产生，温度一直处于上升状态；同时，工作环境为真空，因此，热传递方式为热辐射，热传递过程简图如图5所示。通过汇流盘接触面传递热量，随着温度上升，传递热量与产生热量近似平衡，温度将处于稳定状态，通过热辐射公式P[19]P计算散热速率40100tbTEC=(11)式中，CB0B为黑体辐射系数P[20]P，CB0B=5.76W/(mP2P·KP4P)，TBtB单位面积产热功率与散热功率相等时的稳态温度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]热辐射对气膜冷却叶片冷却性能影响[J]. 王天壹,宣益民. 航空动力学报. 2018(08)
[2]滚动直线导轨副的磨损预测模型与精度保持[J]. 赵义鹏,梁医,冯虎田. 组合机床与自动化加工技术. 2018(06)
[3]导电滑环Au涂层摩擦磨损行为的分子动力学模拟[J]. 尹念,张执南,张俊彦. 摩擦学学报. 2018(01)
[4]基于Archard模型的机床导轨磨损模型及有限元分析[J]. 李聪波,何娇,杜彦斌,肖卫洪,王战江. 机械工程学报. 2016(15)
[5]基于状态监测数据的电器电接触性能评估[J]. 李玲玲,马东娟,李志刚. 机械工程学报. 2015(18)
[6]基于赫兹理论的弹性磨具磨抛M300钢表面参数模型研究[J]. 吴晓君,刘睿平,于兴展,武倩. 表面技术. 2015(06)
[7]精密导电滑环的关键技术及发展趋势[J]. 卢锦明,邢立华,李耀娥,葛方俊. 导航与控制. 2015 (01)
[8]基于灰色理论的继电器电接触可靠性预测[J]. 李玲玲,韩俊杰,王成山. 机械工程学报. 2012(02)
[9]载流摩擦磨损系统研究[J]. 董霖,陈光雄,周仲荣. 润滑与密封. 2009(07)
[10]探讨相似定律在布氏和维氏硬度试验中的应用[J]. 崔进海,刘全红. 现代计量测试. 2001(04)
本文编号：3347618
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(16)北大核心EICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
空间用盘式导电滑环
月2020年8月孙远航等：航天用导电滑环失效建模与工艺优化研究7图6基于导电滑环磨损模型的滑环工艺优化3试验验证与结果分析为了验证摩擦副多场耦合磨损计算模型的正确性，进行导电滑环摩擦副磨损试验，将试验结果数据与本文提出的多物理场耦合磨损模型的计算结果比较，验证模型正确性与可靠性。本文将某厂制造的空间用盘式导电滑环作为试验对象，导电滑环结构如图7所示，性能参数如表1所示。图7盘式滑环环体组环示意图滑环摩擦副磨损试验分为大气跑合试验与真空环境跑合试验两个阶段，试验方案如图8所示。其中大气跑合试验用于模拟导电滑环摩擦副在初始运行阶段磨损跑合阶段，使导电滑环进入稳定磨损阶段；真空跑合试验模拟导电滑环稳定磨损阶段，表1导电滑环组件性能指标项目技术指标功率环额定电流/A7信号环额定电流/A0.25环境温度/℃20±5静摩擦力矩/(N·m)≤1绝缘电阻/M≥200静态接触电阻变化值/m≤5动态接触电阻变化值/m≤5触头材料AuCuAgZn导电环材料紫铜，表面覆Au-Co镀层触头硬度HV300汇流盘硬度HV180额定寿命/转50000图8导电滑环摩擦副试验流程图
产生焦耳热，电流经过头分两条支路流经汇流盘，最后经过导线传出，输入到星体。电流流入过程中，电阻值随着触头运动处于动态变化，电流通过左右两侧动态电阻产生热量，则通过式(6)表示电阻变化规律12111RRR+=(6)1R=rθρ(7)2R=r(2πθ)ρ(8)式中，RB1B与RB2B分别为电流流经盘面时的左侧与右侧盘道电阻，两者随着触头位置变化而处于动态变化；θ与r分别表示为触头对应转过角度和圆盘半径，ρ为盘面镀层材料电阻率。接触过程简化图如图4所示，R为摩擦副运行过程中的汇流盘动态总电阻。当转速为nr/s时，则滑环摩擦副运转产生的焦耳热功率可表示为222222201(2)2/d23rPIRnIrnnρθθρρππ===ππ∫(9)图4导电滑环电流传输过程2.2.2摩擦热触头与汇流盘滑动摩擦，根据摩擦学计算两者之间摩擦功率近似为3P=fFv(10)式中，v为滑环触头转速，f为触头与汇流盘之间摩擦因数。2.3滑环摩擦副接触热平衡触头与汇流盘在动态接触中由于焦耳热、摩擦热的产生，温度一直处于上升状态；同时，工作环境为真空，因此，热传递方式为热辐射，热传递过程简图如图5所示。通过汇流盘接触面传递热量，随着温度上升，传递热量与产生热量近似平衡，温度将处于稳定状态，通过热辐射公式P[19]P计算散热速率40100tbTEC=(11)式中，CB0B为黑体辐射系数P[20]P，CB0B=5.76W/(mP2P·KP4P)，TBtB单位面积产热功率与散热功率相等时的稳态温度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]热辐射对气膜冷却叶片冷却性能影响[J]. 王天壹,宣益民. 航空动力学报. 2018(08)
[2]滚动直线导轨副的磨损预测模型与精度保持[J]. 赵义鹏,梁医,冯虎田. 组合机床与自动化加工技术. 2018(06)
[3]导电滑环Au涂层摩擦磨损行为的分子动力学模拟[J]. 尹念,张执南,张俊彦. 摩擦学学报. 2018(01)
[4]基于Archard模型的机床导轨磨损模型及有限元分析[J]. 李聪波,何娇,杜彦斌,肖卫洪,王战江. 机械工程学报. 2016(15)
[5]基于状态监测数据的电器电接触性能评估[J]. 李玲玲,马东娟,李志刚. 机械工程学报. 2015(18)
[6]基于赫兹理论的弹性磨具磨抛M300钢表面参数模型研究[J]. 吴晓君,刘睿平,于兴展,武倩. 表面技术. 2015(06)
[7]精密导电滑环的关键技术及发展趋势[J]. 卢锦明,邢立华,李耀娥,葛方俊. 导航与控制. 2015 (01)
[8]基于灰色理论的继电器电接触可靠性预测[J]. 李玲玲,韩俊杰,王成山. 机械工程学报. 2012(02)
[9]载流摩擦磨损系统研究[J]. 董霖,陈光雄,周仲荣. 润滑与密封. 2009(07)
[10]探讨相似定律在布氏和维氏硬度试验中的应用[J]. 崔进海,刘全红. 现代计量测试. 2001(04)
本文编号：3347618
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