雷达汇流环技术分析及维护保养

李全胜

中图分类号：TM121.1.3 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2015）37-0001-02

汇流环是在具有相对旋转运动的机构间进行动力和信息传递的机电装置，被广泛地应用在陀螺仪、电位器、射电天文望远镜、火炮控制系统、旋转雷达天线等领域，目前在部队装备的绝大多数雷达装备中都有使用。

一、汇流环的定义及应用

提及汇流环，首先必须搞清楚汇流环的概念。汇流环是在具有相对旋转运动的机构间进行动力和信息传递的机电装置，从这个意义上讲，电动机碳刷和转子之间电能的传递装置是最原始的汇流环，汇流环作为多种雷达的重要单元已经有四五十年的历史。目前随着科学技术的发展，汇流环已经得到更加广泛的应用，如在精密仪器中的陀螺仪、动态电阻应变测试设备、电位器等用来传递信息的简单的小型汇流环，尤其在射电天文望远镜、火炮控制系统、旋转雷达天线、卫星地面站中为使天线与接收、控制系统等机构间保持动力和信息的传递，不致因天线转台作为方位旋转而产生电缆绞结，汇流环装置更是必不可少，在目前装备的雷达设备中，汇流环作为天线转动部分信号铰链更是得到广泛的应用。

二、汇流环的基本分类

在目前装备的雷达天线座上，根据频率和结构特点，汇流环可分为低频汇流环、中频汇流环和高频汇流环关节。顾名思义低频汇流环利用滑动或滚动接触来传递能量和低频信号；中频汇流环通过滑动接触或非接触耦合来传递中频信号，一般需要加屏蔽装置；高频旋转关节通过电磁耦合来传递信息。按照每层所接通的电流的个数，汇流环可分为非差动汇流环和差动式汇流环。其中，差动式汇流环被广泛用于各种车载雷达、地面测控雷达、舰载测控雷达和发射转塔等设备中，它具有结构紧凑、轴向尺寸小、传递信号多等显著优点。既可以传递小信号，又可以传递视频信号和大电流，它的突出特点是在一个圆周上可以有多个电流通道，在环数较多时，可以大大减少汇流环的轴向高度，由此节省了大量的设备空间。目前装备部队的多种系列雷达中使用的就是差动汇流环技术，既满足了传输多种信号的需要，又简化了天线转动机构的复杂程度，大大提高了设备的可靠性和可维修性。

三、汇流环的主要技术指标

汇流环作为设备电气和机械部分相关联的关键部件，其制作工艺要求较高，主要技术性能包括：接触电阻、绝缘电阻、抗电强度、隔离度、相位变化、幅值变化等，其中要求接触电阻小于200mΩ，绝缘电阻大于500kΩ，抗电强度大于1800v，相位变化大于1°，对这些参数的测试使用传统的仪器，如示波器，兆欧表等进行人工测试就可以完成，这对我们检修和测试汇流环都提供了很好的理论依据。

四、汇流环工作原理分析

随着雷达技术的发展，对汇流环提出了更高的要求。不仅应具有较强的传输能力，而且应该具有更高的可靠性和可维修性。科学技术的发展加快了数字技术在雷达装备上的广泛应用，使得大量的数字信息需通过汇流环高速传输。在国外，汇流环已经是一门专业技术，由专业的研制生产公司，在国内，各雷达研制单位所使用的汇流环多以自行研制为主，其中，又以差动式汇流环最为普遍。典型的差动汇流环以径向接触式为例，由结构相同的两组电刷和一个差动环芯组成。一组电刷随天线旋转，另外一组是固定不动的，差动环芯以转动电刷转速的一半（即（1/2）V），与转动电刷同向旋转，差动环芯是差动汇流环的核心部件，主要由集电圆盘组成，分上下两组，分别与动、定电刷组对应。集电圆盘分为大集电圆盘和小集电圆盘两种：大集电圆盘为动力环，传输4路50Hz、40A电流和6路DC、230V、40A电流，接触电阻0.06Ω，环间耐压1500V；小集电圆盘为低频环，传输电流3A，接触电阻0.08Ω，环间耐压500V，集电圆盘是由导电环灌注环氧树脂后加工而成，如图4-1所示。

差动汇流环是汇流环中的一种特殊形式，因其传动系统为一差动轮系而得名，被广泛应用于各种车载雷达、地面测控雷达、舰载测控雷达和发射转塔等设备中，它具有结构紧凑、轴向尺寸小，传输信号多等优点，既可传递小信号，又可传递视频信号和大电流，它的特点是在一个圆周上可以有多个电路通道，在环数较多时，可大大减少汇流环的轴向高度，扩展设备空间。

差动汇流环的工作原理：作为关键部件的差动汇流环，为了更好地确保它的整机装配质量提高可靠性，制造中就要求有可靠的工艺措施来加以保证，并采取严格的质量控制措施，因为工艺设计与质量控制时密切相关的。差动汇流环由机械传动构件和电气连接两大部分组成，主要含有差动传动机构、汇流盘、外壳、环芯、电刷组等重要部件，装配的质量是决定可靠工作的关键，在差动汇流环制造的整个过程中，从加工、机械组装、跑合、电子装联等工序均应采取可靠的工艺措施。

如图4-2所示，差动汇流环由一个带扇形接触片的差动旋转机构和两组电刷组成，上电刷与天线座的方位轴相连，并随着方位轴以角速度ω旋转，其上装有相互绝缘的电刷片A、B、C……；下电刷与天线座体相连固定不动，其上装有相互绝缘的点数片A'、B'、C'……；差动旋转机构位于两者之间，并以角速度（1/2）ω与上电刷同向旋转，扇形接触片1、2、3、4、5……和1'、2'、3'、4'、5'……分别固定在用绝缘材料制作的圆盘两侧，相应扇形片（如1与1'、2与2'）之间用导线连接，因此通过上下电刷片（如A与A'）就能沟通天线座车旋转部分和固定部分之间的各条电路。根据机构等效原理，可以假设行星架相对于锥齿轮1、3静止不动，则锥齿轮1、3于行星架H之间的相对运动可以按照定轴轮系来求得：

如图已知上电刷旋转角速度为ω；差动旋转机构上的扇形片角速度为ω/2并于电刷同向旋转；下电刷固定不动，角速度为0。为了说明在天线旋转过程中，上下电刷之间的各条电路是如何接通的，可以假定扇形片不动，而上电刷以ω/2转动，下电刷以ω/2反向转动，这样各机构之间的相对运动与实际情况是等效的，如图所示。

图4-3（左），电流i从下电刷片A'流入，通过扇形接触片电路1-1'，由上电刷片A流出，图4-3（中）为差动滑环的同一部分，但电刷经过了一个运动单元，此时从下电刷片A'流入的电流i，通过扇形接触片1-1'和2-2'所形成的电路，由上电刷片A流出……以此类推，当天线连续转动时，流入每个下电刷的电流，经过一个或两个扇形片电路，而流到上电刷，以保证天线座固定部分和转动部分之间的各条电路始终接通。图4-3（右）中是经过第二个运动单元后的状态。由上图可知，自天线转动过程中，相应的两个电刷之间时而由单个电路导通，时而由两个并联的电路导通，为了防止流入两个电刷（如A、B）的电流iA、iB流经同一扇形片电路而导致汇流环短路，在设计时要求必须使扇形片的对数等于电刷对数的2倍，而且电刷的宽度必须小于扇形片的宽度。

五、汇流环的保养维护

（1）在装备维护过程中可以利用传统仪器仪表如兆欧表，示波器，数字万用表对电刷和环间电阻、耐电强度进行测试，其中要求接触电阻小于200mΩ，绝缘电阻大于500kΩ，抗电强度大于1800v，相位变化大于1°，在装备年维护和专项技术活动中对汇流环要进行更为彻底细致的除尘和维护，确保各项技术指标符合要求。

（2）当汇流环累计使用5000小时时，应组织对差动汇流环进行维护。方法步骤如下：切断汇流环电源；取下汇流环上下、下外壳上的盖子；缓缓推动天线转动。启动吸尘器，将吸尘器的扁平吸嘴伸进维护窗口，吸净各汇流环之间的石磨粉末；用镊子夹住沾有95%以上无水酒精的脱脂棉球，由上而下地擦洗汇流环环芯表面；盖好上下外壳的盖子，检查并接通汇流环电源。

（3）当汇流环累计工作10000小时时，应在上述基础上，检查各电刷的压力，中频、视频信号环电刷压力应在60～100g范围内，电源环的电刷接触压力应达到150～210g，（如果无压力测试条件，可以将电刷压力调节旋钉旋进半圈即可）。

（4）如果装设备经过长途运输或者长时间封存情况，应检查电刷尾部压紧弹簧及压力调节螺钉是否松动，清除汇流环内的灰尘，达到预防维护的目的和效果。

差动汇流环作为雷达装备的关键部件，对雷达信号传输起着至关重要的作用，在使用和维护过程中必须加以高度重视，了解差动汇流环关键技术和组成原理，规范汇流环的维护和保养工作，对于提高设备检修效率，孤立故障部位，装备可靠性提升，发挥装备良好的技战术性能起到积极的推动作用。