导电滑环的随机振动仿真分析研究

宗晓明，张亚楠，杨尚矗，宋玉杰，李宁

（中航光电科技股份有限公司，河南 洛阳 471003）

1 引言

导电滑环属于电接触滑动连接应用范畴，也被称为集电环，此外，还有旋转关节、集流环、汇流环等多种称法[1]。导电滑环可以实现两个相对转动体之间图像、数据信号及动力的传递。尤其适用于连续旋转、并需要把功率或数据从固定位置传送到旋转位置的场所，广泛应用于机械、电子、航空航天等领域[2-4]。

随机振动指那些无法用确定性函数描述，但又有一定统计规律的振动[5]。例如，车辆行进中的颠簸，阵风作用下结构的响应，喷气噪声引起的舱壁颤动及海上钻井平台发生的振动等。在导电滑环领域，随机振试验是环境试验的重要组成部分[6,7]。目前，对于导电滑环的随机振动性能考核多通过试验进行实测[8]，尚未开展相关仿真技术的研究。近年来，用户对前端设计支撑的要求不断提升[9]，需要在设计阶段对产品的随机振动工况进行模型建立与仿真分析。

本研究以导电滑环为研究对象，对导电滑环的刷丝组件、刷束组件和旋转轴系进行模型建立与随机振动工况的仿真分析，得到了三个方向上的形变和应力分布，为导电滑环仿真技术的发展提供理论基础和技术支持。

2 分析过程与方法

本研究以DX50 导电滑环为分析对象，导电滑环的结构图如图1 所示，该导电滑环共有12 路功率环和24路信号环，信号环采用刷丝结构，功率环采用刷束结构。刷丝组件与刷束组件的结构图如图2 所示。建模采用creo 软件，在进行随机振动仿真分析前需要求出分析结构的模态，首先使用仿真分析软件中的modal 模块进行模态分析求解，获得固有频率及振型。随后，在Random Vibration 模块开展随机振动分析。

图1 DX50 导电滑环结构图

图2 导电滑环刷丝、刷束组件结构图

一般对于随机振动问题，用户会根据工况给出功率谱密度函数，后续分析都是基于给定的功率谱密度函数开展，对于复杂的工况，会给出多组不同的功率谱密度函数，以下以常见工况为例，对功率谱密度函数进行分析。某随机振动试验条件见表1。

表1 随机振动工况表

画出其功率谱密度曲线，如图3 所示，是由平直谱和斜线谱组合的简单谱。

图3 随机振动的激励谱

图3 中，频率在100～ 600 Hz 范围内，功率谱密度函数为一个常数，这种随机过程称为“白噪声”随机过程，表示在该频带内，系统的输入加速度均方值是恒定的，为0.2g2/Hz。“非白噪声谱”的区域是用倍频程带宽增加或减少的分贝数表示的，因此需要转换为功率谱密度函数值，才能供计算分析使用。设斜线段的功率谱密度函数为S，频率为f，f0=100 Hz，S0=0.2g2/Hz，β为斜线段的斜率，则其转换公式推导如下：

由以上两个公式，即可求得10 Hz 和2 000 Hz 对应的功率谱密度分别为0.02 和0.005 4。

2.2 DXC50 旋转连接器随机振动工况分析

对于电旋转连接器产品，一般用户会给出随机振动的输入条件，典型的输入条件见表2，振动方向与电旋转连接器的对应安装位置如图4 所示。

表2 随机振动的试验条件

图4 振动方向与旋转连接器对应的安装位置

根据前述计算方法，即可求得10Hz 和2 000Hz 时功率谱密度分别为0.000 432g²/Hz 和0.000 216g²/Hz。其功率谱密度函数如图5 所示。

图5沿X、Y 和Z 方向的功率谱密度函数

3 结果与讨论

3.1 刷丝组件随机振动工况分析

刷丝组件的网格模型及固定位置如图6 所示，在分析时，将其左右两侧螺钉安装部位设置为固定端。在X、Y、Z方向上，分别施加随机振动工况。

X方向随机振动工况下的变形情况如图7 所示，可知最大变形量为6.49×10-4mm，发生在刷丝的边缘位置；X方向随机振动工况下的最大应力分布如图8 所示，可知最大应力为1.01MPa。

图7 X 方向上的随机振动位移情况

图8 X 方向上的随机振动应力情况

Y方向随机振动工况下的变形情况如图9 所示，可知最大变形量为1.07×10-5mm，发生在刷丝的边缘位置；Y方向随机振动工况下的最大应力分布如图10 所示，可知最大应力为0.017MPa。

图9 Y 方向上的随机振动位移情况

图10 Y 方向上的正弦振动应力情况

Z方向随机振动工况下的变形情况如图11 所示，可知最大变形量为2.44×10-3mm；Z方向随机振动工况下的最大应力分布如图12 所示，可知最大应力为3.82MPa。

图11 Z 方向上的随机振动位移情况

3.2 刷束组件随机振动工况分析

刷束组件的网格模型及固定情况如图13 所示，由于刷束模型较刷丝复杂，采用全尺寸仿真时模型过大，无法计算，因此对其进行了简化处理，仅留下一对刷束进行仿真计算。

图13 刷束模型的网格模型及固定位置

X方向随机振动工况下的变形情况如图14 所示，可知最大变形量为1.18×10-5mm，发生在刷丝的边缘位置；X方向随机振动工况下的最大应力分布如图15 所示，可知最大应力为0.093 MPa。

图14 X 方向上的随机振动位移情况

图15 X 方向上的随机振动应力情况

Y方向随机振动工况下的变形情况如图16 所示，可知最大变形量为4.29×10-7mm，发生在刷丝的边缘位置。

图16 Y 方向上的随机振动位移情况

Y方向随机振动工况下的最大应力分布如图17所示，可知最大应力为0.132 Ma。

图17 Y 方向上的随机振动应力情况

Z方向随机振动工况下的变形情况如图18 所示，可知最大变形量为9.36×10-7mm，发生在刷丝的边缘位置；Z方向随机振动工况下的最大应力分布如图19 所示，可知最大应力为0.155 MPa。

图18 Z 方向上的随机振动位移情况

图19 Z 方向上的随机振动应力情况

3.3 旋转轴系随机振动工况分析

旋转轴系的网格模型及固定情况如图20 所示，由于旋转轴系模型相对复杂，对其进行了简化处理，仿真过程中保留轴系基础框架结构，并对倒角、微孔等细节进行了简化处理。

图20 旋转轴系的网格模型及固定情况

X方向正弦振动工况下的变形情况如图21 所示，可知最大变形量为1.13×10-7mm，发生在非固定端边缘位置；X方向正弦振动工况下的最大应力分布如图22 所示，可知最大应力为0.002 14 MPa，发生在轴承位置。

图21 X 方向上的随机振动位移情况

图22 X 方向上的随机振动应力情况

Y方向随机振动工况下的变形情况如图23 所示，可知最大变形量为2.92×10-4mm，发生在非固定端边缘位置；Y方向随机振动工况下的最大应力分布如图24 所示，可知最大应力为4.18 MPa，发生在轴承位置。

图23 Y 方向上的随机振动位移情况

图24 Y 方向上的随机振动应力情况

Z方向随机振动工况下的变形情况如图25 所示，可知最大变形量为1.89×10-4mm，发生在非固定端边缘位置；Z方向随机振动工况下的最大应力分布如图26 所示，可知最大应力为3.45MPa，发生在轴承位置。

图25 Z 方向上的随机振动位移情况

图26 Z 方向上的随机振动应力情况

4 结论

本论文对导电滑环随机振动工况进行了仿真分析，根据导电滑环的结构特点，分别对刷丝、刷架组件及旋转轴系的随机振动工况进行了仿真分析。得到以下结论：

1）对于刷丝组件，在给定随机振动工况条件下，最大应力为3.82 MPa，发生在刷丝与电路板连接位置，最大变形为2.44×10-3mm，发生在刷丝自由端。

2）对于刷束组件，在给定随机振动工况条件下，最大应力为0.155 MPa，发生在刷束与电路板连接位置，最大变形为1.18×10-5mm，发生在刷束自由端。

3）对于旋转轴系，在给定随机振动工况条件下，最大应力为4.18 MPa，最大变形为2.92×10-4mm，发生在非固定端边缘位置。

通过对导电滑环随机振动仿真分析研究可知，在给定工况下，刷丝组件、刷束组件和旋转轴系最大应力均处于较低水平，远小于金属材料的强度极限，整体结构安全可靠。通过本研究，增强了导电滑环产品设计的完整性，为导电滑环的基础研究提供了理论基础与技术支持。