交換開關中關鍵部件的選擇

摘 要：近些年來，為了擴大廣播電視信號的覆蓋效率，大功率短波廣播發射機被廣泛使用，由此，對短波廣播天線交換開關的使用要求也隨之提高。短波交換開關的主要作用是將短波廣播信號通過不同的通路傳輸出去，其中的關鍵部件必須滿足特定要求，所以在關鍵部件的材料選擇上必須按照其特定的要求來選擇，而且還要考慮其經濟性和加工難易度。而一些電氣元件則需要通過計算來確定。

關鍵詞：短波天線交換開關 關鍵部件 材料選擇 電器部件

中圖分類號：TM59 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）07（b）-0012-02

短波天線交換開關是短波廣播信號傳輸過程中必不可少的一個環節。它有兩個傳輸狀態（±45°）—— 直通和轉向，通過電動機和變速箱帶動主軸的轉動來實現直通和轉向兩種狀態的轉換。短波天線交換開關單元采用縱橫分布的排列方式，完成發射機和天線之間的轉接任務。它可以方便的組成交換靈活的短波天線交換矩陣，通過改變交換開關轉向刀的位置，實現不同通道的短波信號傳播。短波天線交換開關的應用增強了我局短波天線交換的靈活性，降低了由于天線交換系統引起的停播事故，提高了我局短波廣播播出的效果。

1 關鍵零部件材料的選擇

短波天線交換開關大致可分成四大部分：框架部分、信號傳輸部分、傳動部分和變速箱部分。信號傳輸部分關系到整個交換開關的電氣指標，因此傳輸部分的材料選擇及加工工藝都是非常重要的。信號傳輸部分由轉向、直通饋管，主軸，轉向刀體，絕緣子，接點等零部件組成。下面我們就通過對材料的分析來對其中一些關鍵部件的材料進行選擇。

1.1 接點部分

在短波交換開關選擇通路的過程中，是通過轉向刀體的旋轉，接觸不同接點完成的。所以接點和刀體的接觸尤為重要，在刀體進入接點的過程中，不僅要保證接點的彈性適中，還要保證接點與刀體接觸的緊密。觸點鉚接在觸點連接片上，在通過觸點彈性片緊壓在觸點連接片上組成接點部分。通過了解接點部分的作用和組成部分，就要根據不同的性能要求選擇材料。

觸點連接片的選擇—— 鈹青銅。鈹青銅是以鈹為主要添加元素的青銅。它的鈹含量為0.2%～2%，再加入少量的（0.2%～2.0%）鈷或鎳第三組元。該合金可熱處理強化。是理想的高導、高強彈性材料。鈹青銅無磁、抗火花、耐磨損、耐腐蝕、抗疲勞和抗應力松弛。并且易于鑄造和壓力加工成形。鈹青銅加工材的典型用途是用作電子器件中的載流簧片、接插件、觸點、緊固彈簧、板簧和螺旋簧、膜盒、波紋管及引線框架等。鈹青銅具有良好的綜合性能。其力學性能，即強度、硬度、耐磨性和耐疲勞性居銅合金之首。其導電、導熱、無磁、抗火花等性能其他銅材無法與之相比。因此鈹青銅的性能完全符合觸點連接片高導、抗火花的要求。在經過表面鍍銀的工藝處理，更進一步的提高了觸點連接片的導電性。

觸點彈性片的選擇—— 磷青銅。磷青銅是含2%～8%錫、0.1%～0.4%磷，其余為銅的銅合金。磷青銅有更高的耐蝕性，耐磨損，沖擊時不發生火花。其延展性、抗疲勞性、抗腐蝕性非常好，而且具有良好的彈性。用于中速、重載荷軸承，工作最高溫度250 ℃。具有自動調心，對偏斜不敏感，軸承受力均勻承載力高，可同時受徑向載荷，自潤滑無需維護等特性。磷青銅是一種合金銅，具有良好的導電性能，不易發熱、確保安全同時具備很強的抗疲勞性。磷青銅的插孔簧片硬連線電氣結構，無鉚釘連接或無摩擦觸點，可保證接觸良好，彈力好，撥插平穩。該合金具有優良機械加工性能及成屑性能，可迅速縮短零件加工時間等。主要用作耐磨零件和彈性元件。電腦連接器，手機連接器，高科技行業接插件，電子電氣用彈簧，開關，電子產品的插槽、按鍵、電氣連接件，引線框架，振動片及端子等。因此磷青銅的性能完全符合觸點彈性片高導、耐磨損、良好彈性的要求。

實踐證明，使用了鈹青銅和磷青銅的接點不僅具有可靠的導電性，抗火花性，彈性，而且便于加工生產。對交換開關信號傳輸起到了關鍵的作用。

1.2 絕緣子

顧名思義絕緣子的作用主要就是絕緣。由于通過交換開關的電壓很高，所以抗高壓，絕緣好就是選擇絕緣子的主要要求。

交換開關上用的絕緣子的材料為95瓷，即氧化鋁陶瓷的一種。氧化鋁陶瓷是一種以氧化鋁（AL2O3）為主體的材料。氧化鋁陶瓷有較好的傳導性、機械強度和耐高溫性。關于氧化鋁陶瓷的類別分為高純型與普通型兩種。高純型氧化鋁陶瓷是Al2O3含量在99.9%以上的陶瓷材料，由于其燒結溫度高達1650 ℃～1990 ℃，透射波長為1～6 μm，一般制成熔融玻璃以取代鉑坩堝，利用其透光性及可耐堿金屬腐蝕性用作鈉燈管，在電子工業中可用作集成電路基板與高頻絕緣材料。普通型氧化鋁陶瓷是按Al2O3含量不同分為99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品種，有時Al2O3含量在80%或75%者也劃為普通氧化鋁陶瓷系列。其中99氧化鋁瓷材料用于制作高溫坩堝、耐火爐管及特殊耐磨材料，如陶瓷軸承、陶瓷密封件及水閥片等；95氧化鋁瓷主要用作耐腐蝕、耐磨部件；85瓷中由于常摻入部分滑石，提高了電性能與機械強度，可與鉬、鈮、鉭等金屬封接，有的用作電真空裝置器件。通過對氧化鋁陶瓷分類的了解，選出符合要求的絕緣體，再比較其經濟價格確定選用具有以下特點的95瓷，即機械強度高，耐磨；耐酸堿等化學侵蝕能力強；常溫及高溫下電絕緣性好；高溫下機械強度損失小。

最后通過打壓試驗，將8萬伏高壓通過絕緣子，而漏電指數小于0.05 mA，證明了所選材料的絕緣子在交換開關中的安全使用。

1.3 電暈環

在交換開關的轉換刀切入觸點的過程中，由于刀體和觸點連接片都存在尖角，而且電場非常大，一旦空氣被電子擊穿成為導體，就很可能出現拉弧現象，俗稱打火現象。情況嚴重的會將觸點和刀頭燒壞，影響安全播出。為了解決這一問題，在交換開關每個觸點的上下兩面加裝電暈環來緩解尖端放電這一問題，從而大大的提高了交換開關的安全性，保證了安全播出。

由于電暈環需要起到緩解尖端放電的作用，所以必須具有優良的導電性和導熱性。再根據電暈環的加工外形確定其還需要有優良的延展性和耐蝕性。由此決定選用紫銅作為電暈環的材料。紫銅是比較純凈的一種銅，一般可近似認為是純銅。紫銅具有優良的導電性、導熱性、延展性和耐蝕性。主要用于制作發電機、母線、電纜、開關裝置、變壓器等導熱導電器材。紫銅的導電性能非常好，在常見的金屬中僅次于銀，但考慮其經濟因素使紫銅成為電氣工業的“主角”。紫銅極富延展性，一滴水大小的紫銅，可以拉成長達2 km的細絲或壓延成比床還大的幾乎透明的銅箔。

2 電器元件的選擇

短波天線交換開關刀體的旋轉換位是通過變速箱里一系列的動作完成的。變速箱通過電機輸出帶動一級蝸桿軸，一級蝸桿軸帶動二級傳動軸上的渦輪蝸桿，再由二級傳動軸上的蝸桿帶動三級傳動軸上的渦輪，最終由三級傳動軸帶動主軸轉動。在交換開關刀體的旋轉換位過程中不僅可以通過電控來實現，在特殊的情況下還應該可以通過手動來完成刀體的轉向。為了實現這一要求，在設計變速箱的時候，決定在二級傳動軸上增加一個電磁離合器，通過離合器的吸合與斷開來實現短波天線交換開關的電動控制與手動控制功能。但是由于變速箱體積較小，內部空間很緊湊，這就對選取什么樣的電磁離合器提出了很高的要求。

首先通過計算算出電磁離合器實際傳遞的轉矩。電動機的功率為：P=160 W；額定轉速為：n=1400 r/min；一軸與二軸的傳動比為：i=15；傳動效率估計值為：η=0.9。

一級蝸桿軸傳遞的轉矩：T1=9550×P/n=9550×0.16/1400≈1.1 N/m

二級蝸輪軸傳遞的轉矩：T2=i×T1×η=15×1.1×0.9=14.85 N/m

電磁離合器傳遞的轉矩：T=36.5/30×T2=36.5/30×14.85≈18.1 N/m

通過以上計算得到電磁離合器實際傳遞的轉矩約為18.1 N/m。但是計算中的傳動效率（η值）是估計值，再加上裝配過程中電磁離合器的裝配間隙若過大，有可能導致額定轉矩減小，以及其他一些不可知的原因，使電磁離合器額定轉矩再次減小，所以為了不出現電磁離合器的打滑現象，所選用的電磁離合器的額定轉矩必須大于其實際傳遞的轉矩。

通過查找，結構簡單、外形輪廓尺寸小的牙嵌式電磁離合器的特性比較符合變速箱的要求。牙嵌式電磁離合器是借助端面齒嚙合傳遞力矩、單滑環通電工作型離合器。具有以下特性（1）通過齒面傳遞扭矩；（2）小尺寸，高扭矩；（3）反應速度快；（4）無空載扭矩；（5）允許高速運轉；（6）免維護；（7）靜止狀態嚙合或同步運行；（8）可以在有負荷情況下全速進行脫離；（9）特殊的齒式設計，允許在一定角度位置下進行嚙合。并且適用于干式工作或濕式工作兩種情況。該離合器用于機械傳動系統中，可在主動部分的情況下，使從動部分與主動部分結合或分離，從而達到起動、停止、換向、位移等目的。主要用于一般工作機械系統中。

根據牙嵌式電磁離合器的特性及計算出離合器的實際傳遞轉矩，最終選用了額定轉矩為25 N/m的牙嵌式電磁離合器。并通過變速箱的疲勞試驗證明了此離合器完全適用于交換開關，實現了交換開關電動控制與手動控制并存的功能，方便了客戶對交換開關的使用。

3 輔助物品的選擇

3.1 潤滑脂

變速箱的結構是交換開關所有零部件中最精密的部分。渦輪蝸桿和電磁離合器全部安裝在變速箱內，交換開關的所有動作都是靠變速箱的運轉帶動的。為了保證變速箱內部零件的壽命，減少內部零件的磨損。需要在零部件上涂抹潤滑劑。潤滑劑主要起潤滑、防銹、密封的作用。由于變速箱不是完全封閉的，所以如果選用潤滑油，就會從縫隙中滲出。不僅影響美觀，還需要定期補充，非常麻煩。而潤滑脂相比于潤滑油有以下優點：（1）潤滑脂粘性好，不易流失；（2）潤滑脂的蒸發速度慢，可以在高溫下長周期運行；（3）潤滑脂具有更高的承載能力和更好的阻尼減震能力；（4）潤滑脂能形成具有一定密封作用的脂圈，可防止固體或流體污染物的侵入，有利于在潮濕和多塵環境中使用；（5）用潤滑脂通常只需將少量潤滑脂涂于潤滑表面，因而可大大節約油品的需求量。

由于我局各個臺站分布較廣，環境各不相同，尤其在溫度上差異很大，所以為了防止潤滑脂在高溫下融化，在低溫下凍結，選用了適用溫度為-60 ℃～120 ℃的航空潤滑脂，減少了變速箱的故障率，增加了變速箱的壽命。

3.2 分子導電素

由于刀體和觸點之間的場強很大，為了防止出現打火，在刀體表面涂抹一層有機導電材料—— 分子導電素。分子導電素無毒無氣味，不易揮發、分解，有強憎水性，適用溫度為-50 ℃～250 ℃，不易流失、變干，理化性能十分穩定。涂敷在金屬表面有優良持久的導電性能，接觸電阻不大于2微歐，能耐20萬伏以上高壓和1萬安培以上大電流。它還能抵御濕熱、鹽霧工業大氣、手汗、霉菌對金屬的侵蝕。既保證了信號的安全傳輸，還起到了潤滑的作用。

隨著科學技術的快速發展，我們將不遺余力的繼續開發研制更多的設備和配件，盡自己最大的能力為廣播電視領域做出貢獻。