導電滑環的隨機振動仿真分析研究

宗曉明，張亞楠，楊尚矗，宋玉杰，李寧

（中航光電科技股份有限公司，河南 洛陽 471003）

1 引言

導電滑環屬于電接觸滑動連接應用范疇，也被稱為集電環，此外，還有旋轉關節、集流環、匯流環等多種稱法[1]。導電滑環可以實現兩個相對轉動體之間圖像、數據信號及動力的傳遞。尤其適用于連續旋轉、并需要把功率或數據從固定位置傳送到旋轉位置的場所，廣泛應用于機械、電子、航空航天等領域[2-4]。

隨機振動指那些無法用確定性函數描述，但又有一定統計規律的振動[5]。例如，車輛行進中的顛簸，陣風作用下結構的響應，噴氣噪聲引起的艙壁顫動及海上鉆井平臺發生的振動等。在導電滑環領域，隨機振試驗是環境試驗的重要組成部分[6,7]。目前，對于導電滑環的隨機振動性能考核多通過試驗進行實測[8]，尚未開展相關仿真技術的研究。近年來，用戶對前端設計支撐的要求不斷提升[9]，需要在設計階段對產品的隨機振動工況進行模型建立與仿真分析。

本研究以導電滑環為研究對象，對導電滑環的刷絲組件、刷束組件和旋轉軸系進行模型建立與隨機振動工況的仿真分析，得到了三個方向上的形變和應力分布，為導電滑環仿真技術的發展提供理論基礎和技術支持。

2 分析過程與方法

本研究以DX50 導電滑環為分析對象，導電滑環的結構圖如圖1 所示，該導電滑環共有12 路功率環和24路信號環，信號環采用刷絲結構，功率環采用刷束結構。刷絲組件與刷束組件的結構圖如圖2 所示。建模采用creo 軟件，在進行隨機振動仿真分析前需要求出分析結構的模態，首先使用仿真分析軟件中的modal 模塊進行模態分析求解，獲得固有頻率及振型。隨后，在Random Vibration 模塊開展隨機振動分析。

圖1 DX50 導電滑環結構圖

圖2 導電滑環刷絲、刷束組件結構圖

一般對于隨機振動問題，用戶會根據工況給出功率譜密度函數，后續分析都是基于給定的功率譜密度函數開展，對于復雜的工況，會給出多組不同的功率譜密度函數，以下以常見工況為例，對功率譜密度函數進行分析。某隨機振動試驗條件見表1。

表1 隨機振動工況表

畫出其功率譜密度曲線，如圖3 所示，是由平直譜和斜線譜組合的簡單譜。

圖3 隨機振動的激勵譜

圖3 中，頻率在100～ 600 Hz 范圍內，功率譜密度函數為一個常數，這種隨機過程稱為“白噪聲”隨機過程，表示在該頻帶內，系統的輸入加速度均方值是恒定的，為0.2g2/Hz。“非白噪聲譜”的區域是用倍頻程帶寬增加或減少的分貝數表示的，因此需要轉換為功率譜密度函數值，才能供計算分析使用。設斜線段的功率譜密度函數為S，頻率為f，f0=100 Hz，S0=0.2g2/Hz，β為斜線段的斜率，則其轉換公式推導如下：

由以上兩個公式，即可求得10 Hz 和2 000 Hz 對應的功率譜密度分別為0.02 和0.005 4。

2.2 DXC50 旋轉連接器隨機振動工況分析

對于電旋轉連接器產品，一般用戶會給出隨機振動的輸入條件，典型的輸入條件見表2，振動方向與電旋轉連接器的對應安裝位置如圖4 所示。

表2 隨機振動的試驗條件

圖4 振動方向與旋轉連接器對應的安裝位置

根據前述計算方法，即可求得10Hz 和2 000Hz 時功率譜密度分別為0.000 432g2/Hz 和0.000 216g2/Hz。其功率譜密度函數如圖5 所示。

圖5沿X、Y 和Z 方向的功率譜密度函數

3 結果與討論

3.1 刷絲組件隨機振動工況分析

刷絲組件的網格模型及固定位置如圖6 所示，在分析時，將其左右兩側螺釘安裝部位設置為固定端。在X、Y、Z方向上，分別施加隨機振動工況。

X方向隨機振動工況下的變形情況如圖7 所示，可知最大變形量為6.49×10-4mm，發生在刷絲的邊緣位置；X方向隨機振動工況下的最大應力分布如圖8 所示，可知最大應力為1.01MPa。

圖7 X 方向上的隨機振動位移情況

圖8 X 方向上的隨機振動應力情況

Y方向隨機振動工況下的變形情況如圖9 所示，可知最大變形量為1.07×10-5mm，發生在刷絲的邊緣位置；Y方向隨機振動工況下的最大應力分布如圖10 所示，可知最大應力為0.017MPa。

圖9 Y 方向上的隨機振動位移情況

圖10 Y 方向上的正弦振動應力情況

Z方向隨機振動工況下的變形情況如圖11 所示，可知最大變形量為2.44×10-3mm；Z方向隨機振動工況下的最大應力分布如圖12 所示，可知最大應力為3.82MPa。

圖11 Z 方向上的隨機振動位移情況

3.2 刷束組件隨機振動工況分析

刷束組件的網格模型及固定情況如圖13 所示，由于刷束模型較刷絲復雜，采用全尺寸仿真時模型過大，無法計算，因此對其進行了簡化處理，僅留下一對刷束進行仿真計算。

圖13 刷束模型的網格模型及固定位置

X方向隨機振動工況下的變形情況如圖14 所示，可知最大變形量為1.18×10-5mm，發生在刷絲的邊緣位置；X方向隨機振動工況下的最大應力分布如圖15 所示，可知最大應力為0.093 MPa。

圖14 X 方向上的隨機振動位移情況

圖15 X 方向上的隨機振動應力情況

Y方向隨機振動工況下的變形情況如圖16 所示，可知最大變形量為4.29×10-7mm，發生在刷絲的邊緣位置。

圖16 Y 方向上的隨機振動位移情況

Y方向隨機振動工況下的最大應力分布如圖17所示，可知最大應力為0.132 Ma。

圖17 Y 方向上的隨機振動應力情況

Z方向隨機振動工況下的變形情況如圖18 所示，可知最大變形量為9.36×10-7mm，發生在刷絲的邊緣位置；Z方向隨機振動工況下的最大應力分布如圖19 所示，可知最大應力為0.155 MPa。

圖18 Z 方向上的隨機振動位移情況

圖19 Z 方向上的隨機振動應力情況

3.3 旋轉軸系隨機振動工況分析

旋轉軸系的網格模型及固定情況如圖20 所示，由于旋轉軸系模型相對復雜，對其進行了簡化處理，仿真過程中保留軸系基礎框架結構，并對倒角、微孔等細節進行了簡化處理。

圖20 旋轉軸系的網格模型及固定情況

X方向正弦振動工況下的變形情況如圖21 所示，可知最大變形量為1.13×10-7mm，發生在非固定端邊緣位置；X方向正弦振動工況下的最大應力分布如圖22 所示，可知最大應力為0.002 14 MPa，發生在軸承位置。

圖21 X 方向上的隨機振動位移情況

圖22 X 方向上的隨機振動應力情況

Y方向隨機振動工況下的變形情況如圖23 所示，可知最大變形量為2.92×10-4mm，發生在非固定端邊緣位置；Y方向隨機振動工況下的最大應力分布如圖24 所示，可知最大應力為4.18 MPa，發生在軸承位置。

圖23 Y 方向上的隨機振動位移情況

圖24 Y 方向上的隨機振動應力情況

Z方向隨機振動工況下的變形情況如圖25 所示，可知最大變形量為1.89×10-4mm，發生在非固定端邊緣位置；Z方向隨機振動工況下的最大應力分布如圖26 所示，可知最大應力為3.45MPa，發生在軸承位置。

圖25 Z 方向上的隨機振動位移情況

圖26 Z 方向上的隨機振動應力情況

4 結論

本論文對導電滑環隨機振動工況進行了仿真分析，根據導電滑環的結構特點，分別對刷絲、刷架組件及旋轉軸系的隨機振動工況進行了仿真分析。得到以下結論：

1）對于刷絲組件，在給定隨機振動工況條件下，最大應力為3.82 MPa，發生在刷絲與電路板連接位置，最大變形為2.44×10-3mm，發生在刷絲自由端。

2）對于刷束組件，在給定隨機振動工況條件下，最大應力為0.155 MPa，發生在刷束與電路板連接位置，最大變形為1.18×10-5mm，發生在刷束自由端。

3）對于旋轉軸系，在給定隨機振動工況條件下，最大應力為4.18 MPa，最大變形為2.92×10-4mm，發生在非固定端邊緣位置。

通過對導電滑環隨機振動仿真分析研究可知，在給定工況下，刷絲組件、刷束組件和旋轉軸系最大應力均處于較低水平，遠小于金屬材料的強度極限，整體結構安全可靠。通過本研究，增強了導電滑環產品設計的完整性，為導電滑環的基礎研究提供了理論基礎與技術支持。