基于ANSYS的使用温度对输电装置接触特性的影响研究.pdf

量多惠性一通用质量特性基于ANSYS的使用温度对输电装置接触特性的影响研究胡银苹，康军，陈松灿，尚峰，白岚升（北京航天控制仪器研究所，北京10 0 0 3 9)摘要输电装置可实现从固定部件到旋转部件的信号和功率传输。通过ANSYS有限元分析软件模拟分析了输电装置在给定压力、约束和相同的转动圈数下，因不同合金材料热膨胀系数区别导致的摩擦副接触特性的变化情况，并与Bruker高精度三维光学轮廓仪下检测的导电杆试验件接触区坐标偏移量及磨损程度进行比较。试验结果表明，理论模型可有效揭示在使用温度变化时，刷环接触区的位置和应力变化，并根据试验结果针对性地采取工艺措施，进而提高输电装置在不同使用温度中的接触可靠性。关键词输电装置；仿真分析；温度变化；接触点位置；压应力Research on the Influence of Working Temperature on the ContactCharacteristics of Slip-ring Based on ANSYSHu Yinping,Kang Jun,Chen Songshen,Shang Feng,Bai Lansheng(Beijing Institute of Aerospace Control Devices,Beijing 100039,China)Abstract The slip-ring can realize signal and power transmission from fixed parts to rotating parts.Ithas been simulated and analyzed the change of the contact characteristics of the friction pair caused by thedifference of the thermal expansion coefficient of different alloy materials under the given pressure,constraintand the same number of rotations through the ANSYS finite element analysis software in this paper,whichhas been compared with the contact area coordinate offset and wear degree detected by Brukerhigh-precision three-dimensional optical profiler.The results show that the theoretical model can effectivelyreveal the position and stress changes of the friction pair contact area when the working temperaturechanges.And according to the test results,some technical measures can be taken to improve the contactreliability of the transmission device in different working temperature.Keywords slip-ring;simulation analysis;temperature change;contact point position;compressive stress在工程应用方面的要求非常高，光滑的接触表面、引言抗腐蚀与耐磨性是影响其性能好坏的关键因素之输电装置是航天系统的生命线，其主要作用一，与此同时，良好的接触可靠性与信号、电流的是将电流和功率信号由一个静止的部件传递到另一稳定性是另一关键因素3-4。随着近年来科学技术个转动的部件 2，是航天信号传输系统的重要组成的发展，输电装置的应用领域逐渐拓宽，尤其是在部件。作为遍布系统的精密信号传输装置，其可靠尖端严谨的航空航天领域，环境复杂，结构紧凑，性和稳定性直接影响着惯导的工作效能。输电装置绝缘和稳定性能要求苛刻。QUALITY AND RELIABILITY2023年第3 期总第2 2 5期23通用质量特性本文所述的柱式输电装置由带有V形槽的滑境中的长度变量，仿真了该变量下某刷环接触点的环和细径电刷构成摩擦副，通过弹性电刷丝在导电位置变化和压应力变化情况。环槽内的滑动接触实现旋转过程中的电信号传输。通过有限元分析软件对该条件下的输电装置进在长期的信号和电流传输过程中，摩擦副的运行受行仿真分析，根据实体模型建立三维仿真模型，本到结构压力电流温度等多因素场耦合作用，文模型简化保留电刷可移动刷臂及滑环接触部位部发生不同程度的粘着磨损和磨粒磨损 5-8。分区域，简化三维模型图见图2，其中直线段为电近年来输电装置的接触力学关系和摩擦磨损规刷，V形槽所属实体为滑环，使用过程中滑环转律及使用工况下的寿命预测是国内外学者研究的重动，电刷与之稳定接触。点-0。目前输电装置的研究基于大量的试验数据，且更多地集中于接触电阻、寿命预测、电热温升，尚未对特定使用工况单一温度变化下的接触点位置和应力变化情况进行深入研究。输电装置在不同使用温度下的接触稳定性正是制约其长期可靠性的关键指标之一，因此接触点位与温度变化的相关性研究成为其长期使用可靠性研究的基础。本文通过ANSYS有限元分析软件，以惯导系统用输电装置为研究对象，研究了其在限定工况下摩擦副接触点位置和应力随使用温度变化的情况，并通过Bruker高精度三维光学轮廓仪检测分析对象的实际磨损痕迹，确认了仿真分析结果的正确性和准确性，为该领域的理论研究和工艺优化奠定了理论基础和检测依据。1车输电装置有限元仿真分析1.1车输电装置有限元仿真分析流程有限元分析是工程研究中常用的仿真手段，其分析流程见图1。建划分立网格有类型限和网元格尺模寸型图1输电装置有限元仿真分析流程图1.2辅输电装置有限元仿真分析过程本文以柱式输电装置为研究对象，以常温使用温度2 5、刷环载荷0.0 4 N条件下刷环的接触点位为研究基点，计算了其在高温使用温度50 环QUALITY AND RELIABILITY242023年第3 期总第2 2 5期图2 输电装置三维简化模型图滑环材料为金银铜合金，电刷材料为金铜铂银合金，其材料参数见表1。表1材料属性密度p弹性模量E泊松比热膨胀系数材料名称10-Kg/mm3金银铜17.8金铜铂银14.9网格是有限元分析中非常重要的一部分，结构离散后的网格质量直接影响到求解结果的正确性。静态分析书接施加是否收载荷是特和边性界条敛求件解否检查修改模型10 Pa1.10.78在计算接触应力时，接触面的单元尺寸对分析的精触度影响很大，网格密度越大，接触分析的精度越高，但是网格数量的增加也会导致计算量的增大，变因此需要选择一个合适的网格密度。刷丝直径为化0.2mm，本文整体模型采取计算精度较高的六面体网格，网格尺寸为0.0 5mm，对接触区附近电刷及滑环进行局部网格细化处理，该区域内的网格尺寸为0.0 2 mm，网格划分效果图如图3 所示。对电刷和滑环进行约束和加载。刷丝顶端固定，滑环径向和切向约束，轴向自由。在2 5环境温度下，刷丝与滑环正向对正接触压力F=0.04N，当环境温度上升至50 时，以端面滑环为例并对其进行仿真分析，该环刷环接触区产生相对位移L=0.04mm，即滑环沿-Y向偏移0.0 4 mm，V0.30.3m-12.710-55x10-7温度变化引起的接触点位置和压应力变化明显。通用质量特性摩擦系数取0.0 2。由图4（a）可知，滑环沿-Y向偏移0.0 4 mm时，-Y向接触点坐标沿X轴偏移0.0 4 mm，沿Y轴偏移-0.0 2 3 mm，沿Z轴偏移-0.0 5mm，接触点压应力增加10.8 4 MPa；+Y 向接触点坐标沿X轴偏移0.0 0 1mm，沿Y轴偏移0.0 mm，沿Z轴偏移0.05mm，接触点压应力增加14.18 MPa，即因使用0.0000.5008:250(a）结构化网格划分效果6.0000.500O.250(b）局部网格细化效果图3 网格划分效果图本文研究了不同使用温度下，即环境温度上升引起滑环沿-Y向偏移0.0 4 mm时，刷环接触区的位置和压应力变化情况，仿真结果见图4。滑环沿-Y向偏移0.0 4 mm，-Y 侧接触面等效应力云图：接触点坐标变化：(4.4 2,-0.0 6 9,0)(4.4 6，-0.0 92,-0.0 5)Type:Equivalent(von-Mises)StressEquivalent StressUnit:MPaTime:12020/11/910:5211.154Max9.91438.6757.43586.19654.95723.71792.47871.23940.00012875Min滑环沿-Y向偏移0.0 4 mm，+Y 侧接触面等效应力云图：接触点坐标变化：(4.4 6 0,0.0 92,0)(4.4 59,0.0 92,0.0 5)A:AEquivalent Stress2Type:Equivalent(von-Mises)StressUnit:MPaTime:12020/10/2617:5612.634Max11.239.82638.42257.01885.61514.21132.80761.40390.0001251Min图4 刷环接触区的位置和压应力变化仿真结果0.7500.750Type:Equivalent(von-Mises)StressEquivalent StressUnit:MPaTime:2.782020/11/910:4721.988Max19.54517.10214.65812.2159.77247.32934.88622.44320.00012875Min(a）-Y 侧接触面等效应力云图Equivalent Stress 2Type:Equivalent(von-Mises)StressUnit:MPaTime:52020/11/911:1326.807Max23.82920.8517.87214.89311.9148.93585.95732.97870.0001251Min(b）+Y 侧接触面等效应力云图2不同使用温度下输电装置接触区轮廓检测按照使用压力限定和接触性能要求装配试验用输电装置，将其分别置于2 5和50 的使用温度中进行同转速、同时间的跑合对比试验，采用Bruker高精度三维光学轮廓仪对接触区所属平面进1.00(mm)行形貌观察。Bruker高精度三维光学轮廓仪具备卓越的水平分辨率和垂直分辨率，其白光干涉技术可获得亚纳米级精度的高度数据，可以对极其广泛的表面形状和表面纹理进行表征，实现观察识别、彩色成像和计量的完美结合。端面滑环X-Y平面检测结果见图5。330300250200150100500050100150200250300 350400436um(a)不同使用温度的偏移距离1(b)不同使用温度的接触痕迹图5端面滑环X-Y平面检测结果QUALITY AND RELIABILITY2023年第3 期总第2 2 5期1.21.00.50.0-0.5-1.0-1.5-1.825+通用质量特性图5（a）为同一试验滑环在相同压力、转动环失效建模与工艺优化研究 J机械工程学报，速度和工作时间下，两种使用温度的-Y向接触区2020,56(16):1-12.偏移距离，图5（b）为两种使用温度下的接触磨2卢锦明，邢立华，李耀娥，等.精密输电装置损痕迹，跑道1为环境温度2 5时的接触痕迹，的关键技术及发展趋势 J.导航与控制，跑道2 为环境温度50 时的接触痕迹。由图5（a)2015,1(14):14-17.可知，当环境温度上升2 5时，接触区Y向坐标3杨莉红导电滑环技术的研究 .科技传播，移动0.0 3 5mm，由图5（b）可知，环境温度50 2012(6):83-88.时较2 5时，磨损痕迹更为严重，即当温度上升4刘军涛导电滑环接触材料摩擦磨损特性研引起滑环位置移动时，刷环接触应力显著增大，与究 D.大连：大连理工大学，2 0 13.图4 仿真结果X轴偏移0.0 4 mm接近。5董霖，陈光雄，周仲荣.载流摩擦磨损系统研究 J.润滑与密封，2 0 0 9，3 4（7：10 2-10 6.3结束语6朱岩峰，赵桂瑾，李贤兵一种精密输电装置本文通过ANASYS有限元分析软件建立了输瞬短瞬断检测方法的研究 J.科技资讯，2 0 10电装置在相同的给定压力、约束和转速下，摩擦副(28):110-111.接触点位置和压应力随工作温度变化的仿真模型，7 Zhang D R,D Jin.Slip-ring Failure Mecha-仿真结果与试验检测结果吻合，揭示了输电装置使nism Analysis and Solution of Aairborne Plat-用温度变化时刷环接触区的位置和应力变化情况，form Inertial Navigation SystemJ.Journal of即使用温度上升2 5时，极限状态下的端面滑环Chinese Inertial Technology,2010(6):645-647.接触点坐标最大可产生0.0 5mm的单向变化量，接8吴加俊，戴恒震.基于ABAQUS的输电装置的触应力增加14.18 MPa。为提高输电装置在不同使单丝静态接触力学特性分析 J设计与研究，用温度下的接触可靠性，工艺跑合应覆盖不同的工2018,7(52):18-22.作温度。本文的研究成果和措施，可促进输电装置9刘贤军，孙远航，王永松，等.基于多场耦合的使用寿命和可靠性有效提升，并为输电装置后续建模与Bootstrap方法的滑环可靠性评估 .北的深人研究提供了理论基础和现实依据。京航空航天大学学报，2 0 19，4 5（11)：2 3 0 1-2 3 11.10】黄玮，冯蕴雯，吕震宙基于Bootstrap方法参考文献的小子样试验评估方法研究 J机械科学与技1孙远航，王永松，孙习武，等。航天用导电滑术，2 0 0 6 （1)：3 1-3 5.(上接第2 2 页）9 Si X,Wang W,Hu C,et al.Remaininguseful life estimation-A review on thestatistical data driven approaches J.EuropeanJournal of Operational Research，2 0 11,2 13(1):1-14.10 Lee M,Tang J.A modified EM-algorithm forestimating the parameters of inverse Gaussiandistribution based on time-censored Wienerdegradation dataJ.Statistica Sinica,2007,17(3):873-893.11 Ghasemi A,Yacout S,Ouali M.Evaluatingthe reliability function and the mean residuallife for equipment with unobservable states.QUALITY AND RELIABILITY262023年第3 期总第2 2 5期IEEE Transactions on Reliability，2 0 10，59(1):45-54.12彭宝华.基于Wiener过程的可靠性建模方法研究 D.长沙：国防科学技术大学，2 0 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