,

(1 上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201109)(2 上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海市空間飛行器機(jī)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201108)

匯流環(huán)是兩個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)體之間進(jìn)行電傳輸?shù)难b置，可采用滑環(huán)或滾環(huán)方式[1]。廣泛應(yīng)用于各類航天器太陽翼對(duì)日定向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、有效載荷掃描驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等驅(qū)動(dòng)裝置中，其工作可靠性直接關(guān)系到航天器的能源供給，是航天器名副其實(shí)的“生命線”[2-3]。

隨著我國航天工程技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，航天器在軌服役壽命越來越長(低軌15年以上)，傳輸功率、可靠性要求越來越高。傳統(tǒng)柱式滑環(huán)采用刷絲與環(huán)道組成的滑動(dòng)摩擦副進(jìn)行電傳輸，國內(nèi)該型產(chǎn)品的電傳輸壽命一般為7～8年，單環(huán)傳輸功率約0.5 kW，已成為航天器壽命和傳輸功率提升的瓶頸[4]。滾環(huán)作為一種新型的電傳輸裝置，采用滾動(dòng)摩擦副代替了傳統(tǒng)柱式滑環(huán)的滑動(dòng)摩擦副，使得摩擦副的摩擦和磨損下降，工作壽命和傳輸功率大幅提高，成為實(shí)現(xiàn)航天器大功率長壽命電傳輸?shù)男峦緩絒5]。

國外對(duì)滾環(huán)的研究始于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過多年的發(fā)展，技術(shù)已較為成熟。目前，主要有三類滾環(huán)式電傳輸組件，分別為對(duì)日定向轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)(SARJ)中的滾環(huán)(UTA)、熱輻射體旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)(TRRJ)中的滾環(huán)(PDTA)以及β萬向節(jié)(Beta Gimble)中的滾環(huán)(BGRRS)。其中，UTA傳輸功率為65.5 kW，電傳輸效率高于99.9%，設(shè)計(jì)壽命低軌為30年(約1.8×105轉(zhuǎn))[6-8]。該產(chǎn)品于2006年9月在軌應(yīng)用，至今工作正常。

目前國內(nèi)滾環(huán)尚無在軌應(yīng)用案例，研究起步較晚，理論基礎(chǔ)薄弱，技術(shù)成熟度較差[9-10]。部分高校對(duì)滾環(huán)的摩擦副進(jìn)行了設(shè)計(jì)[11]，但未進(jìn)行摩擦副運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的研究；中國電子科技集團(tuán)第38研究所[12]對(duì)摩擦副中柔性環(huán)的設(shè)計(jì)及樣機(jī)開展了研究，但是樣機(jī)跑合試驗(yàn)中的接觸電性能不如預(yù)期，與傳統(tǒng)柱式滑環(huán)相差不大。

本文介紹了滾環(huán)的滾動(dòng)摩擦副純滾動(dòng)和自適應(yīng)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了摩擦副接觸電阻的理論分析和疲勞壽命的仿真驗(yàn)證。根據(jù)設(shè)計(jì)的滾動(dòng)摩擦副，研制了滾環(huán)樣機(jī)，并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了跑合試驗(yàn)驗(yàn)證，為滾環(huán)的工程化研制提供了參考。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

1.1 摩擦副結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

空間大功率滾環(huán)電傳輸裝置由內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)、柔性環(huán)、惰輪及其他零件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。滾動(dòng)摩擦副是滾環(huán)的核心組成部分，包括內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)、柔性環(huán)、惰輪和導(dǎo)軌。預(yù)加變形的多個(gè)導(dǎo)電的柔性環(huán)嵌在內(nèi)外導(dǎo)電環(huán)之間，外導(dǎo)電環(huán)固定，內(nèi)導(dǎo)電環(huán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)多個(gè)柔性環(huán)逆時(shí)針自轉(zhuǎn)和順時(shí)針公轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)相對(duì)旋轉(zhuǎn)的內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)之間的大功率電傳輸。

圖1 空間大功率滾環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the high-power rolling ring

為避免柔性環(huán)與內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)之間發(fā)生滑動(dòng)摩擦，須從各部件結(jié)構(gòu)尺寸上保證摩擦副的純滾動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中，柔性環(huán)之間需要惰輪約束，導(dǎo)軌與內(nèi)導(dǎo)電環(huán)固連，并引導(dǎo)惰輪運(yùn)動(dòng)，惰輪的內(nèi)、外緣分別與相鄰柔性環(huán)和導(dǎo)軌外緣接觸，據(jù)此避免柔性環(huán)之間發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉或影響滾動(dòng)摩擦副的電傳輸性能。滾動(dòng)摩擦副的結(jié)構(gòu)如圖2所示，純滾動(dòng)分析可通過圖2進(jìn)行。

圖2 摩擦副結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of the friction pair

滾動(dòng)摩擦副運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中存在兩個(gè)基本的傳動(dòng)鏈，如圖3(a)所示，分別記作L1：(內(nèi)導(dǎo)電環(huán)—柔性環(huán)—外導(dǎo)電環(huán))，和L2：(虛擬桿OOA—惰輪—導(dǎo)軌)。

圖3 滾動(dòng)摩擦副運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型

假設(shè)各部件在接觸點(diǎn)處為純滾動(dòng)，對(duì)于傳動(dòng)鏈L1和L2，有如下關(guān)系：

(1)

式中：RI為內(nèi)導(dǎo)電環(huán)半徑；RO為外環(huán)半徑；RB為導(dǎo)軌半徑；r為柔性環(huán)半徑；RA為惰輪外緣半徑；ω1為內(nèi)導(dǎo)電環(huán)及導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動(dòng)角速度；ωH為柔性環(huán)及惰輪公轉(zhuǎn)速度；ω3為惰輪自轉(zhuǎn)速度。

傳動(dòng)鏈L1與L2具有共同轉(zhuǎn)速ωH，故二者在嚙合點(diǎn)處的速度匹配條件為

RRω3=-rω2

(2)

式中：RR為惰輪內(nèi)緣半徑；ω2為柔性環(huán)自轉(zhuǎn)速度。

如圖3(b)所示的瞬心坐標(biāo)系中，記P3點(diǎn)速度矢量為v1，P4點(diǎn)速度矢量為v2，P2點(diǎn)為柔性環(huán)和外導(dǎo)電環(huán)的運(yùn)動(dòng)瞬心，則柔性環(huán)上P7點(diǎn)處的速度方向沿直線P7P1，故惰輪上P7的速度方向必然也沿著直線P7P1。結(jié)合惰輪瞬心P5的位置，可得如下關(guān)系：

(3)

考慮圖3(b)中的幾何關(guān)系：

(4)

(5)

(6)

由式(3)和式(6)，可得式(3)的解析形式為

(7)

式(7)中隱含了變量RB和RA，可考慮在已知r和RI兩個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的前提下，根據(jù)式(7)用擬牛頓法等數(shù)值解法求解RB和RA。

在不考慮柔性環(huán)運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)性的情況下，根據(jù)上述內(nèi)容完成了內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)、柔性環(huán)、惰輪及導(dǎo)軌組成的滾動(dòng)摩擦副的尺寸設(shè)計(jì)，據(jù)此保證滾動(dòng)摩擦副各部件在接觸點(diǎn)處為純滾動(dòng)，最大限度降低滑動(dòng)摩擦，以減少磨屑的產(chǎn)生。

1.2 運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)性

柔性環(huán)與內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)體接觸區(qū)域設(shè)計(jì)為弧形，保證柔性環(huán)運(yùn)動(dòng)過程中的自適應(yīng)性，減小柔性環(huán)與內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)體接觸時(shí)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，如圖4所示。

圖4 柔性環(huán)接觸示意圖

保證柔性環(huán)處在內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)凹槽之間和在滾動(dòng)軸垂直的平面上自適應(yīng)滾動(dòng)，即使柔性環(huán)有微小的軸向、周向及角度的誤差，也無需采取相應(yīng)的調(diào)整措施，因?yàn)閳A弧的自定心作用，在公轉(zhuǎn)的過程中，柔性環(huán)自身會(huì)調(diào)整到合理的位置。如圖5所示，借鑒滾動(dòng)軸承的接觸角的概念，在滾環(huán)中引入了穩(wěn)定性因子。

(8)

式中：RK為柔性環(huán)與內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)接觸弧面的半徑。

圖5 柔性環(huán)與內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)接觸穩(wěn)定性示意圖

當(dāng)穩(wěn)定性因子小于1時(shí)，運(yùn)動(dòng)部件便具有自適應(yīng)性；否則，摩擦副結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)性難以的得到保證。故需在前述摩擦副結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)中，加入穩(wěn)定性因子約束，以保證摩擦副的運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)性。

柔性環(huán)發(fā)生順時(shí)針偏轉(zhuǎn)傾斜的受力狀態(tài)如圖6所示，穩(wěn)定態(tài)結(jié)構(gòu)的柔性環(huán)會(huì)在力偶的作用下產(chǎn)生逆時(shí)針的力矩，使柔性環(huán)運(yùn)動(dòng)過程中逐漸回到環(huán)槽中心位置；中性態(tài)結(jié)構(gòu)則保持傾斜狀態(tài)不變；不穩(wěn)定態(tài)結(jié)構(gòu)則使傾斜程度加劇。

圖6 柔性環(huán)傾斜時(shí)受力示意圖Fig.6 Force analysis of tilting flexible ring

在設(shè)計(jì)中，取RI=73 mm、RO=115 mm、RK=4 mm，由式(8)得TSF=0.190<1，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在滾環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，柔性環(huán)具有自適應(yīng)性。

在空間大功率滾環(huán)中，接觸電阻和疲勞壽命是兩個(gè)最重要的指標(biāo)，下文對(duì)這兩個(gè)參量進(jìn)行分析計(jì)算。

1.3 接觸電阻分析

接觸電阻是收縮電阻和膜層電阻組成的總電阻。由于接觸斑點(diǎn)面積小于名義接觸面積，電流通過接觸面之間的“α斑點(diǎn)”傳導(dǎo)時(shí)電流線收縮，使電阻增加，該電阻為收縮電阻；另外，接觸表面的污染膜增加了α斑點(diǎn)的電阻，該電阻為膜層電阻。影響接觸電阻的因素比較復(fù)雜，如接觸副材料、接觸形式、接觸面粗糙度、接觸力、表面膜狀態(tài)等[13-14]，單個(gè)柔性環(huán)與內(nèi)導(dǎo)電環(huán)的接觸電阻為[15]

(9)

式中：ρ1、ρ2分別為柔性環(huán)和內(nèi)導(dǎo)電環(huán)材料電阻率；Ar為接觸面真實(shí)接觸面積，Ar=πab；a為柔性環(huán)與內(nèi)導(dǎo)電環(huán)的接觸斑點(diǎn)長度；b為柔性環(huán)的寬度。

根據(jù)赫茲接觸理論，圓柱體彈性赫茲接觸的接觸斑長度為

(10)

式中：E1、E2分別為柔性環(huán)和內(nèi)導(dǎo)電環(huán)材料的彈性模量；μ1、μ2分別為柔性環(huán)和內(nèi)導(dǎo)電環(huán)材料的泊松比；r1、r2分別為柔性環(huán)和內(nèi)導(dǎo)電環(huán)的曲率半徑；F為柔性環(huán)的徑向壓縮力。

根據(jù)材料力學(xué)可知，柔性環(huán)的變形量Δ與所受的徑向壓縮力的關(guān)系為[15]

(11)

式中：E為柔性環(huán)材料的彈性模量；r為柔性環(huán)的曲率半徑；I為柔性環(huán)對(duì)自轉(zhuǎn)中心的慣性矩，I=bt3/12；t為柔性環(huán)的厚度。

在大功率滾環(huán)中，單層滾環(huán)的多個(gè)柔性環(huán)之間為并聯(lián)，因此單層滾環(huán)的總電阻為

(12)

式中：N為單層滾環(huán)的柔性環(huán)數(shù)量。

根據(jù)式(9)～(12)，結(jié)合現(xiàn)有工藝能力取柔性環(huán)變形量為0.48 mm，可得：大功率滾環(huán)的單層接觸電阻小于1 mΩ，遠(yuǎn)小于柱式滑環(huán)的接觸電阻。通過多個(gè)柔性環(huán)并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)空間大功率的電傳輸，具有更小的熱耗和更高的傳輸效率。

1.4 疲勞壽命

柔性環(huán)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，瞬時(shí)受力如圖7所示。

圖7 柔性環(huán)受力分析示意圖Fig.7 Force analysis of the flexible ring

假設(shè)柔性環(huán)在運(yùn)動(dòng)過程中保持圓形不變，根據(jù)材料力學(xué)中靜不定結(jié)構(gòu)的相關(guān)分析，獲得柔性環(huán)任意截面的彎矩M和最大應(yīng)力σmax分別如式(13)～(14)。

(13)

(14)

式中：γ為柔性環(huán)某一截面與x軸正方向之間的夾角。

根據(jù)式(11)、(13)、(14)，可得柔性環(huán)任意截面的最大應(yīng)力為

(15)

在柔性環(huán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)過程中，截面彎矩和最大應(yīng)力呈周期性變化。當(dāng)柔性環(huán)旋轉(zhuǎn)0°時(shí)，周期變化的應(yīng)力達(dá)到最小值；當(dāng)柔性環(huán)旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，應(yīng)力達(dá)到最大值。在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)式(15)，可得柔性環(huán)的理論應(yīng)力最大值為σmax=87.1 MPa。

根據(jù)鈹青銅材料的S-N曲線[16]，如圖8所示，對(duì)柔性環(huán)疲勞壽命進(jìn)行分析。

注：a為325 ℃時(shí)效；b為350 ℃時(shí)效；1為欠時(shí)效；2為最大時(shí)效；3為過時(shí)效。圖8 鈹青銅材料的疲勞壽命曲線Fig.8 Fatigue lifetime curve of beryllium bronze

在柔性環(huán)的工作過程中，最大應(yīng)力理論計(jì)算為87.1 MPa，其小于鈹青銅材料循環(huán)壽命為108轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力(>200 MPa)，故從理論結(jié)果分析，柔性環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)108轉(zhuǎn)的工作壽命，滿足航天器的空間長壽命電傳輸需求。

下文按照所建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型確定的滾環(huán)參數(shù)進(jìn)行仿真與樣機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證相關(guān)理論分析的正確性。

2 仿真分析

2.1 摩擦副純滾動(dòng)

采用ADAMS軟件分析所設(shè)計(jì)的柔性環(huán)和惰輪及內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)之間的切線速度之間的關(guān)系，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)的柔性環(huán)運(yùn)動(dòng)是否為純滾動(dòng)。

在柔性環(huán)與惰輪接觸點(diǎn)處，對(duì)柔性環(huán)和惰輪的線速度進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖9所示。由分析可知：在接觸點(diǎn)處，柔性環(huán)與惰輪的線速度速度比值為1，即柔性環(huán)與惰輪在接觸點(diǎn)處為純滾動(dòng)。

圖9 柔性環(huán)與惰輪接觸點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度對(duì)比Fig.9 Velocity of contact point between flexible ring and idler

在柔性環(huán)與外導(dǎo)電環(huán)接觸點(diǎn)處，外導(dǎo)電環(huán)固定，對(duì)柔性環(huán)的線速度進(jìn)行分析，結(jié)果如圖10所示。由分析可知：外導(dǎo)電環(huán)的速度為0，而與外導(dǎo)電環(huán)接觸的柔性環(huán)的速度為0，即不存在柔性環(huán)與外導(dǎo)電環(huán)滑動(dòng)的情況，故柔性環(huán)與外導(dǎo)電環(huán)在接觸點(diǎn)處為純滾動(dòng)。

圖10 柔性環(huán)上與外導(dǎo)電環(huán)接觸點(diǎn)的速度分析Fig.10 Velocity of contact point between flexible ring and outer conductive ring

在柔性環(huán)與內(nèi)導(dǎo)電環(huán)接觸點(diǎn)處，對(duì)柔性環(huán)和內(nèi)導(dǎo)電環(huán)的線速度進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖11所示。由分析可知：在接觸點(diǎn)處，柔性環(huán)與內(nèi)導(dǎo)電環(huán)的線速度速度比值為1，且速度比值較柔性環(huán)與外導(dǎo)電環(huán)更為平穩(wěn)，速度響應(yīng)更快，曲線無尖點(diǎn)，即柔性環(huán)與內(nèi)導(dǎo)電環(huán)在接觸點(diǎn)處為純滾動(dòng)。

結(jié)果表明：根據(jù)建立滾動(dòng)摩擦副運(yùn)動(dòng)學(xué)的模型，設(shè)計(jì)的摩擦副能夠滿足純滾動(dòng)的運(yùn)動(dòng)條件，柔性環(huán)與內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)及惰輪之間不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)。因此，仿真結(jié)果驗(yàn)證了摩擦副運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的正確性。

圖11 柔性環(huán)上與內(nèi)導(dǎo)電環(huán)接觸點(diǎn)的速度分析 Fig.11 Velocity of contact point between flexible ring and inner conductive ring

2.2 運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)性

柔性環(huán)在初始安裝時(shí)可能由于裝配的偏差而產(chǎn)生一定的偏移或傾斜，為此對(duì)柔性環(huán)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)性進(jìn)行仿真分析，判斷理論設(shè)計(jì)的柔性環(huán)在運(yùn)動(dòng)過程中能否自動(dòng)調(diào)整到合適的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

采用ADAMS軟件對(duì)柔性環(huán)在偏斜條件下的自適應(yīng)性進(jìn)行分析，當(dāng)柔性環(huán)初始繞x軸、y軸分別有1°的裝配誤差時(shí)，相應(yīng)的自恢復(fù)力矩如圖12和圖13所示。

圖12 柔性環(huán)繞x軸的自恢復(fù)力矩

如圖12(a)所示，摩擦副結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性因子小于1，柔性環(huán)繞x軸有1°的裝配誤差，脫離其正常運(yùn)轉(zhuǎn)位置。如圖12(b)所示，柔性環(huán)產(chǎn)生自恢復(fù)力矩，使得柔性環(huán)繞x軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，回到正常的運(yùn)轉(zhuǎn)位置，即柔性環(huán)在繞x軸存在裝配誤差時(shí)，具有運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)性，無需采取其他調(diào)整措施。

圖13 柔性環(huán)繞y軸的自恢復(fù)力矩

如圖13(a)所示，摩擦副結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性因子小于1，柔性環(huán)繞y軸有1°的裝配誤差，偏離水平位置。如圖13(b)所示，柔性環(huán)產(chǎn)生自恢復(fù)力矩，使得柔性環(huán)繞y軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，回到水平位置，即柔性環(huán)在繞y軸存在裝配誤差時(shí)，具有運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)性，無需采取其他調(diào)整措施。

仿真結(jié)果表明：若穩(wěn)定性因子小于1時(shí)，即使脫離其正常運(yùn)轉(zhuǎn)位置，柔性環(huán)能夠自調(diào)整到正常的運(yùn)轉(zhuǎn)位置，保證柔性環(huán)長期可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)。柔性環(huán)偏離水平位置時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的力矩使其自動(dòng)回復(fù)到水平位置，在以上兩組力矩的作用下，柔性環(huán)具有一定的運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)性。

2.3 疲勞壽命

利用FEM仿真軟件對(duì)柔性環(huán)的最大應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)證。由于各個(gè)柔性環(huán)受力狀態(tài)相同，可簡化為單個(gè)柔性環(huán)與內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)配合，內(nèi)、外導(dǎo)電環(huán)和柔性環(huán)之間為小位移接觸碰撞模型。循環(huán)應(yīng)力FEM仿真時(shí)輸入的材料屬性見表1。

表1 疲勞壽命分析的材料性能

柔性環(huán)變形的不對(duì)稱性導(dǎo)致靠近內(nèi)導(dǎo)電環(huán)的接觸區(qū)域和靠近外導(dǎo)電環(huán)的接觸區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)略有差別，柔性環(huán)整體應(yīng)力分布如圖14所示。靠近內(nèi)導(dǎo)電環(huán)的應(yīng)力略大，最大值約為82 MPa?？拷鈱?dǎo)電環(huán)的接觸應(yīng)力略小，最大值約為64 MPa。

圖14 柔性整體環(huán)應(yīng)力分布圖Fig.14 Stress distribution of flexible ring

結(jié)合理論計(jì)算結(jié)果，在柔性環(huán)的工作過程中，最大應(yīng)力理論值和FEM仿真結(jié)果均小于87.1 MPa，而鈹青銅材料循環(huán)壽命為108轉(zhuǎn)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力200 MPa，故從理論和FEM仿真分析，柔性環(huán)能夠?qū)崿F(xiàn)108轉(zhuǎn)工作壽命。

滾環(huán)的壽命指的是內(nèi)導(dǎo)電環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)。根據(jù)式(1)～(2)，可得柔性環(huán)的自轉(zhuǎn)速度與內(nèi)導(dǎo)電環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度的關(guān)系，在柔性環(huán)108轉(zhuǎn)動(dòng)壽命下，內(nèi)導(dǎo)電環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)為1.4×107轉(zhuǎn)，即滾環(huán)的壽命。

低軌空間太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速小于0.1 r/min，一般每年的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)小于104轉(zhuǎn)，低軌長壽命需求一般為15年，即要求驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)壽命在105轉(zhuǎn)左右，根據(jù)前述理論及FEM仿真分析可知，該大功率滾環(huán)的壽命遠(yuǎn)大于105轉(zhuǎn)，能夠滿足空間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)長壽命電傳輸需求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)滾環(huán)摩擦副的理論計(jì)算和仿真分析，研制出一臺(tái)空間大功率滾環(huán)樣機(jī)，如圖15所示。圖1所示的結(jié)構(gòu)為1個(gè)環(huán)路，樣機(jī)共包含3 個(gè)環(huán)路，各環(huán)路進(jìn)行30 A電流和100 V電壓的加電處理，跑合速度為20 r/min，整個(gè)跑合試驗(yàn)進(jìn)行了1.5×105轉(zhuǎn)。

圖15 大功率滾環(huán)實(shí)物樣機(jī)Fig.15 Prototype of high-power rolling ring

在整個(gè)跑合試驗(yàn)中，對(duì)各環(huán)路接觸電阻進(jìn)行測試，各環(huán)路在不同跑合階段的接觸電阻變化曲線如圖16所示。

圖16 樣機(jī)環(huán)路的接觸電阻變化曲線Fig.16 Curves of electrical contact resistance variation

在整個(gè)跑合周期中，包括大氣和真空環(huán)境考核，雖然樣機(jī)在跑合初期、10萬轉(zhuǎn)和15萬轉(zhuǎn)3個(gè)階段的環(huán)路接觸電阻呈上升趨勢(shì)，但各環(huán)路接觸電阻最大值小于1 mΩ，接觸電阻波動(dòng)值小于0.6 mΩ，傳輸功率為3 kW，滿足空間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的大功率電傳輸需求；在跑合至1.5×105轉(zhuǎn)時(shí)，滾環(huán)仍表現(xiàn)出優(yōu)異的接觸電性能，各環(huán)路在測試周期中均無斷點(diǎn)，滿足空間驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的長壽命電傳輸需求。

通過跑合試驗(yàn)，所研制的樣機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)大功率長壽命電傳輸，驗(yàn)證了空間大功率長壽命滾環(huán)摩擦副設(shè)計(jì)的可行性。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)空間大功率長壽命滾環(huán)摩擦副設(shè)計(jì)和分析，以及樣機(jī)試驗(yàn)研究，結(jié)論如下：

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)的滾環(huán)摩擦副結(jié)構(gòu)所研制的樣機(jī)，在試驗(yàn)中運(yùn)行平穩(wěn)可靠，關(guān)鍵性能指標(biāo)優(yōu)異，驗(yàn)證了滾環(huán)摩擦副純滾動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的正確性和運(yùn)動(dòng)自適應(yīng)性設(shè)計(jì)的合理性。

(2)所研制的滾環(huán)單環(huán)能夠傳輸3 kW的大功率。與柱式滑環(huán)的單環(huán)接觸電阻約20 mΩ比較，壽命末期單環(huán)的接觸電阻仍小于1 mΩ，大功率傳輸效率更高；樣機(jī)在跑合周期內(nèi)單環(huán)接觸電阻波動(dòng)值小于0.6 mΩ，能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)的信號(hào)傳輸。

(3)該滾環(huán)在空間大功率長壽命電傳輸性能上優(yōu)于傳統(tǒng)柱式滑環(huán)，能為傳統(tǒng)滑環(huán)當(dāng)前面臨的瓶頸問題的解決提供新的思路。試驗(yàn)表明了本設(shè)計(jì)能夠滿足航天器低軌15年的大功率長壽命高可靠電傳輸需求。

與目前應(yīng)用廣泛的滑環(huán)相比，所研制的滾環(huán)樣機(jī)具有優(yōu)異的接觸電性能、更大的傳輸功率和更長電傳輸壽命，如經(jīng)過相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)及可靠性驗(yàn)證，可用于空間大功率長壽命電傳輸。本文所建立的滾環(huán)摩擦副運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，保證了摩擦副各部件的純滾動(dòng)和柔性環(huán)運(yùn)動(dòng)的自適應(yīng)性，為滾環(huán)的工程化研制提供了參考。