第一節(jié) 電路旋轉(zhuǎn)連接器基本生產(chǎn)技術(shù)、工藝或流程

一、電路旋轉(zhuǎn)連接器的生產(chǎn)流程

1、材料的選擇

1）外殼

電滑環(huán)的外殼、法蘭等直接接觸海水的零件都選用了耐海水腐蝕的不銹鋼材料，并且表面均經(jīng)過了鈍化處理。

2）接觸件

電刷的結(jié)構(gòu)和材料的選擇是該電滑環(huán)的關(guān)鍵之一。目前常用的電刷有活塞型電刷、片狀彈簧電刷和絲狀彈性電刷。該產(chǎn)品選擇絲狀彈性電刷。

3）絕緣體

把整塊絕緣板分割為一小塊一小塊的絕緣子和絕緣環(huán)，并采用PBT模壓加工方式，然后再把絕緣子嵌在金屬固定板的槽中用螺釘加以固定；把每一小塊的絕緣環(huán)與滑環(huán)像積木一樣連接拼裝起來。

2、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

HZ39型大電流電滑環(huán)的接觸涉及到大電流、多路以及轉(zhuǎn)動(dòng)連接等諸多方面，因此在研制過程中需要考慮的因素非常復(fù)雜。

電滑環(huán)是可以轉(zhuǎn)動(dòng)的，導(dǎo)線分別通過動(dòng)接線板和定接線板，以接線柱形式從電滑環(huán)中引出。電滑環(huán)的中心是一根不銹鋼芯軸，整個(gè)電滑環(huán)由一個(gè)不銹鋼的支架支撐，支架的兩端分別有兩個(gè)軸承來完成支架和芯軸的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

芯軸由堆積的聯(lián)鎖絕緣體和各自獨(dú)立的滑環(huán)組成，芯軸上有與滑環(huán)數(shù)量對(duì)應(yīng)數(shù)量的花鍵槽，可以先把導(dǎo)線焊接或直接通過螺釘固定在金屬滑環(huán)上，導(dǎo)線的另一端通過芯軸上的花鍵槽與動(dòng)接線板相接，電纜則直接穿在芯軸的中間空腔內(nèi)，進(jìn)線端電纜與動(dòng)接線板的另一端的接線柱相連，從而使進(jìn)線電纜和滑環(huán)相通。

電刷的接線從支架法蘭上的孔中出，然后以接線柱形式固定在定接線板上，最后再外殼中的兩個(gè)出線孔引出。而穿在芯軸中間空腔內(nèi)的另一端電纜，則作為出線端直接與外部設(shè)備或相應(yīng)的接線盒連接。

芯軸相對(duì)于支架法蘭轉(zhuǎn)動(dòng)，在支架外套上外徑為220 mm的不銹鋼外殼和左右罩殼，為了方便更換和維修，外殼設(shè)計(jì)為可拆卸式的哈夫結(jié)構(gòu)。

底座的撐腳托的內(nèi)弧尺寸與轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的外殼外圓相同，兩個(gè)撐腳托將圓柱形的電滑環(huán)牢牢托住，與撐腳托焊接成一體的撐腳板上分別有兩個(gè)直徑為16 mm的安裝螺釘孔，用地腳螺釘將整個(gè)裝置固定在地板上。

3、電氣參數(shù)設(shè)計(jì)

該電滑環(huán)電氣參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮每個(gè)接觸件與導(dǎo)線連接后能否承受33芯10A及2芯100A的大電流，同時(shí)還要考慮接觸電阻、絕緣電阻、耐電壓等其它電氣性能。因此必須計(jì)算出所選用的直徑0.6mm金基合金絲作為接觸件在最高溫度下長(zhǎng)期連續(xù)工作的載流量。

4、可靠性設(shè)計(jì)

在應(yīng)用中可能出現(xiàn)的失效模式是：不能經(jīng)受一萬(wàn)次以上的轉(zhuǎn)動(dòng)以及電刷和滑環(huán)接觸失效。針對(duì)可能出現(xiàn)的失效模式，在保證產(chǎn)品可靠性方面采取了以下措施：a．支架和芯軸均經(jīng)過嚴(yán)格的試驗(yàn)，確保在正常轉(zhuǎn)動(dòng)情況下不發(fā)生變形、受損。在金屬滑環(huán)上涂覆了專用的潤(rùn)滑劑，大大減小了電刷和滑環(huán)間的摩擦力。b．該連接器采用金屬殼體封閉的方式，以阻止內(nèi)部電磁能輻射或受到外界電磁場(chǎng)的干擾。另外，由于滑環(huán)是一個(gè)接一個(gè)并排放置的，為了減小相鄰兩路信號(hào)的串?dāng)_，采用一定寬度的絕緣環(huán)隔開。c．為保證產(chǎn)品的使用壽命和貯存壽命，必須提高接觸件材料的彈性、耐磨性，為此采用了金基合金組成的絲狀彈性電刷和采用低鋅黃銅表面鍍硬金技術(shù)的金屬滑環(huán)。

二、中頻信號(hào)環(huán)技術(shù) 分析

中頻信號(hào)匯流環(huán)的典型結(jié)構(gòu)形式如下圖所示。兩端電纜的中心導(dǎo)體通過電刷與導(dǎo)電環(huán)的滑動(dòng)接觸而導(dǎo)通，電纜的屏蔽網(wǎng)通過接地電刷與屏蔽外殼接觸而導(dǎo)通。

中頻信號(hào)匯流環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于中頻信號(hào)來說，匯流環(huán)的每一環(huán)均可看作為一個(gè)由矩形同軸線構(gòu)成的圓環(huán)。信號(hào)從圓環(huán)的一點(diǎn)輸入，而從另一點(diǎn)輸出，輸入輸出點(diǎn)之間的相對(duì)位置是隨時(shí)變化的*信號(hào)在匯流環(huán)中流經(jīng)的路線如下圖所示。若環(huán)平均周長(zhǎng)為s，圖中上半段傳輸線的長(zhǎng)度為l，下半段為s-l，則可將該中頻信號(hào)匯流環(huán)作為等效并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行 分析 。從微波網(wǎng)絡(luò)角度來看，匯流環(huán)相當(dāng)于在整個(gè)傳輸電路中插入了一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)。

信號(hào)流經(jīng)路線示意圖

中頻信號(hào)匯流環(huán)的技術(shù)指標(biāo)有插入損耗、環(huán)間隔離度和插入相移等。對(duì)于大直徑中頻信號(hào)匯流環(huán)，降低插入損耗是主要難點(diǎn)。當(dāng)匯流環(huán)接入于信號(hào)源與負(fù)載之間時(shí)，信號(hào)傳輸功率的衰減量即為匯流環(huán)的插入損耗。插入損耗包括有功損耗和無功損耗。有功損耗包括介質(zhì)損耗、導(dǎo)電環(huán)及電刷的電阻損耗和接觸電阻損耗等。經(jīng)計(jì)算和測(cè)試，上述這些損耗均很小，一般為0.1dB，左右，而由匯流環(huán)引入的無功損耗相對(duì)較大。由傳輸線理論可知，網(wǎng)絡(luò)插入損耗可表示為

(1)

式中a11，a12，a21，a22與匯流環(huán)的電壓轉(zhuǎn)移矩陣A中系數(shù)有關(guān)，設(shè)定為

(2)

式中Zc=Zh/Z0為匯流環(huán)的歸一化阻抗，Zh為匯流環(huán)的特性阻抗，Z為連接電纜的特性阻抗。α=2π/λ，λ為傳輸信號(hào)的波長(zhǎng)。s為匯流環(huán)中心導(dǎo)體的平均周長(zhǎng)，l為信號(hào)輸入點(diǎn)與信號(hào)輸出點(diǎn)間距離，見下圖所示。

由式(2)可知，a11=a22。設(shè)X= a12-a21，則式（1）可簡(jiǎn)化為

從中頻信號(hào)匯流環(huán)的工作原理來看，上述插入損耗總是客觀存在的，并且隨著動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)角變化而變化（即l為變化值）從工程使用來說，在匯流環(huán)直徑和傳輸信號(hào)頻率一定的情況下，降低匯流環(huán)插入損耗，特別是降低插入損耗在轉(zhuǎn)動(dòng)中的波動(dòng)值成為設(shè)計(jì)追求的主要目標(biāo)。

第二節(jié) 電路旋轉(zhuǎn)連接器新技術(shù)研發(fā)、應(yīng)用情況

1、230廠研制出多種類型精密導(dǎo)電滑環(huán)

隨著高精度慣性儀表、測(cè)量測(cè)試設(shè)備需求量的不斷增加，作為該類產(chǎn)品關(guān)鍵器件的精密導(dǎo)電滑環(huán)已成為制約該類產(chǎn)品發(fā)展的瓶頸，國(guó)內(nèi)不少單位都依靠進(jìn)口來滿足產(chǎn)品需求。中國(guó)航天科技集團(tuán)公司九院230廠作為國(guó)內(nèi)超精密機(jī)械加工中的佼佼者，充分依靠自身優(yōu)勢(shì)，目前已研制出多種類型的精密導(dǎo)電滑環(huán)，而且正在走上導(dǎo)電滑環(huán)生產(chǎn)系列化、規(guī)?；牡缆?。

230廠在研制工作中不斷加大推進(jìn)力度，通過對(duì)微型精密輸電裝置的不斷優(yōu)化，器件空間、重量得到極大的壓縮。精度高、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，是230廠研制的導(dǎo)電滑環(huán)的突出特點(diǎn)，適用于高精密儀器設(shè)備，完全滿足360度無限制旋轉(zhuǎn)的功率及數(shù)據(jù)傳輸。

2、空間精密導(dǎo)電滑環(huán)保證飛船神經(jīng)通暢

空間精密導(dǎo)電滑環(huán)是神七的一個(gè)關(guān)重部件。該配件用在飛船電池翻板與飛船船體的交接處，在飛船旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下起到控制信號(hào)和傳輸?shù)墓δ埽菍?shí)現(xiàn)航天器兩個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的信號(hào)及電流傳遞的精密輸電裝置，能為整個(gè)飛船提供源源不斷的能源。神七執(zhí)行出艙行走任務(wù)，艙門能否順利打開，跟空間精密導(dǎo)電滑環(huán)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況息息相關(guān)，六三五四 研究 所研制的空間精密導(dǎo)電滑環(huán)，所具備的穩(wěn)定性和可靠性是其他同類產(chǎn)品無法相比的。

據(jù)介紹，六三五四 研究 所自接受任務(wù)以來，從神一到神七，六三五四 研究 所是提供軍用空間精密導(dǎo)電滑環(huán)的惟一廠家。

3、HZ39型大電流旋轉(zhuǎn)電滑環(huán)具有獨(dú)特的接觸件與導(dǎo)線連接方式、電刷組件形式和絕緣板組件結(jié)構(gòu)。接觸件與導(dǎo)線連接后能經(jīng)受33芯10 A及2芯100A的大電流；電滑環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，接觸件壽命長(zhǎng)。該產(chǎn)品滿足了使用要求，達(dá)到國(guó)外同類產(chǎn)品的水平。

第三節(jié) 電路旋轉(zhuǎn)連接器國(guó)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前國(guó)際上采用的滑環(huán)技術(shù)分為以下三種：

1、復(fù)合電刷塊技術(shù)，一般采用碳刷，銅刷，銀/石墨/二硫化鉬的刷塊等形式。

2、采用貴金屬合金單絲，如AuNi9等。

3、纖刷技術(shù)，纖刷是指一種特殊的滑行電氣接觸設(shè)計(jì)。纖刷簡(jiǎn)單的說就是將單獨(dú)的金屬纖絲（線）進(jìn)行校準(zhǔn)并裝進(jìn)一個(gè)金屬管里。在這個(gè)懸臂設(shè)計(jì)中，纖刷束的散狀的，無束縛的一端依附在環(huán)道表面的槽里。

第四節(jié) 電路旋轉(zhuǎn)連接器技術(shù)開發(fā)熱點(diǎn)、難點(diǎn) 分析

1、電路旋轉(zhuǎn)連接器技術(shù)開發(fā)熱點(diǎn)、難點(diǎn)

電路旋轉(zhuǎn)連接器在保證順利完成轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下，技術(shù)難點(diǎn)是要考慮的是接觸件的材料及電刷的形式，以確保電滑環(huán)的使用壽命和系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的接觸可靠性。

如HZ39型大電流旋轉(zhuǎn)電滑環(huán)的電刷為彈性材料的合金絲，由于大電流工作，因此不能采用以往的焊接方式，而是采取了先把合金絲扳成特定的形狀，再利用上下兩塊長(zhǎng)、短夾板將合金絲電刷夾在其中，放入固定板的相應(yīng)槽中。用螺釘分別將電刷、絕緣子、固定板等零件擰緊，最終使電刷卡在滑環(huán)的槽內(nèi)。每一組電刷固定在支架的適當(dāng)位置。每一對(duì)電刷對(duì)應(yīng)滑環(huán)上的一個(gè)槽，金屬滑環(huán)間為PBT絕緣子。

2、中頻信號(hào)匯流環(huán) 研究 難點(diǎn)

一般工程應(yīng)用場(chǎng)合中，由于匯流環(huán)的直徑較?。?lt;100mm），傳輸頻率較低（<50MHz），故插入損耗較容易達(dá)到0.5dB以下。對(duì)于匯流環(huán)直接較大（>600mm）或傳輸頻率較高（>100MHz）的情況，插入損耗的指標(biāo)就難以達(dá)到。所以， 研究 插入損耗與匯流環(huán)的直徑、傳輸信號(hào)頻率之間的關(guān)系，找到降低插入損耗的方法，對(duì)解決工程實(shí)際問題非常有意義。

1）Zc=2的情況

工程設(shè)計(jì)中，傳統(tǒng)上均選用Zc=2，這樣當(dāng)匯流環(huán)輸入輸出電纜相對(duì)成180o時(shí)，理論上達(dá)到完全匹配。當(dāng)s≤λ/2時(shí)，匯流環(huán)的特性參數(shù)X隨匯流環(huán)轉(zhuǎn)角θ變化為單調(diào)上升函數(shù)。當(dāng)Zc=2時(shí)，-1≤X≤0，其中由此可推得插入損耗L為匯流環(huán)轉(zhuǎn)角θ的單調(diào)下降函數(shù)，在極限位置有

2）Zc的最佳選取問題

試驗(yàn)結(jié)果：

表中實(shí)測(cè)值均大于計(jì)算值0.2-0.3dB，這是由有功損耗和截面等效阻抗計(jì)算誤差所致。

第五節(jié) 電路旋轉(zhuǎn)連接器未來技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

為滿足近代電子信息技術(shù)在軍用裝備上的應(yīng)用需求，新一代軍用電連接器必須具備重量輕（使用復(fù)合材料）、體積小（高密度、毫微米型、使用高性能絕緣材料）、使用可靠方便（模塊化）、耐環(huán)境（使用不銹鋼、復(fù)合材料）、高速數(shù)據(jù)傳輸（高頻、低頻、光纖、總線、電流等混裝）和高電源傳輸?shù)忍攸c(diǎn)。

1、高密度

小型化是指連接器中心間距更小，特殊軍用場(chǎng)合要求連接器中心間距達(dá)0.25mm～0.38mm，高度要小到1.0mm～1.5mm。高密度有利于各種機(jī)載電子設(shè)備小型化?，F(xiàn)代新型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線要求連接器高芯數(shù)接觸件，高密度軍用PCB連接器接觸件總數(shù)達(dá)680芯。特殊場(chǎng)合最多可達(dá)5000芯。

2、微型化

微矩形，甚至毫微矩形連接器應(yīng)用不斷增加。微矩形MIL-C-83513連接器主要技術(shù)指標(biāo)與MIL-C-24308相同，但接觸件間距由2.54mm縮小至1.27mm，接觸件最小規(guī)格可達(dá)24號(hào)，接觸件最多數(shù)量可達(dá)4排100芯。這種高密度小型化連接器巳在航空電子設(shè)備、導(dǎo)彈、導(dǎo)航設(shè)備和發(fā)射跟蹤控制系列獲得成功應(yīng)用。

近年來發(fā)展起來的納米型連接器原設(shè)計(jì)是針對(duì)持續(xù)微型化能和硅芯片功能相容的實(shí)用的互連解決方案。接觸件間距為0.635mm，是微矩形MIL-C-83513連接器的擴(kuò)展產(chǎn)品，也稱為微小型D糸列連接器。它有帶狀、矩形、圓形、同軸等四種結(jié)構(gòu)。納米型連接器將理想的尺寸和重量與性能相結(jié)合，如端子阻力小，溫度值廣，每線電流可達(dá)1A，使其成為真正最小最有韌性的微小型連接器。

PCB連接器也趨向小型化。目前大量使用的MIL-C-55302連接器包含多種結(jié)構(gòu)、多種間距產(chǎn)品；除常用的2.54mm標(biāo)準(zhǔn)間距外，2.5mm、2mm、1.27mm接觸件間距產(chǎn)品在一些較新的軍用裝備上需求量日益增加。接觸件密度是沿連接器長(zhǎng)度方向上的接觸件數(shù)量來衡量的。2.54mm標(biāo)準(zhǔn)間距的接觸件密度，每英寸為30個(gè)，而高密度PCB連接器接觸件密度，每英寸為80個(gè)。

3、耐環(huán)境

為減輕重量可選用微型和復(fù)合材料的產(chǎn)品、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部位可選用耐高溫、耐腐蝕的不銹鋼殼體材料產(chǎn)品、潛艇艙內(nèi)外連接部位可選用玻璃燒結(jié)密封電連接器。衛(wèi)星、飛船上可選用耐太空環(huán)境熱真空釋氣的電連接器。復(fù)合材料在第四代戰(zhàn)機(jī)使用率大幅上升。

由于復(fù)合材料殼體連接器重量輕、耐腐蝕性高，現(xiàn)已成功地應(yīng)用于我國(guó)神舟飛船等航天、航空等重點(diǎn)系統(tǒng)工程。

4、高速數(shù)據(jù)傳輸

隨著近代電子技術(shù)的發(fā)展，在航天、航空等軍用裝備上傳遞的信息數(shù)據(jù)越來越多，在容量和傳輸速率等方面都是無法和過去相比擬的。而要滿足上述要求，又不增加重量和配線的復(fù)雜性，則必須向軍用以太網(wǎng)發(fā)展，也就是把航天、航空等飛行控制系統(tǒng)用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)連接起來。

5、電源連接器

大電流連接器能滿足高電壓大電流的電氣連接。例如潛艇快速充電等重大軍事裝備的電源系統(tǒng)，都需選用大電流高電壓連接器。其工作電壓380V(50Hz)，工作電流800～1000A，溫升不超過60℃。要求連接方便、迅速、插拔力小、使用壽命長(zhǎng)。如800A大電流線簧插孔，是一種結(jié)構(gòu)新穎性能優(yōu)異可靠性高的插孔。與一般開口插孔片簧式插孔相比，具有接觸電阻小、插拔柔和、抗振動(dòng)、耐沖擊、壽命長(zhǎng)、可靠性高等特點(diǎn)。其失效率僅為10-9。

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