直升机旋翼防除冰集流环设计.pdf

总第1 8 0 期 2 0 1 4 年第3 期 直升 机 技术 H E U C O P 7 I E RT E C H N I Q U E T o t a lN o 1 8 0 N o 32 0 1 4 文章编号：1 6 7 3 - 1 2 2 0 ( 2 0 1 4 ) 0 3 旬3 7 J D 4 直升机旋翼防除冰集流环设计 吴文涛1 ，王俊2 ，郭元军2 ( 1 海军驻武汉三江航天集团军事代表室，湖北武汉4 3 0 0 7 4 ；2 武汉航空仪表有限责任公司，湖北武汉4 3 0 0 7 4 ) 摘要介绍了直升机旋翼防除冰用集流环的结构和工作原理，从电刷和导电环的选择、电刷压力的计算和 弹簧的设计三个方面对集流环的设计方法进行了详细说明，并通过试验验证其合理性。所论述的集流环设 计方法为直升机旋翼防除冰用集流环设计提供参考。 关键词电刷；导电环；电刷压力；弹簧 中图分类号：V 2 4 2 4文献标识码：A D e s i g n0 fH e c o p t e rk eP r o t e c t i 佃S y s t e mS l i p 础n g W UW e n t a 0 1 ，W A N GJ u n 2 ，G U OY u a n j u n 2 ( 1 N a v yR e p r e s e n t a t i v e0 伍c eo fW u h 龃S a n j i 阻gA e r o 叩a c eG m u p ，W u h 觚4 3 0 0 7 4 ，C h i n a ； 2 W u h 锄A v i a t i o nE q u i p m e n t s 加dM e t e r sC o ，I 皿，W u h 锄4 3 0 0 7 4 ，C h i n a ) A b s t r a c tT h i sa I t i c l ei n t r o d u c e dt l es t n l c t u r ea n dp r i n c i p l eo fh e l i c o p t e ri c ep r o t e c t i o ns y s t e ms l i p r i n g M a d ead e t a i le x p l 肌a t i o nf o rt l l ed e s i 印o fs l i pr i n ga b o u t t h es e l e c t i o no fe l e c t r i cb r u s ha n de l e c t r i cl o o p ，e l e c t r i cb r u s hp r e s s u r ec a l c I l l a t i o na 1 1 ds p r i n gd e s i 印，a n di t sr e a s o n a b i l i t ) rh a v eb e e n v e I i f i e db yt h et e s t T h ed e s i g nm e t h o d so ft l l es l i pr i n gd i s c u s s e di nt 王I i sa n i c l ea l s op m v i d e dag o o d r e f b r e n c ef o rd e s i g n0 ft h eh e l i c o p t e ri c ep r o t e c t i o ns y s t e ms l i pd n g K e yw o “I s e l e c t r i cb r u s h ；e l e c t r i cl o o p ；e l e c m cb m s hp r e s s u r e ；s p d n g O 引言 目前，国内外大多数直升机旋翼防除冰均采用 电热防除冰，利用电热能加热直升机桨叶，使直升机 桨叶表面温度超过0 ，以达到防除冰的目的。集 流环是电热防除冰系统的关键部件，将机上电源和 信号传输给旋转的直升机桨叶。集流环的好坏直接 影响到电热防除冰系统的正常工作，因此，集流环的 设计尤为重要。 本文介绍了直升机旋翼防除冰用集流环的结构 和工作原理，从电刷和导电环的选择、电刷压力的计 算和弹簧的设计三个方面对集流环的设计方法进行 了详细说明，并且通过试验验证其合理性。 1 集流环的结构及工作原理 集流环由底座、外罩、上板、轴承、集流环组件和 电刷组件等零组件组成J 。某型号直升机旋翼防 除冰用集流环如图1 所示。 收稿日期：2 0 1 4 一0 6 一0 4 作者简介：吴文涛( 1 9 6 7 一) ，男，海装武汉局航空装备处，高工，研究方向：直升机装备。 万方数据 3 8 直升机技术 总第1 8 0 期 电刷 集流 图1集流环示意图 集流环组件通过2 个滚珠轴承固定在底座上。 集流环组件上安装有7 个导电环，它们之间用绝缘 衬套隔开，保证相互之间绝缘。2 个电刷架组件端 面固定在底座上，电刷架组件上安装有电刷和刷握， 每个导电环对应2 个电刷。电刷靠弹簧压紧，保证 它与导电环的接触可靠。 工作时，集流环组件通过挡销和竖管与主减速 器中心轴保持相对静止，电刷组件和外罩随直升机 桨叶一起旋转，通过集流环组件和电刷组件将机上 电源和信号传输给直升机桨叶。 2 设计方法 直升机旋翼防除冰用集流环的设计要考虑直升 机旋翼防除冰的需求，选择合适的电刷和导电环，通 过电刷压力计算，设计弹簧，并通过试验验证其合 理性。 2 1 电刷和导电环的选择 集流环有两个关键部件：电刷和导电环。这两 个关键件直接决定了集流环是否具有高可靠性和较 长寿命。结合接点材料的基本要求和直升机旋翼防 除冰用集流环工作时的一些特点，选择电刷和导电 环时需考虑以下要求： 1 ) 电刷和导电环通过的电流大，因此要求电刷 导电性好，电阻温度系数小，极限电弧参数( 最小电 弧电压和最小电弧电流) 大； 2 ) 电刷具有适当的硬度和弹性，耐磨性好； 3 ) 由于摩擦的原因，电刷和导电环接触处温度 较高，因此要求电刷和导电环材料熔点、沸点高，导 热性好； 4 ) 化学稳定性好，不易氧化、腐蚀和生成有害 表面膜； 5 ) 良好的加工工艺性能( 焊接、铆接、线切割 等) 。 某型号直升机旋翼防除冰用集流环电刷选用 T J 2 5 ，r J 2 5 型电刷在航空等军工领域广泛应用，它 能在1 8 0 条件下长期工作，允许短时间内发热至 2 0 0 。从表1 可以看出，r J 2 5 型电刷的使用条件 能够满足产品使用条件。 表l 使用条件 T J 2 57 0 产品使用条件 4 9 1 55 8 81 2 0 0 0 O 7 5 6 2 9 4 3 5 1 7 0 0 0 导电环材料选用银铜镍合金A 9 7 8 c u N i ，该材料 作为导电环材料在航空电机等军工产品上广泛应 用。银铜镍合金硬度高，在高温下具有优异的机械 强度，并具有优良的耐熔焊性、耐损耗性及耐电弧 性，化学稳定性极好，在大气和腐蚀性气氛中不氧 化、不硫化、不腐蚀。 2 2 电刷压力的计算 电刷和导电环之间的压力由弹簧产生，弹簧压 力的大小不仅影响电刷的磨损量，还影响产品的接 触可靠性，因此，在设计过程中弹簧压力值的计算至 关重要。在设计弹簧压力值大小时除了考虑电刷的 离心力外，还要满足2 5 0 3 0 0g c m 2 的条件。 F = P S + F 离 ( 1 ) 嵋= 删2 r ( 2 ) 其中：P - 电刷比压，等于2 5 0 3 0 0g c m 2 ；卜电刷 与导电环的接触面积；m 一电刷的质量；埘一转速。 某型号直升机旋翼防除冰用集流环电刷如图2 所示，电刷与导电环的接触面积为1 2 2 6 姗2 ，根据公 式( 1 ) 、( 2 ) ，可以计算出其电刷压力为( 3 6 4 3 ) N ， 且D ( 2 9 4 3 5 1 ) k P a 。 2 3 弹簧的设计 弹簧可选择平面涡卷弹簧和圆柱螺旋弹簧，如 图3 所示。直升机旋翼防除冰用集流环一般采用平 面涡卷弹簧。平面涡卷弹簧按其簧圈接触与非接触 分为非接触型平面涡卷弹簧( A 型) 和接触型平面 涡卷弹簧( B 型) ，如图4 所示。两种平面涡卷弹簧 在集流环上均有使用，如图5 所示。 万方数据 2 0 1 4 年第3 期吴文涛，王俊，郭元军：直升机旋翼防除冰集流环设计 3 9 图2 电刷示意图 伊一 平面涡卷弹簧圆柱螺旋弹簧 图3 弹簧示意图 囝 A 型B 型 图4 平面涡卷弹簧 非接触型平面涡卷弹簧 接触型平面涡卷弹簧 图5 平面涡卷弹簧的使用 某型号直升机旋翼防除冰用集流环弹簧采用非 接触型平面涡卷弹簧，弹簧材料采用弹性合金 3 J 2 1 。3 J 2 1 具有高的硬度、强度、弹性极限、储能比、 疲劳强度，小的弹性滞后和后效，无磁性，耐磨性好， 抗震耐冲击，优良的耐腐蚀性等特点。弹簧尺寸如 图6 所示。其计算过程如下： 通过式( 3 ) 、( 4 ) 确定弹簧材料截面的厚度h 。 忙尚 ( 3 ) 6 l 盯l 、7 盯 = ( 0 5 0 6 ) 矿6 ( 4 ) 式中：卜转矩( N m m ) ；6 一弹簧宽度( m m ) ； 盯 一允许应力( M P a ) ；吼一材料抗拉强度( M P a ) 。 弹簧压力选取4 N ，弹簧宽度6 为6 m m ，3 J 2 1 抗 拉强度盯b 为1 2 0 0 M P a ，因此 = 石等等o 3 一凡2 石i 石匝丽2 U j m m 根据式( 5 ) 可以计算出弹簧变形角，即承受转 矩r 后，弹簧在自身平面内的扭转角度。 p = 等器 ( 5 ) 订E D ，l 。 式中：Z 一弹簧材料工作圈展开长度( 嘞) ；E 一材料 弹性模量( M P a ) 。 3 J 2 1 弹性模量E 为2 0 0 1 0 3 M P a ，弹簧材料工 作圈展开长度Z 为7 8 m m 。 当弹簧压力为4 3 N 时， p ：业些墨垡尝旦盟妥：7 1 2 。 3 1 4 2 0 0 l O 。6 0 3 。 当弹簧压力为3 6 N 时， p ：堕些堕型擎卫墅娶：5 9 6 。 3 1 4 2 0 0 l O 。6 O 3 。 因此弹簧变形角为5 9 6 。7 1 2 0 ，即弹簧变形 角允许的最大减小量为1 1 6 。通过模拟计算，弹 簧变形角减小1 1 6 0 ，电刷将位移2 m m ，即电刷允许 的最大磨损量。 2 4 试验验证 为验证选择的电刷和导电环是否匹配，且满足 要求，电刷压力是否合适，必须进行试验验证，试验 电路图如图7 所示。 试验过程中测试电刷两端电压降为1 4 3 V ，电 流为5 5 5 A ，可以计算出电刷与导电环的接触电阻 约为1 2 9 - 舰，满足产品要求接触电阻不大于6 0 z 疵 的要求。 试验前测量电刷长度为3 0 m m ，5 0 0 小时试验后 万方数据 4 0 直升机技术 总第1 8 0 期 测量电刷长度为2 9 9 m m ，电刷的磨损量为0 1 m m 。 根据5 0 0 小时试验后电刷的磨损量，可以计算出在 产品寿命要求4 6 0 0 飞行小时内，电刷磨损量约为 0 9 2 m m ，电刷磨损量在电刷允许的最大磨损量 2 m m 范围内。 n N 图6 弹簧尺寸图 图7 试验电路图 监测电刷与导电环温度，试验环境温度约为 3 6 ，未通电时，电刷与导电环温度约为4 6 ，通电 o 5 小时，电刷与导电环温度为1 2 0 ，通电时电刷 与导电环温升曲线如图8 所示。T J 2 5 型电刷能在 1 8 0 条件下长期工作，银铜镍合金A 9 7 8 C u N i 更能 耐高温，因此电刷和导电环通电时发热不会影响产 品使用。 1 4 0 1 2 0 1 0 0 8 0 护 一6 0 4 0 2 0 、一一 O 一 05 1 01 52 02 53 03 5 ( n l i n ) 图8 温升曲线图 一