Вращающееся контактное соединительное устройство

 

Ю;П.Лаптев. и Н.С.Вахрушев (72) Авторы нзобретення (7l) Заявнтель (54) ВРАЩАЮЩЕЕСЯ КОНТАКТНОЕ СОЕДИНИТЕЛЬНОЕ

УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к технике передачи слаботочных электрических сигналов по линии, содержащей вращающуюся с большой скоростью подвижную секцию, контактирующую с неподвижной секцией, и может быть использовано в слаботочных линиях связи промышленной частоты и постоянного тока, .а также в коаксиальных линиях и волно-; водных трактах.

Известно контактное вращающееся соединение, содержащее подвижную и неподвижную секции, соединенные посредством жидкого контакта в виде то- . копроводной жидкости, работающее на высокой скорости вращения. Соедине" ние предназначено для работы на высоких скоростях вращения и для передачи энергии достаточно большой мощности (1).

При малой передаваемой по линии мощности турбулентное движение контактной жидкости может быть причиной искажения слабого сигнала. Кроме того, в неподвижном состоянии такое соединение не используется и его.невозможно выполнить в малых габаритах.

Известно вращающееся соединительное (контактное) устройство с жидкометаллическим контактом, работающее на определенной скорости вращения.

В этом устройстве контакт вращающейся секции с неподвижной осуществляется после заполнения токопроводной жидкостью кольцевой полости под действием центробежной силы (2).

Это устройство обладает следующими недостатками: невозможность использования в неподвижном состоянии

15 и при скоростях вращения ниже заданных, изменение площади касания во время вращения в силу турбулентности жидкостного потока, а следовательно, невозможность передачи слабого сигИ нала без искажения, громоздкость конструкции.

Наиболее близким по технической сущности- к предлагаемому является

3 93609 коаксиальное вращающееся соединение, содержащее выполненные в виде цилиндрических проводников подпружиненную подвижную секцию и неподвижную секцию, имеющую на торцовой контактной поверхности внешнюю и внутреннюю концетрические кольцевые канавки с . токопроводящей жидкостью (3).

Недостатком этого вращающегося соединения является возможность выб- 1в роса токопроводящей жидкости при большой скорости вращения подвижной секции или при воздействиии на изделие ударно-вибрационных нагрузок, а также невозможность выполнения и за- 15 мены контактной жидкости при ее расходе или окислении беэ разборки устройства. На очень высоких скоростях вращения подвижной секции возможно уменьшение площади касания, а следо- ур вательно, и изменение переходного сопротивления, что имеет существенное значение при передаче сигнала малой мощности, Указанные недостатки уменьшают чадежность соединения. 25

Цель изобретения - повышение надежности электрического соединения при больших скоростях вращения. Поставленная цель достигается тем, что в торцовой поверхности неподвижной секции выполнен паз дугообразной формы с радиусами кривизны, меньшими внешнего и большими внутреннего радиу. са концентрических кольцевых канавок, внутри паза установлен с зазором ползун, повторяющий форму паза и подпружиненный со стороны основания паза, полость зазора заполнена консистентной смазкой в объеме, превышающем объем слоя граничного трения между торцовыми поверхностями неподвижной и подвижной секциями.

Кроме того, между дугами внутреннеки внешней кольцевых канавок выполнены дополнительные канавки,симчетрич- ные относительно диаметра торца, ко.торые сопряжены с указанными дугами и имеют форму кривых второго порядка, например, форму параболической кривой с началом координат на внешней канавке и фокусным расстоянием, равным !/6 радиуса внутренней кольце- . вой канавки.

На фиг. 1 показано вращающееся контактное соединительное устройство, разрез, на фиг. 2 - торцовая контакт- 5 ная .поверхность неподвижной секции, на которой показано расположение канавок и паза с ползуном, разрез А-А

5 4 на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение ползуна 6-6 на фиг. 2; на фиг. 4 - вращающееся контактное соединительное устройство в разрезе для коаксиальной линии, на фиг ..5 - торцовая контактная поверхность внешнего и внутреннего гроводников, разрез А-А на фиг. 4; на фиг. 6 - сечение полэуна Б-Б на фиг. 5; на. фиг. 7 - вращающееся контактное соединительное устройство в разрезе для круглых волноводов, на фиг. 8 - торцовая контактная поверхность неподвижной секции, разрез А-А на фиг. 7; на фиг. 9сечение ползуна Б-Б на фиг. 8; на фиг. 10 - расположение канавок на торцовой поверхности проводника неподвижной контактной секции.

На фиг. 1-10 обозначено: 1 - проводник подвижной секции, 2 - скользящий контакт, 3 - пружина, 4 - цанга 5 - подшипник, 6 " изоляционный корпус, 7 - корпус неподвижной секции; 8 — изолятор, 9 - проводник неподвижной секции, 10 - внутренний проводник подвижной секции коаксиальной линии, 11 - кольцевая канавка у внешнего края торцовой поверхности, 12 — внутренняя кольцевая канавка;

13 - дополнительная канавка; 14 - дополнительная канавка, 15 - дугообразный паз, 16 - ползун, 17 - пружина поЛзуна, 18 - внутренний проводник неподвижной секции коаксиальной линии.

Вращающееся слаботочное контактное соединительное устройство состоит иэ двух секций: вращающейся (подвижной) и неподвижной (фиг.1-3), Подвижная секция представляет собой сложный проводник, состоящий иэ собственно проводника 1, скользящего контакта 2, пружины 3 и цанги 4.

Проводник 1 вращается в подшипниках 5, заключенных в изоляционный корпус 6.

Неподвижная секция представлена проводником 9, изолятором 8 и корпусом 7. Контакт 2 имеет возможность осевого перемещения относительно проводника 1 и силой пружины 3 своей торцовой поверхностью прижимается к торцу неподвижного проводника 9.

Электрическое соединение контакта 2 с проводником 1 осуществляется через цангу 4, закрепленную (например, припаянную) на проводнике 1.

На торцовой поверхности неподвижного проводника 9 выполнены внешняя 11 и внутренняя 12 кольцевые ка936095

6 навки. Внешняя и внутренняя канавки ЦИАТИИ-201 подходит пара сталь-бронсоединены дополнительными канавка- за и даже сталь-латунь. ми 13 и 14. Назначение внешней коль- Устройство работает следующим обцевой канавки 11 - препятствовать вытеканию смазки а ополнител д ительные 5 Допустим, что в начальный момент канавки предназначены я возв а,а движения контактные поверхности суиэбытка смазки от внешнего края тор хие и смазка, расположенная в лазе 15, ца к внутреннему. не касается подвижной контактной

Внутренняя кольцевая канавка 12 поверхности . Вследствие трения подсоединяет обе дополнительные канав- !О

ые канав- 10 вижная контактная поверхность у влекаки вблизи от центра вращения и прин- ет полз 16 ,ет ползун за собой. Двигаясь в ципиально может быть незамкнутой. Inane, ползун уменьшает объем, заниДополнительные канавки выполнены маемый маз маемый смазкои и, тем самым, поднипо форме кривых 2-ro по я ка на иЯ-=

Р д а напри- мает уровень смазки до соприкосновемерх = /3К гек-с у д сред 15 ния с подвижной контактной поверх" ний радиус внутренней кольцевой ка- . ностью. Первый слой смазки располанавки, с началом коор инат на внешРд т на внеш- гается на подвижной контактной поней канавке (фиг. 1О}. верхности по окружности в силу сцепНаличие двух дополнительных кана- ления металла со смазкой. Расклинивавок дает возможность работать вращаю- 20 ющее действие первого слоя обеспечивает прохождение смазки между конподвижной секции по часовой стрелке, тактными поверхностями. Последующие так и против. слои смазки, извлекаемые из паза, Иежду кольцевыми канавками 11 и под действием движения трущихся по12 на то овой и

Рц ой поверхности проаор- И верхностей расходятся по всей обласника 9 выполнен дугообразный паэ 15 ти касания контактных поверхностей. с радиусами кривизны меньше радиуса Появление смазки на поверхности палвнешней кольцевой канавки, но больше эуна 16 уме ь а эуна уменьшает трение между вращарадиуса внутренней кольцевой канав- ющейся поверхностью и ползуном и двики. 30 жение последнего прекращается. СледоВ паэ 15 вставлен ползун 16, который усилием пружин 17 всегда прижат вательно, насильственная по ча смазк контактной поверхности торца подки также прекращается. Смазка вошевижной секции. Усилие прижимающих р у ет я илой с и шая в соприкосновение с по вижной пружин выбирается из условия noaeрхностью, увлекается силой с епу ется силой сцепP 35 ления. Как только силы сцепления оче< CC т .ст пр Рс с редного слоя смазки с основной ее где P - усилие трения стенок

Тр.с г массой уравниваются с силами внутренползуна о стенки дугообразного паза,, него трения, извлечение смазки из паза прекращается.

P усилие прижимающих пружин 17;

Р,к - усилие пружины 3, обесТолщина слоя смазки, созданная печивающей контактное силами сцепления, близка к слою гранажатие, ничного трения. В любом случае жид. Ползун 16 вставлен в паз. 15 по . костного тРениЯ здесь нет.

45 ходовой посадке не грубее 3-го класса точности и может быть выполнен из Рассмотренный механизм образоватого же материала, иэ которого изго- ния тонкого смазочного слоя практитавливается контакт 2. Это делается чески не зависит от скорости вращедля увеличения силы трения с подвиж- ния контактной поверхности. Известно, 50 нои поверхностью при сухом трении что очень тонкий слой смазки обладаи уменьшения трения при движении пол- ет токопроводностью и, вместе с тем, эуна внутри паза. В целях уменьшения антифрикционным действием. Токопротрения между контактными поверхностя- водящий слой смазки в ряде случаев ми контакт 2 и торцовая поверхность имеет лучшую проводимость по сравпроводника 9 выполнены из разнородS5 нению с жидкометаллическим контактом. ных материалов, образующих антифрикци- Такое явление вполне объяснимо, если онную пару в присутствии смазки. На- рассматривать жидкометаллический конпример, для смазки ОКБ-122 и такт как паяное сопротивление. Сопро936095 тивление контакта в этом случае выра= эится суммой сопротивлений

RflPl R g Ф R7K. + R11< где R - сопротивление окисных пле11,1 нок на поверхности первого проводника, В - сопротивление жидкоСти;

R> - сопротивление окисных пленок на поверхности второго проводника. 10

Кроме того, при движении жидкости по кривой возникает турбулентность ее потока, что ухудшает смачиваемость, а следов ател ьно, увеличивает переходное сопротивление соеди-. 15 нения. Периоди ческое изменение сопротивления является одной иэ причин возникновения собственных шумов кон- тактного соединения, что приобретает значение при передаче сигналов 2о малой мощности.

Применение смазки при соответствующем выборе ее вида и материалов контактов обеспечивает явление избирательного переноса, который спо- 2s собствует увеличению проводимости контактного соединения.

Таким образом, замена жидкометаллического контакта тонким токопроводящим слоем дает преимущество вращающемуся контактному соединению при работе на высоких скоростях вращения подвижной секции и при передаче сигналов малой мощности, когда уровень собственных шумов контакта должен быть меньше уровня сигнала.

Введением между контактными поверхностями тонкого токопроводного слоя смазки, создание и поддержание которого обеспечивается саморегулирующим движением йолэуна 16, дает преимущест8а предложенного контактного вращающегося соединительного устройства перед известными, но с жидкометаллическим контактом в некоторых эксплуатационных условиях.

Данное устройство имеет очень высокий верхний предел в скорости вращения ° Опытные образцы работают при скорости вращения свыше 2000 об/мин без отклонений от заданных параметров.

Данное вращающееся контактное сое-. динительное устройство применено для вращающихся коаксиальных соединений контактного типа.

На фиг. 4,показано вращающееся слаботочное контактное соединение двух отрезков коаксиальной линии.

Соединение имеет две секции - подвижную и неподвижную. Наружные проводники секций и внутренние выполнены аналогично.

Подвижная секция состоит из проводника 1, скользящего контакта 2, пружины 3 и цанги 4. Проводник вращаетсч вместе с контактом 2 в подшипниках 5, эаключенных в неподвижный корпус 7.

Подвижная секция включает в себя наружный проводник 9 и внутренний 18, разделенных изолятором 8.

Контакт 2 имеет возможность осевого перемещения относительно проводника 1 и силой пружины 3 своей торцовой поверхностью прижимается к торцу неподвижного проводника 9. Электрическое соединение контакта 2 с про-! водником 1 осуществляется через цангу 4, закрепленную на проводнике 1, На торцовых пов ерхнос тя х проводников 9 и 18 неподвижной секции (фиг.5) выполнены внешняя 11 и внутренняя 12 кольцевые канавки, которые соединены дополнительными канавками 13 и 14.

Между кольцевыми канавками 11 и l2 на торцовой поверхности проводников 9 и 18 выполнен дугообразный паз 15. В паз 1 вставлен ползун 16, который усилием пружин 17 (фиг. 6) всегда прижат к контактной поверхности торца подвижной секции. ,Устройство работает следующим образом.

Образование и поддержание смазочного слоя токопроводной толщины происходит так же, как и в описанном устройстве. Механизм токопроводности на ВЧ и СВЧ отличается от токопроводности на промышленных частотах и постоянном токе наличием реактивного сопротивления, обусловленного шероховатостью контактных поверхностей (выступы и впадины имеют определенную емкость и индуктивность) . Кроме того, при высокой скорости вращения подвижной секции вследствие турбулентности жидкости всегда возникают отслоения жидкости от металла, образуя полости.

Центробежная сила, сгоняя жидкость к внешнему краю торца, способствует появлению разрывов у внутреннего края торца. Смазка, введенная в межконтактное пространство, не дает разрывов с металлом при покачивании вращающейся контактной поверхности в силу большей вязкости, чем вязкость у жидкометаллического контакта. Смазка образует более равномерный слой в межконтактном пространстве, так как центробежная сила на тонкий слой оказывает меньшее влияние. Таким образом, замена жидкометаллического контакта тонким токопроводящим смазоч- з ным слоем дает преимущества вращающемуся контактному соединению при работе на высоких скоростях вращения и при передаче сигналов на ВЧ и СВЧ.

Введение между контактными поверх- 10 ностями токопроводящего слоя смазки дает преимущества предложенного кон-. тактного вращающегося соединения перед известными, но с жидкометаллическим контактом в условиях вибрации и ударов, так как консистентная смазка более устойчива. к ним, чем жидкометаллический контакт. Предлагаемое устройство устойчиво работает на очень высоких скоростях вращения. 20

Опытные образцы, например; при скоростях вращения свыше 2000 об/мин (2200-1200 об/мин) обеспечивают КСВН в системе не более 1,45.

Данное вращающееся контактное 2s соединительное устройство использовано на вращающимся волноводном соединении контактного типа. На .фиг.7 показано вращающееся слаботочное контактное соединение двух круглых зо волноводов. Соединение имеет две секции - подвижную и неподвижную. Подвижная секция состоит из проводника (волновода) 1, скользящего контакта 2, имеющего форму и внутренний размер волновода 1, пружины 3 и цанги 4. Волновод 1 вращается вместе с контактом 2 в подшипниках 5, заключенных в неподвижный корпус 7. Не- . подвижная секция включает в себя наружный проводник 9 (волновод круг". лой формы) и корпус 7. Контакт 2 имеет возможность осевого перемещения относительно проводника 1 и силой пружины 3 своей торцовой поверх- 4 ностью прижимается к торцу неподвижного проводника(волноводной трубы) 9.

Электрическое соединение контакта 2 с проводником (волноводной трубы) 9 осуществляется через цангу 4, закрепленную на проводнике 1. На торцовой поверхности проводника 9 неподвижной секции (фиг, 7) выполнены кольцевые канавки: наружная 11 и внутренняя 12. Наружные и внутренние канавки соединены дополнительными канав55 ками 13 и 14. Между кольцевыми канавками 11 и 12 на торцовой поверхности проводника 9 выполнен дугооб936095 (10 разный паз 15 с радиусами кривизны меньше радиуса внешней кольцевой канавки и больше радиуса внутренней кольцевой канавки. В паэ 15 вставлен ползун 16, который усилием пружин 17 (фиг. 8 и 9) всегда прижат к определенной контактной поверхности ° Усилие .прижима контактных поверхностей, точность выполнения ползуна, материалы и род смазки, условия создания смазочного. слоя и его поддержание в процессе работы аналогичны . описанным устройствам.

Преимущество замены жидкометалли-. ческого контакта смазкой с толщиной слоя, обеспечивающим токопроводность, выра кается в понижении доли активного сопротивления при работе высокочастотного (волноводного)соединения на высокой скорости вращения и более устойчивой токопроводности при воздействии на него вибрации и ударов.

Для надежной работы предлагаемо"

ro устройства необходимо равномерное распределение смазки .по всей поверхности касания поверхностей во время вращения одной из них. Так как источ; ник поступления смазки находится практически на равном расстоянии между наружным и внутренним радиусом круга (фиг. 10), то под действием центробежной силы избыток смазки будет. у наружного края торца. Отток избыточного количества смазки в центральную (внутреннюю) область трения ocy" ществляется путем введения в конструкцию дополнительных канавок. Внешняя кольцевая канавка 11 и внутренняя кольцевая канавка 12 соединены . дополнительными канавками 13 и 14 (фиг. 10). Канавка 14 выполнена по закону параболы, например

2 .2 х.= --- Ry, 3 где к -соседний радиус внутренней кольцевой канавки, причем начало координат расположено на внешней канавке 11.

Дополнительная канавка 13 выполняется симметрично канавке 14 относительно диаметра трубы, т.е. оси У (фиг. 10). Канавки 11 и 12 предназна чены для предотвращения вытекания . смазки за пределы касания трущихся поверхностей. Кроме того, внутренняя канавка 12 соединяет дополнитель" ные канавки во внутренней области касания.

11 9360

Две симметрично расположенных относительно оси У дополнительных канавки дают возможность работать вращающемуся соединению как с вращением подвижной секции по часовой стрелке $ так и против. Избыток смазки, образованный постепенным сползанием Ее под действием центробежной силы к наружному краю, накапливается в кольцев и канавке 1! и возврат ее во внутренние 10 области касания осуществляется по одной из дополнительных канавок. Одна .иэ канавок является входной, а другая выходной. Входной канавкой является та, которая образует острый угол 1$ с внешней кольцевой канавкой 11 по ходу вращения подвижной контактной поверхности. Вторая дополнительная канавка выполняет роль выходной канавки, замыкая систему входная 20 внутренняя — выходная канавки.

При движении смазки по указанному пути часть ее захватывается подвижной (вращающейся) контактной поверхностью, улучшая равномерность сма- . 25 зочного слоя в зоне трения. В случае отсутствия внутренней кольцевой канавки (например, проводник сплошной, для которого внутренняя канавка необязательна) дополнительные канав- 5В ки 13 и 14 соединяются за центром вращения. Форма кривой дополнительной канавки и расположение этой кривой на торцовой поверхности выбирается следующим образом. Частица смаз- 3 ки движется от внутренней области касания к внешней кольцевой канавке под действием сил жидкостного трения и центробежной силы, причем величина центробежной силы невелика. Поэто- 46 му частица движется по спирали с увеличивающимся шагом, т .е. по логарифмической спирали. Характер кривой говорит за то, что чем дальше от центра вращения, тем более пологой становится траектория движения частицы. Сказывается влияние центробежной силы. Если жидкость двигается по канавке, радиус кривизны которой уменьшается по мере удаления от цент$0 ра вращения, то условия для ее продвижения неблагоприятны. Следовательно, выходной канал должен иметь фор- . му кривой 2-ro порядка с началом на внешней кольцевой канавке.

$$

Движение, смазки по входной канавке осуществляется под влиянием силы жидкостного трения и силы, создаваемой током жидкости во внешней кольце95

12 вой канавке. Противодействует им сила трения жидкости о стенки и дно дополнительной канавки. Поэтому во внимание можно принять только силу жидкостного трения. Наименьшая работа по перемещнию частицы жидкости от внешней .канавки к внутренней получена при движении ее (частицы) по кривой, касательная к которой образует наивысший угол с перпендикуляром к радиусу иэ центра вращения контактной по- . верхности. Лучше всего такому условию отвечает ветвь параболы, начало которой лежит на внешней канавке.

На основании изложенного дополнительные канавки выполнены по параболической кривой, начало которых лежит на внешней кольцевой канавке, и симметрично относительно диаметра внешней кольцевой канавки. Фокусное расстояние параболы находится в зависимости от соотношения радиусов внутренней и внешней кольцевых канавок.

Например, при 1 .вн = 30 мм и R>>e ®=

=50 мм уравнение параболы близко к выражению

x = RYi

3 где R - средний радиус внутренней кол ьце вой кан ав ки .

Предлагаемое расположение и форма канавок обеспечивает значитегьно лучeeg распределение смазки на контактной поверхности, чем кольцевые канавки, соединенные прямыми или дугообразными канавками, Предлагаемая система канавок значительно уменьшает,ток жидкости из области касания контактных поверхностей, сокращая расход годной к употреблению смазки.

Уменьшение выброса смазки имдет особое значение для устройств, предназначенных для длительной эксплуатации без осмотров, к числу которых относятся рассматриваемые вращающиеся соединения.

Таким образом, предлагаемое вращающееся слаботочное контактное соединительное устройство (его варианты) обладает повышенной надежностью электрического соединения при больших скоростях вращения по сравнению с известными с жидкометаллическим контактом.

Данное устройство может быть использовано в линиях связи и измерительных линиях, работающих в условиях постоянногс или прерывистого вращеформула изобретения

13 9360 ния с частичным или полным поворотом подвижной секции, вокруг оси: в сис- теме управления измерительного поворотного устройства, в антенно-фидерной линии вращающейся антенны и др.

Преимущества предлагаемого соединительного устройства проявляются при передаче слаботочных сигналов, уровень которых близок к уровню контактных шумов. о

1. Вращающееся контактное соеди- и нительное устройство, содержащее выполненные в виде цилиндрических проводников подпружиненную подвижную секцию и неподвижную секцию, имеющую на торцовой контактной поверхности внешнюю и внутренною концентрические кольцевые канавки с токопроводящей жидкостью, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения надежности электрического контакта при больших скоростях вращения, в торцовой поверхности неподвижной секции выполнен паз дугообразной формы с радиусами кривизны, меньшими внешнего, но большими внутреннего радиуса концентрических кольцевых

95 14 канавок, внутри паза установлен с зазором ползун, повторяющий форму паза и подпружиненный со стороны основания паза, полость зазора заполнена консистентной смазкой в объеме, превышающем объем слоя граничного трения между торцовыми поверхностя" ми неподвижной и подвижной секциями.

2. Устройство по ° 1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности энергетического контакта при больших скоростях враще" ния, между дугами внутренней и внешней кольцевых канавок выполнены дополнительные канавки, симметричные относительно диаметра торца, которые сопряжены с указанными дугами и име" .ют форму кривых второго порядка, например форму параболитической кривой с началом координат на внешней канавке и фокусным расстоянием, равным 1/6 радиуса внутренней кольцевой канавки.

Источники информации, принятые Во внимание при экспертизе

1. Патент СЫА и 3835436, кл. Н 01 R39/28,,1974.

2. Авторское свидетельство СССР и 416796, кл. Н 01 R 39/30» 1979

3. Авторское свидетельство СССР и 221082, кл. Н 01 Р 1/06, 1967.