CN110287515B - 多场耦合空间用导电滑环磨损建模及寿命预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种空间用导电滑环摩擦磨损的建模分析及寿命预测方法，以克服现有载流摩擦磨损难以定量评估、寿命难以预测的问题。所述摩擦磨损分析方法包括：粘着磨损理论计算方法、赫兹理论、传热学理论计算摩擦副运行过程中的磨屑量、接触区域、温度变化，解决热力电三者之间相互影响的耦合关系；对导电滑环运行失效过程进行量化分析，建立不同环境和条件参数下，磨屑量和跑和圈数的对应模型，从而预测导电滑环的跑和寿命，为实际加工过程中滑环的寿命评估提供技术和数据支持。
Description
技术领域
本发明涉及一种滑环寿命预估方法，具体是空间滑环基于磨损建模的寿命预测方法。
背景技术
导电滑环作为卫星太阳电池阵驱动机构(SADA)产品的核心部件，其主要作用为在相对旋转的太阳帆板和星体间传输电功率与信号，是整星少数几个单点失效环节之一，其工作可靠与否，直接关系到整星能源供给与任务成败，是飞行器名副其实的“生命线”。应对新一代长寿命卫星对关键部件高可靠性与长寿命的新要求，导电滑环在设计方法、新材料研制、摩擦学性能、长寿命维持、高精度制造工艺方法均存在巨大的需求。
由于滑环本身的特殊性，对其进行寿命试验费用昂贵，在材料筛选、硬度匹配上只有依赖昂贵的试验进行研究，在多场耦合摩擦副磨损理论层面，目前多数研究集中载流摩擦运行过程中的摩擦副接触电阻、导电性、接触热的变化及运行机理揭示，但未针对载流摩擦副运行过程中磨损提出量化的计算和寿命评估方法。
盘式滑环作为导电滑环的常见种类，用于航天电流与数据传输，受安装空间的尺寸限制、多通路数和较高的使用频率，特别受真空环境的影响，滑环单点失效会造成整机的电流和数据传输的失败，导致任务失败。盘式滑环通过电刷触头与汇流盘成接触，形成回路，将信号与数据传输到星体。电刷触头与汇流盘因电流通过，温度上升，加速两者之间磨损；在电刷与汇流盘之间在接触载荷作用下，两者之间产生摩擦，进一步加剧磨损。摩擦副在接触载荷、电流流通的情况下，处于热、力与电三场耦合环境，相互影响加剧磨损，当磨损产生磨屑量到达一定量时，滑环的导电性能将受到严重影响，最后导致滑环失效。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种多场空间用滑环摩擦磨损分析及寿命预测的方法，从理论层面揭示磨损机理，通过实验验证模型，为摩擦副材料的筛选，应力条件的配置提供理论参考和数据支持，对滑环设计和试验提供参考。
本发明所采用的技术方案是：一种多场耦合空间用导电滑环磨损建模及寿命预测方法，包括步骤如下：
步骤一、运用赫兹理论，计算导电滑环摩擦副接触面积；
步骤二、对导电滑环摩擦副场产生的热量进行温升分析，利用热平衡原理得出摩擦副的温升；
步骤三、利用接触面积、摩擦系数、接触载荷与受温升影响的材料特性参数，带入磨损量的失效阈值，计算获得滑环的跑和圈数，得到滑环的寿命。
步骤一中，导电滑环摩擦副中触头和汇流盘的接触面积
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其中，r为当量曲率半径，E为当量弹性模量，F为触头和汇流盘上的法向接触压紧力；
当量曲率半径r＝rb；
其中，rb为触头与汇流盘初始接触点处触头的曲率半径；
当量弹性模量
其中，Er与ER分别为触头和汇流盘材料的弹性模量，ur与uR分别为触头和汇流盘材料的泊松比。
步骤二中对导电滑环摩擦副场产生的热进行温升分析的具体步骤如下：
步骤2.1、计算摩擦副焦耳热，包括接触电阻产生焦耳热和电流通过汇流盘产生的焦耳热；
步骤2.2、计算触头与汇流盘间滑动摩擦产生的摩擦热；
步骤2.3、对摩擦副产热、散热进行热平衡计算，得到摩擦副的温升。
步骤2.1中，接触电阻产生焦耳热的功率P1＝I2R1；
其中，I为导电滑环工作电流，R1为触头与汇流盘之间的接触电阻值；
电流通过汇流盘的产热功率
其中，rc表示汇流盘圆盘半径，ρ为盘面镀层材料电阻率。
步骤2.2中，触头与汇流盘间滑动摩擦产生的摩擦热功率P3＝μ·F·v；
其中μ代表汇流盘与触头间的摩擦系数，v为触头和汇流盘间的相对速度。
步骤2.3中：温升
其中，Sa为单个盘道的有效散热面积；C0为常数。
所述步骤三中，滑环寿命的具体计算步骤如下：
步骤3.1、根据摩擦系数μ计算得到粘着磨损因子fm：
步骤3.2、根据粘着磨损因子fm和摩擦副失效时的路程S，计算得到粘着磨损强度阈值σm：
其中，
kv为粘着磨损常系数，H为材料硬度；
摩擦副失效时的磨损体积V0＝δ·At；δ为摩擦副磨屑厚度；
步骤3.3、计算获得实际粘着磨损强度σ：
其中，n为安全系数，λm为材料影响系数：
由通用公式
计算获得汇流盘的粘着磨损强度σ1和触头的粘着磨损强度σ2；/>
步骤3.4、计算摩擦副磨屑厚度δ：当触头和盘面结构摩擦副实际磨损强度超过粘着磨损强度σm时，导电滑环失效，令盘面结构镀层磨去厚度为δ1，触头结构磨去厚度为δ2，由能量守恒得：
δ1+δ2＝δ，
由上述三式获得路程S：
步骤3.5、根据S＝t·ω·rc和t＝N·T计算导电滑环摩擦副运转次数N：
其中，t表示滑环失效时间长度，T为摩擦副运转一次所需时间；C为导电滑环摩擦副中汇流盘的周长，H1、H2分别代表触头、汇流盘硬度值。
多场耦合空间用导电滑环磨损建模及寿命预测方法满足如下试验环境条件：导电滑环连续跑合，环境条件要求控制在真空度优于1×10-3Pa，温度控制在：20±5℃，导电滑环跑合速度为0.3r/min，通电，功率环通7A，信号环通0.25A电流。
应用所述多场耦合空间用导电滑环磨损建模及寿命预测方法进行寿命预测的导电滑环满足如下技术性能指标：静摩擦力矩≤1Nm、绝缘电阻≥200MΩ、跑和过程中静态接触电阻变化值Δs≤5mΩ、动态接触电阻变化值Δd≤5mΩ。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)针对导电滑环摩擦副接触的热力电多场耦合问题，分别计算接触载荷、电流传输产生的热量，再通过热平衡计算接触区域稳态温度，将热力电多场耦合关系转化为热量关系，解决导电滑环多场耦合问题；
(2)针对导电滑环摩擦副磨损难以量化问题，将粘着磨损近似线性规律，同时结合多物理场耦合下接触区域稳态温度对接触区域的影响，建立了导电滑环摩擦副磨损的磨屑量与跑和圈数对应关系模型，实验结果验证其有效性；
(3)应用导电滑环摩擦副在多场耦合建模方法，计算不同摩擦副匹配条件下的磨损情况，填补了相关领域的理论空白对滑环的设计和试验有较好的参考意义，避免了传统方法进行大量实验所需的高昂费用。
附图说明
图1为本发明的空间用导电滑环摩擦磨损分析与寿命预测方法流程图；
图2为盘式滑环摩擦副赫兹接触简化示意图；
图3为导电滑环摩擦副实验流程图；
图4为模型计算结果与试验结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1所示，本发明提供的空间用导电滑环摩擦磨损分析与寿命预测方法，包括如下步骤：
步骤一、运用赫兹理论，进行滑环摩擦副接触面积的计算；
导电滑环摩擦副接触属于点与点接触，且导电滑环触头近似为椭球状，触头与汇流盘接触产生弹性变形，导电滑环摩擦副变形影响着滑环摩擦副接触区域，影响摩擦副磨损严重程度，本发明通过赫兹理论计算两者之间弹性变形接触区域，由赫兹理论可知摩擦副接触模型如图2所示，当触头与汇流盘接触时，近似的把接触面看成半径为c的圆。
设E为当量弹性模量、F为两球体上的法向接触压紧力、r为当量曲率半径、c为圆形摩擦副接触面的半径，推导出触头和汇流盘两者的接触面积At为：
当量曲率半径r的计算公式为：
其中，rb与Rb分别为小球体和大球体初始接触点处的曲率半径；
当量弹性模量E的计算公式为：
其中，Er与ER分别为小球体和大球体材料的弹性模量，ur与uR分别为小球体和大球体材料的泊松比；
赫兹理论进行摩擦副接触面积的计算时，认为盘面曲率半径Rb应取无穷大，即取极限后的当量曲率半径r值为rb。
步骤二、对摩擦副场产生的热量进行温升分析，结合热平衡原理得出摩擦副的温升；
摩擦副温升包括两部分，一是摩擦副摩擦产生的热量，二是摩擦副通电产生的焦耳热，具体计算方法的步骤为：
(1)摩擦副焦耳热的计算；
(2)触头汇流盘间滑动摩擦产生的摩擦热计算；
(3)对摩擦副产热、散热进行热平衡计算，得到摩擦副的温升。
温升计算方法(1)步骤的具体实现为：
接触电阻产热计算公式：P1＝I2R1 (4)；
其中，P1为接触电阻产生焦耳热的功率，I为导电滑环工作电流，R1为触头与汇流盘之间的接触电阻
通过积分求解触头旋转一周汇流盘产生的焦耳热计算公式为：
其中,P2表示电流通过汇流盘的产热功率，R2为摩擦副运行过程中的总电阻，rc表示汇流盘圆盘半径，ρ为盘面镀层材料电阻率，π为圆周率常数；
上式(5)中，R2为触头与汇流盘之间接触电阻，I为导电滑环工作电流；电流流经汇流盘产生焦耳热，电流经过触头分两条之路流经汇流盘，最后经过导线传出，输入到星体，电流流入过程中，电阻随着触头运动处于动态变化，电流通过左右两侧动态电阻(RL与RR)产生热量，则通过以下式子得出电阻变化规律R2的计算公式为：
RL＝rc·θ·ρ (7)；
RR＝rc·(2π-θ)·ρ (8)；
其中，式(6)(7)(8)中，RL与RR分别为电流流经盘面时的左侧与右侧盘道电阻，两者随着触头位置变化而处于动态变化，最后由(6)(7)(8)得出式(5)。
温升计算步骤(2)的具体实现为：
P3＝μ·F·v (9)
其中，P3代表摩擦生热功率，μ代表汇流盘与触头间的摩擦系数，v为触头和汇流盘间的相对速度。
温升计算方法(3)的具体实现步骤为：
(1)触头与汇流盘在动态接触中由于焦耳热、摩擦热的产生，温度一直处于上升状态，因为工作环境中为真空，则热传递方式为热辐射，通过汇流盘接触面传递，随着温度上升，传递热量与产生热量近似平衡，温度将处于平衡状态，通过热辐射公式计算散热量，散热公式为
其中C0为黑体辐射系数，数值为C0＝5.76W/(m2·K4)；
上面提出的热辐射公式是假设汇流盘是理想黑体，实际中往往不存在黑体，但为了达到工程实际的需要可以作为近似，不影响最后的分析结果。
(2)将接触电阻产生的焦耳热与触头与汇流盘间滑动摩擦热叠加到汇流盘盘面上，进而考虑以汇流盘为主的热辐射与摩擦副所产热的热平衡，计算稳态的温升，计算公式为
式中，Sa为单个盘道面积，Tt单位面积产热功率与散热功率相等时的稳态温度；
(3)、由式(4)(5)(9)(11)得Tt表达式为：
步骤三、结合接触面积、摩擦系数、接触载荷与受温升影响的材料特性参数，带入磨损量的失效阈值，得出滑环的跑和圈数，即滑环的寿命。
滑环摩擦副磨损过程可分为：跑合阶段、稳定磨损阶段、剧烈磨损阶段三个阶段。稳定磨损阶段时间长短决定着滑环摩擦副寿命，稳定磨损阶段是滑环摩擦副产生磨屑量的主要阶段，若忽略摩擦副的润滑状态、表面膜因素影响，稳定磨损阶段下，导电滑环摩擦副稳定阶段粘着磨损满足如下基本定律：
(1)磨损的体积与滑动距离、载荷成正比；
(2)磨损产生磨屑量与较软的一种材料的屈服极限(或硬度)成反比。在稳定磨损阶段下，粘着磨损产生的磨屑体积V0为：
其中，S为摩擦副触头滑动路程，kv为粘着磨损常系数，需要在试验中测定，H为材料硬度，其受温度影响。
滑环寿命的计算方法，具体包括以下步骤：
(1)根据摩擦系数μ得到粘着磨损因子fm：
粘着磨损因子fm表示摩擦副磨损程度，粘着磨损因子fm越大，说明摩擦副的磨损越严重。
(2)根据粘着磨损因子fm和摩擦副失效时的路程S，得到粘着磨损强度阈值σm，计算公式如下：
其中，摩擦副失效时的磨损体积V0＝δ·At (16)
δ为摩擦副磨屑厚度，
由(15)、(16)得到粘着磨损强度阈值σm的另一种形式：
(3)当镀层厚度，材料硬度，磨损系数一定时，粘着磨损强度为定值。工程实际中，滑环会受到材料、粘着磨损颗粒等因素的影响，所以实际粘着磨损强度σ，计算公式为：
其中，n为安全系数，大于1；由此通式可得汇流盘和触头的粘着磨损强度σ1与σ2，λm为材料影响系数，计算公式如下：
(4)计算摩擦副磨屑厚度δ，当触头和盘面结构摩擦副实际磨损强度超过粘着磨损强度σm时，导电滑环失效。摩擦副磨损过程中，触头与盘面结构在某一瞬间获得的能量密度分别为总能量的一半。令盘面结构镀层磨去厚度为δ1，触头结构磨去厚度为δ2。由能量守恒得式(20)(21)(22)：
δ1+δ2＝δ (22)
由上三式可得路程S表达式：
(5)计算摩擦副运转次数N:
路程S又可通过式(24)得到，
S＝t·ω·rc (24)；
ω为汇流盘的旋转角速度；
其中，t表示滑环失效时间长度，计算方法如式(25)：
t＝N·T (25)；
ωT＝2π； (26)
其中，T为摩擦副运转一次所需时间；
联立(23)-(26)，带入相关表达式，可得滑环摩擦副运转次数N：
其中，C为导电滑环摩擦副中汇流盘的周长，H1、H2分别代表触头、汇流盘硬度值，σ1和σ2由式(18)得来。
摩擦副运转次数计算需要滑环摩擦副接触面积、摩擦副材料硬度。摩擦副接触面积受接触载荷影响，材料硬度受摩擦副接触温度影响，而温度计算受摩擦副电流、温度、载荷因素影响。摩擦副寿命计算将热力电多物理场耦合因素考虑，构建的多场耦合磨损计算模型从而可实施滑环摩擦副寿命预测。
滑环的寿命最后是以圈数的形式体现，想得知相应在轨寿命直接进行折合即可。
多场耦合空间用导电滑环磨损建模及寿命预测方法中，模型所得寿命结果是基于一定试验环境条件的：连续跑合，环境条件要求控制在真空度优于1×10-3Pa，温度控制在：20±5℃，导电滑环跑合速度为0.3r/min，正常通电，功率环通7A，信号环通0.25A电流。
用于预测的滑环是满足一定技术性能指标的：静摩擦力矩≤1Nm、绝缘电阻≥200MΩ(500V)、跑和过程中静态接触电阻变化值Δs≤5mΩ、动态接触电阻变化值Δd≤5mΩ。
为了验证多场耦合磨损计算模型的正确性，采用导电滑环摩擦副磨损实验数据进行分析，并与多物理场耦合模型摩擦副模型计算结果比较，本发明将某厂制造的导电滑环作为实验对象，试验方案如图3所示，其中大气跑和试验用于模拟导电滑环摩擦副在初始运行阶段磨损跑和阶段，是使得导电滑环进入稳定磨损阶段；真空跑和试验模拟导电滑环稳定磨损阶段，采集导电滑环在真空环境跑和试验后的磨屑量，作为多物理摩擦副耦合模型的输入，计算在规定磨屑量下导电滑环运转圈数，与真空跑和实验的运转次数进行对比。
将导电滑环摩擦副试验的摩擦副参数、试验环境参数作为多物理场耦合摩擦副模型试验的条件参数，且设置滑环摩擦副同样运转5万次，按照表1所示接触载荷参数进行试验，比较多物理场耦合模型计算磨屑结果与实际产生差异，验证多物理场耦合模型的正确性与可靠性，多物理场耦合摩擦副模型试验结果如图4所示。
表1多物理场耦合摩擦副试验载荷
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。
Claims (7)
1.一种多场耦合空间用导电滑环磨损建模及寿命预测方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤一、运用赫兹理论，计算导电滑环摩擦副接触面积；
步骤二、对导电滑环摩擦副场产生的热量进行温升分析，利用热平衡原理得出摩擦副的温升；
步骤三、利用接触面积、摩擦系数、接触载荷与受温升影响的材料特性参数，带入磨损量的失效阈值，计算获得滑环的跑和圈数，得到滑环的寿命；
步骤一中，导电滑环摩擦副中触头和汇流盘的接触面积
其中，r为当量曲率半径，E为当量弹性模量，F为触头和汇流盘上的法向接触压紧力；
当量曲率半径r＝rb；
其中，rb为触头与汇流盘初始接触点处触头的曲率半径；
当量弹性模量
其中，Er与ER分别为触头和汇流盘材料的弹性模量，ur与uR分别为触头和汇流盘材料的泊松比；
所述步骤三中，滑环寿命的具体计算步骤如下：
步骤3.1、根据摩擦系数μ计算得到粘着磨损因子fm：
步骤3.2、根据粘着磨损因子fm和摩擦副失效时的路程S，计算得到粘着磨损强度阈值σm：
其中，
kv为粘着磨损常系数，H为材料硬度；
摩擦副失效时的磨损体积V0＝δ·At；δ为摩擦副磨屑厚度；
步骤3.3、计算获得实际粘着磨损强度σ：
其中，n为安全系数，λm为材料影响系数：
由通用公式
计算获得汇流盘的粘着磨损强度σ1和触头的粘着磨损强度σ2；
步骤3.4、计算摩擦副磨屑厚度δ：当触头和盘面结构摩擦副实际磨损强度超过粘着磨损强度σm时，导电滑环失效，令盘面结构镀层磨去厚度为δ1，触头结构磨去厚度为δ2，由能量守恒得：
δ1+δ2＝δ，
由上述三式获得路程S：
步骤3.5、根据S＝t·ω·rc和t＝N·T计算导电滑环摩擦副运转次数N：
其中，t表示滑环失效时间长度，T为摩擦副运转一次所需时间；C为导电滑环摩擦副中汇流盘的周长，H1、H2分别代表触头、汇流盘硬度值。
2.根据权利要求1所述的一种多场耦合空间用导电滑环磨损建模及寿命预测方法，其特征在于：
步骤二中对导电滑环摩擦副场产生的热进行温升分析的具体步骤如下：
步骤2.1、计算摩擦副焦耳热，包括接触电阻产生焦耳热和电流通过汇流盘产生的焦耳热；
步骤2.2、计算触头与汇流盘间滑动摩擦产生的摩擦热；
步骤2.3、对摩擦副产热、散热进行热平衡计算，得到摩擦副的温升。
3.根据权利要求2所述的一种多场耦合空间用导电滑环磨损建模及寿命预测方法，其特征在于：
步骤2.1中，接触电阻产生焦耳热的功率P1＝I2R1；
其中，I为导电滑环工作电流，R1为触头与汇流盘之间的接触电阻值；
电流通过汇流盘的产热功率
其中，rc表示汇流盘圆盘半径，ρ为盘面镀层材料电阻率。
4.根据权利要求2所述的一种多场耦合空间用导电滑环磨损建模及寿命预测方法，其特征在于：步骤2.2中，触头与汇流盘间滑动摩擦产生的摩擦热功率P3＝μ·F·v；
其中μ代表汇流盘与触头间的摩擦系数，v为触头和汇流盘间的相对速度。
5.根据权利要求2所述的一种多场耦合空间用导电滑环磨损建模及寿命预测方法，其特征在于：步骤2.3中：温升
其中，Sa为单个盘道的有效散热面积；C0为常数。
6.根据权利要求1所述的一种多场耦合空间用导电滑环磨损建模及寿命预测方法，其特征在于：多场耦合空间用导电滑环磨损建模及寿命预测方法满足如下试验环境条件：导电滑环连续跑合，环境条件要求控制在真空度优于1×10-3Pa，温度控制在：20±5℃，导电滑环跑合速度为0.3r/min，通电，功率环通7A，信号环通0.25A电流。
7.根据权利要求6所述的一种多场耦合空间用导电滑环磨损建模及寿命预测方法，其特征在于：应用所述多场耦合空间用导电滑环磨损建模及寿命预测方法进行寿命预测的导电滑环满足如下技术性能指标：静摩擦力矩≤1Nm、绝缘电阻≥200MΩ、跑和过程中静态接触电阻变化值Δs≤5mΩ、动态接触电阻变化值Δd≤5mΩ。
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