CN113612091B - 一种适用于自阻加热热拉弯设备的大电流滑动导电装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于自阻加热热拉弯设备的大电流滑动导电装置，包括导电模块和导向模块，本发明的技术方案，不同于以往利用异形截面型材，既输送电流，又控制导向的移动输电装置设计，本发明采用模块化的设计，将电流传输的功能交给导电模块，运动的功能交给导向模块，不再受制于异形截面型材的制造能力，很大程度上提高了移动输电装置的电流负荷能力。

Description

一种适用于自阻加热热拉弯设备的大电流滑动导电装置

技术领域

本发明属于移动输电技术领域，尤其涉及一种适用于自阻加热热拉弯设备中传输大电流的移动输电装置。

背景技术

钛合金曲面构件用于支撑大型飞机复合材料的曲面蒙皮壁板。由于室温条件下钛合金变形抗力大，成形后回弹严重，残余应力大，成形精度和成形质量难以控制。为此，发展了利用钛合金型材制备曲面构件的热拉弯工艺制造技术。该工艺首先利用通电自阻加热的方法使钛合金型材达到适合热成形的温度，随后型材在该温度下拉弯贴模。运动方式如图1所示，夹钳夹住型材，转臂向上旋转，拉伸臂向外侧运动。当型材完全贴模后，进行一定时间的保温应力松弛，可以显著降低零件的残余应力，从而达到减小回弹的目的。

在整个热拉弯过程中，需要一直对钛合金型材通电加热，才能保证型材处于合适的成形温度，而用于制备飞机钛合金曲面构件的钛合金型材截面积大(2000mm²～4500mm²)。为满足快速加热和成形温度(>700℃)的需求，加热电流要达到3000A～10000A量级。为控制输电电缆的重量、成本及自身的发热问题，通常采用水冷电缆输送电流。

但水冷电缆外壳为耐高温高压无碳橡胶管，质地坚硬，刚度很大。如果将电缆直接装在拉弯夹钳处，转臂在转动过程中，电缆将无法很好的弯曲，同时给原本处于自由转动状态的拉伸臂较大的推力，从而无法实现钛合金型材大包角精确热拉弯。

为实现大电流大包角的钛合金型材热拉弯，提出分段设置水冷电缆，中间加装滑动导电装置的方法，以实现适配不同长度的钛合金型材大包角精确热拉弯。

通过前期调研发现，在工业生产中，一般通过安装滑触线与集电器的方式，使移动设备(如：电动梁式起重机，产品自动化生产线、移动式电动工具等)获得电能，从而按指令进行线性运动。其中滑触线的导电体通过挤压方法获得，一般为T型、工字型、燕尾型等异形截面纯铜型材。受型材截面积的生产限制，滑触线无法承载超大电流(5000A以上)，重量大，价格昂贵。

对于起重机等移动设备，承载电流一般为500-2000A，滑触线系统足以满足输电需求。然而，对于大截面的型材自阻加热热拉弯，传输的电流大，单根滑触线+集电器已不满足起大电流传输需求，同时由于安装空间、安装平台的承重等条件限制，不允许并排铺设多根滑触线。因此，为满足大电流的移动输电需求，设计了一种能够用于大电流传输电流且占用空间不大、经济有效的移动输电装置。

发明内容

为了解决上述已有技术存在的不足，本发明提出一种用于传输电流的移动输电装置，能够用于输电装置安装空间小，运动精度高，传输电流大(几万安培)的移动输电场合。本发明的具体技术方案如下：

一种适用于自阻加热热拉弯设备中传输大电流的移动输电装置，包括导电模块和导向模块，其中，所述导电模块与所述导向模块之间绝缘，

所述导电模块包括静止导体和至少一套运动导体，其中，所述静止导体为圆柱导体，所述运动导体包括挡板、滚动体、导电环、弹簧，所述导电环为与所述圆柱导体同轴的内部设置环状凸台的环状导体，在环状凸台的两侧沿所述圆柱导体的周向均匀布置多个所述滚动体，所述挡板沿所述圆柱导体的轴向分布在所述导电环的两侧并且中间设置通孔，所述滚动体被所述挡板、所述导电环和所述圆柱导体包围，沿所述圆柱导体的轴向方向，所述导电环与两侧的所述挡板通过螺栓串联，所述弹簧通过螺母拧紧固定安装在螺栓末端，螺母压缩所述弹簧对所述挡板施加预紧力；

所述运动导体通过导电板通过下一级用电装置的电流接入口与所述导向模块连接；

所述导向模块包括连接板，与所述导电环数量相同的滑动块、在所述导电模块下方铺设的导向滑轨，所述导向滑轨与所述圆柱导体的轴线平行；其中，所述连接板与所述下一级用电装置的电流接入口连接，所述连接板包括尺寸相同的第一绝缘层和第二绝缘层以及设置于二者之间的金属层；所述滑动块的顶部与所述连接板固定连接，底部安装在所述导向滑轨上能够滑动；所述导向滑轨的运动方向与所述圆柱导体的长度方向平行，限制所述运动导体其他方向的自由度，使围绕所述圆柱导体的滚动体距离所述圆柱导体中心轴线的距离不变，保证所述滚动体与所述圆柱导体、所述导电环的接触压力相等。

进一步地，环状凸台的每侧沿所述圆柱导体的周向均匀布置的所述滚动体的数量满足：

其中，n为滚动体数量，I为总电流，单位：A，F为接触压力，单位：N，k为影响系数,单位：N/A，为控制所述导电模块的发热量，接触压力与影响系数满足：F>60N,k>0.1N/A。

进一步地，所述运动导体还包括均匀分布在所述滚动体之间的楔形块，所述楔形块采用电木或聚四氟乙烯。

进一步地，所述挡板采用绝缘材料，所述滚动体和所述导电环采用铜或铜合金材料，表面镀金、银。

进一步地，所述圆柱导体为实心圆柱或通入循环冷却水的空心圆柱。

进一步地，所述导电环为实心圆环或通入循环冷却水的空心圆环。

进一步地，所述滚动体上涂覆导电润滑脂。

进一步地，所述滚动体为球体、圆柱体或圆台。

进一步地，所述导向滑轨采用铬轴承钢材料。

进一步地，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层的材料为电木或玻璃纤维板。

本发明的有益效果在于：

1.本发明不同于以往利用异形截面型材，既输送电流，又控制导向的移动输电装置设计，本发明采用模块化的设计，将电流传输的功能交给导电模块，运动的功能交给导向模块，不再受制于异形截面型材的制造能力，很大程度上提高了移动输电装置的电流负荷能力。

2.本发明的导电模块通过在导电环、圆柱导体之间填充多个导电滚动体，可将电流在滚动体处分流，降低了单个滚动体的电流载荷，减少了发热。同时在导电模块运动过程中，导电滚动体对导电环、圆柱导体之间有滚滑运动，能够去除电接触面之间的氧化层，减少接触电阻，保证电流的有效传输。

3.本发明的导向模块与导电模块之间固连，既可以限制导电模块的自由度，使其严格沿圆柱导体的长度方向运动，又可以承载导电模块的重量，并调节导电模块的高度，进而调节导电环套在圆柱导体的四周间隙，在减少导电模块运动阻力的同时，保证电流较均匀的从导电滚动体分流。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。其中：

图1是自阻加热热拉弯设备运动方式示意图；

图2是本发明的导电模块示意图；

图3是本发明的导电模块剖面图；

图4是本发明的双导运动导体连接示意图；

图5是本发明的导电模块与导向模块(直线往复运动)装配示意图；

图6是本发明的导电模块与导向模块(旋转运动)装配示意图；

图7为本发明实验的电势分布仿真以及温度仿真分布云图；

图8为滚动体通电后实测温度分布云图；

图9为滚动体在不同接触压力下电流与最高温度的实测曲线图。

附图标号说明：

1-圆柱导体；2-螺栓；3-楔形块；4-挡板；5-滚动体；6-导电环；7-弹簧；8-螺母；9-导电板；10-第一绝缘层；11-金属层；12-第二绝缘层；13-滑动块；14-导向滑轨；15-下一级用电装置的电流接入口。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

如图2-3和图5所示，一种适用于自阻加热热拉弯设备中传输大电流的移动输电装置，包括导电模块和导向模块，其中，导电模块与导向模块之间绝缘，导电模块包括静止导体和至少一套运动导体，其中，静止导体为圆柱导体1，运动导体包括挡板4、滚动体5、导电环6、弹簧7，导电环6为与圆柱导体1同轴的内部设置环状凸台的环状导体，在环状凸台的两侧沿圆柱导体1的周向均匀布置多个滚动体5，挡板4沿圆柱导体1的轴向分布在导电环6的两侧并且中间设置通孔，滚动体5被挡板4、导电环6和圆柱导体1包围，挡板4对滚动体5施加压力，使滚动体5和圆柱导体1之间、滚动体5和导电环6间有足够的接触压力，挡板4通过螺栓2在导入-导出电流的同时，能够沿圆柱导体1移动，实现移动输电的需求。

为保证滚动体5和圆柱导体1之间、滚动体5和导电环6之间的接触电阻足够小，在输电装置运动过程中，应时刻保持滚动体5和圆柱导体1之间、滚动体5和导电环6之间有足够的接触压力，为此，如图3所示，本发明设计的结构形式可施加接触压力并有可调效果。沿圆柱导体1的轴向方向，导电环6与两侧的挡板4通过螺栓串联，弹簧7通过螺母拧紧固定安装在螺栓末端，螺母压缩弹簧7对挡板4施加预紧力；足够的接触压力才能保证接触电阻足够小，否则将会在松动的局部区域发热严重，以及局部电势的增大。

运动导体通过导电板9和下一级用电装置的电流接入口15与导向模块连接；

导向模块包括连接板，与导电环6数量相同的滑动块13、在导电模块下方铺设的导向滑轨14，安装时要求导向滑轨14与圆柱导体1的轴线平行；其中，连接板与下一级用电装置的电流接入口15连接，连接板包括尺寸相同的第一绝缘层10和第二绝缘层12以及设置于二者之间的金属层11；滑动块13的顶部与连接板固定连接，底部安装在导向滑轨14上能够滑动，导电模块与导向模块紧密连接在一起，并由导向模块实现承重、导向以及导电模块调心的作用；导向滑轨14的运动方向与圆柱导体1的长度方向平行，限制圆柱导体1其他方向的自由度，使滚动体5距离圆柱导体1中心轴线的距离不变，保证滚动体5与圆柱导体1、导电环6的接触压力相等，保证了电流均布的通过每个滚动体5。

导电模块中运动导体的重量不会加载到静止导体即圆柱导体1上，大部分重量由导向模块承担，减轻了圆柱导体1的负担，使导电模块在运动过程中阻力更小，更加顺滑。

工作过程中，电流从圆柱导体1流入，与圆柱导体1紧密接触的滚动体5将圆柱导体1上的大电流并联分流，分散成多条电流支路，最终汇总导入导电环6，导电环6将大电流导出，再经导电板9汇总，流入下一级用电装置的电流接入口15中。

滑动块与导电模块固定连接，如图5所示，导向模块本身仅有一个自由度，只能做直线往复运动。导向模块中的多个滑动块与导电模块为固定连接，可以限制导电模块的多个自由度，导向模块的动力源能够加载在下一级用电装置的电流接入口15或安装在滑动块13上。当导向模块进行直线运动时，与导向模块固定连接的导电模块将沿圆柱导体1的轴向运动，完成移动输电。

环状凸台的每侧沿圆柱导体1的周向均匀布置的滚动体5的数量满足在电流一定的情况下，接触压力与滚动体数量成反比。具体地，满足关系式：

其中，n为滚动体数量，I为总电流，单位：A，F为接触压力，单位：N，k为影响系数,单位：N/A，为控制所述导电模块的发热量，接触压力与影响系数满足：F>60N,k>0.1N/A。

为防止滚动体5在沿着圆柱导体1长度方向运动过程中，因空隙产生电弧放电，使用楔形块3塞入到滚动体5中，图3中放置了两个楔形块，可按实际情况均布塞入多个楔形块。楔形块3可采用电木或聚四氟乙烯等强度较高的绝缘材料，同时对表面的粗糙度提出加工要求Ra<1.6μm，保证与滚动体5接触时的摩擦系数足够小。

挡板4选择摩擦系数低的绝缘材料，如聚四氟乙烯等。滚动体5和导电环6采用铜或铜合金材料，表面镀金、银等电阻率小导电率高且能够阻止氧化的材料。

圆柱导体1为实心圆柱或空心圆柱，对空心圆柱导体通入循环冷却水可以进行降温，同时重量得以减轻。

导电环6为实心圆环或通入循环冷却水的空心圆环。

为降低滚动体5的摩擦力，滚动体5上涂覆导电润滑脂。

滚动体5为球体、圆柱体或圆台。相应的，与滚动体5接触的导电环6、挡板4、楔形块3的形状都应做调整，保证滚动体5与导电环6、挡板4、楔形块3在运动过程中保持一定的接触压力。

导向滑轨14采用铬轴承钢材料，如刚度较好的G20CrMo、GCr15等。导向滑轨能够用滚轮导向导、圆柱导向导轨或滚珠导向导轨替代，其大小根据实际导电模块的重量按需定制。

图4为两排滚动体5的结构形式，但不限于两排，滚动体5与导电环6的接触点越多，移动输电装置能承载的电流总和越大，图4是将两套运动导体通过导电板9连接起来，使通过两套运动导体分流的电流合并汇总在一起，并传递到下一用电设备中去。导电板9的材料可以采用铜、铜合金等导电性好的材料，表面可以镀金、银等电阻率小且能够阻止氧化的材料。

如图5所示，为做到下一级用电装置的电流接入口15与导向模块绝缘，第一绝缘层10和第二绝缘层12的材料为电木或玻璃纤维板等绝缘材料。同时，连接绝缘层的螺栓需采用绝缘材料，如高强度尼龙或陶瓷。

如果对导向模块加以改造，本发明的移动输电装置可从沿圆柱导体1长度方向的线性运动转变成绕圆柱导体1轴线的旋转运动。如图6所示，圆柱导体为固定端，导电模块可在传输电流的同时，围绕圆柱导体旋转。

为了对本发明的移动输电装置的可行性进行验证，确保装置在运行过程中安全有效，进行了仿真模拟试验与实际通电试验。

首先利用有限元仿真技术中的电热耦合仿真方法，对通电的移动输电装置进行通电模拟，获得电流、电势及温度分布结果。

从左侧管状截面输入电流10000A，底部设置为0电势面，材料设置为T2紫铜。管状内部为水冷换热，其余部分为自然对流散热。计算结果如图7所示。

经过仿真可以看出，本发明的移动输电装置在并行两个集电环的情况下，电路压降为14.88mV，所占电压很小；本发明的移动输电装置最终平衡温度为26.4℃，比室温高出1.4℃，不会造成明显的发热。

仿真中，设置的电流只从圆柱导体的一端流入，因此导电的各滚动体所分担的电流并不相等，进一步分析仿真数据，选择电流最大的滚动体，按公式

获得通过滚动体的最大电流为235.34A，以此为标准设计滚动体的通电试验，如表1所示。

表1 单个滚动体的电势分布

为了测量在给定压力、电流的情况下，铜球的实际温升、温升速率，观察在滚动、通电过程中是否发生焊合、放电现象。利用热像仪获得滚动体的温度分布，记录不同电流、不同压力下，滚动体最终的平衡温度，如图8和图9所示，可以看出，增大滚动体与导电接触板之间的接触压力，可降低滚动体的最高温度。同时考虑到摩擦阻力会影响导电模块的运动，接触压力应控制在一定范围内。

以上结果表明，本发明装置中的滚动体与导电环之间，增大接触压力的情况下，能够有效控制发热温度。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于自阻加热热拉弯设备的大电流滑动导电装置，其特征在于，包括导电模块和导向模块，其中，所述导电模块与所述导向模块之间绝缘，

所述导电模块包括静止导体和至少一套运动导体，其中，所述静止导体为圆柱导体(1)，所述运动导体包括挡板(4)、滚动体(5)、导电环(6)、弹簧(7)，所述导电环(6)为与所述圆柱导体(1)同轴的内部设置环状凸台的环状导体，在环状凸台的两侧沿所述圆柱导体(1)的周向均匀布置多个所述滚动体(5)，所述挡板(4)沿所述圆柱导体(1)的轴向分布在所述导电环(6)的两侧并且中间设置通孔，所述滚动体(5)被所述挡板(4)、所述导电环(6)和所述圆柱导体(1)包围，沿所述圆柱导体(1)的轴向方向，所述导电环(6)与两侧的所述挡板(4)通过螺栓串联，所述弹簧(7)通过螺母拧紧固定安装在螺栓末端，螺母压缩所述弹簧(7)对所述挡板(4)施加预紧力；

所述运动导体通过导电板(9)通过下一级用电装置的电流接入口(15)与所述导向模块连接；

所述导向模块包括连接板，与所述导电环(6)数量相同的滑动块(13)、在所述导电模块下方铺设的导向滑轨(14)，所述导向滑轨(14)与所述圆柱导体(1)的轴线平行；其中，所述连接板与所述下一级用电装置的电流接入口(15)连接，所述连接板包括尺寸相同的第一绝缘层(10)和第二绝缘层(12)以及设置于二者之间的金属层(11)；所述滑动块(13)的顶部与所述连接板固定连接，底部安装在所述导向滑轨(14)上能够滑动；所述导向滑轨(14)的运动方向与所述圆柱导体(1)的长度方向平行，限制所述运动导体其他方向的自由度，使围绕所述圆柱导体(1)的滚动体(5)距离所述圆柱导体(1)中心轴线的距离不变，保证所述滚动体(5)与所述圆柱导体(1)、所述导电环(6)的接触压力相等。

2.根据权利要求1所述的一种适用于自阻加热热拉弯设备的大电流滑动导电装置，其特征在于，环状凸台的每侧沿所述圆柱导体(1)的周向均匀布置的所述滚动体(5)的数量满足：

其中，n为滚动体数量，I为总电流，单位：A，F为接触压力，单位：N，k为影响系数,单位：N/A，为控制所述导电模块的发热量，接触压力与影响系数满足：F>60N,k>0.1N/A。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于自阻加热热拉弯设备的大电流滑动导电装置，其特征在于，所述运动导体还包括均匀分布在所述滚动体(5)之间的楔形块(3)，所述楔形块(3)采用电木或聚四氟乙烯。

4.根据权利要求1或2所述的一种适用于自阻加热热拉弯设备的大电流滑动导电装置，其特征在于，所述挡板(4)采用绝缘材料，所述滚动体(5)和所述导电环(6)采用铜或铜合金材料，表面镀金或银。

5.根据权利要求1或2所述的一种适用于自阻加热热拉弯设备的大电流滑动导电装置，其特征在于，所述圆柱导体(1)为实心圆柱或通入循环冷却水的空心圆柱。

6.根据权利要求1或2所述的一种适用于自阻加热热拉弯设备的大电流滑动导电装置，其特征在于，所述导电环(6)为实心圆环或通入循环冷却水的空心圆环。

7.根据权利要求1或2所述的一种适用于自阻加热热拉弯设备的大电流滑动导电装置，其特征在于，所述滚动体(5)上涂覆导电润滑脂。

8.根据权利要求1或2所述的一种适用于自阻加热热拉弯设备的大电流滑动导电装置，其特征在于，所述滚动体(5)为球体、圆柱体或圆台。

9.根据权利要求1或2所述的一种适用于自阻加热热拉弯设备的大电流滑动导电装置，其特征在于，所述导向滑轨(14)采用铬轴承钢材料。

10.根据权利要求1或2所述的一种适用于自阻加热热拉弯设备的大电流滑动导电装置，其特征在于，所述第一绝缘层(10)和所述第二绝缘层(12)的材料为电木或玻璃纤维板。

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