CN113972540B - 一种保证导电滑环与刷丝接触压力稳定的引电装置 - Google Patents

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Abstract

一种保证导电滑环与刷丝接触压力稳定的引电装置，包括壳体、主轴、导电滑环、刷丝及刷丝座；主轴位于壳体内；导电滑环套装在主轴上；刷丝座固装在壳体上；刷丝固连在刷丝座上；刷丝呈两列平行分布，两列刷丝均沿主轴轴向方向等间距设置；刷丝对侧的刷丝座上固设有单排插座，刷丝与导电滑环搭接配合构成单环双刷结构且形成相对旋转的摩擦副；导电滑环外表面设有若干V型环槽，刷丝搭接在环槽内；刷丝采用线性变化的变截面结构，刷丝根部圆截面直径最大，刷丝尖端圆截面直径最小；基于材料力学经典欧拉梁弯曲变形理论建立刷丝力学模型公式；导电滑环与刷丝初始接触点的选定以接近刷丝座为准则；通过调整刷丝数量和尺寸使转子临界转速远离工作转速。

Description

一种保证导电滑环与刷丝接触压力稳定的引电装置
技术领域
本发明属于导电滑环引电器技术领域，特别是涉及一种保证导电滑环与刷丝接触压力稳定的引电装置。
背景技术
导电滑环引电器是实现两个相对转动机构的信号及电流传递的精密输电装置，其常常被使用在要求无限制、连续或者间断旋转的传输电源及数据信号的机电系统中，用以简化和改进机电系统的性能，并且不会损坏导线。
导电滑环引电器在工作时，通过导电滑环与刷丝接触的方式输电，而导电滑环与刷丝之间的接触压力是否稳定，直接会影响到信号及电流的传递稳定性。
因此，在不改变乃至改善导电滑环引电器转子整体动力学特性的基础上，如何保证导电滑环与刷丝之间接触压力的稳定，是目前亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种保证导电滑环与刷丝接触压力稳定的引电装置，能够在不改变乃至改善导电滑环引电器转子整体动力学特性的基础上，有效保证导电滑环与刷丝之间接触压力的稳定，并进一步提高信号及电流的传递稳定性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种保证导电滑环与刷丝接触压力稳定的引电装置，包括壳体、主轴、导电滑环、刷丝及刷丝座；所述主轴通过轴承安装在壳体内，主轴在壳体内具有回转自由度；所述导电滑环同轴固定套装在主轴上，导电滑环与主轴进行随动；所述刷丝座固定安装在壳体上；所述刷丝固定连接在刷丝座上，刷丝数量若干，若干刷丝在刷丝座上呈两列平行分布，且两列中的刷丝均沿着主轴的轴向方向等间距设置；在所述刷丝对侧的刷丝座上固定设置有单排插座，所述刷丝与导电滑环搭接配合构成单环双刷结构，且刷丝与导电滑环形成相对旋转的摩擦副。
所述导电滑环夹持在两列刷丝之间，刷丝处于弯曲偏转状态，导电滑环与弯曲偏转状态下的刷丝中间产生接触压力。
在所述导电滑环的外表面开设有若干截面形状为V型的环槽，若干环槽沿着主轴的轴向方向等间距设置，且环槽与刷丝的位置一一对应，刷丝搭接在环槽内。
所述导电滑环与主轴之间通过环氧树脂胶进行粘结固定。
所述刷丝与刷丝座之间通过环氧树脂胶进行粘结固定。
所述刷丝采用线性变化的变截面结构，刷丝位于刷丝座一侧的圆截面直径最大，刷丝位于尖端处的圆截面直径最小。
所述刷丝的力学模型公式为
Figure BDA0003323032850000021
式中，F为接触压力，θ为挠角，w0为挠度，E为弹性模量，l为刷丝长度，r为刷丝圆截面半径，且刷丝的力学模型公式基于材料力学经典欧拉梁的弯曲变形理论进行建立。
在振动作用下，导电滑环与刷丝的接触点会发生变化，则刷丝力学模型公式中的挠角θ、挠度w0及刷丝长度l均发生改变，此时需要调整刷丝圆截面半径r，以维持接触压力F的稳定。
所述导电滑环与刷丝初始接触点的选定需要以接近刷丝座为准则。
所述主轴和导电滑环共同构成引电装置的转子；当转子的临界转速小于工作转速时，通过减小刷丝数量、增加刷丝长度或减小刷丝直径的方式，以使转子的临界转速更小；当转子的临界转速大于工作转速时，通过增加刷丝数量、减小刷丝长度或增加刷丝直径的方式，以使转子的临界转速更大。
本发明的有益效果：
本发明的保证导电滑环与刷丝接触压力稳定的引电装置，能够在不改变乃至改善导电滑环引电器转子整体动力学特性的基础上，有效保证导电滑环与刷丝之间接触压力的稳定，并进一步提高信号及电流的传递稳定性。
附图说明
图1为本发明的一种保证导电滑环与刷丝接触压力稳定的引电装置结构示意图；
图2为本发明的导电滑环、刷丝、刷丝座及单排插座的装配体示意图(轴向视角)；
图3为本发明的刷丝、刷丝座及单排插座的装配体示意图(轴向视角)；
图4为本发明的刷丝、刷丝座及单排插座的装配体示意图(径向视角)；
图5为本发明的导电滑环与刷丝的接触变形结构简体图(轴向视角)；
图中，1—壳体，2—主轴，3—导电滑环，4—刷丝，5—刷丝座，6—单排插座，7—环槽。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1～5所示，一种保证导电滑环与刷丝接触压力稳定的引电装置，包括壳体1、主轴2、导电滑环3、刷丝4及刷丝座5；所述主轴2通过轴承安装在壳体1内，主轴2在壳体1内具有回转自由度；所述导电滑环3同轴固定套装在主轴2上，导电滑环3与主轴2进行随动；所述刷丝座5固定安装在壳体1上；所述刷丝4固定连接在刷丝座5上，刷丝4数量若干，若干刷丝4在刷丝座5上呈两列平行分布，且两列中的刷丝4均沿着主轴2的轴向方向等间距设置；在所述刷丝4对侧的刷丝座5上固定设置有单排插座6，所述刷丝4与导电滑环3搭接配合构成单环双刷结构，且刷丝4与导电滑环3形成相对旋转的摩擦副。
所述导电滑环3夹持在两列刷丝4之间，刷丝4处于弯曲偏转状态，导电滑环3与弯曲偏转状态下的刷丝4中间产生接触压力。
在所述导电滑环3的外表面开设有若干截面形状为V型的环槽7，若干环槽7沿着主轴2的轴向方向等间距设置，且环槽7与刷丝4的位置一一对应，刷丝4搭接在环槽7内。当刷丝4搭接在V型的环槽7内时，可以降低刷丝4脱离导电滑环3外表面的几率，使刷丝4与导电滑环3之间具有更高的接触可靠性。
所述导电滑环3与主轴2之间通过环氧树脂胶进行粘结固定。
所述刷丝4与刷丝座5之间通过环氧树脂胶进行粘结固定。
所述刷丝4采用线性变化的变截面结构，刷丝4位于刷丝座5一侧的圆截面直径最大，刷丝4位于尖端处的圆截面直径最小。由于刷丝4位于刷丝座5一侧的截面直径最大，因此可以保证刷丝4根部应力位于其屈服强度范围内，进而保证与之接触的导电滑环3的安全性，同时也保证了刷丝4与导电滑环3之间接触压力的稳定。
所述刷丝4的力学模型公式为
Figure BDA0003323032850000031
式中，F为接触压力，θ为挠角，w0为挠度，E为弹性模量，l为刷丝长度，r为刷丝圆截面半径，且刷丝4的力学模型公式基于材料力学经典欧拉梁的弯曲变形理论进行建立。
在振动作用下，导电滑环3与刷丝4的接触点会发生变化，则刷丝4力学模型公式中的挠角θ、挠度w0及刷丝长度l均发生改变，此时需要调整刷丝圆截面半径r，以维持接触压力F的稳定。该结论已经通过有限元软件进行变截面梁与等截面梁的仿真模拟进行了论证，即当导电滑环3与刷丝4的接触点发生变化时，可使导电滑环3与刷丝4之间的接触压力波动范围小，从而保证了导电滑环3与刷丝4接触压力的稳定，进而保证了信号及电流的传递稳定性。
所述导电滑环3与刷丝4初始接触点的选定需要以接近刷丝座5为准则。在该准则下，可以保证导电滑环3与刷丝4的接触压力始终保持较大值，从而可以有效降低接触电阻，并进一步提高信噪比，从而提升电信号的传输质量和可靠性。
所述主轴2和导电滑环3共同构成引电装置的转子；当转子的临界转速小于工作转速时，通过减小刷丝4数量、增加刷丝4长度或减小刷丝4直径的方式，以使转子的临界转速更小；当转子的临界转速大于工作转速时，通过增加刷丝4数量、减小刷丝4长度或增加刷丝4直径的方式，以使转子的临界转速更大。上述手段则是从考虑刷丝支撑的刚度方面着手的，通过该手段可以达到使转子的临界转速远离工作转速的效果，从而实现优化转子整体动力学特性的目的。
实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。

Claims (7)

1.一种保证导电滑环与刷丝接触压力稳定的引电装置，其特征在于：包括壳体、主轴、导电滑环、刷丝及刷丝座；所述主轴通过轴承安装在壳体内，主轴在壳体内具有回转自由度；所述导电滑环同轴固定套装在主轴上，导电滑环与主轴进行随动；所述刷丝座固定安装在壳体上；所述刷丝固定连接在刷丝座上，刷丝数量若干，若干刷丝在刷丝座上呈两列平行分布，且两列中的刷丝均沿着主轴的轴向方向等间距设置；在所述刷丝对侧的刷丝座上固定设置有单排插座，所述刷丝与导电滑环搭接配合构成单环双刷结构，且刷丝与导电滑环形成相对旋转的摩擦副；所述刷丝采用线性变化的变截面结构，刷丝位于刷丝座一侧的圆截面直径最大，刷丝位于尖端处的圆截面直径最小；所述刷丝的力学模型公式为
Figure FDA0003631302660000011
式中，F为接触压力，θ为挠角，w0为挠度，E为弹性模量，l为刷丝长度，r为刷丝圆截面半径，且刷丝的力学模型公式基于材料力学经典欧拉梁的弯曲变形理论进行建立；在振动作用下，导电滑环与刷丝的接触点会发生变化，则刷丝力学模型公式中的挠角θ、挠度w0及刷丝长度l均发生改变，此时需要调整刷丝圆截面半径r，以维持接触压力F的稳定。
2.根据权利要求1所述的一种保证导电滑环与刷丝接触压力稳定的引电装置，其特征在于：所述导电滑环夹持在两列刷丝之间，刷丝处于弯曲偏转状态，导电滑环与弯曲偏转状态下的刷丝中间产生接触压力。
3.根据权利要求1所述的一种保证导电滑环与刷丝接触压力稳定的引电装置，其特征在于：在所述导电滑环的外表面开设有若干截面形状为V型的环槽，若干环槽沿着主轴的轴向方向等间距设置，且环槽与刷丝的位置一一对应，刷丝搭接在环槽内。
4.根据权利要求1所述的一种保证导电滑环与刷丝接触压力稳定的引电装置，其特征在于：所述导电滑环与主轴之间通过环氧树脂胶进行粘结固定。
5.根据权利要求1所述的一种保证导电滑环与刷丝接触压力稳定的引电装置，其特征在于：所述刷丝与刷丝座之间通过环氧树脂胶进行粘结固定。
6.根据权利要求1所述的一种保证导电滑环与刷丝接触压力稳定的引电装置，其特征在于：所述导电滑环与刷丝初始接触点的选定需要以接近刷丝座为准则。
7.根据权利要求1所述的一种保证导电滑环与刷丝接触压力稳定的引电装置，其特征在于：所述主轴和导电滑环共同构成引电装置的转子；当转子的临界转速小于工作转速时，通过减小刷丝数量、增加刷丝长度或减小刷丝直径的方式，以使转子的临界转速更小；当转子的临界转速大于工作转速时，通过增加刷丝数量、减小刷丝长度或增加刷丝直径的方式，以使转子的临界转速更大。
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