Вращающееся контактное соединительное устройство Советский патент 1982 года по МПК H01R39/30 

I

Изобретение относится к технике передачи слаботочных электрических сигналов по линии, содержацей 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 токопроводной жидкости, работающее на высокой скорости вращения. Соединение предназначено для работы на высоких скоростях вращения и для передачи энергии достаточно большой мощности l .

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 жидкометапяическим контактом, работающее на onpeAeinefiHOM скорости вращения. В этом устройстве контакт вращающейся секции с неподвижной осуществляется после заполнения токопроводной

10 жидкостью кольцевой полости под действием центробежной силы 2.

Это устройство обладает следующими недостатками: невозможность использования а 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 си|-

30 нала без искажения, громоздкость конструкции.

Наиболее близким по технической сущнострг « предлагаемому является 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 31Недостатком этого вращающегося соединения является возможность выброса токопроводящей жидкости при большой скорости вращения подвижной секции или при воздействиии на изделие ударно-вибрационных нагрузок, а также невозможность выполнения и замены контактной жидкости при ее расходе или окислении без разборки устройства. На очень высоких скоростях вращения подвижной секции возможно уменьшение площади касания, а следовательно, и изменение переходного сопротивления, что имеет существенно значение при передаче сигнала малой мощности. Указанные недостатки умень шают надежность соединения. Цепь изобретения - повышение наде ности 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 ради са концентрических кольцевых канавок внутри паза установлен с зазором пол зун, повторяющий форму паза и подпружиненный со стороны основания паза, полость зазора заполнена консис тентной смазкой в объеме, превышающе объем слоя граничного трения между торцовыми поверхностями неподвижной и подвижной секциями. . Кроме того, между дугами внутренней.и внешней кольцевых канавок выполне 1 дополнительные канавки,симметрич ные относительно диаметра торца, которые сопряжены с указанными дугами и имеют форму кривых второго порядка, например, форму параболической кривой с началом координат на внешней канавке и фокусным расстоянием равным 1/6 радиуса внутренней кольце вой канавки. На фиг. 1 показано вращающееся ко тактное соединительное устройство, разрез; на фиг. 2 - торцовая контакт ная поверхность неподвижной секции, на которой показано расположение канавок и паза с ползуном, разрез А-А на фиг. 1 ; на фиг. 3 сечение ползуна Б-Б на фиг. 2f на фиг. 4 - вращающееся контактное соединительное устройство в разрезе для йоаксиальной линии; на фиг.:5 - торцовая контактная поверхность внешнего и внутреннего проводников, разрез А-А на фиг. Ц , на фиг. 6 - сечение ползуна 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. 9 сечение 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, Ц - цанга; 5 подшипник; 6 - изоляционный корпус, 7 - корпус неподвижной секции; В - 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 из двух секций: вращающейся (подвижной) и неподвижной (фиг.1-3). Подвижная секция представляет собой сложный проводник, состоящий из собственно проводника 1, скользящего контакта 2, пружины 3 и цанги k. 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 канавки. Внешняя и внутренняя канавки соединены дополнительными канавками 13 и 1. Назначение внешней кольцевой канавки 11 - препятствовать вытеканию смазки, а дополнительные канавки предназначены для возврата избытка смазки от внешнего края торца к внутреннему.

Внутренняя кольцевая канавка 12 соединяет обе дополнительные канавки вблизи от центра вращения и принципиально может быть незамкнутой.

Дополнительные канавки выполнены по форме кривых 2-го порядка, например х 1/3 RV , где R - средний радиус внутренней кольцевой канавки, с началом координат на внешней канавке (фиг. 10).

Наличие двух дополнительных канавок дает возможность работать вращаю-м щемуся соединению как с вращением подвижной секции по часовой стрелке так и против. Между кольцевыми канавками 11 и 12 на торцовой поверхности проводника 9 выполнен дугообразный паз 15 с радиусами кривизны меньше радиуса внешней кольцевой канавки, но больше радиуса внутренней кольцевой канавки. В паз 15 вставлен ползун 16, кото рый усилием пружин 17 всегда прижат к контактной поверхности торца подвижной секции. Усилие прижимающих пружин выбирается из условия тР-СТ пр CXf где Р - усилие трения стенок ползуна о стенки дугообразного паза; -усилие прижимающих пружин 17, -усилие пружины 3, обес печивающей контактное нажатие. Ползун 16 вставлен в паз 15 по ходовой посадке не грубее класс точности и может быть выполнен из того же материала, из которого изготавливается контакт 2. Это делается для увеличения силы трения с подвижной поверхностью при сухом трении и уменьшения трения при движении пол зуна внутри паза. В целях уменьшения трения между контактными поверхностя ми контакт 2 и торцовая поверхность проводника 9 выполнены из разнородных материалов, образующих антифрикц онную пару в присутствии смазки. Например, для смазки ОКБ-122 и

ЦИАТИМ-201 подходит пара сталь-бронза и даже сталь-латунь.

Устройство работает следующим образом.

Допустим, что в начальный момент движения контактные поверхности сухие и смазка, расположенная в пазе 15, не касается подвижной контактной поверхности. Вследствие трения подвижная контактная поверхность увлекаieT ползун 16 за собой. Двигаясь в 1пазе, ползун уменьшает объем, занимаемый смазкой и, тем самым, поднимает уровень смазки до соприкосновения с подвижной контактной поверхностью. Первый слой смазки располагается на подвижной контактной поверхности по окружности в силу сцепления металла со смазкой, Расклинивающее действие первого слоя обеспечивает прохождение смазки между контактными поверхностями. Последующие слои смазки, извлекаемые из паза, под действием движения трущихся поверхностей расходятся по всей области касания контактных поверхностей. Появление смазки на поверхности ползуна 16 уменьшает трение между вращающейся поверхностью и ползуном, и движение последнего прекращается, Следовательно, насильственная подача смазки также прекращается. Смазка, вошедшая в соприкосновение с подвижной поверхностью, увлекается силой сцепления. Как только силы сцепления очередного слоя смазки с основной ее массой уравниваются с силами внутреннего трения, извлечение смазки из паза прекращается. Толщина слоя смазки, созданная силами сцепления, близка к слою граничного трения. В любом случае жидкостного трения здесь нет. Рассмотренный механизм образования тонкого смазочного слоя практически не зависит от скорости вращения контактной поверхности. Известно, что очень тонкий слой смазки обладает токопроводностью и, вместе с тем, антифрикционным действием. Токопроводящий слой смазки в ряде случаев имеет лучшую проводимость по сравнению с жидкометаллическим контактом. Такое явление вполне объяснимо, если рассматривать жидкометаллический контакт как паяное сопротивление, Сопротивление контакта в этом случае выразится суммой сопротивлений

п., t - где R - сопротивление окисных пле мок на поверхности первого проводника

RMX

сопротивление жидкЬсти;

R сопротивление окисных пленок на поверхности второго проводника. .

Кроме того, при движении жидкости по кривой возникает турбулентность ее потока, что ухудшает смачиваемость, а следовательно, увеличивает переходное сопротивление соеди нения. Периодическое изменение сопротивления является одной из причин возникновения собственных шумов контактного соединения, что приобретает значение при передаче сигналов малой мощности.

Применение смазки при соответствующем выборе ее вида и материалов контактов обеспечивает явление избирательного переноса, который способствует увеличению проводимости контактного соединения.

Таким образом, замена жидкометаллического контакта тонким тркопроводящим 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 ползуна 16, дает преимущест ва предложенного контактного вращающе гося соединительного устройства перед известными, но с жидкометаллическим контактом в некоторых эксплуатационных условиях. Данное устройство имеет очень высокий верхний предел а скорости вращения. Опытные образцы работают при скорости вращения свыше 2000 об/мин без отклонений от заданных параметров Данное вращающееся контактное соединительное устройство применено для вращающихся коаксиальных соединений контактного типа. На фиг. ,показано вращающееся слаботочное контактноесоединение 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 . Проводник 1 вращается вместе с контактом 2 в подшипниках 5 заключенных 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 проводником 1 осуществляется через цанГУ , закрепленную на проводнике 1. На торцовых поверхностях проводников 9 и 18 неподвижной секции (фиг.5) выполнены внешняя 11 и внутренняя 12 кольцевые канавки, которые соединены

дополнительными канавками 13 и 1. Между кольцевыми канавками 11 и 12 на торцовой поверхности проводников 9 и 18 выполнен дугообразный паз 15. В паз 15 вставлен ползун 16,

0 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 токопроводч° и 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 си- лу большей вязкости, чем вязкость у жидкометаллического контакта. Смазка образует болееравномерный слой в . межконтактном пространстве, так как центробежная сила на тонкий слой ока зывает меньшее влияние. Таким образом, замена жидкометаллического контакта тонким токопроводящим смазочным слоем дает преимущества вращающе муся контактному соединению при работе на высоких скоростях вращения и при передаче сигналов на ВЧ и СВЧ Введение между контактными поверхностями токопроводящего слоя смазки дает преимущества предложенного контактного вращающегося соединения перед известными, но с жидкометаллическим контактом в условиях вибрации и ударов, так как консистентная смаз ка более устойчива к ним, чем жидкометаллический контакт. Предлагаемое устройство устойчиво работает на очень высоких скоростях вращения. Опытные образцы, например-, при скоростях вращения свыше 2000 об/мин (2200-1200 об/мин) обеспечивают КСВН в системе не более 1,f5. Данное вращающееся контактное соединительное устройство использовано на вращающимся волноводном соединении контактного типа. На фиг.7 показано вращающееся слаботочное контактное соединение двух круглых волноводов. Соединение имеет две секции - подвижную и неподвижную. По вижная 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- Неподвижная секция включает в себя наружный проводник 9 (волновод Kpyi- лой формы) и корпус 7. Контакт 2 имеет возможность осевого перемещения относительно проводника 1 и силой пружины 3 своей торцовой поверхностью прижимается к торцу неподвижного проводника(волноводной трубы) 9 Электрическое соединение контакта 2 с проводником (волноводной трубы) 9 осуществляется через цангу 4, закреп ленную на проводнике 1. На торцовой поверхности проводника 9 неподвижной секции (фиг. 7) выполнены кольцевые канавки: наружная 11 и внутрен няя 12. Наружные и внутренние канавки соединены дополнительными канавками 13 и 1. Между кольц евыии канавками 11 и 12 на торцовой поверхности проводника 9 выполнен дугооб 10 5 разный паз 15 с радиусами кривизны меньше радиуса внешней кольцевой канавки и больше радиуса внутренней кольцевой канавки. В паз 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 жидкометаллического контакта смазкой с толщиной слоя, обеспечивающим токопроводность, выражается 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 предлагаемого устройства необходимо равномерное распределение смазки по всей поверх-, ности касания поверхностей во время вращения одной из них. Так как источг 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 осуществляется путем введения в конструкцию дополнительных канавок, внешняя кольцевая канавка 11 и внутренняя кольцевая канавка 12 соединены дополнительными канавками 13 и И (фиг. 10),. Канавка Н выполнена по закону параболы, например 2. 2 X -j- Ry, где R -соседний радиус внутренней кольцевой канавки, ричем начало координат расположено а внешней канавке 11. Дополнительная канавка 13 выполяется симметрично канавке 1 относительно диаметра трубы, т.е. оси У (фиг. 10). Канавки 11 и 12 предназна ены для предотвращения вытекания мазки за пределы касания трущихся оверхностей. Кроме того, внутреняя канавка 12 соединяет дополнительые канавки во внутренней области асания.

Две симметрично расположенных относительно оси У дополнительных канавки дают возможность работать вращающемуся соединению как с вращением подвижной секции по часовой стрелке 5 так и против .Избыток смазки, образован- ный постепенным сползанием ее под действием центробежной силы к наружному краю, накапливается в кольцевой 11 и возврат ее во внутренни канавке области касания осуществляется по од ной из дополнительных канавок. Одна .из канавок является входной, а другая выходной. Входной канавкой является та, которая образует острый уго с внешней кольцевой канавкой 11 по ходу вращения подвижной контактной поверхности. Вторая дополнительная канавка выполняет роль выходной канавки, замыкая систему входная внутренняя - выходная канавки. При движении смазки по указанному пути часть ее захватывается подвижной (вращающейся) контактной поверхностью, улучшая равномерность смазочного слоя в зоне трения. В случае отсутствия внутренней кольцевой канавки (например, проводник сплошной, для которого внутренняя канавка необязательна) дополнительные канавки 13 и И соединяются за центром вращения, форма кривой дополнительной канавки и расположение этой кривой на торцовой поверхности выбирается следующим образом. Частица смаз ки движется от внутренней области касания к внешней кольцевой канавке под действием сил жидкостного трения и центробежной силы, причем величина центробежной силы невелика. Поэто му частица движется по спирали с уве личивающимся 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 ра вращения, то условия для ее продвижения неблагоприятны. Следовательно, выходной канал должен иметь форму кривой 2-го 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 кольце

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 из центра вращения контактной поверхности. 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 RBH 30 мм и Rgneu/M 50 мм уравнение параболы близко к выражению t 2 X -j- Ry, где R - средний радиус внутренней кольцевой канавки. Предлагаемое расположение и форма канавок обеспечивает значительно лучше распределение смазки на контактной поверхности, чем кольцевые канавки, соединенные прямыми или дугообразными канавками. Предлагаемая система канавок значительно уменьшает ток жидкости из области касания контактных поверхнос сокращая расход годной к употреблению смазки. Уменьшение выброса смазки 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 ПОСТОЯННОГО или прерывистого вращения с частичным или полным поворотом подвижной секции, вокруг оси: в сиетеме 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. .

Формула изобретения

1. вращающееся контактное соединительное устройство, содержащее выполненные в виде цилиндрических проводников подпружиненную подвижную секцию и неподвижную секцию, имеющую на торцовой контактной поверхности внешнюю и внутреннюю концентрические кольцевые канавки с токопроводящей жидкостью, отличающее с А 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

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. 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 вращения, между дугами внутренней и внешней кольцевых канавок выполнены дополнительные канавки, симметричные относительно диаметра торца, которые сопряжены с указанными дугами и имеют форму кривых второго порядка, например форму параболитической кривой с началом координат на внешней канавке и фокусным расстоянием, равным t/6 радиуса внутренней кольцевой канавки.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.naTetn США № З835 3б, кл. И 01 R 39/28, 197.

2.Авторское свидетельство fcCCP № 116796, кл. Н 01 R 39/30, 1979..

3.Авторское свидетельство СССР N221082, кл. Н 01 Р 1/06, 1967

L

SS Ы