Распределение нагрузки между телами качения кольцевого токосъемного устройства Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.01

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗКИ МЕЖДУ ТЕЛАМИ КАЧЕНИЯ КОЛЬЦЕВОГО

ТОКОСЪЕМНОГО УСТРОЙСТВА

А. А. Гришин

АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск, ул. Ленина, 52 E-mail: [email protected]

Рассмотрена роль кольцевого токосъемного устройства в системе электропитания космического корабля, описаны его основные конструктивные элементы, кратко изложены принципы функционирования. Представлен анализ деформированного состояния контактного кольца в слое токо-съемных колец. Описаны причины нестабильности электрического контакта между кольцами кольцевого токосъемного устройства.

Ключевые слова: кольцевое токосъемное устройство, контактное кольцо, электрический контакт.

THE LOAD DISTRIBUTION BETWEEN ROLLING ELEMENTS OF THE CURRENT COLLECTION DEVICE

A. A. Grishin

The Joint-stock Company Academician M. F. Reshetnev «Information Satellite Systems» 52, Lenin str., Zheleznogorsk, 662972, Russian Federation E-mail: [email protected]

The article discusses the role of the current collection device in a spaceship power supply system is considered; the basic constructive elements of the device are described; the principles of functioning of the device are stated. Presents an analysis of the strain state of the contact ring in the layer of slip rings. The causes of instability of the electrical contact between the annular rings of current collection device.

Keywords: the current collection device, slip ring, electrical contact.

Система электропитания космического аппарата предназначена для обеспечения бесперебойного автономного электроснабжения на всех этапах его существования [1]. Центральное место в системе занимают токосъемные устройства. Являясь составной частью устройства поворота солнечной батареи, они обеспечивают транзит электрической энергии, телеметрической информации от вращающихся солнечных батарей к внутренним системам космического аппарата.

В результате нестабильной работы токосъемных устройств в течение срока активного существования космического аппарата, возможно увеличение падения напряжения и рассеиваемой тепловой мощности на устройстве. Колебания этих параметров кольцевого токосъемного устройства (КТУ) зависит от стабильности электрического контакта между токосъемными кольцами (ТК) кинематической контактной пары.

Электрический контакт в КТУ может рассматриваться как подвижная система, работоспособность которой, в основном, обусловлена параметрами трения. Характерной особенностью катящихся электрических контактов является их изнашивание в процессе работы, как и в обычных парах трения, с той особенностью, что рабочие нагрузки контактов не велики. Взаимосвязь между фрикционными и электрическими процессами является важной чертой подвижных контактов, так как пятна, через которые передается ток, полностью или частично совпадают с пятнами, воспринимающими механическую нагрузку [2]. Модель слоя токосъемных колец КТУ представлена на рис. 1.

В процессе вращения солнечной батареи и внутреннего ТК на неограниченный угол передача электроэнергии от внутренних ТК к наружным осуществляется через упругие, катающиеся подобно шарикоподшипникам гибкие контактные кольца. Все контактные кольца разделены диэлектрическими изоляторами.

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 1

Распределение нагрузки между контактными кольцами в слое ТК в значительной степени зависит от величины зазора между внутренним и наружным ТК [3]. Экспериментально установлено, что в процессе функционирования кольцевого токосъемного устройства происходит периодическое смещение наружного ТК относительно внутреннего. Минимальная величина зазора между ТК ограничена изоляторами контактных колец. При установке контактных колец в зазор между внутренним и наружным ТК происходит плоская их деформация, в результате чего они приобретают форму эллипса. Расстояние между малыми полуосями эллипса зависит от фактического зазора между внутренним и наружным ТК и является непостоянным.

Рис. 1. Модель слоя токосъемных колец

В деформированном после установки контактном кольце формируется сила упругости, разжимающая кольцо. Величина силы зависит от степени сжатия контактного кольца и действует в радиальном направлении, смещая наружное ТК относительно внутреннего.

Рассчитаем усилие деформации контактного кольца при соосном расположении внутреннего и наружного ТК. Контактное кольцо, установленное между внутренним и наружным ТК, можно представить как кольцо, нагруженное двумя сосредоточенными силами, направленными навстречу друг другу.

Сосредоточенная сила при плоской деформации кольца определяется из формулы [4]:

(

ю = ■

РЕ"

~кТ

2sin2 ( —

а 1 . , ч —ь —sin (а)--4 4 W

2sin21 а

а

РЕ ЕЁ

2sin2 ( а

а

7

sin (а)

где Р - сила деформации контактного кольца, Н; Е - модуль упругости; Ё - площадь сечения; а -угол, определяющий положение действующей нагрузки; J - момент инерции сечения; Е - наружный радиус контактного кольца; ю - перемещение точки приложения силы относительно центра контактного кольца.

При установке контактного кольца в зазор между соосно расположенными внутренним и наружным ТК, перемещение точки приложения силы относительно центра контактного кольца вычисляется по формуле

(^вн - Дар )

^нар

Ю =-

2

2

= 0,2 -10-

м,

где Двн - внутренний диаметр наружного ТК (80 мм); Днар - наружный диаметр внутреннего ТК (60 мм); а?нар - наружный диаметр контактного кольца (10,4 мм). Момент инерции прямоугольного сечения кольца:

_ ЬИЪ 1,45 • 10-3 • (0,25 -10-3)3 1 9 15 4

J =-=-= 1,9-10 м ,

12 12

где Ь - длина сечения (1,47 мм); И - ширина сечения (0,25 мм).

3

Площадь поперечного сечения кольца:

Е = ЪН = 3,63 -10-7 м2.

Угол приложения нагрузки:

Модуль упругости ленты ДПРПМ 1 НД БрБ2 ГОСТ 1789-70 равен 1,23 10п Н/м2. Выразим силу деформации контактного кольца из первой формулы:

Р =

ЕЯ3 а + (а

Л Л V '

(

'а (а)

= 4,46 Н.

а

V

При симметричном расположении контактных колец по окружности внутреннего ТК и одинаковой геометрии каждого из контактных колец слоя, действие сил упругого разжатия контактных колец на наружное ТК компенсируется. При этом сохраняется соосное расположение наружного ТК относительно внутреннего. В процессе функционирования КТУ, по причине постоянного перераспределения контактных колец происходит цикличное смещение наружного ТК, изменение зазора между ТК и величины эллипсности контактных колец. Сила деформации контактных колец, в зависимости от направления смещения наружного ТК, может изменяться в пределах от 3,8 до 5,1 Н. Периодические колебания эллипсности контактных колец приводят к колебаниям фактической площади контакта между кольцами кинематической контактной пары в частности и к нарушению стабильности электрического контакта в КТУ в целом. В дальнейшем для лучшего понимания влияния радиального смещения ТК на величину падения напряжения на КТУ, необходимо определить оптимальную геометрию ТК, количество контактных колец в слое ТК для передачи электрической энергии с минимальными потерями.

1. Чеботарев В. Е., Косенко В. Е. Основы проектирования космических аппаратов информационного обеспечения : учеб. пособие / Сиб. гос. арокосмич. ун-т. Красноярск, 2011. 488 с.

2. Мышкин Н. К., Концин В. В., Браунович М. Электрические контакты. Долгопрудный : Инте-лект, 2008. 560 с.

3. Иванов М. Н. Детали машин : учебник для вузов. М. : Высш. школа, 2000. 383 с.

4. Биргер И. А., Шорр Б. Ф., Иосилевич Г. Б. Расчет на прочность деталей машин : справочник. М. : Машиностроение, 1993. 640 с.

Библиографические ссылки

© Гришин А. А., 2015