Вращающееся контактное соединительное устройство

(Я) ВРАЩАЮЩЕЕС соеди- возмож е Изобретение относится к технике передачи слаботочных электрических сигналов по линии, содержащей 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 то- . копроводной жидкости, работающее на высокой скорости вращения. Соедине" ние предназначено для работы на высоких скоростях вращения и для пердачи энергии достаточно большой мощности 1.При малой передаваемой по линии мощности турбулентное движение контактной жидкости может быть причиной искажения слабого сигнала. Кроме того,ОНТАКТНОЕ СОЕДИНИТЕЛЬНСТРОЙСТВО 2в неподвижном состоянии такое нение не используется и его.не но выполнить в малых габаритах.Известно вращающееся соединительное (контактное) устройство с жидкометаллическим контактом, работающее на определенной скорости вращения. В этом устройстве контакт вращающейся секции с неподвижной осуществляется после заполнения токопроводной жидкостью кольцевой полости под действием центробежной силы2.Это устройство обладает следующими недостатками: невозможность использования в неподвижном состоянии и при скоростях вращения ниже заданных, изменение площади касания во время вращения в силу турбулентности жидкостного потока, а следовательно, невозможность передачи слабого сигнала без искажения, громоздкость .конструкции.Наиболее близким по технической сущности- к предлагаемому являетсяИИПИЗаказ 4229/59 П "Патент" г Ужгород ул Проектная Фил 936095 ра Подпис3 93609коаксиальное вращающееся соединение,содержащее выполненные в виде цилиндрических проводников подпружиненнуюподвижную секцию и неподвижную секцию, имеющую на торцовой контактнойповерхности внешнюю и внутреннююконцетрические кольцевые канавки с. токопроводящей жидкостью 3.Недостатком этого вращающегосясоединения является возможность выб вроса токопроводящей жидкости прибольшой скорости вращения подвижнойсекции или при воздействиии на изделие ударно-вибрационных нагрузок, атакже невозможность выполнения и за-15мены контактной жидкости при ее расходе или окислении беэ разборки устройства, На очень высоких скоростяхвращения подвижной секции возможноуменьшение площади касания, а следо- урвательно, и изменение переходногосопротивления, что имеет существенноезначение при передаче сигнала малоймощности, Указанные недостатки уменьшают чадежность соединения, 25Цель изобретения - повышение надежности электрического соединения прибольших скоростях вращения.Поставленная цель достигается тем,что в торцовой поверхности неподвижной секции выполнен паз дугообразнойформы с радиусами кривизны, меньшимивнешнего и большими внутреннего радиу.са 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, превышающемобъем слоя граничного трения междуторцовыми поверхностями неподвижнойи подвижной секциями,Кроме того, между дугами внутреннеки внешней кольцевых канавок выполнены дополнительные канавки,сиеетричные относительно диаметра торца, ко.торые сопряжены с указанными дугамии имеют форму кривых второго порядка, например, форму параболическойкривой с началом координат на внешней канавке и фокусным расстоянием,равным 1/6 радиуса внутренней кольцевой канавки.На фиг. 1 показано вращающееся контактное соединительное устройство,разрез, на фиг. 2 - торцовая контактная поверхность неподвижной секции,на которой показано расположение канавок и паза с ползуном, разрез А-А 5 4на фиг.; на фиг, 3 - сечение ползуна Б-Б на фиг. 2; на фиг. 4 - вращающееся контактное соединительноеустройство в разрезе для коаксиальной линии, на фиг . 5 - торцовая контактная поверхность внешнего и внутреннего гроводников, разрез А-А нафиг, 4; на фиг. 6 - сечение полэуна Б-Б на фиг. 5; на. фиг. 7 - вращаю"щееся 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; нафиг. 10 - расположение канавок наторцовой поверхности проводника неподвижной контактной секции.На фиг. 1-10 обозначено: 1 - проводник подвижной секции; 2 - скользящий контакт; 3 - пружина, 4 - цанга; 5 - подшипник; 6 - изоляционныйкорпус, 7 - корпус неподвижной секции; 8 - изолятор, 9 - проводникнеподвижной секции, 10 - внутреннийпроводник подвижной секции коаксиальной линии, 11 - кольцевая канавка увнешнего края торцовой поверхности;12 - внутренняя кольцевая канавка;13 - дополнительная канавка; 14 - дополнительная канавка; 15 - дугообразный паз; 16 - ползун, 17 - пружинапоЛзуна, 18 - внутренний проводникнеподвижной секции коаксиальной линии,Вращающееся слаботочное контактное соединительное устройство состоит иэ двух секций: вращающейся(подвижной) и неподвижной (фиг.1-3).Подвижная секция представляет собой сложный проводник, состоящий иэсобственно проводника 1, скользящего контакта 2, пружины 3 и цанги 4.Проводник 1 вращается в подшипниках 5,заключенных в изоляционный корпус 6.Неподвижная секция представленапроводником 9, изолятором 8 и корпусом 7. Контакт 2 имеет возможностьосевого перемещения относительнопроводника 1 и силойпружины 3 своейторцовой поверхностью прижимаетсяк торцу неподвижного проводника 9.Электрическое соединение контакта 2с проводником 1 осуществляется черезцангу 4, закрепленную (например, припаянную) на проводнике 1.На торцовой поверхности неподвижного проводника 9 выполнены внешняя 11 и внутренняя 12 кольцевые ка936095 40 6 навки. Внешняя и внутренняя канавки ЦИАТИИ1 подходит пара сталь-бронсоединены дополнительными канавка- за и даже сталь-латунь. ми 13 и 14. Назначение внешней коль- Устройство работает следующим обцевой канавки 11 - препятствоватьвытеканию смазки а ополнителд ительные 5 Допустим, что в начальный момент канавки предназначены я возв а,а движения контактные поверхности суиэбытка смазки от внешнего края тор- хие и смазка, расположенная в пазе 15, ца к внутреннему. не касается подвижной контактнойВнутренняя кольцевая канавка 12 поверхности, Вследствие трения подсоединяет обе дополнительные канав- Оые канав вижная контактная поверхность у влекаки вблизи от центра вращения и прин- ет полз 16,ет ползун за собой. Двигаясь в ципиально может быть незамкнутой. паэе, ползун уменьшает объем, заниДополнительные канавки выполнены маемый мазмаемый смазкои и, тем самым, поднипо форме кривых 2-го по я ка на иЯ-:р д а, напри- мает уровень смазки до соприкосновемерх =/3 К гей-су д - сред ния с подвижной контактной поверхний радиус внутренней кольцевой ка- ностью. Первый слой смазки располанавки, с началом коор инат на внешрд т на внеш- гается на подвижной контактной поней канавке (фиг. 10).верхности по окружности в силу сцепНаличие двух дополнительных кана- ления металла со смазкой, Расклинивавок дает возможность работать вращаю ющее действие первого слоя обеспечивает прохождение смазки между конподвижной секции по часовой стрелке, тактными поверхностями. Последующие так и против. слои смазки, извлекаемые из паза,Иежду кольцевыми канавками 11 и под действием движения трущихся по 12 на то овой ирц ой поверхности провод верхностей расходятся по всей обласника 9 выполнен дугообразный паэ 15ти касания контактных поверхностей, с радиусами кривизны меньше радиуса Появление смазки на поверхности полвнешней кольцевой канавки, но больше эуна 16 уме ь аэуна уменьшает трение между вращарадиуса внутренней кольцевой канав- ющейся поверхностью и ползуном, и двики. 30 жение последнего прекращается. СледоВ паэ 15 вставлен ползун 16, который усилием пружин 17 всегда прижатвательно, насильственная по ча смазк контактной поверхности торца подки также прекращается, гмазка вошеекции, Усилие прижимающшая в соприкосновение с по вижной пружин выбирается из условияповерхностью, увлекается силой с епу ется силой сцепРиЯ 35 ления. Как только силы сцепления очет.стпР Рссредного слоя смазки с основной ее где Р - усилие трения стенокТр.ст массой уравниваются с силами внутренползуна о стенки дугообразногопаза,, него трения, извлечение смазки из паза прекращается.РП - усилие прижимающихпружин 17;Р - усилие пружины 3, обесТолщина слоя смазки, созданнаяпечивающей контактное силами сцепления, близка к слою гранажатие, ничного трения. В любом случае жидПолзун 16 вставлен в паз 1; по . костного трения здесь нет.45ходовой посадке не грубее 3-го классаточности и может быть выполнен из Рассмотренный механизм образоватого же материала, иэ которого изго- ния тонкого смазочного слоя практитавливается контакт 2. Это делается чески не зависит от скорости вращедля увеличения силы трения с подвиж- ния контактной поверхности, Известно,ч50нои поверхностью при сухом трении что очень тонкий слой смазки обладаи уменьшения трения при движении пол- ет токопроводностью и, вместе с тем, эуна внутри паза. В целях уменьшения антифрикционным действием. Токопротрения между контактными поверхностя- водящий слой смазки в ряде случаев ми контакт 2 и торцовая поверхность имеет лучшую проводимость по сравпроводника 9 выполнены из разнород 5нению с жидкометаллическим контактом. ных материалов, образующих антифрикци- Такое явление вполне объяснимо, если онную пару в присутствии смазки. На- рассматривать жидкометаллический конпример, для смазки ОКБи такт как паяное сопротивление. Сопро 936095"пе 1 = ЙО ж + дагде Й - сопротивление окисных пле 11,1нок на поверхности первогопроводника,Й - сопротивление жидкоСти;Й - сопротивление окисных пленок на поверхности второгопроводника. 10Кроме того, при движении жидкости по кривой возникает турбулентность ее потока, что ухудшает смачиваемость, а следовательно, увеличивает переходное сопротивление соеди-, 15нения. Периодическое изменение сопротивления является одной иэ причинвозникновения собственных шумов кон-тактного соединения, что приобретает значение при передаче сигналов 2 омалой мощности,Применение смазки при соответствующем выборе ее вида и материаловконтактов обеспечивает явление из"бирательного переноса, который способствует увеличению проводимостиконтактного соединения,Таким образом, замена жидкометаллического контакта тонким токопроводящим слоем дает преимущество вращающемуся контактному соединениюпри работе на высоких скоростях вращения подвижной секции и при передаче сигналов малой мощности, когдауровень собственных шумов контактадолжен быть меньше уровня сигнала.Введением между контактными поверхностями тонкого токопроводного слоясмазки, создание и поддержание которого обеспечивается саморегулирующимдвижением йолэуна 16, дает преимущества предложенного контактного вращающегося соединительного устройства передизвестными, но с жидкометаллическимконтактом в некоторых эксплуатационных условиях.Данное устройство имеет очень высокий верхний предел в скорости вращения. Опытные образцы работают прискорости вращения свыше 2000 об/минбез отклонений от заданных параметров.Данное вращающееся контактное соединительное устройство примененодля вращающихся коаксиальных соединений контактного типа.На фиг, 4,показано вращающеесяИслаботочное контактноесоединениедвух отрезков коаксиальной линии,Соединение имеет две секции - подвижную и неподвижную. Наружные проводники секций и внутренние выполненыаналогично,Подвижная секция состоит из проводника 1, скользящего контакта 2,пружины 3 и цанги ч. Проводниквращаетсч вместе с контактом 2 вподшипниках 5, эаключенных в неподвижный корпус 7.Подвижная секция включает в себянаружный 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 торцунеподвижного проводника 9. Электрическое соединение контакта 2 с проводником 1 осуществляется через цангу 4, закрепленную на проводнике 1,На торцовых поверхностях проводников 9 и 18 неподвижной секции (фиг,5)выполнены внешняя 11 и внутренняя 12кольцевые канавки, которые соединеныдополнительными канавками 13 и 14.Между кольцевыми канавками 11 и 12на торцовой поверхности проводников 9 и 18 выполнен дугообразныйпаз 15. В паз 15 вставлен ползун 16,который усилием пружин 17 (фиг. 6)всегда прижат к контактной поверхности торца подвижной секции.,Устройство работает следующимобразом.Образование и поддержание смазочного слоя токопроводной толщиныпроисходит так же, как и в описанномустройстве. Механизм токопроводностина ВЧ и СВЧ отличается от токопроводности на промышленных частотах и постоянном токе наличием реактивногосопротивления, обусловленного шероховатостью контактных поверхностей (выступы и впадины имеют определенную ем-кость и индуктивность) . Кроме того,при высокой скорости вращения подвижной секции вследствие турбулентностижидкости всегда возникают отслоенияжидкости от металла, образуя полости.Центробежная сила, сгоняя жидкостьк внешнему краю торца, способствуетпоявлению разрывов у внутреннегокрая торца, Смазка, введенная в меж"контактное пространство, не дает разрывов с металлом при покачивании вращающейся контактной поверхности в си-.лу большей вязкости, чем вязкость ужидкометаллического контакта. Смазкаобразует болеефравномерный слой вмежконтактном пространстве, так как центробежная сила на тонкий слой оказывает меньшее влияние. Таким образом, замена жидкометаллического контакта тонким токопроводящим смазоч ным слоем дает преимущества вращающемуся контактному соединению при работе на высоких скоростях вращения и при передаче сигналов на ВЧ и СВЧ, Введение между контактными поверх ностями токопроводящего слоя смазки дает преимущества предложенного кон-. тактного вращающегося соединения перед известными, но с жидкометаллическим контактом в условиях вибрации 15 и ударов, так как консистентная смазка более устойчива. к ним, чем жидко- металлический контакт. Предлагаемое устройство устойчиво работает на очень высоких скоростях вращения. 20 Опытные образцы, например; при скоростях вращения свыше 2000 об/мин (2200-1200 об/мин) обеспечивают КСВН в системе не более 1,45Данное вращающееся контактное 25 соединительное устройство использо" вано на вращающимся волноводном соединении контактного типа. На фиг.7 показано вращающееся слаботочное контактное соединение двух круглых З 0 волноводов. Соединение имеет две секции - подвижную и неподвижную. Под. 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. Не- . подвижная секция включает в себя наружный проводник 9 (волновод круг". лой Формы) и корпус 7Контакт 2 имеет возможность осевого перемещения относительно проводника 1 и силой пружины 3 своей торцовой поверх ностью прижимается к торцу неподвижного проводника(волноводной трубы) 9. Электрическое соединение контакта 2 с проводником (волноводной трубы) 9 осуществляется через цангу 4, закрепленную на проводнике 1, На торцовой поверхности проводника 9 неподвижной секции (фиг, 7) выполнены кольцевые канавки: наружная 11 и внутренняя 12. Наружные и внутренние канавки соединены дополнительными канав 55 ками 13 и 14. Между кольцевыми канавками 11 и 12 на торцовой поверхности проводника 9 выполнен дугооб 9360951 Оразный паз 15 с радиусами кривизныменьше радиуса внешней кольцевой канавки и больше радиуса внутреннейкольцевой канавки, В паэ 15 вставлен ползун 16, который усилием пружин 17 (фиг, 8 и 9) всегда прижатк определенной контактной поверхностиУсилие .прижима контактных поверхностей, точность выполнения ползуна, материалы и род смазки, условия создания смазочного. слоя и егоподдержание в процессе работы аналогичныописанным устройствам,Преимущество замены жидкометаллического контакта смазкой с толщинойслоя, обеспечивающим токопроводность,выра нается в понижении доли активного сопротивления при работе высокочастотного (волноводного)соединения на высокой скорости вращения иболее устойчивой токопроводностипри воздействии на него вибрации иударов.Для надежной работы предлагаемо"го устройства необходимо равномерноераспределение смазки .по всей поверх-,ности касания поверхностей во времявращения одной из них. Так как источ;ник поступления смазки находится практически на равном расстоянии междунаружным и внутренним радиусом круга (фиг. 10), то под действием цент"робежной силы избыток смазки будет.у наружного края торца. Отток избыточного количества смазки в централь- .ную (внутреннюю) область трения осу"ществляется путем введения в конструкцию дополнительных канавок. Внешняя кольцевая канавка 11 и внутренняя кольцевая канавка 12 соединены(фиг. 10). Канавка 14 выполнена позакону параболы, например2 .2х ="Уф3где й -соседний радиус внутреннейкольцевой канавки,причем начало координат расположенона внешней канавке 11.Дополнительная канавка 13 выполняется симметрично канавке 14 относительно диаметра трубы, т.е. оси У(фиг, 10). Канавки 11 и 12 предназначены для предотвращения вытекания,смазки за пределы касания трущихсяповерхностей. Кроме того, внутренняя канавка 12 соединяет дополнитель"ные канавки во внутренней областикасания.11 9360Две симметрично расположенных от.носительно оси У дополнительных канавки дают возможность работать вращающемуся соединению как с вращением подвижной секции по часовой стрелке 5так и против. Избыток смазки, образованный постепенным сползанием Ее поддействием центробежной силы к наружному краю, накапливается в кольцевйканавке 1 и возврат ее во внутренние 0области касания осуществляется по одной из дополнительных канавок. Одна.иэ канавок является входной, а другая выходной. Входной канавкой является та, которая образует острый угол 15с внешней кольцевой канавкой 11 походу вращения подвижной контактнойповерхности. Вторая дополнительнаяканавка выполняет роль выходной канавки, замыкая систему входная 20внутренняя - выходная канавки.При движении смазки по у казанномупути часть ее захватывается подвижной (вращающейся) контактной поверхностью, улучшая равномерность смазочного слоя в зоне трения. В случаеотсутствия внутренней кольцевой канавки (например, проводник сплошной,для которого внутренняя канавка необязательна) дополнительные канавки 13 и 14 соединяются за центромвращения. Форма кривой дополнительной канавки и расположение этой кривой на торцовой поверхности выбирается следующим образом, Частица смаз- зки движется от внутренней областикасания к внешней кольцевой канавкепод действием сил жидкостного тренияи центробежной силы, причем величина центробежной силы невелика. Поэто ему частица движется по спирали с увеличивающимся шагом, т .е. по логарифмической спирали. Характер кривойговорит за то, что чем дальше отцентра вращения, тем более пологойстановится траектория движения частицы. Сказывается влияние центробежной силы, Если жидкость двигаетсяпо канавке, радиус кривизны которойуменьшается по мере удаления от цент 50ра вращения, то условия для ее продвижения неблагоприятны. Следовательно, выходной канал должен иметь фор- .му кривой 2-го порядка с началомна внешней кольцевой канавке,55Движение, смазки по входной канавке осуществляется под влиянием силыжидкостного трения и силы, создаваемой током жидкости во внешней кольце 12вой канавке. Противодействует им сила трения жидкости о стенки и днодополнительной канавки, Поэтому вовнимание можно принять только силужидкостного трения, Наименьшая работа по перемещнию частицы жидкости отвнешней .канавки к внутренней полученапри движении ее (частицы) по кривой,касательная к которой образует наивысший угол с перпендикуляром к радиусу иэ центра вращения контактной по-,верхности. Лучше всего такому условиюотвечает ветвь параболы, начало которой лежит на внешней канавке,На основании изложенного дополнительные канавки выполнены по параболической кривой, начало которыхлежит на внешней кольцевой канавке,и симметрично относительно диаметравнешней кольцевой канавки, фокусноерасстояние параболы находится в зависимости от соотношения радиусов внутренней и внешней кольцевых канавок.Например, при Й.вн = 30 мм " "виевн==50 мм уравнение параболы близко квыражениюЯх = 1 у3где й - средний радиус внутреннейкольцевой канавки.Предлагаемое расположение и форма канавок обеспечивает значитегьно лучшее распределение смазки на контактной поверхности, чем кольцевые канавки, соединенные прямыми или дугообразными канавками,Предлагаемая система канавок значительно уменьшает,ток жидкости из области касания контактных поверхностей, сокращая расход годной к употреблению смазки.Уменьшение выброса смазки имдет 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 постоянногс или прерывистого враще13 9360 ния с частичным или полным поворотом подвижной секции, вокруг оси: в сис-теме 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. оформула изобретения1, Вращающееся контактное соеди- и нительное устройство, содержащее выполненные в виде цилиндрических проводников подпружиненную подвижную секцию и неподвижную секцию, имеющую на торцовой контактной поверхности внешнюю и внутренною концентрические кольцевые канавки с токопроводящей жидкостью, о т л и ч а ю щ ее с я 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 зв радиуса концентрических кольцевых 95 14канавок внутри паза установлен сзазором ползун, повторяющий формупаза и подпружиненный со стороныоснования паза, полость зазора заполнена консистентной смазкой в объеме,превышающем объем слоя граничноготрения между торцовыми поверхностя"ми неподвижной и подвижной секциями.2. Устройство по1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения надежности энергетическогоконтакта при больших скоростях враще"ния, между дугами внутренней и внешней кольцевых канавок выполнены дополнительные канавки, симметричныеотносительно диаметра торца, которыесопряжены с указанными дугами и име"ют Форму кривых второго порядка,например Форму параболитической кри"вой с началом координат на внешнейканавке и фокусным расстоянием, равным 1/6 радиуса внутренней кольцевойканавки.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент СЫА й 3835436кл. Н 01 й 39/28, 1974.2. Авторское свидетельство СССРй 416796, кл. Н 01 й 39/30 19793. Авторское свидетельство СССРй 22 1082, кл. Н 01 Р 1/06, 1967.