[发明专利]一种基于悬臂梁理论的星载滑环接触力的测量方法及测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种星载滑环接触力测量方法及系统，更具体地说，涉及一种基于悬臂梁理论的星载滑环接触力的测量方法及测量系统。

背景技术

导电滑环（简称滑环）组件是用来实现两个相对旋转运动件间的信号、电流传递。以柱式滑环为例，主要由滑环体、电刷组件、支架、支承系统等零部件构成，电刷丝以一定的压力与环道接触。通过滑环，可实现活动部件360°自由旋转，并同时传递信号和（或）电流。滑环通常是包含很多个环的集合体，其中代替信号线传递信号的部分称作信号环；代替电源线传递电流的部分通常被称为功率环。

星载精密滑环组件具有精度高、噪声低、环道多、电流大、结构紧凑、运行可靠且安装方便的优点，广泛用于海、陆、空、天领域的测试、自控、武器、惯性导航系统等设备中。在飞船和卫星等空间飞行器上，导电滑环作为对日定向驱动机构完成功率和信号传输功能的关键部件，重要性日益突出，近几年，某院的几颗卫星均将导电滑环作为其失效故障的主要原因之一，其在轨可靠性越来越受到各方重视。

确定电刷丝与滑环接触压力大小非常重要。压力越大则接触电阻越小，有利信号或功率的传输，但会增加摩擦力矩，使接触部分磨损增大；压力越小则运转越灵活，磨损小，但接触电阻增大，温升很高，甚至会引起电刷丝和滑环的熔焊。但是已有的滑环性能测试研究中，多集中在对接触电阻、载流量、电磁噪声等电量的测量上，对于接触压力的研究或者限于理论分析和计算，或者存在接触点和测量点不一致的原理误差，大大影响了测量精度。

经检索，已有针对测量星载滑环接触力的技术方案公开，如中国专利号ZL201120568957.8，授权公告日为2012年11月21日，发明创造名称为：导电滑环电刷压力检测装置，该申请案涉及一种导电滑环电刷压力检测装置，底板上一侧设有二维电控位移台且其上设有导电滑环固定工装，底板另一侧设有固定块I，固定块I侧部上端设有可沿固定块I上下滑动的一维中控位移台，一维中控位移台台面上垂直设有固定块II，固定块II另一端与电控旋转台连接，测力计固定工装一端与电控旋转台旋转台面连接，测力计固定工装另一端连接数字测力计，数字测力计下端设有测力计钩头，测力计钩头可与固定在导电滑环固定工装上的导电滑环相接触；所述二维电控位移台、一维电控位移台、电控旋转台、导电滑环和数字测力计均与控制箱连接，控制箱与电脑主机连接。该申请案能够检测出电刷压力偏大或偏小的滑环，可以提高导电滑环的工作可靠性。但是，由于星载导电滑环的电刷丝直径很小，接触力和变形也很小，在进行接触力的测量时，直接测量接触点的接触力会存在一定测量误差。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中针对星载滑环接触压力的测量不精准的不足，提供一种基于悬臂梁理论的星载滑环接触力的测量方法及测量系统，本发明的测量方法是采用间接测量的办法实现对星载滑环接触力的精密测量，即通过在电刷丝与导电滑环的接触点附近设定测量点，利用等截面直梁的挠曲线方程式推导出在测量点处施加的初始测量力与在接触点处的接触压力之间的关系式，再根据变形的线性规律，采用最小二乘法对在测量点处测量到的数据进行一元回归分析，得到在测量点处精确的初始测量力，进而得到接触压力，测量精度高；本发明的测量系统设计巧妙，操作方便且测量精准。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种基于悬臂梁理论的星载滑环接触力的测量方法，包括以下步骤：

（1）将电刷丝的力学模型简化为悬臂梁形式，假设电刷丝的质量连续均匀分布即该悬臂梁为等截面直梁，建立悬臂梁的直角坐标系：以电刷丝的固定端为原点O点，以电刷丝未变形时电刷丝的长度方向为x轴，且该长度方向为正方向，以载荷F作用在电刷丝上时电刷丝的变形方向为y轴，且该变形方向为正方向；

（2）基于上述假设和建立的直角坐标系，在小变形条件下，得到悬臂梁的挠曲线方程为：其中l为悬臂梁的长度，F为施加在悬臂梁上的载荷，y(x)为悬臂梁的偏置位移量，x为作用点到原点的长度，x的取值范围为0≤x≤l，I为材料横截面对弯曲中性轴的惯性矩，E为材料弹性模量；

（3）电刷丝与导电滑环的接触点对应悬臂梁上的A点，在A点处施加载荷F_a，根据步骤（2）中的挠曲线方程式得出A点处产生的位移为：其中a为OA的长度，F_a为电刷丝与导电滑环接触压力，I为材料横截面对弯曲中性轴的惯性矩，E为材料弹性模量；