交换开关中关键部件的选择

摘 要：近些年来，为了扩大广播电视信号的覆盖效率，大功率短波广播发射机被广泛使用，由此，对短波广播天线交换开关的使用要求也随之提高。短波交换开关的主要作用是将短波广播信号通过不同的通路传输出去，其中的关键部件必须满足特定要求，所以在关键部件的材料选择上必须按照其特定的要求来选择，而且还要考虑其经济性和加工难易度。而一些电气元件则需要通过计算来确定。

关键词：短波天线交换开关 关键部件 材料选择 电器部件

中图分类号：TM59 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）07（b）-0012-02

短波天线交换开关是短波广播信号传输过程中必不可少的一个环节。它有两个传输状态（±45°）—— 直通和转向，通过电动机和变速箱带动主轴的转动来实现直通和转向两种状态的转换。短波天线交换开关单元采用纵横分布的排列方式，完成发射机和天线之间的转接任务。它可以方便的组成交换灵活的短波天线交换矩阵，通过改变交换开关转向刀的位置，实现不同通道的短波信号传播。短波天线交换开关的应用增强了我局短波天线交换的灵活性，降低了由于天线交换系统引起的停播事故，提高了我局短波广播播出的效果。

1 关键零部件材料的选择

短波天线交换开关大致可分成四大部分：框架部分、信号传输部分、传动部分和变速箱部分。信号传输部分关系到整个交换开关的电气指标，因此传输部分的材料选择及加工工艺都是非常重要的。信号传输部分由转向、直通馈管，主轴，转向刀体，绝缘子，接点等零部件组成。下面我们就通过对材料的分析来对其中一些关键部件的材料进行选择。

1.1 接点部分

在短波交换开关选择通路的过程中，是通过转向刀体的旋转，接触不同接点完成的。所以接点和刀体的接触尤为重要，在刀体进入接点的过程中，不仅要保证接点的弹性适中，还要保证接点与刀体接触的紧密。触点铆接在触点连接片上，在通过触点弹性片紧压在触点连接片上组成接点部分。通过了解接点部分的作用和组成部分，就要根据不同的性能要求选择材料。

触点连接片的选择—— 铍青铜。铍青铜是以铍为主要添加元素的青铜。它的铍含量为0.2%～2%，再加入少量的（0.2%～2.0%）钴或镍第三组元。该合金可热处理强化。是理想的高导、高强弹性材料。铍青铜无磁、抗火花、耐磨损、耐腐蚀、抗疲劳和抗应力松弛。并且易于铸造和压力加工成形。铍青铜加工材的典型用途是用作电子器件中的载流簧片、接插件、触点、紧固弹簧、板簧和螺旋簧、膜盒、波纹管及引线框架等。铍青铜具有良好的综合性能。其力学性能，即强度、硬度、耐磨性和耐疲劳性居铜合金之首。其导电、导热、无磁、抗火花等性能其他铜材无法与之相比。因此铍青铜的性能完全符合触点连接片高导、抗火花的要求。在经过表面镀银的工艺处理，更进一步的提高了触点连接片的导电性。

触点弹性片的选择—— 磷青铜。磷青铜是含2%～8%锡、0.1%～0.4%磷，其余为铜的铜合金。磷青铜有更高的耐蚀性，耐磨损，冲击时不发生火花。其延展性、抗疲劳性、抗腐蚀性非常好，而且具有良好的弹性。用于中速、重载荷轴承，工作最高温度250 ℃。具有自动调心，对偏斜不敏感，轴承受力均匀承载力高，可同时受径向载荷，自润滑无需维护等特性。磷青铜是一种合金铜，具有良好的导电性能，不易发热、确保安全同时具备很强的抗疲劳性。磷青铜的插孔簧片硬连线电气结构，无铆钉连接或无摩擦触点，可保证接触良好，弹力好，拨插平稳。该合金具有优良机械加工性能及成屑性能，可迅速缩短零件加工时间等。主要用作耐磨零件和弹性元件。电脑连接器，手机连接器，高科技行业接插件，电子电气用弹簧，开关，电子产品的插槽、按键、电气连接件，引线框架，振动片及端子等。因此磷青铜的性能完全符合触点弹性片高导、耐磨损、良好弹性的要求。

实践证明，使用了铍青铜和磷青铜的接点不仅具有可靠的导电性，抗火花性，弹性，而且便于加工生产。对交换开关信号传输起到了关键的作用。

1.2 绝缘子

顾名思义绝缘子的作用主要就是绝缘。由于通过交换开关的电压很高，所以抗高压，绝缘好就是选择绝缘子的主要要求。

交换开关上用的绝缘子的材料为95瓷，即氧化铝陶瓷的一种。氧化铝陶瓷是一种以氧化铝（AL2O3）为主体的材料。氧化铝陶瓷有较好的传导性、机械强度和耐高温性。关于氧化铝陶瓷的类别分为高纯型与普通型两种。高纯型氧化铝陶瓷是Al2O3含量在99.9%以上的陶瓷材料，由于其烧结温度高达1650 ℃～1990 ℃，透射波长为1～6 μm，一般制成熔融玻璃以取代铂坩埚，利用其透光性及可耐碱金属腐蚀性用作钠灯管，在电子工业中可用作集成电路基板与高频绝缘材料。普通型氧化铝陶瓷是按Al2O3含量不同分为99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品种，有时Al2O3含量在80%或75%者也划为普通氧化铝陶瓷系列。其中99氧化铝瓷材料用于制作高温坩埚、耐火炉管及特殊耐磨材料，如陶瓷轴承、陶瓷密封件及水阀片等；95氧化铝瓷主要用作耐腐蚀、耐磨部件；85瓷中由于常掺入部分滑石，提高了电性能与机械强度，可与钼、铌、钽等金属封接，有的用作电真空装置器件。通过对氧化铝陶瓷分类的了解，选出符合要求的绝缘体，再比较其经济价格确定选用具有以下特点的95瓷，即机械强度高，耐磨；耐酸碱等化学侵蚀能力强；常温及高温下电绝缘性好；高温下机械强度损失小。

最后通过打压试验，将8万伏高压通过绝缘子，而漏电指数小于0.05 mA，证明了所选材料的绝缘子在交换开关中的安全使用。

1.3 电晕环

在交换开关的转换刀切入触点的过程中，由于刀体和触点连接片都存在尖角，而且电场非常大，一旦空气被电子击穿成为导体，就很可能出现拉弧现象，俗称打火现象。情况严重的会将触点和刀头烧坏，影响安全播出。为了解决这一问题，在交换开关每个触点的上下两面加装电晕环来缓解尖端放电这一问题，从而大大的提高了交换开关的安全性，保证了安全播出。

由于电晕环需要起到缓解尖端放电的作用，所以必须具有优良的导电性和导热性。再根据电晕环的加工外形确定其还需要有优良的延展性和耐蚀性。由此决定选用紫铜作为电晕环的材料。紫铜是比较纯净的一种铜，一般可近似认为是纯铜。紫铜具有优良的导电性、导热性、延展性和耐蚀性。主要用于制作发电机、母线、电缆、开关装置、变压器等导热导电器材。紫铜的导电性能非常好，在常见的金属中仅次于银，但考虑其经济因素使紫铜成为电气工业的“主角”。紫铜极富延展性，一滴水大小的紫铜，可以拉成长达2 km的细丝或压延成比床还大的几乎透明的铜箔。

2 电器元件的选择

短波天线交换开关刀体的旋转换位是通过变速箱里一系列的动作完成的。变速箱通过电机输出带动一级蜗杆轴，一级蜗杆轴带动二级传动轴上的涡轮蜗杆，再由二级传动轴上的蜗杆带动三级传动轴上的涡轮，最终由三级传动轴带动主轴转动。在交换开关刀体的旋转换位过程中不仅可以通过电控来实现，在特殊的情况下还应该可以通过手动来完成刀体的转向。为了实现这一要求，在设计变速箱的时候，决定在二级传动轴上增加一个电磁离合器，通过离合器的吸合与断开来实现短波天线交换开关的电动控制与手动控制功能。但是由于变速箱体积较小，内部空间很紧凑，这就对选取什么样的电磁离合器提出了很高的要求。

首先通过计算算出电磁离合器实际传递的转矩。电动机的功率为：P=160 W；额定转速为：n=1400 r/min；一轴与二轴的传动比为：i=15；传动效率估计值为：η=0.9。

一级蜗杆轴传递的转矩：T1=9550×P/n=9550×0.16/1400≈1.1 N/m

二级蜗轮轴传递的转矩：T2=i×T1×η=15×1.1×0.9=14.85 N/m

电磁离合器传递的转矩：T=36.5/30×T2=36.5/30×14.85≈18.1 N/m

通过以上计算得到电磁离合器实际传递的转矩约为18.1 N/m。但是计算中的传动效率（η值）是估计值，再加上装配过程中电磁离合器的装配间隙若过大，有可能导致额定转矩减小，以及其他一些不可知的原因，使电磁离合器额定转矩再次减小，所以为了不出现电磁离合器的打滑现象，所选用的电磁离合器的额定转矩必须大于其实际传递的转矩。

通过查找，结构简单、外形轮廓尺寸小的牙嵌式电磁离合器的特性比较符合变速箱的要求。牙嵌式电磁离合器是借助端面齿啮合传递力矩、单滑环通电工作型离合器。具有以下特性（1）通过齿面传递扭矩；（2）小尺寸，高扭矩；（3）反应速度快；（4）无空载扭矩；（5）允许高速运转；（6）免维护；（7）静止状态啮合或同步运行；（8）可以在有负荷情况下全速进行脱离；（9）特殊的齿式设计，允许在一定角度位置下进行啮合。并且适用于干式工作或湿式工作两种情况。该离合器用于机械传动系统中，可在主动部分的情况下，使从动部分与主动部分结合或分离，从而达到起动、停止、换向、位移等目的。主要用于一般工作机械系统中。

根据牙嵌式电磁离合器的特性及计算出离合器的实际传递转矩，最终选用了额定转矩为25 N/m的牙嵌式电磁离合器。并通过变速箱的疲劳试验证明了此离合器完全适用于交换开关，实现了交换开关电动控制与手动控制并存的功能，方便了客户对交换开关的使用。

3 辅助物品的选择

3.1 润滑脂

变速箱的结构是交换开关所有零部件中最精密的部分。涡轮蜗杆和电磁离合器全部安装在变速箱内，交换开关的所有动作都是靠变速箱的运转带动的。为了保证变速箱内部零件的寿命，减少内部零件的磨损。需要在零部件上涂抹润滑剂。润滑剂主要起润滑、防锈、密封的作用。由于变速箱不是完全封闭的，所以如果选用润滑油，就会从缝隙中渗出。不仅影响美观，还需要定期补充，非常麻烦。而润滑脂相比于润滑油有以下优点：（1）润滑脂粘性好，不易流失；（2）润滑脂的蒸发速度慢，可以在高温下长周期运行；（3）润滑脂具有更高的承载能力和更好的阻尼减震能力；（4）润滑脂能形成具有一定密封作用的脂圈，可防止固体或流体污染物的侵入，有利于在潮湿和多尘环境中使用；（5）用润滑脂通常只需将少量润滑脂涂于润滑表面，因而可大大节约油品的需求量。

由于我局各个台站分布较广，环境各不相同，尤其在温度上差异很大，所以为了防止润滑脂在高温下融化，在低温下冻结，选用了适用温度为-60 ℃～120 ℃的航空润滑脂，减少了变速箱的故障率，增加了变速箱的寿命。

3.2 分子导电素

由于刀体和触点之间的场强很大，为了防止出现打火，在刀体表面涂抹一层有机导电材料—— 分子导电素。分子导电素无毒无气味，不易挥发、分解，有强憎水性，适用温度为-50 ℃～250 ℃，不易流失、变干，理化性能十分稳定。涂敷在金属表面有优良持久的导电性能，接触电阻不大于2微欧，能耐20万伏以上高压和1万安培以上大电流。它还能抵御湿热、盐雾工业大气、手汗、霉菌对金属的侵蚀。既保证了信号的安全传输，还起到了润滑的作用。

随着科学技术的快速发展，我们将不遗余力的继续开发研制更多的设备和配件，尽自己最大的能力为广播电视领域做出贡献。

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