Плъзгащият пръстен е електромеханично устройство, което прехвърля електрическа мощност, управляващи сигнали или данни през въртящ се интерфейс -, поддържайки неподвижна система електрически свързана с такава, която се върти. Без него всяка тел, захранваща непрекъснато въртяща се част, ще се усуче, умори и в крайна сметка ще се счупи. Ето защо ще намерите контактни пръстени във вятърни турбини, опаковъчни линии, кранове, роботи, медицински скенери, радарни пиедестали и офшорни лебедки.
Може да видите и плъзгащи се пръстени, нареченивъртящи се електрически съединители, колекторни пръстени, електрически въртящи се съединения, илиелектрически вирбели. Терминологията се променя между индустриите, но функцията не: свързване на стационарна верига с въртяща се, без прекъсване на връзката.
Това ръководство обхваща какво всъщност прави плъзгащият пръстен, как го прави, основните типове, които ще срещнете, индустриите, в които те имат значение, и - по-практично - как да разберете дали част от каталога ще работи или имате нужда от персонализиран дизайн.
Какво всъщност прави плъзгащият пръстен?
Плъзгащият пръстен осигурява непрекъснат електрически път между фиксирана структура и такава, която се върти. Представете си панорамна-накланяща се камера, която се върти на 360 градуса върху колона. Нуждае се от захранване за сензора за изображения, дву-етернет за контрол и видео и евентуално линия за обратна връзка на енкодер. Ако свържете това с кабелен сноп, кабелът се увива около колоната в момента, в който главата се завърти на повече от 180 градуса. След няколко цикъла проводниците се уморяват и екранировката се напуква.
Пуснете плъзгащ пръстен в същата ос и проблемът с кабела изчезва. Стационарните проводници се свързват към сградното окабеляване; въртящите се проводници се свързват към главата на камерата; и главата може да се върти неограничено във всяка посока.
В зависимост от дизайна, един модул с плъзгащ се пръстен може да пренася електрическа мощност, вериги за управление на ниско-напрежение, сигнали от сензори и енкодери, видео (HD-SDI или аналогови), Ethernet, трафик на полева шина и, в хибридни конструкции, течност или въздух през една и съща ос. Това, което може да носи, зависи от броя на вериги, напрежение и ток на верига, контактни материали, екранировка и корпус -, поради което „плъзгащият пръстен“ сам по себе си не ви казва много. Спецификацията го прави.
Защо не можете просто да използвате кабел?
Ако машината се люлее само през ограничена дъга -, да речем, ±170 градуса -, може да е достатъчна гъвкава сервизна верига или кабелна верига. В момента, в който имате нужда от пълно, непрекъснато, многократно завъртане, обикновеният кабел става най-слабата част от системата.
Плъзгащият пръстен решава четири проблема едновременно:
- Елиминира обвиването на кабела.Без усукване, без прегъване, без напукване на изолацията от цикличен стрес.
- Позволява неограничено въртене.Проводимият път е кръгъл, така че връзката никога не се прекъсва, независимо колко оборота прави валът.
- Почиства механичния дизайн.Без кабелни макари, гирлянди, сервизни примки или цикли на развиване.
- Носи повече от сила.Модеренплъзгащ пръстен или колекторен пръстенможе да интегрира сигнални{0}}вериги, Ethernet, видео и дори оптични канали заедно с основното захранване.
Как работи плъзгащият пръстен?
Повечето контактни пръстени работят на същия основен принцип: набор от проводими пръстени се върти с вала, а неподвижните четки се движат срещу повърхностите на пръстена. Докато четката е в здрав, чист контакт с пръстена, тече ток.
Сглобката има две електрически различни страни:
- Theнеподвижна странасвързва се към вашия контролен шкаф, захранване или окабеляване нагоре по веригата. Не се движи.
- Theвъртяща се странасвързва се с каквото и да се върти - грамофон, турбина, китка на робот, барабан на лебедка.
Всеки пръстен съответства на един електрически път. Едно просто устройство може да има два или три пръстена за основна мощност. Един сложен комплект може да подрежда 50 или повече пръстена, за да управлява смесено захранване, контрол и сигнален трафик. Материалът на четката, пръстеновидното покритие (често злато-върху-злато за сигнални вериги, сребърен-графит или меден-графит за по-висок ток), силата на пружината и геометрията на контакта влияят на контактното съпротивление, електрическия шум и експлоатационния живот.
Една подробност, която си струва да се разбере: контактното съпротивление никога не е нула и варира леко, докато четката пресича пръстена. За захранващите вериги това почти няма значение. За Ethernet, HD-SDI видео или чувствителни аналогови сигнали това е от голямо значение -, поради което плъзгащите се пръстени за сигнален-клас използват различни материали, екраниране и геометрия, отколкото дизайни само за захранване-.
Вътре в сглобката: какво всъщност има
Отвън плъзгащият пръстен изглежда измамно прост. Вътрешно, няколко компонента трябва да работят заедно, за да поддържат контакта стабилен при милиони завъртания.
- пръстени:въртящите се проводящи пътеки, обикновено медна сплав с покритие от благороден-метал за контролиране на износването и устойчивостта на контакт.
- Четки:стационарните контакти. Телени четки за сигнална работа; въглеродни или метални-графитни блокове за по-високи токове.
- Вал и главина:механичната сърцевина, която държи пръстените в една линия.
- Изолация:разделя пръстените един от друг и от вала. Изолационната якост определя номиналното напрежение на-веригата.
- Лагери:поддържайте плавно въртене и поддържайте пръстените концентрични спрямо четките.
- Жилище:предпазва вътрешните части от прах, влага, масло и удар. Материалът и конструкцията на уплътнението определят степента на IP.
- Изводи и съединители:как веригите излизат от модула. Често частта, която се проваля първа, ако е посочена лошо.
Качеството на тези елементи е това, което отличава един контактен пръстен, който издържа десет милиона завъртания, от този, който започва да произвежда шум след шест месеца.
Често срещани типове плъзгащи се пръстени - и кога всеки от тях пасва
Механичното оформление на контактния пръстен обикновено следва от машината, а не обратното. Четирите основни семейства покриват повечето приложения.
Плъзгащи пръстени на капсулата
Компактен, напълно затворен и достатъчно малък, за да се побере в китката на робот или в главата за видеонаблюдение.Плъзгащи пръстени на капсулатаобикновено се справят с ниски-до-умерени токове (около 2–10 A на верига) и скромен брой на веригата. Използвайте ги, когато пространството е обвързващо ограничение и натоварването е малко: камери, малки грамофони, тестови тела, лека роботика.
Чрез-плъзгащи пръстени на отвора
Кухият център позволява на вал, хидравличен тръбопровод, оптично влакно или пневматичен маркуч да минава направо през средата.Чрез-плъзгащи пръстени с отворса работните коне на индустриалната автоматизация, опаковъчните машини, пиедесталите на антените и всяка система, при която контактният пръстен трябва да се монтира около съществуващ въртящ се вал. Размерите на отворите обикновено варират от няколко милиметра до 300+ mm за тежка промишлена употреба.
Плъзгащи пръстени за палачинки
Плоска и дискообразна -форма - полезна, когато аксиалното пространство е тясно, но имате радиално свободно пространство.Плъзгащи се пръстени за палачинкиса често срещани в космическата промишленост и определено оборудване за изпитване. Те идват с компромис-: геометрията на отворения контакт е по-чувствителна към остатъци от износване и производителността на сигнала обикновено изостава от сравним -отворен модул, така че те са избрани по-скоро по механични причини, отколкото по електрически.
Дизайни с-силен ток и въглеродни четки
Когато трябва да прокарате стотици или хиляди ампера през въртяща се връзка - помислете, че ротаторите за заваряване, кабелните макари на кранове или големи въртящи се платформи - жични-контакти на четките не могат да разсеят топлината.Плъзгащи пръстени с карбонова четкаизползвайте по-големи метални-графитни контактни блокове с подходящи топлинни пътища и четка{1}}притискащи пружини. Специално предназначен за заваряване на земятаземни съединителни единициоценени за 800 A, 1200 A или 2000 A управляват токове, които биха разрушили стандартен контактен пръстен.
Плъзгащи пръстени Mercury
Контактите от-течен метал осигуряват много ниско, много стабилно контактно съпротивление и изключително дълъг електрически живот.Плъзгащи пръстени Mercuryотлични при приложения с висока-честота, висока{1}}прецизност, високи-RPM, където контактният шум трябва да бъде сведен до минимум. Компромисът-е екологичен: употребата на живак е регулирана в много юрисдикции и се прилагат ограничения за ориентация/температура.
Хибридни и оптични дизайни
Когато една въртяща се ос трябва да пренася електрическа енергия, високо{0}}скоростни данни и течна среда едновременно, хибридният модул съчетава електрически контактен пръстен спневматичен или хидравличен ротационен съединители по избор въртяща се връзка с оптични влакна (FORJ) за данни с гигабитова-скорост. За гигабитово предаване, базирано на мед-, правилно проектираногигабитов Ethernet контактен пръстенчесто е по-простият и по-{0}}рентабилен избор; FORJ е запазен за случаите, когато устойчивостта на електрически шум, разстоянието или широчината на честотната лента изтласкват медта извън своите граници.
Кой тип хлъзгащ пръстен отговаря на вашето приложение?
Ръководство за бързо вземане на решения, което съпоставя доминиращото ограничение с най-често срещания тип:
- Тясно общо пространство, лек товар, няколко вериги:капсула
- Вал, маркуч или кабел трябва да минава през центъра:през-отвор
- Аксиалната дължина е ограничението, налично е радиално пространство:палачинка
- Стотици до хиляди ампера:въглеродна четка или специален заваръчен заземителен съединител
- Много нисък електрически шум, високи обороти, висока честота:живак (където регламентът позволява)
- Смесена мощност + въздух/течност + сигнали на една ос:хибрид
- Високо{0}}скоростни цифрови сигнали (Ethernet, HD-SDI):сигнал-проходен-отвор, с FORJ като опция за най-взискателните случаи
Къде се използват хлъзгащи пръстени - и какво трябва да наблюдава инженерът
Честният отговор на въпроса „коя индустрия използва контактни пръстени“ е „всяка индустрия с въртящо се оборудване, което се нуждае от захранване или данни“. Но приоритетите на дизайна се променят драматично между приложенията и това е мястото, където се случват повечето грешки при избора.
Вятърни турбини: контрол на наклона и мониторинг на състоянието
Вътре в хъба, aплъзгащ пръстен на вятърна турбинаобикновено обработва мощността на двигателя на наклона, сигналите за управление на наклона, данните от-коренния сензор на острието и пътеките-за защита от мълния. Определящите напрежения не са електрически - те са механични и екологични: непрекъсната работа при ниски-обороти, големи температурни колебания, кондензация, вибрации и десетилетия очакван експлоатационен живот с ограничен достъп за поддръжка на височината на главината.
Фокус на селекцията:контактни материали с дълъг- живот, здраво уплътнение и цялост на сигнала за SCADA данни през целия живот на турбината.
Кранове, лебедки и въртящи се системи
Кулокрановете, пристанищните кранове и офшорните лебедки се нуждаят от въртящата се конструкция, за да получават захранване, контролни сигнали и често Ethernet за камери и наблюдение на товара. Плъзгащият пръстен стои изложен на атмосферни влияния, солен въздух и понякога измиване.
Фокус на селекцията:уплътнение (минимум IP65, често IP66 или по-добро за морски), устойчиви на корозия-материали на корпуса, устойчивост на удари и вибрации и подходящ номинален ток за въртящите се двигатели. Кабелният вход често е действителната слаба точка - не корпусът, не контактите.
Опаковка и обработка на материали
Ротационните пълнители, затварящите глави, етикетиращите и разтегливите опаковки се движат постоянно. Модулът с -отвор обикновено е правилният форм фактор - вижте например aплъзгащ пръстен за машини за стреч опакованекъдето каретата за фолио се върти около палета.
Фокус на селекцията:жизнен цикъл над текущия рейтинг. Тези машини извършват хиляди обороти на ден. Компактното окабеляване, стабилната производителност на сигнала за сензорите и обратната връзка на пневматичните клапани и предвидимото поведение при износване са по-важни от капацитета на суровия ток.
Индустриална автоматизация и роботика
Ротационните индексатори, китките на роботите, автоматизираните инспекционни кули - най-много се нуждаят от комбинация от мощност на двигателя, обратна връзка на енкодера, полеви трафик (Profinet, EtherCAT, CAN) и понякога Ethernet-система за зрение. Плъзгащият пръстен ефективно се превръща в малък разпределен I/O интерфейс, който случайно се върти.
Фокус на селекцията:сигнални{0}}вериги с подходящо екраниране и обработка на импеданса за използвания протокол. Често срещана грешка е третирането на Ethernet контактен пръстен като захранващ контактен пръстен с допълнителни вериги - те не са едно и също нещо електрически.
Медицинско и лабораторно оборудване
CT порталите, манипулаторите на проби и диагностичните инструменти изискват нисък електрически шум, плавно въртене и постоянно качество на сигнала. Токът рядко е проблем; целостта на данните и механичната прецизност са.
Фокус на селекцията:контактни системи с нисък{0}}шум, често злато-върху-злато, плюс внимателно внимание към кръстосаните смущения между съседни сигнални вериги.
Радар, отбрана и наблюдение
Антенните пиедестали и кулите за наблюдение се въртят непрекъснато, докато предават RF, видео и контролни сигнали. Честотната лента и целостта на сигнала не-подлежат на обсъждане.
Фокус на селекцията:сигнал{0}}клас ротационни съединения, често хибридни дизайни, комбиниращи електрически вериги с FORJ за данни с висока-честотна лента, плюс здраво уплътнение за използване на открито или на борда.
Морски, офшорни и подводни
Соленият спрей, влажността, налягането и непрекъснатото излагане на открито са двигателите на дизайна. Типичните изисквания са неръждаеми корпуси, морски-уплътнения,-устойчиви на корозия съединители и защитени кабелни входове. IP рейтингът сам по себе си не разказва цялата история - на IECIEC 60529Стандартът определя от какво всъщност защитава всеки IP код, а разликата между IP65 (отмиване) и IP67 (временно потапяне) решава дали дадена част оцелява в определена среда.
Когато стандартният плъзгащ пръстен не е достатъчен
Стандартните контактни пръстени от каталог покриват забележителна гама от приложения. Те престават да бъдат правилният отговор, когато се прилагат едно или повече от тези условия:
- Напрежението, токът или броят на вериги надвишава обвивката на каталога.
- Интерфейсът за монтиране е не-стандартен - нечетен модел на фланец, специфичен размер на отвора, конфигурация на края-на-вала, която не съответства на никоя стандартна единица.
- Сигналният микс е необичаен: комбинация от HD-SDI видео, USB и Profinet на една и съща ос, например.
- Околната среда надхвърля това, което стандартният корпус издържа - висока температура, експлозивна атмосфера, подводно налягане.
- Имате нужда от захранване, сигнал и течна среда през една ос.
- Целите за експлоатационен живот надхвърлят това, което--доставят готовите контактни системи.
В този момент вие гледате aплъзгащ се пръстен по поръчка- и разговорът за дизайн обикновено започва със същия набор от спецификации.
Какво да изпратите, когато заявите персонализиран плъзгащ се пръстен (контролен списък за RFQ)
Инженерен екип може да цитира и проектира точно, ако предоставите следното. Неясните искания се връщат като неясни предложения.
- Брой вериги:общ брой електрически пътища, разбити по мощност спрямо сигнал.
- Напрежение и ток на верига:пикови и непрекъснати.
- Видове сигнали:Ethernet (10/100/1000), CAN, RS-485, USB 2.0/3.0, HD-SDI, аналогов 4–20 mA, протокол на енкодер и др.
- Скорост на въртене:непрекъснати обороти и всякакви пикови условия.
- Работен цикъл:непрекъснато, периодично или случайно.
- Монтаж:проходен{0}}отвор (с необходимия диаметър на отвора), капсула, фланец, край-на-вала.
- Ограничения на външния плик:макс. OD, максимална дължина.
- IP рейтинг и среда:на закрито, на открито, измиване, морски, температурен диапазон, наличие на прах, масло или химикали.
- Предпочитание за кабел/конектор:летящи проводници с дадена дължина, клемни блокове, конектори M12, MIL-спец. конектори.
- Очакван експлоатационен живот:общи обороти или работни часове.
- Други медии на същата ос:въздух, хидравлична течност, оптични влакна.
Пълният спецификационен лист често спестява пълен цикъл на ревизия във фазата на проектиране.
Какво може да се персонализира
Почти всичко, с изключение на основната физика. Най-често променяните области:
- Конфигурация на веригата:смесено захранване, управление, енкодер, полева шина, видео и Ethernet в един стек.
- Номинално напрежение и ток:от 5 V нива на сигнала до средно-напрежение и от милиампери до хиляди ампера.
- Диаметър на отвора и обща геометрия:съответстващ на съществуващ вал или корпус.
- Материал на корпуса и покритие:алуминий (лек), неръждаема стомана (корозия), пластмаса (тегло или изолация).
- Уплътнение и IP рейтинг:от основна IP54 защита от прах и пръски до IP67/68 за потапяне.
- Кабелни комплекти:екранирана усукана двойка за Ethernet, потребителски дължини, облекчаване на напрежението, специфични типове конектори.
- Хибридна интеграция:комбиниране на електрически с пневматични, хидравлични или оптични канали в един комплект.
Плъзгащ пръстен срещу въртящо се съединение срещу кабелна макара
Тези три компонента често се бъркат, защото всички те се отнасят до въртящи се машини, но решават различни проблеми.
- Плъзгащ пръстен:прехвърля електрическа енергия, сигнали или данни през въртяща се връзка.
- Ротари съюз:пренася течности или газове (хидравлично масло, охлаждаща течност, сгъстен въздух) през въртяща се връзка.
- Кабелна макара:управлява дължината на кабела на мобилно оборудване - изплаща и прибира, но не позволява непрекъснато въртене.
Една сложна машина често използва две или и трите заедно. Опаковката на палети може да използва контактен пръстен за захранване и сензорни сигнали на въртящото се рамо, пневматичен въртящ се съюз за цилиндъра за опъване на фолиото и система за управление на кабела за движещата се каретка.
Поддръжка и експлоатационен живот
Животът на контактния пръстен зависи от няколко взаимодействащи фактора:
- Контактни материали и налягане:контактите от-благородни метали на сигнални-устройства могат да надхвърлят 100 милиона оборота; въглеродните четки се износват по-бързо, но са за смяна.
- Скорост и натоварване:по-високите обороти увеличават износването и топлината; по-високият ток ускорява контактната ерозия.
- Работен цикъл:продължителната работа генерира повече общо износване, отколкото периодичното използване, дори при същото общо време на работа, поради термични цикли.
- Замърсяване:прахът, влагата и излагането на химикали причиняват не-линейно износване - запечатан модул в чиста среда ще издържи с порядък на величина експониран модул.
- Вибрация и разместване:често действителната основна причина за ранен провал, погрешно приписван на "лоши контакти".
Запечатаните модули със сигнален{0}}клас и капсули обикновено не изискват поддръжка-през техния номинален живот. Устройствата с въглеродна-четка с висок-ток изискват периодична проверка и подмяна на четката; интервалът зависи от тока, RPM и околната среда.
Как да изберем правилния пръстен?
Изборът се свежда до четири въпроса, зададени в този ред. Всеки от тях изключва опции, които следващият въпрос иначе би разгледал.
- Какво трябва да носи контактният пръстен?Само захранване, само сигнал или и двете? Кои протоколи за сигнали и с каква скорост на предаване на данни? Това определя дали гледате мощност-клас, сигнал-клас или хибридно устройство.
- Какъв е механичният плик?През-отвор? Край-на-вал? Максимален OD и дължина? Това стеснява форм фактора.
- Каква е работната среда?Чистият въздух на закрито е един режим; открито море е друго; експлозивната атмосфера е трета. Theнеобходим IP рейтинг, материалът на корпуса и дизайнът на уплътнението отпадат от това.
- Какъв е профилът на задълженията и очакваният живот?Непрекъснато или периодично? Обхват на оборотите? Очакван експлоатационен живот? Това определя контактните материали и дали е подходящ-необслужваем или обслужващ дизайн.
Често срещани грешки при избора
- Избор само по външен диаметър.Устройство, което пасва на скобата, но няма правилната контактна система за микса на сигнала, ще произведе периодични грешки, които изглеждат като грешки във фърмуера.
- Подопределяне на средата.„На открито“ без температурен диапазон или IP рейтинг не е спецификация.
- Третиране на Ethernet вериги като обикновени сигнални вериги.Gigabit Ethernet има изисквания за импеданс, екраниране и пресичане, които обикновените сигнални контакти не могат да отговорят.
- Посочване на ток само при пик, не непрекъснат.Пиковият ток определя номиналната стойност на контакта; непрекъснатият ток определя термичния дизайн.
- Оставяне на плъзгащия пръстен до последно в дизайна на машината.Дотогава пространството за монтаж и маршрутизирането на кабелите ограничават опциите до много по-малък - и често по-лош-пасиращ - комплект.
ЧЗВ
Каква е основната цел на плъзгащия пръстен?
За пренос на електрическа мощност, контролни сигнали или данни между неподвижна структура и непрекъснато въртяща се такава, без кабелът да се усуква или скъсва.
Как контактният пръстен пренася електричество?
Проводимите пръстени се въртят с вала, докато неподвижните четки се движат срещу тях. Докато четката поддържа чист контакт с пръстена, токът протича - независимо от това колко оборота прави валът.
Може ли контактен пръстен да предава Ethernet или видео?
Да, но само ако контактният пръстен е предназначен за това. За протоколи като гигабитов Ethernet или HD-SDI видео се изискват-сигнални контакти, контролиран импеданс, екраниране и правилно заземяване. Стандартен захранващ контактен пръстен няма да пренесе надеждно тези сигнали.
Каква е разликата между плъзгащ се пръстен и ротационно съединение?
Плъзгащ пръстен пренася електричество. Ротационно съединение пренася течности или газове - хидравлично масло, охлаждаща течност, сгъстен въздух. Хибридните дизайни комбинират и двете на една ос.
Плъзгащите пръстени имат ли нужда от поддръжка?
Запечатаните сигнални{0}}и плъзгащи пръстени тип капсула обикновено не изискват поддръжка-за техния номинален живот. Високотоковите въглеродни-четки се нуждаят от периодична проверка и подмяна на четките; интервалът зависи от тока, скоростта и средата.
Кога трябва да обмисля персонализиран плъзгащ се пръстен вместо част от каталога?
Всеки път, когато целите за смесване на вериги, напрежение, ток, монтажен интерфейс, среда или експлоатационен живот попадат извън обхвата на стандартната част. Персонализираните проекти са рутинни за вятърни турбини, морско оборудване, отбранителни системи и повечето не-тривиални автоматизации.
Как да разбера какъв IP рейтинг ми трябва?
Свържете оценката с действителната експозиция. IP54 се справя с прах и пръски. IP65 се справя с водни струи с ниско{4}}налягане - подходящи за повечето промишлени приложения на открито. IP67 се справя с временно потапяне. IP68 се справя с непрекъснато потапяне на определена дълбочина. Стандартът IEC 60529 дефинира точно всеки код.
Сглобяване
Плъзгащият пръстен изглежда като прост компонент и е такъв за приложения с ниски-залагания. За всичко, което носи реална мощност, реални данни или работи в трудна среда, това е решение на ниво-система: контактните материали, уплътнението, целостта на сигнала и монтажът взаимодействат с останалата част от машината. Посочете го рано, посочете го напълно и ще избегнете най-често срещания режим на повреда -, откривайки при пускане в експлоатация, че контактният пръстен е тясното място.
Ако вече знаете своя брой вериги, напрежение, сигнални протоколи и среда, следващата стъпка е да ги съпоставите с конкретен дизайн. Ако някое от тях все още е неясно, първо трябва да проведете това. Така или иначе,инженерен екипобикновено може бързо да стесни опциите, след като изискванията са на хартия.
Тази статия е подготвена от екипа за техническо съдържание на Bytune и прегледана от нашите инженери по дизайна на плъзгащи пръстени. За спецификации на конкретна фамилия продукти вижтепродуктов каталог.