Система с въртящи се съединителни пръстени: Кога да се интегрира

Когато една машина трябва да се върти непрекъснато, докато поддържа тежки товари, прехвърля флуидна мощност и предава електрическа енергия или данни през една и съща ос, оформлението, изградено от отделни части, се усложнява бързо. Маркучите се усукват. Умора на кабелите. Скобите изяждат място. Достъпът до услугата изчезва.

Това е проблемът, за който е създадена интегрирана система с плъзгащи пръстени с въртящо се съединение. В един координиран възел лагерът на въртящия се пръстен носи структурното натоварване, многопортовият въртящ се съединител пренася флуидна среда, а електрическият плъзгащ се пръстен пренася мощност, контролни сигнали и данни през въртящата се връзка.

Това ръководство обяснява как трите компонента пасват заедно на една ос, кога интегрираният дизайн е правилното решение и кога не е, параметрите, които трябва да посочите правилно, както и грешките в дизайна, които причиняват повечето проблеми на място. Той е написан за инженери по проектиране и доставка на OEM и е прегледан от нашите инженери по приложенията на контактни пръстени, като се основава на модели, които виждаме многократно в персонализирани проекти за ротационен-интерфейс.

Какво представлява интегриран ротационен съюз, плъзгащ пръстен и система с въртящ се пръстен?

Интегриран въртящ се интерфейс обединява три задачи в един модул, който се върти около обща ос: поддържане на структурно натоварване, пренос на течности и електрическа енергия, сигнал или пренос на данни. Вместо да прокарва маркучи и кабели около външната страна на въртяща се конструкция, системата ги прекарва през или около оста на въртене под контрол.

Лагерът на въртящия се пръстен: Основата,-носеща товара

Лагерът на въртящия се пръстен, наричан също въртящ се пръстен или лагер на въртяща се маса, е структурната връзка на системата. Той поддържа въртящата се секция, докато носи аксиални натоварвания, радиални натоварвания и натоварването на момента на накланяне, което създава изместена стрела или инструмент. В повечето конструкции въртящият се пръстен също представлява част от задвижването: вътрешни или външни зъби на зъбно колело позволяват на пиньон, хидравличен мотор или скоростна кутия да завъртат въртящата се секция.

Защо има значение: моментното натоварване, а не статичното тегло, обикновено определя размера на лагера. Кула, която тежи малко, но носи дълга ръка, може да генерира голям момент на преобръщане, а маломерният лагер ще се отклони, завърже или износи рано. Типичните хостове включват кули на кранове и багери, въртящи се маси,-грайфери за манипулиране на материали и платформи,-с лице към вятъра.

Многопортов ротационен съюз: Пренос на течности

Ротационно съединение с множество отвори (наричано още ротационно съединение или, когато движи масло, aхидравлично ротационно съединение) пренася течност от стационарно захранване към въртяща се част на машината. Може да работи с хидравлично масло, въздух, вода, охлаждаща течност, грес или вакуум. „Многопортовата“ част означава, че няколко независими вериги преминават през един въртящ се интерфейс: въртящо се приспособление може да използва една верига за задействане, една за връщане, една за пилотно управление и друга за смазване или охлаждане, като всяка верига е запечатана от останалите.

Защо има значение: броят на портовете е най-малко важното число. Типът среда, налягането, скоростта на потока, температурата и ограничението на налягането-скорост (PV) на уплътнението при действителната скорост на въртене определят дали съединението оцелява. Същият съединител, който работи щастливо при 210 бара при бавно приложение, може да прегрее и да износи уплътненията си при същото налягане, ако скоростта или работният цикъл се покачат.

Електрически контактен пръстен: захранване, сигнал и пренос на данни

Анелектрически контактен пръстенпренася електрическа мощност, управляващи сигнали, обратна връзка от сензори и комуникационни данни между неподвижната и въртящата се страна. Един модерен контактен пръстен рядко просто премества захранването: той може да пренася обратна връзка от енкодера, команди за клапани, трафик на Ethernet или CAN шина, видео от камерата и данни за температурата на един и същ хъб. Това има най-голямо значение, когато въртящият се модул включва сензори, светлини, задвижващи механизми, камери или интелигентни контролни модули, които трябва да продължат да общуват с фиксиран контролер, докато машината се върти.

Как трите се комбинират на една ос

В типичен интегриран модул трите функции са подредени коаксиално около една ос на въртене. Въртящият пръстен образува връзката между неподвижната основа и въртящата се платформа. Често срещано разположение е оформлението на кух -отвор: въртящият се съединител седи в центъра, за да пренася флуидни линии, а контактният пръстен е монтиран над, под или около него, за да пренася проводници. Каналите за течност се приземяват от въртящата се страна през ротора на съединението; проводниците се приземяват върху ротора на контактния пръстен; стационарните захранващи линии и окабеляването на машината остават фиксирани към основата.

Две решения оформят цялото оформление:

• Кой член се върти.На въртящ се пръстен вие избирате дали вътрешният или външен пръстен да се върти и дали зъбното колело се намира на вътрешния или външния пръстен. Този избор определя къде завършват задвижващото зъбно колело, съединителните портове и изходите на кабела.
• Как течните и електрически пътища се държат разделени.Течността и електрическата среда никога не трябва да споделят запечатана кухина. Изтичащото уплътнение не трябва да може да наводни контактите на контактния пръстен, така че двете функции принадлежат към отделни, индивидуално дренирани отделения.

Инженерна бележка: потвърдете диаметъра на-проходния отвор, преди структурата да бъде детайлизирана. Централният отвор трябва да изчисти всеки маркуч, фитинг и кабелен сноп, който минава през него, плюс самото тяло на съединението. Установяването, че отворът е твърде малък, след като рамката е проектирана, е една от най-скъпите късни промени в този вид проект.

Защо да комбинирате тези три компонента?

Комбинирането на въртящ се съединител, контактен пръстен и лагер с въртящ се пръстен не е просто трик за опаковане. Той премахва няколко точки на повреда, които се появяват отново и отново във въртящи се машини.

По-чисто фрезоване през една ос

Прокарването на флуидни и електрически линии поотделно около въртяща се конструкция обикновено изисква допълнителни скоби, предпазители, примки, вериги за плъзгане и въртящи се опори. Интегриран интерфейс организира тези вериги около оста на въртене, вместо да ги принуждава около външната страна на машината, което оставя по-чисто, по-лесно-за-защита оформление.

По-малко усукване на маркуча и умора на кабела

Многократното усукване е един от най-големите врагове на въртящото се оборудване. Хидравличните маркучи и електрическите кабели понасят само толкова много въртене, преди да настъпи умора, абразия или напрежение при огъване. Ротационното съединение предпазва тръбопроводите от усукване, а контактният пръстен прави същото за проводниците, така че машината може да се върти, без да навива нищо около конструкцията.

Границата, която има значение: това предимство се прилага, когато секцията се върти непрекъснато, прави множество завъртания или има неограничено въртене. Ако осцилира само през ограничена дъга, например няколко завъртания от плюс или минус 180 градуса на цикъл, гъвкавите кабели и маркучи в кабелен носач често са по-прости и по-евтини от контактния пръстен и съединението. Интегрираният подход печели своята цена конкретно там, където нито един гъвкав стан не би оцелял.

По-компактно оформление

Мястото е ограничено в кули, компактни приставки, роботизирани съединения и въртящи се маси. Отделен лагер, хидравличен шарнир и плъзгащ се пръстен могат да заемат твърде много аксиално или радиално пространство. Сгъването на функциите върху една ос възвръща това пространство за структура, компоненти на задвижването, предпазители или сервизен достъп, което помага, когато оборудването трябва да остане малко или леко.

По-малко точки на отказ

Повечето неизправности на въртящия се-интерфейс се свързват с кратък списък от причини: протриване на маркуч след хиляди цикли, втвърдяване и напукване на кабела-в точка на огъване или разхлабване на скоба под въздействието на вибрации. Издърпването на тези връзки в един инженерен интерфейс премахва импровизираните скоби и неподдържаните цикли, където започват тези повреди.

Защо това има значение, с предупреждение: повишаването на надеждността е реално, но условно. Зависи от избора на уплътнение, контактна технология и план за поддръжка, а не от самото интегриране. Добре-специфицираният интегриран интерфейс премахва режимите на повреда; зле определен просто ги скрива в по-труден{3}}за-сервизен пакет.

По-опростен OEM монтаж

За OEM, предварително-разработен модул замества три системи за монтаж с една. Вместо да монтира и подравнява три подвъзела и да съгласува три стека с допуски при окончателното сглобяване, екипът работи към един монтажен интерфейс с един шаблон на болтове. Това премахва операциите по подравняване на линията и съкращава документацията за монтаж и обслужване.

Интегрирана система срещу отделни компоненти

Правилният отговор зависи от машината. Не винаги е необходима напълно интегрирана система, но обикновено е по-добрият избор, когато пространството, надеждността и маршрутизирането контролират всичко едновременно.

Къде се използват интегрирани дизайни

Най-силните приложения са машини, които се нуждаят от въртене, опора на товара, флуидна мощност и електрическо управление на едно и също място. Нуждите се различават според индустрията, така че фокусът върху дизайна се измества с всяка една.

Тежка техника, кранове и багери

Сценарий: кранове, бормашини, грайфери и приспособления за багери въртят работеща горна секция върху фиксирана основа, извличайки хидравлична енергия за движение и електрическа енергия и сигнали за управление, светлини и обратна връзка.

Типични изисквания: няколко хидравлични вериги със средно{0}}до-високо-налягане, дренажен тръбопровод-на кутията, захранване за задвижващи механизми и осветление и обратна връзка от сензори за положение или налягане.

Фокус на дизайна: високи моментни натоварвания от стрелата или инструмента, ударно натоварване и външно уплътнение. Хидравличното налягане, комбинирано с непрекъснато завъртане, прави живота на уплътнението и момента на лагера ограничаващи фактори. Това е класическият случай за плъзгащ се пръстен, вграден във въртяща се приставка, като използваните модулибагери и други въртящи се съоръжения.

Вятърни турбини и възобновяема енергия

Сценарий: големи въртящи се системи, които предават мощност, управляващи сигнали и понякога хидравлични или смазочни функции през въртяща се връзка. При вятърните турбини това се появява на границите на отклонение и наклон и на плъзгащия пръстен на гондолата-към-главината.

Типични изисквания: захранване и контрол през съединението, сигнали-за наблюдение на състоянието и много дълги интервали на поддръжка, тъй като достъпът е труден и скъп.

Фокус на дизайна: надеждност за дълъг експлоатационен живот, надеждна стратегия за мълния и заземяване и защита срещу кондензация и температурни промени. Една турбина обикновено използва няколко различни въртящи се интерфейса, а не един универсален модул, така че "интегриране" тук означава съвпадение на всеки интерфейс с неговата задача. Посветенсистеми с плъзгащи пръстени на вятърни турбиниса създадени за тези специфични позиции.

Роботика и ротационна автоматизация

Сценарий: китки и основи на роботи, въртящи се индексатори, позиционери за заваряване и въртящи се контролни глави, които се нуждаят от компактен трансфер на мощност, сигнал, данни, въздух или вакуум.

Типични изисквания: много ниско{0}}токови сигнали и канали за данни, често Ethernet или полева шина, опаковани в малък диаметър, с нисък въртящ момент и голям брой цикли.

Фокус на дизайна: размер на опаковката, цялост на сигнала и избягване на кабелни вериги, които пречат или нараняват повторяемостта. Тук контактната технология на контактния пръстен и броят на каналите са по-важни от натоварването. Компактни сигнални контактни пръстени зароботи, ROVs и UAVса типично прилягане.

CNC машини и ротационни маси

Сценарий: машинни инструменти и въртящи се или накланящи се маси, които насочват охлаждащата течност, смазката, мощността на шпиндела или осите, обратната връзка на енкодера и сигналите-за смяна или затягане на инструмент през въртяща се секция.

Типични изисквания: охлаждащи и смазочни вериги при умерено налягане, плюс надежден енкодер и управляващи сигнали.

Фокус на дизайна: предпазване на охлаждащата течност и чипове от електрическия път и защита на сигналите на енкодера от шума на задвижването. Класът на запечатване и чистотата на контакта осигуряват както точност, така и време за работа.

Опаковане, пълнене и обработка на храни

Сценарий: ротационни пълнители, уплътнители и етикетиращи устройства, които работят непрекъснато, често денонощно.

Типични изисквания: въздушни и вакуумни тръбопроводи, сигнали от сензори и задвижващи механизми и електрически връзки с оценка за промиване-на въртящи се кули.

Фокус на дизайна: много висок брой цикли и, в хранителните предприятия, излагане на измиване и правила за хигиенни-материали. Умората и проникването на кабела са обичайните режими на повреда, така че запечатаният интерфейс с непрекъснато{2}}въртене се изплаща бързо.

Морски, офшорни и обработка на материали

Сценарий: палубни кранове, лебедки, товарни рамена и манипулационно оборудване, които се въртят в солена пръска, атмосферни условия и постоянни вибрации.

Типични изисквания: здрав трансфер на флуиди и енергия, устойчиви-на корозия материали и висока защита срещу проникване.

Фокус на дизайна: защита от корозия, уплътнение, устойчивост на удари и вибрации и възможност за обслужване в морето, където престоят е изключително скъп. Изборът на материал и дизайнът на уплътнението доминират в дизайна тук.

Работен поток за проектиране на интеграция

Определянето на тези системи върви по-гладко като последователност, отколкото като единичен контролен списък. Всяка стъпка подхранва следващата, а пропускането на ранна обикновено налага преработка по-късно.

• Стъпка 1: Съберете данните за приложението.Натоварвания, профил на въртене, флуидни вериги, електрически вериги, среда, монтаж и очаквания за обслужване. Това е приносът към всичко, което следва, и това е мястото, където повечето проекти или успяват, или спират.
• Стъпка 2: Дефинирайте оформлението на въртящия се-интерфейс.Определете коаксиалния стек, размера на-проходния отвор, кой елемент се върти и посоките на портовете и кабелните изходи, преди да бъде начертана каквато и да е подробна структура.
• Стъпка 3: Оразмерете въртящия се пръстен за реални натоварвания.Използвайте действителните аксиални, радиални и моментни натоварвания с динамични фактори, изберете разположението на предавките и потвърдете, че монтажната конструкция е достатъчно твърда, за да не изкриви лагера.
• Стъпка 4: Посочете флуидните вериги и въртящото се съединение.Затворете каналите, средата, налягането, потока и температурата, след което проверете живота на уплътнението при работната скорост, а не само при работното налягане.
• Стъпка 5: Посочете електрическите вериги и контактния пръстен.Първо отделете захранването от сигналите с ниско{0}}ниво на хартия: дефинирайте напрежение, ток, канали, типове сигнали, протоколи за данни, екраниране и заземяване.
• Стъпка 6: Планирайте маршрутизиране, монтаж, заземяване и сервизен достъп.Решете как маркучите и кабелите влизат и излизат, къде се намират точките за смазване и съединителите и как модулът ще бъде инспектиран и сменен.
• Стъпка 7: Преглед, прототип и валидиране.Потвърдете дизайна с доставчика, след това тествайте налягането, въртенето, електрическите и екологичните показатели, преди да се ангажирате с производството.

Ключови инженерни параметри за потвърждение преди проектиране

Най-бързият начин да получите точна оферта и работещ комплект е да предадете на доставчика пълен пакет данни. Отнасяйте се към списъците по-долу като към този пакет.

Механични и ротационни

• Аксиални, радиални и моментни натоварвания, включително динамични и ударни натоварвания
• Ъгъл на въртене: непрекъснато, много{0}}завъртане или ограничено колебание
• Скорост на въртене и работен цикъл
• Монтажна ориентация и структурна твърдост

Флуидни вериги

• Брой пасажи и тип медии за всеки
• Налягане, скорост на потока и температура
• Размер и ориентация на порта, плюс ограничения за изтичане и филтриране

Електрически и данни

• Напрежение, ток и брой вериги
• Типове сигнали и протоколи за данни, с отбелязана чувствителност към шум
• Стратегия за екраниране и заземяване, тип конектор и очакван експлоатационен живот

Околна среда

• Цел за защита от проникване, зададен сIEC 60529 IP рейтинг система, например IP65 за-прахоустойчива, водо{2}}пръско-устойчива употреба на открито
• Устойчивост на корозия, работен температурен диапазон и излагане на измиване, прах, UV или морски условия

Монтаж и сервиз

• Схема на болтовете, равнинност на монтажа, подравняване и положение на рамото-на въртящия момент или позиция против-въртене
• Посоки и разстояния на изхода на маркуча и кабела
• Достъп до точките за смазване, съединителите и пространството за проверка, плюс процедурата за подмяна

Често срещани грешки при проектирането, които трябва да избягвате

Избиране само по брой портове

Обединение с „шест-порта“ или „осем-порта“ не отговаря автоматично на приложението. Средата, налягането, скоростта, потокът, температурата, уплътняването и монтажът имат също толкова голямо значение. Защо това има значение: грешното уплътнение или PV рейтинг не работи дори когато броят на портовете е точно правилен.

Третиране на сигнали като силови вериги

Плъзгащ пръстен, който захранва светлини или основно захранване, не е автоматично подходящ за обратна връзка на енкодер, Ethernet, видео от камера или индустриална комуникация. На тях трябва да се обърне вниманиеекраниране и физическо разделяне между силови и сигнални вериги, адресирани в началото на дизайна. Защо това има значение: кръстосаните смущения и шумът повреждат данните и показанията на сензорите много преди нещо да изглежда физически нередно.

Подценяване на моментните натоварвания

Въртящият пръстен прави повече от това да позволява въртене; поддържа конструкцията при реални експлоатационни натоварвания. Подценяването на момента, удара или натоварванията извън-центра и лагерната и заобикалящата конструкция плащат за това с деформация и ранно износване.

Пренебрегване на посоката на излизане на маркуча и кабела

Дори при интегриран монтаж, лошото планиране на изхода създава напрежение при огъване, триене и главоболия при обслужване. Маршрутизирането принадлежи към дизайна от самото начало, а не като последваща мисъл, след като геометрията е фиксирана.

Забравяне на достъпа за поддръжка

Компактният дизайн помага само ако все още може да се обслужва. Точките за смазване, съединителите, ревизионните капаци и свободните места за смяна трябва да бъдат уредени преди оформлението на машината да бъде замразено. Решете рано дали модулът може-да се сменя-на място или само-фабрично, защото този избор води до престой и разходи за жизнения цикъл.

Купуване на три части, вместо проектиране на един интерфейс

Съединение, контактен пръстен и въртящ се пръстен са три компонента на рафт, но в машината те работят като един въртящ се интерфейс. Третирането им като несвързани части води до проблеми с подравняването, конфликти при маршрутизиране и сложност, която може да се избегне.

Когато напълно интегрирана система може да не е необходима

Интегрирането не е по подразбиране. По-простото оформление може да бъде по-добрият инженерен избор, когато:

• секцията се върти само през малка, ограничена дъга
• необходима е само една флуидна линия или една електрическа верига
• има много място за маршрутизиране
• въртящата се секция е с лек-работа и нисък{1}}цикъл
• машината е лесно достъпна за поддръжка
• отделните части намаляват разходите, без да добавят риск за надеждността

Целта е оформление, което най-добре балансира надеждност, опаковка, обслужване и цена, а не интеграция сама по себе си.

Пример за проектиране: Компактен въртящ се купол с хидравлика, мощност и CAN шина

Помислете за 360-градусова непрекъснато въртяща се кула на мобилно превозно средство за проверка. Кулата носи инструментална глава, задвижва я хидравлично, захранва работните светлини и връща данните за позицията и камерата в кабината.

Изграждането на отделен-компонент ще изисква въртящ се лагер, външен хидравличен въртящ се, самостоятелен хлъзгащ пръстен, няколко скоби, контури за маркучи и кабелни предпазители, плюс пространство и време за сглобяване за подравняване на всичко това. Интегриран възел поставя опора за натоварване, пренос на течности и електрически трансфер около една ос. Маркучите и кабелите минават през централния отвор, така че нищо не се навива отвън, докато купола се върти. На практика резултатът е по-малко скоби, липса на външни примки за маркучи, по-лесен достъп до съединителите и по-бърз, по-повтаряем окончателен монтаж.

Представителна спецификация за тази кула може да изглежда като таблицата по-долу. Цифрите са илюстративни; вашите натоварвания, налягания и броя на каналите идват от вашия собствен работен цикъл. Въпросът е нивото на детайлност, необходимо на доставчика, за да цитира персонализиран монтаж.

Ключови изводи

Многопортов въртящ се съединител, електрически контактен пръстен и лагер на въртящ се пръстен са заедно, когато една въртяща се машина трябва да носи товари, да пренася течност и да предава електрическа енергия или данни през един и същ интерфейс. Истинската стойност не е просто спестено пространство; това е контролирано маршрутизиране, по-малко напрежение на маркуча и кабела, по-плътно опаковане и по-надеждна въртяща се система.

За прости машини може да са достатъчни отделни части. За компактно, тежко-работно, високо-циклично или много-функционално ротационно оборудване, интегрираният дизайн прави машината по-чиста за изграждане и по-лесна за поддръжка. Най-добрият първи ход е да се определи натоварването, профилът на въртене, флуидните вериги, електрическите вериги, околната среда и изискванията за обслужване, след което да се проектира интерфейсът като една координирана система. Ако определяте обхвата на проект, тези спецификации също са това, което доставчикът трябва да проектира aперсонализиран въртящ се съюз и плъзгащ се пръстенкойто пасва на вашата машина за първи път.