Скользящее кольцо шарикоподшипника: когда использовать и как выбрать

Токосъемное кольцо шарикоподшипника представляет собой вращающийся электрический интерфейс, который объединяет шарикоподшипники в сам узел контактного кольца. Устройство выполняет две задачи в одном корпусе: оно передает энергию, сигналы или данные между неподвижной структурой и вращающейся структурой, а также переносит механическую нагрузку вращающейся части на свои собственные подшипники, вместо того, чтобы полностью полагаться на главную машину для выполнения этой работы.

Это не универсально лучшее контактное кольцо. Он оправдывает свою стоимость, когда вращающийся узел выдерживает реальную нагрузку на валу, работает на устойчивых оборотах, имеет большой внутренний диаметр или должен сохранять жесткую соосность в течение длительного срока службы. Для слегка нагруженных сенсорных головок, простых камер или компактных вращающихся платформ, поддерживаемых внешними подшипниками, обычно правильным решением является стандартное контактное кольцо.

В этом руководстве рассказывается, что на самом деле представляет собой контактное кольцо шарикоподшипника, из чего оно изготовлено, когда оно имеет правильную спецификацию, как его выбрать, скрытый режим отказа, который разрушает их в системах с ЧРП-, а также альтернативы, которые стоит рассмотреть перед заказом.

Что такое контактное кольцо шарикоподшипника?

Токосъемное кольцо шарикоподшипника сочетает в себе две инженерные функции в одном вращающемся компоненте:

• Электрическая передача.Сигналы питания, сигналы управления, обратная связь энкодера, Ethernet, полевая шина, видео или гибридные силовые-и-сигнальные линии проходят между неподвижной конструкцией и вращающейся конструкцией через щетки и проводящие кольца.
• Механическая ротационная поддержка.Встроенные шарикоподшипники несут вращающуюся часть узла в контролируемых радиальных и осевых условиях, поэтому контактная система не выходит из строя из-за нагрузки на валу.

Подшипники делаютнетзаменить электрическую контактную систему; они защищают его. Проводящие кольца по-прежнему вращаются относительно щеток или контактов из-драгоценных металлов. Изоляция, экранирование и выводная-проводка по-прежнему определяют электрические характеристики. Задача подшипника — поддерживать концентричность ротора и статора, чтобы геометрия контакта оставалась в пределах расчетного диапазона на протяжении всего рабочего цикла.

Контактное кольцо подшипника и контактное кольцо шарикоподшипника - терминология

«Токонечное кольцо подшипника» — это общий термин: любое контактное кольцо, в котором где-то на пути вращения используются подшипники. «Шарикоподшипниковое контактное кольцо» — это особый подтип, в котором используются шарикоподшипники качения, которые ценятся за низкое трение вращения при умеренных-до-высоких оборотах в минуту и ​​предсказуемый срок службы при радиальной нагрузке. Существуют варианты с втулкой, иглой и коническим роликом, но они менее распространены во вращающихся электрических интерфейсах.

Из чего сделано контактное кольцо шарикоподшипника

Выбор материалов не носит косметического характера -, он определяет рабочий диапазон. Типичная сборка включает в себя:

• Жилье.Анодированный алюминий для общего использования или нержавеющая сталь, где ожидается коррозия, промывка или воздействие морской среды.
• Проводящие кольца.Медный сплав или латунь для обеспечения допустимого тока, часто покрытые слоями золота, серебра или драгоценных-металлов для стабилизации контактного сопротивления.
• Щетки или контактные волокна.Контакты из сплава драгоценных-металлов для малошумящей-передачи сигнала; металлические-графитовые или композитные щетки для каналов с более высоким-током.
• Шариковые подшипники.Хромированная сталь для промышленного использования внутри помещений; нержавеющая сталь для влажной, промывной или химически агрессивной среды. По умолчанию в компактных конструкциях герметичны и предварительно-смазаны.
• Изоляция.Конструкционные пластмассы, рассчитанные на температуру, диэлектрическую прочность и путь утечки, требуемые конструкцией.
• Уплотнения.Манжетные уплотнения или уплотнительные-кольца, устанавливающие класс IP вместе с корпусом.
• Выводная-проводка.Многожильный медный провод с изоляцией из ПВХ, ФЭП или тефлона в зависимости от температуры, воздействия масла и требований к изгибу.

Пейринг имеет значение. Пакет колец с высоким-током и подшипником с недостаточно-номинальными параметрами выйдет из строя механически до того, как будет достигнут электрический предел; высокоскоростной-подшипник с контактами, не удовлетворяющими-техническим характеристикам, приведет к образованию пыли на кольцах до истечения номинального срока службы. Подшипник и блок контактов должны проектироваться вместе.

Всем ли контактным кольцам нужны шарикоподшипники?

Нет. Большинство этого не делает. Подшипники увеличивают длину, диаметр, стоимость и второй механизм износа, поэтому для принятия решения требуется реальная инженерная причина.

Когда стандартного контактного кольца достаточно

• Вал уже поддерживается внешними подшипниками главной машины.
• Скорость вращения умеренная, а рабочий цикл прерывистый.
• Вращающаяся масса мала и достаточно сбалансирована.
• Размер отверстия небольшой; концентричность не является критическим фактором-качества сигнала.
• Окружающая среда чистая, температура стабильная.
• Компактная длина и стоимость единицы продукции являются доминирующими ограничениями.

Компактныйкапсульное контактное кольцопри установке на устойчивом валу внутри сенсорной головки редко требуются встроенные подшипники - хост уже обеспечивает механическую поддержку, необходимую ротору.

Когда шарикоподшипники становятся лучшим выбором

Специфицируйте контактное кольцо на шарикоподшипнике, если выполняется одно или несколько из следующих условий: непрерывная работа или работа на высоких-об/мин, большое отверстие иликонтактное кольцо со сквозным-отверстиемКонструкция, в которой важна концентричность, тяжелые вращающиеся узлы, радиальные или осевые нагрузки, действующие на вал контактных колец, длительный срок службы с ограниченным обслуживанием или чувствительные сигналы, когда механическая нестабильность проявляется в виде электрического шума.

Когда не следует-задавать слишком много

Если основная машина уже обеспечивает надежную опору вала, а контактное кольцо передает сигналы слабого-тока только при низких оборотах, встроенные подшипники увеличивают стоимость и длину без увеличения производительности. Завышение-спецификаций — распространенная ошибка при закупках легко-автоматических и сенсорных платформ.

Зачем использовать шарикоподшипники в контактном кольце?

Концентричность кисти-к-кольцу остается внутри его оболочки.

Самое недооцененное преимущество — геометрическое, а не механическое. Щетки предназначены для езды по кольцу под определенным углом и давлением. Когда ротор качается, пятно контакта смещается, давление меняется, износ ускоряется неравномерно. Встроенные подшипники удерживают концентричность внутри контактного кольца, поэтому набор контактов продолжает работать в режиме, задуманном разработчиком.

Снижение вибрации, снижение износа контактов

При высоких-об/мин или несбалансированных нагрузках поддержка подвижных-элементов компенсирует небольшие смещения, которые в противном случае приводят непосредственно к подпрыгиванию щетки. Практический результат — меньшее количество периодических ошибок сигнала, более медленное накопление угольной пыли и увеличение среднего времени между заменами щеток.Износ контактного кольцаредко возникает из-за тока - в большинстве случаев имеет механическое происхождение.

Предсказуемая производительность на высокой скорости

При устойчивых оборотах ошибки выравнивания перестают быть небольшими. Подшипник, рассчитанный на рабочую скорость, удерживает ротор в его динамическом диапазоне, поэтому для высокоскоростных-испытательных стендов и систем контроля почти всегда используются конструкции со встроенными подшипниками. Номинальная скорость подшипника, предварительная нагрузка и смазка должны быть проверены на соответствие точке непрерывной работы, а не только максимальному значению, указанному на паспортной табличке.

Более длительный срок службы - только при правильном указании

Срок службы не является свойством «шарикоподшипника» как категории. Это результат правильного подбора номинальной нагрузки на подшипник, частоты вращения, смазки, уплотнений, контактных материалов и выравнивания монтажа в соответствии с фактическими условиями эксплуатации. Имеются технические рекомендации от таких производителей, какРуководство SKF по выбору подшипников каченияявляются разумной отправной точкой для проверки расчетов срока службы в зависимости от нагрузки и скорости.

Общие приложения

Кабельные барабаны и вращающиеся намоточные-системы

Преобладающим видом отказа здесь является не ток -, а сила натяжения кабеля, преобразующаяся в радиальную нагрузку на ступицу катушки. Если эта нагрузка достигает вала контактных колец, встроенные подшипники предотвращают смещение ротора с-центра. При выборе контактного кольца длябольшая кабельная катушка, распределите силу тяги кабеля, диаметр катушки и ориентацию монтажа вместе с количеством цепей.

Поворотные столы и индексирующие платформы

Поворотные столы зависят от концентричности и непрерывной индексации. Токосъемное кольцо находится в центре вращения, и любое колебание проявляется в виде дрожания энкодера или рассогласования-системы машинного зрения. Конструкция с интегрированным подшипником- удерживает ротор в вертикальном положении, поэтому сигнальный слой остается чистым.

Упаковочные машины и линии непрерывного-движения

Упаковочное оборудование работает длинными сменами на умеренной, но непрерывной частоте вращения. Срок службы подшипников и износ щеток определяют интервал технического обслуживания; выбор подшипника-интегрированной конструкции с герметичными, предварительно-смазанными подшипниками и хорошо подобранным-давлением щетки обычно увеличивает этот интервал на месяцы в реальных производственных условиях.

Ветровые турбины - рысканье, наклон и мониторинг состояния

Наденьте скользящие кольцасистемы ветряных турбинсочетают в себе длительный срок службы, суровые условия эксплуатации, смешанные каналы питания-и-сигналов и ограниченный доступ для обслуживания. В них почти всегда используются подшипники, рассчитанные на рабочий диапазон температур, герметизированные по соответствующему классу IP и рассчитанные на многолетнюю непрерывную работу.

Робототехника и автоматизированные суставы

Роботизированные оси и вращающиеся концевые-эффекторы нуждаются в компактной механической опоре в сочетании с обратной связью от энкодера, Ethernet, а иногда и пневматическими или жидкостными линиями. Встроенное в подшипник-скользящее кольцо экономит длину шарнира и защищает чувствительную обратную связь от механических шумов. Для многоосных-платформ см. типовыесигнальные контактные кольца, используемые в робототехнике, ROV и БПЛА..

Медицинская визуализация - Порталы КТ и МРТ

КТ-сканеры вращают рентгеновскую-трубку и детектор в сборе со скоростью сотни об/мин, передавая данные детектора мощности киловаттного-класса и с высокой-полосой пропускания через гентри. Это требовательные конструкции: подшипники должны работать непрерывно, контакты должны выдерживать низкий электрический шум при сильном токе, а экранирование должно защищать данные детектора от гармоник мощности.

Видеонаблюдение и PTZ-наблюдение

Камеры с панорамным-наклоном-зумом обеспечивают передачу питания, управления и видео через постоянно вращающееся основание. Компактные подшипники-интегрированные контактные кольца обеспечивают стабильность оптической линии обзора при передаче видео высокой четкости или 4K и сигналов управления через шарнир.

Высокоскоростные-инспекционные и испытательные стенды

Системы технического зрения, автоматизированные испытательные платформы и балансировочные стенды работают на скоростях, при которых вибрация и нагрев подшипников становятся конструктивными ограничениями. Укажите динамический баланс, номинальную скорость подшипника и окно температуры смазки -, а не только число оборотов в минуту.

Типичная спецификация: как выглядит «высокоскоростной-скоростной-интегрированный подшипник»

Чтобы конкретизировать набор параметров, вот типичный компактный высокоскоростной-блок. Цифры различаются в зависимости от производителя и конструкции, но главное — форма спецификации.

Если рабочая точка -, непрерывная частота вращения, ток на цепь, тип сигнала и окружающая среда - попадают в этот диапазон, модель из каталога часто оказывается самым дешевым вариантом. За его пределами кастомная конструкция почти всегда безопаснее, чем форсировать стандартную модель.

Скользящее кольцо шарикоподшипника по сравнению со стандартным токосъёмным кольцом

Как выбрать контактное кольцо шарикоподшипника

Выбор – это парное решение в четырех измерениях. Пройдите их по порядку; переход сразу к вопросу «сколько цепей» является самой распространенной причиной неправильной-спецификации.

1. Электрические параметры

• Количество цепей, номинальный ток на цепь и номинальное напряжение.
• Каналы питания, сигнала или смешанные каналы - и необходимость физического разделения питания и сигнала.
• Типы сигналов: аналоговый, цифровой, энкодер, Ethernet, USB, CAN, Profibus, RS-485, видео, RF.
• Экранирование и контроль импеданса для чувствительных линий. Ethernet, например, должен быть спроектирован с учетом требованийИЭЭЭ 802.3, включая сопротивление пары и пределы перекрестных помех.
• Сопротивление изоляции и диэлектрическая прочность.

Для смешанных схем питания-и-сигналовэкранирующие решения для надежной передачи сигнала контактного кольцаследует решать на этапе макета, а не исправлять впоследствии.

2. Механические параметры

• Максимальная частота вращенияинепрерывная рабочая частота вращения - это не одно и то же.
• Рабочий цикл и частота запуска-остановки.
• Размер отверстия, пределы внешнего диаметра и общая длина.
• Радиальная и осевая нагрузка на вал токосъёмника.
• Способ монтажа, геометрия фланца, направление вывода кабеля.
• Допуск соосности вала и допустимая вибрация.
• Ожидаемый срок службы вращения в циклах или часах.

3. Условия окружающей среды

• Диапазон температур эксплуатации и хранения.
• Влажность, пыль, масло, охлаждающая жидкость или воздействие агрессивной атмосферы.
• Требуемая защита от проникновения - см.интерпретация IP-класса контактного кольца, и чтобыМЭК 60529для базового стандарта.
• Профиль ударов и вибрации.
• Условия высоты и давления, где это необходимо.

4. Требования к интеграции

• Конфигурация со сквозным-отверстием, сплошным-валом, фланцем или торцевым-креплением.
• Тип разъема, длина-провода и материал-провода.
• Должен ли узел также иметь пневматические, гидравлические или жидкостные каналы (гибридная конструкция).
• Требуется ли вращающееся оптоволоконное соединение для очень высоких скоростей передачи данных.
• Требования к заземлению и ЭМС.

Скрытый режим отказа:-вызванное частотно-регулируемым приводом повреждение подшипника

Этот стоит отдельного раздела, потому что он убивает контактные кольца шарикоподшипников, которые в противном случае выглядят правильно.

Современные двигатели, приводимые в движение преобразователями-частоты (ЧРП), могут создавать синфазные-напряжения на валу. Когда напряжение на валу превышает порог разрушения смазочной пленки внутри подшипника, на телах качения разряжается ток - - небольшой электрический-разряд-событие механической обработки, известное какЭлектроэрозионная питтинг. При тысячах разрядов на дорожках качения появляются характерные рифления, смазка разрушается, увеличивается механический шум, и подшипник выходит из строя, не дотягивая до расчетного срока службы L10.

Если контактное кольцо шарикоподшипника установлено на том же валу, что и двигатель с частотно-регулируемым приводом-, или на соединенном вращающемся узле, оно может подвергаться воздействию тех же токов вала. Симптомы включают повышение температуры подшипников, слышимое дребезжание, растущие электрические помехи в сигнальных каналах и, в конечном итоге, периодическую потерю соединения.

Практические меры по смягчению последствий

• Изолированные подшипники.Керамические тела качения или наружные кольца с покрытием прерывают путь тока через подшипник.
• Кольца заземления вала.Проводящие кольца из микрофибры отводят ток вала на землю до того, как он достигнет подшипника.
• Синфазные-фильтры или дросселина выходе ЧРП, чтобы ослабить высокочастотную-частотную составляющую, которая вызывает напряжение на валу.
• Правильное соединение PE и экранирование кабелявдоль всей трассы-кабеля-корпуса двигателя.
• Укажите приложение заранее.Если контактное кольцо будет установлено в системе с частотно-регулируемым приводом-, сообщите об этом производителю на этапе запроса предложения, чтобы класс подшипника и стратегия заземления были выбраны соответствующим образом.

Электрическая эрозия подшипников-хорошо известна в автомобильной промышленности; опубликованные производителем-материалы, такие какТехническое руководство SKF по подшипниковым токам в электродвигателяхподробно описывает основной механизм и иерархию смягчения последствий.

Техническое обслуживание и очистка

Регулярный осмотр

Пройдитесь по устройству с определенным интервалом. Обращайте внимание на необычный шум подшипников, изменение шага под нагрузкой, повышение температуры корпуса, вибрацию, прерывистую потерю сигнала, рост частоты ошибок по битам, видимую угольную пыль, масло или влагу внутри корпуса. Эти сигналы обычно предшествуют сбою за несколько недель, а не минут -, их стоит регистрировать.

Очистка

Следите за тем, чтобы токопроводящие кольца и щетки не содержали пыли, масла и металлических частиц. Используйте-безворсовые ткани и растворители,-одобренные производителем. Избегайте абразивных чистящих средств для гальванических колец - они удаляют тот самый слой, который стабилизирует контактное сопротивление.

Смазка

Во многих компактных контактных кольцах шарикоподшипников используются герметичные подшипники,-смазанные на весь срок службы. Конструкции большего размера или для более суровых-работ требуют плановой замены-смазки. Считайте интервал смазки, указанный производителем, частью спецификации, а не дополнительной рекомендацией, и используйте заменители смазки указанного класса -, измените диапазон рабочих температур.

Давление щетки

Слишком большое давление ускоряет износ; слишком мало вызывает прерывистый контакт. Если конструкция допускает регулировку, следуйте значениям производителя. Если это не так, относитесь к давлению щеток как к сервисному обслуживанию, выполняемому при ремонте, а не в полевых условиях.

Мониторинг температуры

Продолжительная работа при превышении-температуры ухудшает вязкость смазки, ускоряет окисление контактов и сокращает срок службы подшипников и щеток. Если это позволяет приложение, измерьте температуру корпуса; в жарких условиях убедитесь, что поток воздуха или охлаждение крепления корпуса-соответствуют рабочему циклу.

Профилактическая замена

Для круглосуточных производственных линий и других труднодоступных--установок плановый ремонт обходится дешевле, чем незапланированный простой. Щетки, уплотнения, а иногда и подшипники являются элементами предсказуемого износа - заменяйте их вовремя, а сами кольца служат годами.

Альтернативы контактному кольцу шарикоподшипника

Контактное кольцо шарикоподшипника — не единственный способ передачи мощности, сигналов или жидкостей через вращающееся соединение. Правильный выбор зависит от того, что на самом деле должно нести сустав.

Оптоволоконные поворотные соединения (FORJ)

FORJ передают оптические сигналы через вращающийся интерфейс. Они являются правильным выбором, когда пропускная способность находится в диапазоне гигабит-в-секунду, когда важна устойчивость к электромагнитным помехам или когда данные должны передаваться на большое расстояние от соединения. Они обычно сочетаются с электрическим контактным кольцом, когда также требуется питание.

Ртутные (жидкий-металл) контактные кольца

В контактных кольцах Mercury используется контакт из жидкого-металла, что обеспечивает очень низкий уровень электрических помех и чрезвычайно низкое контактное сопротивление. Обычно их выбирают для передачи больших-энергий в лабораториях и при работе с приборами. Обращение с ртутью требует соблюдения требований безопасности и нормативных требований; проверить, есть ликонтактные кольца ртутиподходят для вашей среды и юрисдикции, прежде чем указывать их.

Блинные контактные кольца

Если установка ограничена по длине, но имеет запас диаметра, плоскаяблинное контактное кольцочасто является наиболее чистым. Скорость вращения обычно ниже, чем у цилиндрических конструкций, но во многих приложениях с кабельными-катушками и поворотными столами преимущество имеет форм-фактор.

Беспроводные/индуктивные поворотные соединители

Индуктивные соединители передают мощность и ограниченные данные через воздушный зазор, исключая механический износ щеток. Они, как правило, зависят от-приложения и имеют свои собственные компромиссы-с эффективностью, чувствительностью выравнивания и пропускной способностью.

Гидравлические и пневматические поворотные соединения

Если соединение должно пропускать жидкость или газ - гидравлическое масло, охлаждающую жидкость, сжатый воздух -, то ротационное соединение является подходящим компонентом. На практике многие машины сочетают вращающееся соединение с электрическим контактным кольцом (или используют встроенный гибрид), поэтому мощность, сигналы и жидкость проходят через одно и то же вращающееся соединение.

Почему контактные кольца шарикоподшипников на самом деле выходят из строя в полевых условиях

Большинство возвратов связано с условиями применения, а не с самим контактным кольцом. Общие причины:

• Превышение номинальной частоты вращения или рабочего цикла.
• Радиальная перегрузка подшипника - обычно тянет кабель на ступицу катушки.
• Несоосность монтажа, мягкая опора или установка эксцентрикового вала.
• Попадание пыли, воды или масла за пределы класса IP.
• Эксплуатация за пределами номинального температурного окна.
• Разрушение смазки из-за нагрева или загрязнения.
• Смещение давления щетки - слишком велико ускоряет износ, слишком низкое приводит к прерывистому контакту.
• Напряжение на валу, индуцированное ЧРП-, как обсуждалось выше.
• Источники вибрации в других частях машины поглощаются подшипником с контактным кольцом.
• Коррозия в морской, промывной или химически агрессивной среде.

Ни в одном из этих случаев «шарикоподшипники» не виноваты как категория. Это неудачи интеграции, которые почти всегда можно предотвратить на этапе спецификации.

Распространенные ошибки в спецификациях - и сколько они стоят

Указание только по текущему рейтингу

Последствие: устройство соответствует электрическим характеристикам на бумаге, но выходит из строя механически - износ подшипников, смещение или повреждение уплотнений проявляются через несколько месяцев, задолго до того, как будет достигнут какой-либо электрический предел.

Путаница максимальных оборотов в минуту и ​​непрерывных оборотов в минуту.

Следствие: тепло подшипников и деградация смазки незаметно накапливаются. Агрегат «работает» до тех пор, пока не остановится, обычно во время производственной смены.

Одинаковая обработка всех сигналов данных

Последствия: Ethernet работает рядом с каналом питания на 20 А без разделения, и в системе возникают периодические потери пакетов, в которых инженеры неделями обвиняют сетевой стек.

Предполагая, что подшипники устраняют механические проблемы в других местах.

Последствие: жесткий трос, несбалансированная катушка или плохо выровненное крепление передает нагрузку прямо на встроенный подшипник, который затем становится точкой отказа. Подшипники улучшают правильно спроектированную систему; они не спасут плохо спроектированный.

Игнорирование среды VFD на этапе запроса предложений

Последствия: в подшипниках появляются ямки, появляются рифления, сигнальные каналы начинают показывать шум, который никто не может отследить, и единственное решение — это перепроектирование с использованием изолированных подшипников и заземляющих колец.

Принудительное использование модели каталога в пользовательском приложении

Последствия: несоответствие размеров или условий окружающей среды приводит к доработке на месте, простою или повторной покупке. Если диаметр отверстия, нагрузка, сочетание сигналов или требования к уплотнению необычны,индивидуальный дизайн контактного кольцапочти всегда дешевле в течение всего жизненного цикла.

Итог

Токосъемное кольцо на шарикоподшипнике является подходящей спецификацией, когда вращающаяся система действительно нуждается как в надежной электрической передаче, так и в встроенной механической опоре -, устойчивой частоте вращения, реальной нагрузке на вал, большом диаметре отверстия, чувствительных сигналах или длительном сроке службы с ограниченным обслуживанием. Это неправильная спецификация, когда главная машина уже выполняет механическую работу, а контактное кольцо передает только легкие-нагрузочные сигналы.

Самый быстрый способ получить проект, который будет работать на реальной машине, а не на бумаге, — это вместе определить электрические, механические, экологические требования и требования к интеграции, заранее объявить среду привода (особенно, если задействован частотно-регулируемый привод), поделиться монтажным чертежом и подробно обсудить с производителем нагрузку и рабочий цикл -, а не только количество цепей.