Токосъемное кольцо — это электромеханическое устройство, которое передает электроэнергию, сигналы управления или данные через вращающийся интерфейс -, поддерживая электрическое соединение неподвижной системы с вращающейся. Без него любая проволока, питающая постоянно вращающуюся деталь, будет скручиваться, уставать и в конечном итоге сломаться. Вот почему контактные кольца можно найти внутри ветряных турбин, упаковочных линий, кранов, роботов, медицинских сканеров, радиолокационных постаментов и морских лебедок.
Вы также можете увидеть контактные кольца под названиемповоротные электрические разъемы, коллекторные кольца, электрические вращающиеся соединения, илиэлектрические вертлюги. Терминология меняется между отраслями, но функция не меняется: соединить стационарную цепь и вращающуюся, не разрывая связи.
В этом руководстве описывается, что на самом деле делает контактное кольцо, как оно это делает, основные типы, с которыми вы столкнетесь, отрасли, в которых они имеют значение, а также -, более практично, - как выяснить, подойдет ли деталь из каталога или вам нужна нестандартная конструкция.
Что на самом деле делает контактное кольцо?
Токосъемное кольцо обеспечивает непрерывный электрический путь между неподвижной структурой и вращающейся. Представьте себе панорамную-наклонную камеру, которая вращается на колонне на 360 градусов. Ему требуется питание для датчика изображения, двусторонний-Ethernet для управления и видео и, возможно, линия обратной связи энкодера. Если вы подсоедините его с помощью жгута кабелей, кабель обернется вокруг колонны в тот момент, когда головка повернется на 180 градусов. После нескольких циклов проводники устают и экран трескается.
Установите контактное кольцо на ту же ось, и проблема с кабелем исчезнет. Стационарные выводы подключаются к проводке здания; вращающиеся провода подключаются к головке камеры; и голова может бесконечно поворачиваться в любом направлении.
В зависимости от конструкции один узел контактного кольца может передавать электроэнергию, цепи управления низкого-напряжения, сигналы датчиков и энкодеров, видео (HD-SDI или аналоговый), Ethernet, трафик полевой шины и, в гибридных конструкциях, жидкость или воздух через одну и ту же ось. То, что оно может нести, зависит от количества цепей, напряжения и тока на цепь, материалов контактов, экранирования и корпуса -, поэтому само по себе «контактное кольцо» мало о чем говорит. Спецификация делает.
Почему нельзя просто использовать кабель?
Если машина поворачивается только по ограниченной дуге -, скажем, ±170 градусов -, гибкого сервисного контура или кабельной цепи может быть достаточно. В тот момент, когда вам потребуется полное, непрерывное, многократное вращение, обычный трос становится самой слабой частью системы.
Токосъемное кольцо решает сразу четыре проблемы:
- Это исключает накручивание кабеля.Никаких скручиваний, перегибов и растрескивания изоляции от циклических напряжений.
- Это позволяет неограниченное вращение.Проводящий путь имеет круглую форму, поэтому соединение никогда не прерывается независимо от того, сколько оборотов делает вал.
- Это очищает механическую конструкцию.Никаких кабельных барабанов, гирлянд, сервисных петель или циклов размотки.
- Оно несет в себе больше, чем просто силу.Современныйконтактное кольцо или коллекторное кольцоможет интегрировать цепи сигнального-класса, Ethernet, видео и даже оптоволоконные каналы вместе с основным источником питания.
Как работает контактное кольцо?
Большинство контактных колец работают по одному и тому же основному принципу: набор токопроводящих колец вращается вместе с валом, а неподвижные щетки скользят по поверхностям кольца. Пока щетка остается в прочном и чистом контакте с кольцом, ток течет.
Сборка имеет две электрически различные стороны:
- стационарная сторонаподключается к шкафу управления, источнику питания или восходящей проводке. Он не движется.
- вращающаяся сторонаподключается ко всему, что вращает - проигрыватель, ступицу турбины, запястье робота, барабан лебедки.
Каждое кольцо соответствует одному электрическому пути. Простое устройство может иметь два или три кольца для базовой мощности. Сложная сборка может объединять 50 или более колец для обработки смешанного трафика мощности, управления и сигналов. Материал щеток, покрытие колец (часто золото-на-золоте для сигнальных цепей, серебро-графит или медь-графит для более высоких токов), сила пружины и геометрия контактов — все это влияет на сопротивление контакта, электрический шум и срок службы.
Стоит понять одну деталь: контактное сопротивление никогда не равно нулю и незначительно меняется по мере прохождения щетки по кольцу. Для силовых цепей это практически не имеет значения. Для Ethernet, видео HD-SDI или чувствительных аналоговых сигналов это имеет большое значение, - поэтому в контактных кольцах сигнального-класса используются другие материалы, экранирование и геометрия, чем в конструкциях, предназначенных только для питания-.
Внутри сборки: что там на самом деле
Внешне контактное кольцо выглядит обманчиво просто. Внутри несколько компонентов должны работать вместе, чтобы поддерживать стабильность контакта на протяжении миллионов вращений.
- Кольца:вращающиеся проводящие дорожки, обычно изготовленные из медного сплава с покрытием из драгоценных-металлов для контроля износа и контактного сопротивления.
- Кисти:стационарные контакты. Проволочные щетки для сигнальной работы; углеродные или металлические-графитовые блоки для более высоких токов.
- Вал и ступица:механический сердечник, который удерживает кольца на одном уровне.
- Изоляция:отделяет кольца друг от друга и от вала. Прочность изоляции определяет номинальное напряжение каждой-цепи.
- Подшипники:Обеспечьте плавное вращение и держите кольца концентрично щеткам.
- Жилье:защищает внутренние части от пыли, влаги, масла и ударов. Материал и конструкция уплотнения определяют степень IP.
- Провода и разъемы:как схемы выходят из сборки. Часто та часть, которая выходит из строя первой, если указана неправильно.
Качество этих элементов — это то, что отличает контактное кольцо, которое прослужит десять миллионов оборотов, от того, которое начинает шуметь через шесть месяцев.
Распространенные типы контактных колец - и когда подходит каждый из них
Механическая схема контактного кольца обычно следует из станка, а не наоборот. Четыре основных семейства охватывают большинство приложений.
Капсульные скользящие кольца
Компактный, полностью закрытый и достаточно маленький, чтобы поместиться в запястье робота или в головке системы видеонаблюдения.Капсульные контактные кольцаобычно выдерживают низкие-до-умеренные токи (около 2–10 А на цепь) и небольшое количество цепей. Используйте их, когда пространство ограничено, а нагрузка невелика: камеры, небольшие проигрыватели, испытательные приспособления, легкая робототехника.
Контактные кольца со сквозным-отверстием
Полый центр позволяет валу, гидравлической линии, оптическому волокну или пневматическому шлангу проходить прямо через середину.Контактные кольца со сквозным-отверстиемявляются «рабочими лошадками» промышленной автоматизации, упаковочного оборудования, антенных пьедесталов и любых систем, в которых контактное кольцо должно монтироваться вокруг существующего вращающегося вала. Размеры отверстий обычно варьируются от нескольких миллиметров до 300+ мм для тяжелого промышленного использования.
Блинные контактные кольца
Плоские и дисковые-формы - полезны, когда осевое пространство ограничено, но у вас есть свободное радиальное пространство.Блинные контактные кольцараспространены в аэрокосмической отрасли и определенном испытательном оборудовании. У них есть свои-недостатки: геометрия открытых контактов более чувствительна к износу, а качество сигнала обычно отстает от сопоставимых устройств со сквозным-отверстием, поэтому их выбирают по механическим, а не по электрическим причинам.
Конструкции для больших-токов и угольных щеток
Когда вам нужно пропустить сотни или тысячи ампер через вращающееся соединение, - подумайте о сварочных вращателях, кабельных катушках на кранах или больших вращающихся платформах, - проволочные-щеточные контакты не смогут рассеивать тепло.Контактные кольца угольных щетокиспользуйте более крупные металлические-графитовые контактные блоки с подходящими тепловыми путями и щеточными-пружинами сжатия. Специально для возвратов сварочной массыблоки заземлениярассчитаны на 800 А, 1200 А или 2000 А, выдерживают токи, которые могут разрушить стандартное контактное кольцо.
Ртутные контактные кольца
Контакты из жидкого-металла обеспечивают очень низкое, очень стабильное контактное сопротивление и чрезвычайно длительный электрический срок службы.контактные кольца ртутипреуспеть в приложениях с высокой-частотой, высокой-точностью и высокой-скоростью, где контактный шум должен быть сведен к минимуму. Компромисс-затрагивает окружающую среду: использование ртути регулируется во многих юрисдикциях и применяются ограничения по ориентации и температуре.
Гибридные и оптоволоконные конструкции
Когда одна вращающаяся ось должна одновременно передавать электроэнергию,-высокоскоростные данные и текучую среду, гибридный узел сочетает в себе электрическое контактное кольцо спневматическое или гидравлическое поворотное соединениеи, при необходимости, оптоволоконное вращающееся соединение (FORJ) для передачи данных на гигабитной-скорости. Для гигабитной передачи данных по медной-сети необходимо правильно спроектированныйконтактное кольцо гигабитного Ethernetзачастую это более простой и экономичный-выбор; FORJ зарезервирован для случаев, когда устойчивость к электрическим помехам, расстояние или полоса пропускания выводят медь за пределы своих возможностей.
Какой тип контактного кольца подходит для вашего применения?
Краткое руководство по принятию решений, которое сопоставляет доминирующее ограничение с наиболее распространенным типом:
- Тесное пространство, небольшая нагрузка, мало цепей:капсула
- Вал, шланг или кабель должны проходить через центр:сквозное-отверстие
- Осевая длина является ограничением, доступно радиальное пространство:блин
- От сотен до тысяч ампер:Угольная щетка или специальная муфта сварочного заземления
- Очень низкий электрический шум, высокая частота вращения, высокая частота:ртуть (если это разрешено законодательством)
- Смешанная мощность + воздух/жидкость + сигналы по одной оси:гибридный
- Высокоскоростные-цифровые сигналы (Ethernet, HD-SDI):сигнальный-проходной-отверстие, FORJ в качестве опции для самых сложных случаев
Где используются контактные кольца - и на что следует обратить внимание инженеру
Честный ответ на вопрос «какая отрасль использует контактные кольца» — это «любая отрасль, где есть вращающееся оборудование, которому требуется электроэнергия или данные». Но приоритеты проектирования резко меняются в зависимости от приложения, и именно здесь происходит большинство ошибок при выборе.
Ветровые турбины: контроль угла наклона и мониторинг состояния
Внутри концентратораконтактное кольцо ветряной турбиныобычно обрабатывает мощность двигателя шага, сигналы управления шагом, данные-корневого датчика лопасти и пути защиты от молний-. Определяющие напряжения не являются электрическими, - они механические и экологические: непрерывная работа на низких-об/мин, большие перепады температур, конденсация, вибрация и десятилетия ожидаемого срока службы с ограниченным доступом для обслуживания на высоте ступицы.
Фокус выбора:контактные материалы с длительным-сроком службы, надежная герметизация и целостность сигналов для данных SCADA в течение всего срока службы турбины.
Краны, лебедки и поворотные системы
Башенным кранам, портовым кранам и морским лебедкам необходима поворотная конструкция для получения энергии, сигналов управления и часто Ethernet для камер и мониторинга нагрузки. Токосъемное кольцо подвергается воздействию погодных условий, соленого воздуха, а иногда и промывки.
Фокус выбора:герметичность (минимум IP65, часто IP66 или выше для морских судов), коррозионно--стойкие материалы корпуса, устойчивость к ударам и вибрации, а также адекватный номинальный ток для поворотных двигателей. Кабельный ввод часто является слабым местом -, а не корпус или контакты.
Упаковка и обработка материалов
Роторные наполнители, укупорочные головки, этикетировочные машины и стретч-упаковщики работают постоянно. Блок сквозного-проходного отверстия обычно имеет правильный форм-фактор -, см., например,контактное кольцо для упаковочных машингде каретка с пленкой вращается вокруг поддона.
Фокус выбора:Срок службы превышает текущий номинал. Эти машины совершают тысячи оборотов в день. Компактная проводка, стабильная подача сигнала для датчиков и обратная связь пневматического клапана, а также предсказуемый характер износа имеют большее значение, чем просто допустимый ток.
Промышленная автоматизация и робототехника
Поворотные индексаторы, запястья роботов, автоматические инспекционные турели - чаще всего требуют сочетания мощности двигателя, обратной связи энкодера, трафика полевой шины (Profinet, EtherCAT, CAN), а иногда и Ethernet системы машинного зрения-. Токосъемное кольцо фактически становится небольшим распределенным интерфейсом ввода-вывода, который вращается.
Фокус выбора:цепи сигнального-класса с надлежащим экранированием и сопротивлением для используемого протокола. Распространенной ошибкой является отношение к контактному кольцу Ethernet как к контактному кольцу питания с дополнительными цепями -, с электрической точки зрения это не одно и то же.
Медицинское и лабораторное оборудование
Порталы КТ, устройства для обработки проб и диагностические инструменты требуют низкого электрического шума, плавного вращения и стабильного качества сигнала. Текущее редко является проблемой; целостность данных и механическая точность.
Фокус выбора:малошумящие контактные системы, часто золото-на-золоте, а также пристальное внимание к перекрестным помехам между соседними сигнальными цепями.
Радар, оборона и наблюдение
Антенные постаменты и турели наблюдения непрерывно вращаются, передавая радиочастотные, видео и управляющие сигналы. Пропускная способность и целостность сигнала не-не подлежат обсуждению.
Фокус выбора:Поворотные соединения -класса, часто гибридные конструкции, сочетающие в себе электрические цепи с FORJ для передачи данных с высокой-полосой пропускания, а также прочное уплотнение для использования на открытом воздухе или на корабле.
Морской, морской и подводный
Соляные брызги, влажность, давление и постоянное пребывание на открытом воздухе являются факторами, определяющими дизайн. Типичными требованиями являются корпуса из нержавеющей стали, уплотнения морского-класса, коррозионно--разъемы и защищенные кабельные вводы. Рейтинг IP сам по себе не расскажет всей истории - IECМЭК 60529Стандарт определяет, от чего на самом деле защищает каждый код IP, а разница между IP65 (промывка) и IP67 (временное погружение) определяет, выдержит ли деталь конкретную среду.
Когда стандартного контактного кольца недостаточно
Стандартные контактные кольца из каталога охватывают широкий спектр применений. Они перестают быть правильным ответом, когда применяется одно или несколько из этих условий:
- Напряжение, ток или количество цепей превышают пределы каталога.
- Монтажный интерфейс имеет не-стандартный - нестандартный рисунок фланца, особый размер отверстия, конфигурацию конца--вала, которая не соответствует ни одному стандартному устройству.
- Микс сигналов необычен: например, сочетание HD-SDI-видео, USB и Profinet на одной оси.
- Окружающая среда превышает возможности стандартного корпуса -: высокая температура, взрывоопасная атмосфера, подводное давление.
- Вам нужна мощность, сигнал и текучая среда по одной оси.
- Целевые показатели срока службы выходят за рамки возможностей--готовых контактных систем.
В этот момент вы смотрите наизготовленное на заказ контактное кольцо-, и обсуждение дизайна обычно начинается с одного и того же набора спецификаций.
Что отправлять при запросе специального контактного кольца (контрольный список запроса предложений)
Команда инженеров сможет точно рассчитать стоимость и спроектировать, если вы предоставите следующее. Расплывчатые просьбы возвращаются в виде расплывчатых предложений.
- Количество цепей:общее количество электрических путей с разбивкой по мощности и сигналу.
- Напряжение и ток на цепь:пиковый и непрерывный.
- Типы сигналов:Ethernet (10/100/1000), CAN, RS-485, USB 2.0/3.0, HD-SDI, аналоговый сигнал 4–20 мА, протокол энкодера и т. д.
- Скорость вращения:постоянная частота вращения и любые пиковые условия.
- Рабочий цикл:непрерывный, прерывистый или случайный.
- Монтаж:сквозное-отверстие (с необходимым диаметром отверстия), капсула, фланец, конец--вала.
- Ограничения внешнего конверта:максимальный внешний диаметр, максимальная длина.
- Рейтинг IP и окружающая среда:в помещении, на открытом воздухе, для промывки, в морской среде, в диапазоне температур, при наличии пыли, масла или химикатов.
- Предпочтение кабеля/разъема:свободные выводы заданной длины, клеммные колодки, разъемы M12, разъемы MIL-спецификации.
- Ожидаемый срок службы:общее количество оборотов или часов работы.
- Другие СМИ на той же оси:воздух, гидравлическая жидкость, оптоволокно.
Полная спецификация часто позволяет сохранить полный цикл изменений на этапе проектирования.
Что можно настроить
Почти все, кроме базовой физики. Области, которые наиболее часто модифицируются:
- Конфигурация цепи:смешанное питание, управление, кодер, полевая шина, видео и Ethernet в одном стеке.
- Номинальные значения напряжения и тока:от уровней сигнала 5 В до мощности среднего-напряжения и от миллиампер до тысяч ампер.
- Диаметр отверстия и общая геометрия:соответствие существующему валу или корпусу.
- Материал корпуса и отделка:алюминий (легкий), нержавеющая сталь (коррозия), конструкционные пластмассы (вес или изоляция).
- Герметизация и степень IP:от базовой защиты от пыли и брызг IP54 до IP67/68 для погружения в воду.
- Кабельные сборки:экранированная витая пара для Ethernet, нестандартная длина, защита от натяжения, специальные типы разъемов.
- Гибридная интеграция:объединение электрических, пневматических, гидравлических или оптоволоконных каналов в одном узле.
Скользящее кольцо, роторное соединение и кабельная катушка
Эти три компонента часто путают, поскольку все они относятся к вращающимся машинам, но решают разные задачи.
- Скользящее кольцо:передает электроэнергию, сигналы или данные через вращающееся соединение.
- Роторный союз:переносит жидкости или газы (гидравлическое масло, охлаждающую жидкость, сжатый воздух) через вращающееся соединение.
- Кабельная катушка:управляет длиной кабеля на мобильном оборудовании - выдвигается и втягивается, но не допускает непрерывного вращения.
В сложной машине часто используются два или все три вместе. Упаковщик поддонов может использовать контактное кольцо для подачи питания и сигналов датчиков на вращающемся рычаге, пневматическое поворотное соединение для цилиндра натяжения пленки и систему управления кабелями для движущейся каретки.
Техническое обслуживание и срок службы
Срок службы контактного кольца зависит от нескольких взаимодействующих факторов:
- Контактные материалы и давление:Контакты из драгоценного-металла на устройствах сигнального-класса могут превышать 100 миллионов оборотов; Угольные щетки изнашиваются быстрее, но их можно заменить.
- Скорость и нагрузка:более высокие обороты увеличивают износ и нагрев; более высокий ток ускоряет эрозию контактов.
- Рабочий цикл:непрерывная работа приводит к большему общему износу, чем прерывистая эксплуатация, даже при том же общем времени работы, из-за термоциклирования.
- Загрязнение:пыль, влага и химическое воздействие вызывают нелинейный -линейный износ - герметичное устройство в чистой среде прослужит на порядки дольше, чем открытое устройство.
- Вибрация и несоосность:часто фактическая первопричина раннего отказа ошибочно приписывается «плохим контактам».
Герметичные сигнальные-классы и капсульные блоки обычно не требуют обслуживания-в течение всего номинального срока службы. Углеродные-щетки с высоким-током требуют периодической проверки и замены щеток; интервал зависит от тока, частоты вращения и окружающей среды.
Как правильно выбрать контактное кольцо?
Выбор сводится к четырем вопросам, задаваемым в указанном порядке. Каждый из них исключает варианты, которые в противном случае рассматривал бы следующий вопрос.
- Что должно нести контактное кольцо?Только питание, только сигнал или и то, и другое? Какие протоколы сигналов и с какой скоростью передачи данных? От этого зависит, какой тип устройства вы ищете:-мощный, сигнальный- или гибридный.
- Что такое механическая оболочка?Сквозное-отверстие? Конец--вала? Максимальный внешний диаметр и длина? Это сужает форм-фактор.
- Какова операционная среда?Чистый воздух в помещении — это один режим; морской пехотинец на открытом воздухе — другое; взрывоопасная атмосфера – третья.требуемый рейтинг IP, материал корпуса и конструкция уплотнения из этого не выпадают.
- Каков профиль обязанностей и ожидаемая продолжительность жизни?Постоянно или с перерывами? Диапазон оборотов? Ожидаемый срок службы? Это определяет контактные материалы и то, подходит ли конструкция,-необслуживаемая или исправная.
Распространенные ошибки выбора
- Выбор только по внешнему диаметру.Устройство, которое подходит к кронштейну, но не имеет правильной системы контактов для смешивания сигналов, будет выдавать периодические неисправности, которые выглядят как ошибки прошивки.
- Недооценка окружающей среды.«На открытом воздухе» без температурного диапазона или степени защиты IP не является спецификацией.
- Обработка цепей Ethernet как обычных сигнальных цепей.Gigabit Ethernet предъявляет требования к импедансу, экранированию и перекрестным помехам, которым не могут соответствовать обычные сигнальные контакты.
- Указание тока только на пике, а не постоянно.Пиковый ток устанавливает номинал контакта; постоянный ток определяет тепловой расчет.
- Токосъемное кольцо в конструкции машины оставлено на последнее место.К тому времени пространство для установки и прокладка кабелей ограничивают выбор вариантов - и зачастую хуже-подходящим набором -.
Часто задаваемые вопросы
Каково основное назначение контактного кольца?
Для передачи электроэнергии, сигналов управления или данных между неподвижной конструкцией и непрерывно вращающейся без перекручивания или разрыва кабеля.
Как контактное кольцо передает электричество?
Проводящие кольца вращаются вместе с валом, а неподвижные щетки скользят по ним. Пока щетка сохраняет чистый контакт с кольцом, ток течет - независимо от того, сколько оборотов сделает вал.
Может ли контактное кольцо передавать Ethernet или видео?
Да, но только если контактное кольцо предназначено для этого. Для таких протоколов, как гигабитный Ethernet или видео HD-SDI, необходимы контакты сигнального-класса, контролируемый импеданс, экранирование и правильное заземление. Стандартное контактное кольцо не будет надежно передавать эти сигналы.
В чем разница между контактным кольцом и поворотным соединением?
Контактное кольцо передает электричество. Поворотное соединение передает жидкости или газы - гидравлическое масло, охлаждающую жидкость, сжатый воздух. Гибридные конструкции сочетают в себе оба компонента на одной оси.
Требуют ли контактные кольца обслуживания?
Герметичные контактные кольца-класса и капсульные контактные кольца обычно-не требуют обслуживания в течение всего номинального срока службы. Сильноточные-угольные-щеточные агрегаты требуют периодической проверки и замены щеток; интервал зависит от тока, скорости и окружающей среды.
Когда мне следует рассмотреть возможность использования специального контактного кольца вместо детали из каталога?
Всякий раз, когда сочетание схем, напряжение, ток, монтажный интерфейс, окружающая среда или целевой срок службы выходят за пределы того, что охватывает стандартная деталь. Индивидуальное проектирование является обычным явлением для ветряных турбин, морского оборудования, систем защиты и большинства нетривиальных средств автоматизации.
Как узнать, какой рейтинг IP мне нужен?
Сопоставьте рейтинг с фактическим воздействием. IP54 защищает от пыли и брызг. IP65 выдерживает струи воды низкого-давления-, подходящего для большинства промышленных применений на открытом воздухе. IP67 обеспечивает временное погружение в воду. IP68 обеспечивает непрерывное погружение на определенную глубину. Стандарт IEC 60529 точно определяет каждый код.
Собираем это вместе
Токосъемное кольцо выглядит как простой компонент, и для приложений с низкими-ставками так оно и есть. Для всего, что передает реальную мощность, реальные данные или работает в сложных условиях, это решение на уровне системы-: материалы контактов, уплотнения, целостность сигнала и монтаж — все это взаимодействует с остальной частью машины. Укажите его заранее, определите его полностью, и вы избежите наиболее распространенного вида отказа -, когда при вводе в эксплуатацию обнаружится, что контактное кольцо является узким местом.
Если вы уже знаете количество цепей, напряжение, сигнальные протоколы и среду, следующим шагом будет сопоставление их с конкретной конструкцией. Если что-то из этого все еще неясно, об этом следует поговорить в первую очередь. В любом случае,инженерная командаобычно можно быстро сузить варианты, как только требования будут записаны на бумаге.
Эта статья была подготовлена командой технических специалистов Bytune и проверена нашими инженерами-конструкторами контактных колец. Технические характеристики конкретного семейства продуктов см.каталог продукции.