Система ковзних кільцевих ротаційних з’єднань: коли інтегрувати

Коли машина повинна безперервно обертатися, підтримуючи важкі вантажі, передаючи рідинну енергію та передаючи електричну енергію чи дані через одну вісь, макет, побудований з окремих частин, швидко ускладнюється. Шланги скручуються. Втома кабелів. Кронштейни з’їдають простір. Зникає доступ до сервісу.

Для вирішення цієї проблеми створена інтегрована система контактних кільцевих ротаційних з’єднань. В одному скоординованому вузлі підшипник опорно-поворотного кільця несе структурне навантаження, багатопортове ротаційне з’єднання передає рідину, а електричне контактне кільце передає живлення, сигнали керування та дані через обертове з’єднання.

У цьому посібнику пояснюється, як три компоненти поєднуються разом на одній осі, коли інтегрований проект є правильним викликом, а коли ні, параметри, які потрібно правильно вказати, а також помилки в проекті, які спричиняють більшість польових проблем. Він написаний для інженерів із проектування та постачання OEM і перевірений нашими інженерами із застосування контактних кілець, спираючись на шаблони, які ми неодноразово бачимо в проектах спеціального обертового-інтерфейсу.

Що таке інтегрована система поворотних кілець, контактних кілець і поворотних кілець?

Вбудований обертовий інтерфейс об’єднує три завдання в один вузол, який обертається навколо спільної осі: підтримка структурного навантаження, передача рідини та передача електроенергії, сигналу або даних. Замість того, щоб прокладати шланги та кабелі навколо зовнішньої частини обертової конструкції, система пропускає їх через або навколо осі обертання під контролем.

Підшипник поворотного кільця: основа,-що несе навантаження

Підшипник опорно-поворотного кільця, також званий опорно-поворотним кільцем або підшипником поворотної платформи, є структурним з’єднанням системи. Він підтримує обертову секцію, несучи осьові навантаження, радіальні навантаження та навантаження моменту нахилу, які створює зміщена стріла або інструмент. У більшості конструкцій поворотне кільце також є частиною приводу: внутрішні або зовнішні зубці шестерні дозволяють шестерні, гідравлічному двигуну або коробці передач повертати обертову секцію.

Чому це важливо: розмір підшипника зазвичай визначається моментним навантаженням, а не статичною вагою. Вежа, яка важить мало, але має довге плече, може створювати великий момент перекидання, а малорозмірний підшипник відхилятиметься, заклинюватиметься або рано зношуватиметься. Типовими вузлами є башти кранів і екскаваторів, поворотні столи,-захвати для транспортування матеріалів і вітрові-платформи.

Multiport Rotary Union: передача рідини

Багатопортове ротаційне з’єднання (також називається ротаційним з’єднанням або, коли воно переміщує масло, aгідравлічний поворотний штуцер) переносить рідину від нерухомого джерела до обертової частини машини. Він може працювати з гідравлічним маслом, повітрям, водою, охолоджуючою рідиною, мастилом або вакуумом. «Багатопортова» частина означає, що кілька незалежних контурів проходять через один обертовий інтерфейс: обертове пристосування може використовувати один контур для приведення в дію, один для повернення, один для пілотного керування та інший для змащення або охолодження, причому кожен контур ізольований від інших.

Чому це важливо: кількість портів є найменш важливим числом. Тип середовища, тиск, швидкість потоку, температура та обмеження-швидкості тиску (PV) ущільнення при фактичній швидкості обертання визначають, чи з’єднання виживе. Той самий з’єднання, яке успішно працює при повільному навантаженні при тиску 210 бар, може перегрітися і зношувати свої ущільнення за того самого тиску, якщо швидкість або робочий цикл зростає.

Електричне контактне кільце: живлення, сигнал і передача даних

Анелектричне контактне кільцепередає електричну енергію, сигнали керування, зворотний зв’язок датчика та дані зв’язку між нерухомою та обертовою сторонами. Сучасне контактне кільце рідко просто передає потужність: воно може передавати зворотний зв’язок кодера, команди клапана, трафік шини Ethernet або CAN, відео з камери та дані про температуру на тому самому концентраторі. Це особливо важливо, коли обертовий вузол містить датчики, освітлення, приводи, камери або інтелектуальні модулі керування, які повинні підтримувати зв’язок із фіксованим контролером, поки машина обертається.

Як три поєднуються на одній осі

У типовій інтегрованій збірці три функції розташовані коаксіально навколо однієї осі обертання. Поворотне кільце утворює з'єднання між нерухомою основою та обертовою платформою. Загальною схемою є порожнисте наскрізне-розташування отвору: ротаційний патрубок розташований у центрі для транспортування рідинних ліній, а контактне кільце встановлено вище, нижче або навколо нього для транспортування провідників. Протоки рідини потрапляють на обертову сторону через ротор з’єднання; провідники потрапляють на ротор контактного кільця; стаціонарні лінії живлення та електропроводка машини залишаються закріпленими на основі.

Два рішення формують весь макет:

• Який член обертається.На опорно-поворотному кільці ви вибираєте, внутрішнє чи зовнішнє кільце обертається, і на якому шестерня сидить на внутрішньому чи зовнішньому кільці. Цей вибір встановлює, де закінчуватиметься ведуча шестерня, порти з’єднання та виходи кабелю.
• Як шляхи рідини та електрики зберігаються окремо.Рідина та електричні середовища ніколи не повинні мати спільну герметичну порожнину. Ущільнювач, що протікає, не повинен бути в змозі затопити контакти контактного кільця, тому дві функції належать до окремих відсіків з індивідуальним дренажем.

Технічна примітка: підтвердьте діаметр-скрізного отвору перед детальним описом конструкції. Центральний отвір має очищати кожен шланг, фітинг і пучок кабелів, які проходять через нього, а також сам корпус з’єднання. З’ясування того, що отвір занадто малий після проектування рами, є однією з найдорожчих пізніх змін у такому проекті.

Навіщо поєднувати ці три компоненти?

Поєднання ротаційного з’єднання, контактного кільця та опорно-поворотного підшипника – це не просто упаковка. Він усуває кілька точок збоїв, які знову і знову з’являються в обертових механізмах.

Чистіша маршрутизація через одну вісь

Окрема прокладка рідинних і електричних ліній навколо обертової конструкції зазвичай вимагає додаткових кронштейнів, захисних конструкцій, петель, тягових ланцюгів і поворотних опор. Інтегрований інтерфейс організовує ці схеми навколо осі обертання замість того, щоб примушувати їх навколо зовнішньої частини машини, що робить компонування більш чистим,-для-захисту.

Менше скручування шланга та втома кабелю

Багаторазове скручування є одним із найбільших ворогів обертового обладнання. Гідравлічні шланги та електричні кабелі витримують стільки обертання, щоб не почалася втома, стирання або навантаження на згин. Ротаційне з’єднання запобігає скрученню ліній рідини, а контактне кільце робить те саме для провідників, тому машина може обертатися, не намотуючи нічого навколо конструкції.

Межа, яка має значення: ця перевага застосовується, коли секція безперервно обертається, робить багато обертів або має необмежену кількість обертів. Якщо він коливається лише через обмежену дугу, наприклад, кілька обертів плюс або мінус 180 градусів за цикл, гнучкі кабелі та шланги в кабелетримачі часто простіші та дешевші, ніж контактне кільце та з’єднання. Інтегрований підхід має свої витрати саме там, де не витримає жоден гнучкий верстат.

Більш компактний план

Всередині турелей, компактних насадок, роботизованих з’єднань і поворотних столів мало місця. Окремий підшипник, гідравлічний шарнір і контактне кільце можуть займати занадто багато осьового або радіального простору. Розгортання функцій на одній осі звільняє простір для конструкції, компонентів приводу, захисних кожухів або доступу для обслуговування, що допомагає, коли обладнання має залишатися маленьким або легким.

Менше точок відмови

Більшість несправностей обертового-інтерфейсу пов’язано з коротким переліком причин: протирання шланга після тисячі циклів, затвердіння-кабеля та розтріскування в точці згинання або ослаблення кронштейна під впливом вібрації. Об’єднання цих з’єднань в один інженерний інтерфейс усуває імпровізовані дужки та непідтримувані петлі, де починаються ці збої.

Чому це важливо, із застереженням: підвищення надійності є реальним, але умовним. Це залежить від вибору ущільнення, контактної технології та плану обслуговування, а не від інтеграції як такої. Добре-спеціалізований інтегрований інтерфейс усуває режими збою; погано визначений просто ховає їх у складні-для-пакета обслуговування.

Простіша збірка OEM

Для виробників комплектного обладнання попередньо-розроблена збірка замінює три системи кріплення однією. Замість того, щоб монтувати та вирівнювати три вузли та узгоджувати три пакети допусків під час остаточного складання, команда працює над єдиним інтерфейсом кріплення з одним шаблоном болтів. Це усуває операції вирівнювання на лінії та скорочує документацію по складанню та обслуговуванню.

Інтегрована система проти окремих компонентів

Правильна відповідь залежить від машини. Повністю інтегрована система не завжди потрібна, але зазвичай вона є кращим вибором, коли простір, надійність і маршрутизація мають значення одночасно.

Де використовуються інтегровані конструкції

Найпотужніші додатки – це машини, які потребують обертання, підтримки навантаження, живлення рідини та електричного керування в одному місці. Потреби відрізняються залежно від галузі, тому фокус дизайну змінюється з кожною.

Важка техніка, крани та екскаватори

Сценарій: крани, бурові установки, грейфери та навісне обладнання для екскаватора обертають робочу верхню секцію над нерухомою основою, залучаючи гідравлічну енергію для руху та електрику та сигнали для елементів керування, світла та зворотного зв’язку.

Типові вимоги: декілька гідравлічних контурів середнього-–-високого-тиску, зливна лінія корпусу-, живлення для приводів і освітлення, а також зворотний зв’язок від датчиків положення або тиску.

Основна увага при проектуванні: високі моментні навантаження від стріли або інструменту, ударне навантаження та зовнішнє ущільнення. Гідравлічний тиск у поєднанні з безперервним поворотом робить термін служби ущільнення та момент підшипника обмежуючими факторами. Це класичний випадок для контактного кільця, вбудованого в обертове кріплення, як і пристрої, що використовуються наекскаватори та інше обертове навісне обладнання.

Вітрові турбіни та відновлювана енергія

Сценарій: великі обертові системи, які передають енергію, керуючі сигнали, а іноді й гідравлічні чи мастильні функції через обертовий шарнір. У вітряних турбінах це з’являється на межах повороту й нахилу, а також на контактному кільці гондоли-–-втулки.

Типові вимоги: живлення та контроль через з’єднання, сигнали-моніторингу стану та дуже довгі інтервали технічного обслуговування, оскільки доступ є складним і дорогим.

Фокус дизайну: надійність протягом тривалого терміну служби, надійна стратегія блискавки та заземлення, а також захист від конденсації та перепадів температури. Турбіна зазвичай використовує кілька різних обертових інтерфейсів, а не один універсальний вузол, тому «інтеграція» тут означає відповідність кожного інтерфейсу його завданням. Присвяченийсистеми контактних кільцевих вітрових турбінстворені для цих конкретних посад.

Робототехніка та роторна автоматизація

Сценарій: зап’ястки та основи роботів, поворотні покажчики, зварювальні позиціонери та обертові контрольні головки, яким потрібна компактна передача живлення, сигналу, даних, повітря чи вакууму.

Типові вимоги: багато-сигналів і каналів даних із низьким струмом, часто Ethernet або польова шина, упакованих у вузол малого діаметру, з низьким крутним моментом і великою кількістю циклів.

Фокус дизайну: розмір упаковки, цілісність сигналу та уникнення кабельних петель, які зачіпають або погіршують повторюваність. Тут контактна технологія контактного кільця та кількість каналів мають більше значення, ніж навантаження. Компактні сигнальні контактні кільця дляроботів, ROV та БПЛАє типовим підходом.

Верстати з ЧПУ та поворотні столи

Сценарій: верстати та поворотні чи нахиляються столи, які направляють охолоджуючу рідину, мастило, потужність шпинделя чи осі, зворотний зв’язок кодера та сигнали-зміни чи затискання інструменту через обертову секцію.

Типові вимоги: контури охолоджуючої рідини та змащення під помірним тиском, а також надійний кодер і сигнали керування.

Фокус дизайну: запобігання потраплянню охолоджуючої рідини та стружки в електричний шлях і захист сигналів кодера від шуму приводу. Клас ущільнення та чистота контактів забезпечують точність і час безвідмовної роботи.

Упаковка, наповнення та обробка харчових продуктів

Сценарій: роторні наповнювачі, укупорювачі та етикетувальники, які працюють безперервно, часто цілодобово.

Типові вимоги: повітряні та вакуумні лінії, сигнали датчиків і приводів, а також електричні з’єднання-з номінальним значенням промивання на обертових турелях.

Фокус дизайну: дуже висока кількість циклів і, на харчових заводах, вплив промивання та гігієнічні-правила щодо матеріалів. Втома та проникнення кабелю є звичайними видами несправностей, тому герметичний інтерфейс безперервного{2}}обертання швидко окупається.

Морські, офшорні та транспортування матеріалів

Сценарій: палубні крани, лебідки, вантажні стріли та транспортно-розвантажувальне обладнання, які обертаються під впливом соляних бризок, погоди та постійної вібрації.

Типові вимоги: надійна передача рідини та енергії, корозійно-стійкі матеріали та високий захист від проникнення.

Основна увага при проектуванні: захист від корозії, герметичність, стійкість до ударів і вібрації, а також придатність до обслуговування на морі, де час простою надзвичайно дорогий. Тут домінують вибір матеріалу та дизайн ущільнення.

Робочий процес проектування інтеграції

Зазначення цих систем відбувається легше як послідовність, ніж як один контрольний список. Кожен крок підживлює наступний, а пропуск раннього зазвичай змушує переробляти пізніше.

• Крок 1: Зберіть дані програми.Навантаження, профіль обертання, рідинні контури, електричні кола, навколишнє середовище, монтаж і очікування щодо обслуговування. Це вхідні дані для всього, що йде далі, і саме тут більшість проектів або досягають успіху, або зупиняються.
• Крок 2. Визначте макет інтерфейсу, що обертається-.Визначте коаксіальний стек, розмір наскрізного-отвору, який елемент обертається, а також напрямки портів і виходів кабелю, перш ніж намалювати будь-яку детальну структуру.
• Крок 3: Розмір поворотного кільця для реальних навантажень.Використовуйте фактичні осьові, радіальні та моментні навантаження з динамічними факторами, оберіть механізм редуктора та переконайтеся, що монтажна конструкція достатньо жорстка, щоб не викривити підшипник.
• Крок 4: Укажіть рідинні контури та ротаційне з’єднання.Заблокуйте канали, середовище, тиск, потік і температуру, а потім перевірте термін служби ущільнення на робочій швидкості, а не тільки на робочому тиску.
• Крок 5: Укажіть електричні схеми та контактне кільце.Спершу відокремте живлення від сигналів низького-рівня на папері: визначте напругу, струм, канали, типи сигналів, протоколи даних, екранування та заземлення.
• Крок 6: Сплануйте маршрут, монтаж, заземлення та доступ до послуг.Вирішіть, як шланги та кабелі входять і виходять, де розташовані точки мастила та роз’єми, а також як вузол буде перевірятися та замінюватися.
• Крок 7: Перегляньте, прототипуйте та перевірте.Підтвердьте конструкцію з постачальником, а потім перевірте тиск, обертання, електричні та екологічні показники перед початком виробництва.

Ключові технічні параметри, які потрібно підтвердити перед проектуванням

Найшвидший спосіб отримати точну цінову пропозицію та робочу збірку — передати постачальнику повний пакет даних. Розглядайте наведені нижче списки як пакет.

Механічні та поворотні

• Осьові, радіальні та моментні навантаження, в тому числі динамічні та ударні
• Кут обертання: безперервний, багатообертовий або обмежений
• Швидкість обертання і робочий цикл
• Монтажна орієнтація та структурна жорсткість

Рідинні контури

• Кількість уривків і тип медіа для кожного
• Тиск, швидкість потоку та температура
• Розмір і орієнтація порту, а також обмеження на витік і фільтрацію

Електрика та дані

• Напруга, струм і кількість ланцюгів
• Типи сигналів і протоколи даних із зазначенням чутливості до шуму
• Стратегія екранування та заземлення, тип роз’єму та очікуваний термін служби

Навколишнє середовище

• Мішень захисту від проникнення встановлюється за допомогоюСистема класифікації IP IEC 60529, наприклад IP65 для пил-непроникного,-водо-бризко{3}}стійкого використання на вулиці
• Стійкість до корозії, діапазон робочих температур і вплив змивів, пилу, УФ-променів або морських умов

Монтаж і обслуговування

• Тип болта, рівність монтажу, центрування та положення важелі-крутного моменту або анти{1}}обертання
• Напрямки виходу шлангів і кабелів і зазори
• Доступ до точок мастила, роз’ємів і простору для огляду, а також процедура заміни

Поширених помилок у проектуванні, яких слід уникати

Вибір лише за кількістю портів

Об’єднання «шість-портів» або «вісім-портів» не відповідає програмі автоматично. Середовище, тиск, швидкість, потік, температура, ущільнення та монтаж мають не менш велике значення. Чому це важливо: неправильне ущільнення або рейтинг PV не працюють, навіть якщо кількість портів правильна.

Обробка сигналів як силових ланцюгів

Контактне кільце, яке живить освітлення або основне живлення, автоматично не підходить для зворотного зв’язку кодера, Ethernet, відеокамери чи промислового зв’язку. На них потрібно звернути увагуекранування та фізичне розділення між ланцюгами живлення та сигналу, розглянуто на початку розробки. Чому це важливо: перехресні перешкоди та шуми псують дані та показання датчиків задовго до того, як щось фізично виглядає неправильним.

Недооцінка моментних навантажень

Поворотне кільце не тільки дозволяє обертатися; він підтримує конструкцію при реальних експлуатаційних навантаженнях. Недооцінка моменту, удару або-нецентрального навантаження, а також підшипник і навколишня конструкція розплачуються за це прогином і раннім зносом.

Ігнорування напрямку виходу шланга та кабелю

Навіть з інтегрованим вузлом погане планування виходу створює напругу при вигині, тертя та головний біль при обслуговуванні. Маршрути належать до проекту з самого початку, а не як запальна думка після того, як геометрія фіксована.

Забути про доступ до технічного обслуговування

Компактний дизайн допомагає лише тоді, коли його ще можна обслуговувати. Точки мастила, з’єднувачі, оглядові кришки та зазори для заміни повинні бути встановлені до того, як компонування машини буде заморожено. Завчасно визначтеся, чи можна замінити вузол-на місці роботи чи лише-на заводі, оскільки цей вибір збільшує час простою та вартість життєвого циклу.

Купуйте три частини замість того, щоб розробляти один інтерфейс

Штуцер, контактне кільце та поворотне кільце — це три компоненти на полиці, але в машині вони працюють як один обертовий інтерфейс. Ставлення до них як до непов’язаних частин створює проблеми з узгодженням, конфлікти маршрутизації та ускладнення, яких можна уникнути.

Коли повністю інтегрована система не потрібна

Інтеграція не є стандартною. Простіший макет може бути кращим інженерним вибором, коли:

• секція обертається лише через невелику обмежену дугу
• потрібна лише одна лінія рідини або одна електрична схема
• є багато місця для маршрутизації
• обертова секція є легкою-навантаженням і низьким{1}}циклом
• машина легко доступна для обслуговування
• окремі частини знижують вартість, не додаючи ризику надійності

Метою є компонування, яке найкраще збалансує надійність, упаковку, зручність обслуговування та вартість, а не інтеграція сама по собі.

Приклад конструкції: компактна поворотна турель з гідравлічною системою, силовою системою та шиною CAN

Розглянемо безперервну поворотну турель на 360 градусів на мобільному оглядовому автомобілі. Револьверна головка несе інструментальну головку, приводить її в дію гідравлічно, живить робоче освітлення та повертає дані про положення та камеру в кабіну.

Для створення окремого-компонента знадобиться поворотний підшипник, зовнішній гідравлічний шарнір, окреме контактне кільце, кілька кронштейнів, петлі для шлангів і захист кабелю, а також простір і час для складання всього цього. Інтегрована збірка забезпечує підтримку навантаження, передачу рідини та електричну передачу навколо однієї осі. Шланги та кабелі проходять через центральний отвір, тому нічого не звивається ззовні під час обертання башти. На практиці результатом є менше кронштейнів, відсутність зовнішніх шлангових петель, легший доступ до роз’ємів і швидша остаточна збірка з більшою повторюваністю.

Типова специфікація цієї вежі може виглядати так, як наведено в таблиці нижче. Цифри є ілюстративними; ваші навантаження, тиск і кількість каналів залежать від вашого робочого циклу. Справа в тому, який рівень деталізації необхідний постачальнику, щоб надати цінову пропозицію на спеціальну збірку.

Ключові висновки

Багатопортове ротаційне з’єднання, електричне контактне кільце та підшипник поворотного кільця належать разом, коли обертова машина має перевозити навантаження, передавати рідину та передавати електроенергію чи дані через один інтерфейс. Справжня цінність полягає не лише в збереженому місці; це контрольована маршрутизація, менше навантаження на шланги та кабелі, щільніше пакування та надійніша система обертання.

Для простих машин може бути достатньо окремих деталей. Для компактного, важкого-обладнання, високо-циклічного або багато-функціонального обертового обладнання інтегрована конструкція робить машину чистішою у створенні та простішою в обслуговуванні. Найкращим першим кроком є ​​визначення навантаження, профілю обертання, контурів рідини, електричних ланцюгів, навколишнього середовища та вимог до обслуговування, а потім розробити інтерфейс як одну скоординовану систему. Якщо ви визначаєте обсяг проекту, ці специфікації також є тим, що постачальник повинен розробитинестандартне ротаційне з'єднання та вузол контактного кільцяякий підходить для вашої машини з першого разу.