Kā darbojas slīdošā gredzena savācēja gredzens?
Slīdēšanas gredzena kolektora gredzens darbojas, uzturot nepārtrauktu elektrisko kontaktu starp stacionāru suku un rotējošu vadošu gredzenu. Kad gredzens griežas, atsperes{1}}birstes piespiežas pret tā virsmu, bez pārtraukuma pārvadot elektrisko strāvu vai signālus.
Pamatmehānisms: otu{0}}gredzena kontaktu sistēma
Pamatdarbība balstās uz kontrolētu berzi starp diviem komponentiem. Rotējošā daļa sastāv no viena vai vairākiem metāla gredzeniem, kas uzstādīti uz vārpstas, parasti izgatavoti no misiņa, vara vai sudraba sakausējumiem. Šie gredzeni griežas kopā ar mašīnu. Pie katra gredzena ir piespiestas stacionāras otas, kas izgatavotas no grafīta, vara-grafīta kompozītmateriāliem vai fosfora bronzas.
Atsperes spriegojums uztur otas pastāvīgā kontaktā ar gredzena virsmu. Tas nav viegls pieskāriens, -atsperes piespiež birstes pret rotējošiem gredzeniem ar pietiekamu spēku, lai uzturētu elektrisko kontaktu vibrācijas, ātruma izmaiņu un nelielu virsmas nelīdzenumu dēļ. Atsperes spiediens rada to, ko inženieri sauc par "kontaktspēku", ko mēra gramos vai uncēs atkarībā no pielietojuma.
Vārpstam griežoties, sukas materiāls slīd pa gredzena apkārtmēru. Šis bīdāmais kontakts pabeidz elektrisko ķēdi. Strāva plūst no stacionārās puses caur birsti, pāri kontaktpunktam, uz rotējošo gredzenu un uz rotējošo aprīkojumu. Savienojums paliek nemainīgs neatkarīgi no griešanās ātruma vai virziena izmaiņām.
Elegance slēpjas ģeometrijā. Gredzens nodrošina nepārtrauktu 360 grādu vadošu ceļu, ļaujot neierobežoti griezties bez vadu sapīšanas. Atšķirībā no kabeļa, kas griežas pēc dažiem pagriezieniem, slīdgredzena komplekts nodrošina bezgalīgu rotāciju abos virzienos.
Vairāku-ķēžu konfigurācija
Ja iekārtai ir nepieciešamas vairākas elektriskās ķēdes, slīdgredzeni salieciet koncentriski gar vārpstas asi. Papildu gredzenu/birstes komplekti tiek sakrauti gar rotācijas asi, ja nepieciešama vairāk nekā viena elektriskā ķēde. Katrs gredzens darbojas neatkarīgi, elektriski izolēts no kaimiņiem ar izolējošām starplikām.
Tipiskā vēja turbīnas ģeneratora komplektācijā var būt seši gredzeni: trīs trīs{0}}fāzu enerģijas pārvadei un trīs vadības signāliem. Katram gredzenam ir nepieciešams īpašs suku bloks ar atsevišķiem stiepļu vadiem. Gredzeni atrodas blakus-{-blakus uz cilindriskas mucas, kas atgādina dažāda diametra metālisku virtuļu kaudzi.
Šī kraušanas pieeja ir ļoti labi mērogojama. Slīdošie gredzeni ir izgatavoti dažādos veidos un izmēros; vienā iekārtā, kas izgatavota teātra skatuves apgaismojumam, bija 100 diriģenti. Rūpnieciskajos lietojumos vienā komplektā parasti tiek izmantotas 12 līdz 30 shēmas. Ierobežojošie faktori kļūst par fizisko izmēru un siltuma izkliedi, nevis elektrisko iespējamību.
Materiālu izvēle un virsmas mijiedarbība
Sukas{0}}gredzena materiāla savienošana pārī būtiski ietekmē veiktspēju un kalpošanas laiku. Sukas var būt izgatavotas no grafīta vai fosfora bronzas, ar fosfora bronzu, kas nodrošina labāku vadītspēju un nodiluma ilgumu, savukārt grafīts ir ekonomiskāks.
Grafīta birstes darbojas, izmantojot pašeļļošanas{0}}mehānismu. Birstei nolietojoties, tā uz gredzena virsmas uzklāj plānu grafīta plēvi. Šī "patina" faktiski samazina berzi un elektrisko troksni salīdzinājumā ar tukša metāla kontaktu. Oglekļa slānis darbojas gan kā smērviela, gan kā vadītājs. Tomēr grafīts rada putekļus, kas ir periodiski jātīra slēgtajos mezglos.
Fosforbronzas otas nodrošina izcilu vadītspēju,{0}}kas ir svarīgas lielas-strāvas lietojumiem, piemēram, ģeneratoru ierosmes sistēmām. Bronzas-uz-misiņa vai bronzas-uz-sudraba kombinācija iztur strāvas blīvumu līdz 50 ampēriem uz kontakta laukuma kvadrātcollu. Šīs sukas nodilst lēnāk nekā grafīts, taču tām trūkst pašeļļošanas īpašību, tāpēc laiku pa laikam nepieciešama virsmas kondicionēšana.
Vara-grafīta kompozītmateriāla otas samazina atšķirību. Vara komponents apstrādā strāvu, bet grafīts nodrošina eļļošanu. Šī hibrīda pieeja parādās mērenās-jaudas lietojumos, kur ir svarīga gan vadītspēja, gan ilgmūžība.
Gredzenu virsmas apdarei ir tikpat liela nozīme kā materiāla izvēlei. Ražotāji apstrādā gredzenus atbilstoši noteiktiem raupjuma standartiem-parasti no 16 līdz 32 mikro-collas Ra (vidējais raupjuma līmenis). Pārāk gluda, un birste drīzāk slido, nevis pareizi izseko. Rodas pārāk rupjš un paātrināts nodilums. Saldā vieta rada pietiekami daudz tekstūras, lai birste saglabātu kontaktu bez pārmērīgas berzes.
Pavasara spiediena loma
Atsperes sukas turētājā nav pasīvas sastāvdaļas,{0}}tās dinamiski uztur kontaktspēku, birstēm nolietojoties. Sākotnējais birstes garums var būt 1,5 collas, taču atsperei ir jāsaglabā pastāvīgs spiediens, līdz suka darbības mēnešu laikā nolietojas līdz 0,5 collām.
Atsperes spēka aprēķins līdzsvaro konkurējošās prasības. Nepietiekams spiediens izraisa periodisku kontaktu, īpaši vibrācijas laikā vai lielā ātrumā, kad centrbēdzes spēki ietekmē suku. Pārmērīgs spiediens paātrina gan sukas, gan gredzena nodilumu, rada siltumu un palielina griezes momentu, kas nepieciešams, lai pagrieztu bloku.
Vājinātas vai pār{0}}atsperotas atsperes apdraud birstes-un-gredzena savienojumu. Regulāra apkope ietver atsperu spriegojuma pārbaudes. Dažās konstrukcijās tiek izmantotas nemainīgas-spēka atsperes, kas uztur spiedienu neatkarīgi no sukas nodiluma stāvokļa, lai gan tās var radīt sānu noslogojumu, kas liek birstēm saķerties to turētājos.
Ātruma un berzes apsvērumi
Rotācijas ātrums dramatiski ietekmē slīdēšanas gredzena darbību. Ģeneratora slīdgredzeni uz lielām vēja turbīnām griežas ar aptuveni 1800 apgr./min, un ir nepieciešami dažādi suku materiāli, lai tiktu galā ar berzi. Pie maziem apgriezieniem (zem 100 apgr./min.) darbojas gandrīz jebkurš suku materiāls. No 100 līdz 1000 apgr./min birstes izvēle un gredzena virsmas apdare kļūst kritiska. Pārsniedzot 1000 apgr./min, siltuma ģenerēšana kontaktpunktā dominē inženiertehniskajā izaicinājumā.
Berze rada siltumu proporcionāli ātrumam, strāvai un kontaktspiedienam. Pie 1800 apgr./min., kad plūst 45 ampēri, kontaktpunkta temperatūra var sasniegt 150 °F (65 grādi). Šim siltumam ir jāizkliedējas caur gredzena materiālu un apkārtējo gaisu. Nepietiekama dzesēšana izraisa gredzena krāsas maiņu, paātrinātu sukas nodilumu un potenciālās elektriskās pretestības palielināšanos, kas rada vairāk siltuma destruktīvajā ciklā.
Daži ražotāji liela ātruma{0}}apsildi nodrošina ar dzesēšanas ventilatoriem, kas integrēti slīdgredzena komplektā. Citi izmanto vara sakausējuma gredzenus ar augstu siltumvadītspēju, lai izplatītu siltumu prom no kontaktpunktiem. Ja griešanās ātrums ir pārāk liels, galvenās problēmas ir mehāniskās konstrukcijas iznīcināšana un transmisijas kontaktpunkta uzkaršana.
Bieži sastopami darbības izaicinājumi
Birstes{0}}gredzena saskarne ir pakļauta vairākiem degradācijas mehānismiem. Piesārņojums, rūsa un netīrs gaiss var negatīvi ietekmēt kolektora gredzena virsmu, izraisot ātru sukas nodilumu un ietekmējot birstes plēvi. Eļļas migla no tuvumā esošām mašīnām ir īpaši problemātiska,-tā savienojas ar oglekļa putekļiem, veidojot vadošas dūņas, kas īssavieno blakus esošās ķēdes.
Visbiežāk sastopamās problēmas ir gredzenu un suku darba virsmu nodilums, izolācijas materiāla bojājumi un fiziskās iestatīšanas traucējumi ekstremālu temperatūru dēļ. Nodilums notiek divos veidos: mehāniskā nobrāzumā no slīdošā kontakta un elektriskā erozija no mikroloka pie lielas strāvas.
Ārpus-no-apaļums veidojas pakāpeniski. Plakanie plankumi uz kolektora gredzena no elektriskās erozijas palielina suku vibrāciju un ar vibrāciju saistītās problēmas. Kad gredzens kļūst ovāls, nevis apļveida, sukas atlec noteiktās rotācijas pozīcijās, izraisot īslaicīgu kontakta zudumu. Šī atlēkšana rada redzamu dzirksteļošanu un paātrina nodilumu.
Labojums ietver vai nu gredzena virsmas apstrādi, kamēr tā ir uzstādīta (tiešsaistes izvilkšana), vai arī mezgla noņemšanu un{0}}atkārtoti apstrādi. Profilaksei ir jānovērš galvenais iemesls-parasti nevienmērīgs strāvas sadalījums starp paralēlām sukām vai elektriskās problēmas, kas rada loka izbūvi.
Alternatīvās tehnoloģijas
Ar dzīvsudrabu{0}}slapinātajos slīdgredzenos tiek izmantots šķidra metāla kopums, kas molekulāri savienots ar kontaktiem, nevis bīdāmas otas. Dzīvsudrabs uztur elektrisko savienojumu, izmantojot virsmas spraigumu un kohēziju, kad iekārta griežas. Šīs konstrukcijas piedāvā gandrīz-nulle elektrisko troksni un ārkārtīgi zemu pretestību-, kas ir mazāks par vienu miliomu.
Tomēr dzīvsudraba toksicitāte un sacietēšana pie aptuveni -40 grādiem ierobežo lietojumus. Tie galvenokārt parādās precīzijas instrumentos, kur signāla integritātei ir lielāka nozīme nekā vides apsvērumiem.
Bezvadu slīdgredzeni izmanto magnētisko lauku, lai pārsūtītu enerģiju un datus nelielā gaisa spraugā starp rotējošo un nekustīgo daļu. Spoles katrā sekcijā savienojas elektromagnētiski, pilnībā novēršot mehānisko kontaktu. Šī pieeja ir piemērota skarbām vidēm, kur piesārņojums vai piekļuve apkopei rada problēmas. Kompromiss ir
Lietojumprogrammas-Īpašs dizains
Vēja turbīnas slīdošie gredzeni ilustrē, kā lietojumprogrammas nosaka dizaina izvēli. Lielām komunālajām vēja turbīnām ir nepieciešami divi slīdgredzeni: rumbas slīdēšanas gredzens, kas uzstādīts pārnesumkārbas aizmugurē, un ģeneratora slīdēšanas gredzens. Rumbas slīdēšanas gredzens darbojas ar mazu ātrumu (zem 30 apgr./min.), taču tam ir jāpārvar liela strāva elektriskajiem soļa vadības motoriem, kas regulē asmeņu leņķus. Slīdgredzeni nodrošina nepieciešamos savienojumus leņķa regulēšanai, datu pārraidei un jaudas sadalei vēja turbīnās.
Ģeneratora slīdgredzens saskaras ar dažādām problēmām-lielā ātrumā, bet mazākā strāvā lauka ierosināšanai. Abiem ir jāiztur sāls gaiss ārzonas iekārtās, temperatūras svārstības no -40 ° F līdz 140 ° F un gadi starp apkopes iespējām.
Rūpnieciskā automatizācija ir vēl viens lietošanas gadījums. Slīdošie gredzeni iepakošanas mašīnās un automatizētās montāžas līnijas nodrošina nepārtrauktu rotāciju efektīvai darbībai. Šīm lietojumprogrammām ir vajadzīgas daudzas vājas{2}}strāvas signālu ķēdes sensoriem un vadības ierīcēm, un, iespējams, dažas strāvas ķēdes motoriem vai izpildmehānismiem. Kompaktais iepakojums ir svarīgāks par lielu jaudu.
Bieži uzdotie jautājumi
Kāpēc slīdēšanas gredzenveida birstes nezaudē kontaktu ātras rotācijas laikā?
Atsperes spiediens pārvar centrbēdzes spēkus, kas iedarbojas uz suku. Atsperes spēks ir aprēķināts, lai uzturētu kontaktu pat pie maksimālā nominālā ātruma. Turklāt suku turētāji virza suku radiāli, neļaujot tai izlidot uz āru. Ļoti lielā ātrumā (vairāk nekā 3000 apgr./min.) inženieri var pārorientēt mezglu, lai centrbēdzes spēks faktiski palīdzētu nospiest suku pret gredzenu.
Kāda ir atšķirība starp slīdēšanas gredzenu un komutatoru?
Lai gan abi izmanto otu{0}}zvana kontaktu, to gredzeni būtiski atšķiras. Komutatori ir segmentēti un specializēti līdzstrāvas motoriem un ģeneratoriem, savukārt slīdgredzeni ir nepārtraukti gredzeni. Komutators pārslēdz savienojumus, kad tas griežas (nodrošinot taisnošanu līdzstrāvas iekārtās), savukārt slīdgredzens uztur tādu pašu savienojumu visā rotācijas laikā.
Cik ilgi kalpo slīdošo gredzenu birstes?
Birstes kalpošanas laiks svārstās no simtiem stundu līdz gadiem atkarībā no strāvas, ātruma, vides un materiāliem. Zema-ātruma un zema{2}}pašreizējās lietojumprogrammās starp otas maiņu var būt pieci gadi. Augstas-strāvas ģeneratora slīdgredzeni var būt jāmaina ik pēc 2000 līdz 5000 darba stundām. Mūsdienu vēja turbīnu slīdēšanas gredzeni ir paredzēti, lai ar pienācīgu apkopi pārsniegtu 50 miljonus apgriezienu.
Vai slīdošie gredzeni var pārraidīt datu signālus?
Jā, modernie slīdošie gredzeni apstrādā dažādu veidu signālus. Uzlaboti slīdēšanas gredzenu savācēji var pārraidīt datus ar ātrumu līdz 100 Mbit/s, izmantojot Ethernet, Profibus, Profinet, LAN, CAN-Bus un CANOpen protokolus. Īpašās signālu ķēdēs tiek izmantoti dārgmetāla kontakti (zelts-uz-zelta), lai nodrošinātu stabilu, zemu-trokšņu pārraidi. Atsevišķas shēmas neļauj strāvas pārvadei traucēt jutīgiem signāliem.
Secinājums
Slīdēšanas gredzena savācēja gredzens nodrošina kaut ko maldinoši vienkāršu,{0}}uzturot elektrisko nepārtrauktību, izmantojot neierobežotu rotāciju. Šī iespēja izriet no rūpīgi izstrādātas berzes starp atsperu{2}}sukām un vadošajiem gredzeniem. Kontaktpunkts, kur birste sastopas ar gredzenu, pārvada visu strāvu, vienlaikus pielāgojoties nodilumam, vibrācijai un vides faktoriem.
Materiālu izvēle, atsperu dizains un virsmas apdare veicina uzticamu darbību. Pareizi norādot un apkopjot, slīdgredzeni nodrošina gadu desmitiem ilgu kalpošanu lietojumos, sākot no vēja turbīnām, kas ģenerē megavatus, līdz precīziem instrumentiem, kas pārraida miliampēru signālus. Pamatprincips paliek nemainīgs no 19. gadsimta ģeneratoru{3}}: darbojas bīdāmie kontakti, ja tiek pievērsta pienācīga uzmanība inženiertehniskajām detaļām.
Datu avoti:
Cutsforth - izplatītas kolektora gredzenu problēmas (cutsforth.com)
Wikipedia - Slip Ring raksts (wikipedia.org)
Springer Controls - Slip Ring tehniskā rokasgrāmata (springercontrols.com)
BGB Innovation - Slip Ring Applications (bgbinnovation.com)
Warfield Electric - vēja turbīnu slīdgredzeni (warfieldelectric.com)
United Equipment Accessories - Slip Ring Operation (uea-inc.com)
Moflon - Slip Ring darbības princips (moflon.com)
ATO - Tradicionālie un modernie slīdošie gredzeni (ato.com)