Kaip veikia slydimo žiedo kolektoriaus žiedas?
Slydimo žiedo kolektoriaus žiedas veikia palaikydamas nuolatinį elektrinį kontaktą tarp stacionaraus šepečio ir besisukančio laidžiojo žiedo. Kai žiedas sukasi, spyruokliniai{1}}šepečiai prisispaudžia prie jo paviršiaus, nepertraukiamai perduodami elektros srovę arba signalus.
Pagrindinis mechanizmas: teptuko{0}}žiedo kontaktų sistema
Pagrindinė operacija priklauso nuo kontroliuojamos trinties tarp dviejų komponentų. Besisukanti dalis susideda iš vieno ar daugiau metalinių žiedų, sumontuotų ant veleno, paprastai pagamintų iš žalvario, vario arba sidabro lydinių. Šie žiedai sukasi kartu su mechanizmais. Prie kiekvieno žiedo prispausti stacionarūs šepečiai, pagaminti iš grafito, vario{3}}grafito kompozitų arba fosforinės bronzos.
Dėl spyruoklės įtempimo šepečiai nuolat liečiasi su žiedo paviršiumi. Tai nėra lengvas prisilietimas,{1}}spyruokliniai šepečiai prispaudžiami prie besisukančių žiedų pakankamai jėgos, kad išlaikytų elektrinį kontaktą dėl vibracijos, greičio pokyčių ir nedidelių paviršiaus nelygumų. Spyruoklės slėgis sukuria tai, ką inžinieriai vadina „kontaktine jėga“, matuojama gramais arba uncijomis, priklausomai nuo taikymo.
Kai velenas sukasi, šepečio medžiaga slysta per žiedo perimetrą. Šis slankusis kontaktas užbaigia elektros grandinę. Srovė teka iš stacionarios pusės per šepetį, per kontaktinį tašką, į besisukantį žiedą ir išeina į besisukančią įrangą. Ryšys išlieka nenutrūkęs, nepaisant sukimosi greičio ar krypties pasikeitimų.
Elegancija slypi geometrijoje. Žiedas suteikia nenutrūkstamą 360 laipsnių laidų kelią, leidžiantį neribotai suktis be laidų susipainiojimo. Skirtingai nuo kabelio, kuris pasisuka po kelių apsisukimų, slydimo žiedo agregatas leidžia be galo suktis bet kuria kryptimi.
Kelių{0}}grandinių konfigūracija
Kai įrangai reikia kelių elektros grandinių, slydimo žiedai sukrauti koncentriškai išilgai veleno ašies. Jei reikia daugiau nei vienos elektros grandinės, išilgai sukimosi ašies sukraunami papildomi žiedo/šepečio mazgai. Kiekvienas žiedas veikia nepriklausomai, elektra atskirtas nuo kaimynų izoliuojančiomis tarpinėmis.
Įprastą vėjo turbinos generatoriaus agregatą gali sudaryti šeši žiedai: trys skirti trijų{0}}fazių energijos perdavimui ir trys valdymo signalams. Kiekvienam žiedui reikalingas atskiras šepečio blokas su atskirais vielos laidais. Žiedai yra vienas šalia kito ant cilindrinės statinės, panašios į metalinių skirtingo skersmens spurgų krūvą.
Šis krovimo metodas yra nepaprastai geras. Slydimo žiedai gaminami įvairių tipų ir dydžių; vienas teatro scenos apšvietimui skirtas įrenginys turėjo 100 laidininkų. Pramoniniuose įrenginiuose viename agregate paprastai naudojama nuo 12 iki 30 grandinių. Ribojančiais veiksniais tampa fizinis dydis ir šilumos išsklaidymas, o ne elektrinė galimybė.
Medžiagos pasirinkimas ir paviršiaus sąveika
Šepečio{0}}žiedo medžiagos poravimas labai paveikia veikimą ir tarnavimo laiką. Šepečiai gali būti pagaminti iš grafito arba fosforinės bronzos, o fosforinė bronza užtikrina geresnį laidumą ir dėvėjimosi laiką, o grafitas yra ekonomiškesnis.
Grafitiniai šepečiai veikia savaime{0}}tepimo mechanizmu. Dėvint šepetėliui, ant žiedo paviršiaus nusėda plona grafito plėvelė. Ši „patina“ iš tikrųjų sumažina trintį ir elektrinį triukšmą, palyginti su pliko metalo kontaktu. Anglies sluoksnis veikia ir kaip tepalas, ir kaip laidininkas. Tačiau grafitas gamina dulkes, kurias reikia periodiškai valyti uždaruose įrenginiuose.
Fosforinės bronzos šepečiai užtikrina puikų laidumą,{0}}svarbu taikant didelę-srovę, pvz., generatorių sužadinimo sistemas. Bronzos-ant-žalvario arba bronzos-ant -sidabro derinys atlaiko srovės tankį iki 50 amperų viename kontaktinio ploto kvadratiniame colyje. Šie šepečiai dėvisi lėčiau nei grafitas, tačiau jiems trūksta savaiminio-tepimo savybių, todėl kartais reikia apdoroti paviršių.
Vario-grafito kompoziciniai šepečiai sumažina skirtumą. Vario komponentas valdo srovę, o grafitas suteikia tepimo. Šis hibridinis metodas naudojamas vidutinio stiprumo-galios programose, kur svarbus ir laidumas, ir ilgaamžiškumas.
Žiedų paviršiaus apdaila yra svarbi ne mažiau kaip medžiagos pasirinkimas. Gamintojai apdirba žiedus pagal konkrečius šiurkštumo standartus-paprastai nuo 16 iki 32 mikro-colių Ra (šiurkštumo vidurkis). Per sklandžiai ir šepetys čiuožia, o ne tinkamai seka. Atsiranda per grubus ir pagreitėjęs susidėvėjimas. Saldžioji vieta sukuria pakankamai tekstūros, kad šepetėlis išlaikytų kontaktą be per didelės trinties.
Pavasario slėgio vaidmuo
Spyruoklės šepečių laikiklyje nėra pasyvūs komponentai,{0}}jos dinamiškai palaiko kontaktinę jėgą, kai šepečiai nusidėvi. Pradinis šepečio ilgis gali būti 1,5 colio, tačiau spyruoklė turi palaikyti pastovų slėgį, kol šepetys susidėvės iki 0,5 colio per darbo mėnesius.
Spyruoklės jėgos skaičiavimas subalansuoja konkuruojančius reikalavimus. Nepakankamas slėgis sukelia nutrūkstamą kontaktą, ypač esant vibracijai arba esant didesniam greičiui, kai šepetį veikia išcentrinės jėgos. Per didelis slėgis pagreitina šepečio ir žiedo susidėvėjimą, generuoja šilumą ir padidina sukimo momentą, reikalingą agregatui pasukti.
Susilpnėjusios arba per{0}}perlenktos spyruoklės pažeidžia šepečio- ir-žiedo jungtį. Į reguliarią techninę priežiūrą įeina spyruoklių įtempimo patikrinimai. Kai kuriose konstrukcijose naudojamos pastovios-jėgos spyruoklės, kurios palaiko slėgį, nepaisant šepečio nusidėvėjimo padėties, tačiau dėl jų gali atsirasti šoninė apkrova, dėl kurios šepečiai įsisega į laikiklius.
Greičio ir trinties svarstymai
Sukimosi greitis labai paveikia slydimo žiedo elgesį. Generatoriaus slydimo žiedai ant didelių vėjo turbinų sukasi maždaug 1 800 aps./min., todėl trintį tvarkyti reikia skirtingų šepečių medžiagų. Mažu greičiu (iki 100 aps./min.) veikia beveik bet kokia šepečio medžiaga. Nuo 100 iki 1000 aps./min., šepečio pasirinkimas ir žiedo paviršiaus apdaila tampa labai svarbūs. Virš 1 000 aps./min. šilumos generavimas kontaktiniame taške dominuoja inžinerijos iššūkiuose.
Trintis generuoja šilumą, proporcingą greičiui, srovei ir kontaktiniam slėgiui. Esant 1800 aps./min., kai teka 45 amperai, kontaktinio taško temperatūra gali siekti 150 laipsnių F (65 laipsnius). Ši šiluma turi išsisklaidyti per žiedo medžiagą ir aplinkinį orą. Nepakankamas aušinimas sukelia žiedo spalvos pasikeitimą, pagreitina šepečio nusidėvėjimą ir galimą elektros varžos padidėjimą, dėl kurio destruktyviame cikle susidaro daugiau šilumos.
Kai kurie gamintojai didelio greičio{0}}šilumą sprendžia su aušinimo ventiliatoriais, integruotais į slydimo žiedo mazgą. Kiti naudoja vario lydinio žiedus su dideliu šilumos laidumu, kad paskleistų šilumą nuo kontaktinių taškų. Kai sukimosi greitis yra per didelis, pagrindinės problemos yra mechaninės konstrukcijos sunaikinimas ir transmisijos kontaktinio taško įkaitimas.
Dažni veiklos iššūkiai
Šepečio{0}}žiedo sąsaja susiduria su keliais gedimo mechanizmais. Užteršimas, rūdys ir nešvarus oras gali neigiamai paveikti kolektoriaus žiedo paviršių, sukeldami greitą šepečio nusidėvėjimą ir paveikti šepečio plėvelę. Alyvos rūkas iš netoliese esančių mašinų yra ypač problematiškas-susijungia su anglies dulkėmis ir sudaro laidus dumblą, kuris trumpina gretimas grandines.
Dažniausios problemos yra žiedo ir šepečio darbinių paviršių susidėvėjimas, izoliacinės medžiagos pažeidimai ir fizinės sąrankos sutrikimas dėl ekstremalių temperatūrų. Dėvėjimas vyksta dviem režimais: mechaninis dilimas dėl slydimo kontakto ir elektrinė erozija dėl mikro-lanko esant didelėms srovėms.
Ne{0}}apvalumas formuojasi palaipsniui. Plokščios dėmės ant kolektoriaus žiedo dėl elektrinės erozijos padidina šepečio vibraciją ir su vibracija susijusias problemas. Kai žiedas tampa ovalus, o ne apskritas, šepečiai atšoka tam tikrose sukimosi padėtyse, todėl trumpam nutrūksta kontaktas. Šis atšokimas sukuria matomas kibirkštis ir pagreitina nusidėvėjimą.
Pataisymas apima arba žiedo paviršiaus apdirbimą, kol jis sumontuotas (tiesioginis paleidimas prisijungus), arba surinkimo pašalinimą ir{0}}iš naujo apdirbimą. Norint išvengti prevencijos, reikia pašalinti pagrindinę priežastį, -paprastai netolygus srovės pasiskirstymas tarp lygiagrečių šepečių arba elektros problemos, sukeliančios lanką.
Alternatyvios technologijos
Gyvsidabrio-sudrėkintuose slydimo žieduose vietoj slenkančių šepečių naudojamas skysto metalo telkinys, molekuliškai sujungtas su kontaktais. Gyvsidabris palaiko elektrinį ryšį dėl paviršiaus įtempimo ir sanglaudos, kai mazgas sukasi. Šios konstrukcijos užtikrina beveik-nulinį elektrinį triukšmą ir ypač mažą varžą-, neviršijantį vieno miliono.
Tačiau gyvsidabrio toksiškumas ir kietėjimas maždaug -40 laipsnių riboja. Jie dažniausiai naudojami tiksliuose prietaisuose, kur signalo vientisumas yra svarbesnis nei aplinkosaugos problemos.
Belaidžiai slydimo žiedai naudoja magnetinį lauką galiai ir duomenims perduoti per nedidelį oro tarpą tarp besisukančių ir nejudančių dalių. Ritės kiekvienoje sekcijoje susijungia elektromagnetiškai, visiškai pašalindamos mechaninį kontaktą. Šis metodas tinka atšiaurioms aplinkoms, kur užteršimas ar techninė priežiūra kelia problemų. Kompromisas-yra ribotos galios-belaidžio ryšio konstrukcijos, kurios paprastai gali pasiekti kelis šimtus vatų, o šepečio-tipo slydimo žiedai gali atlaikyti kilovatus ar net megavatus.
Taikymas-Specialus dizainas
Vėjo turbinos slydimo žiedai iliustruoja, kaip programos lemia dizaino pasirinkimą. Didelėms komunalinėms vėjo turbinoms reikalingi du slydimo žiedai: stebulės slydimo žiedas, sumontuotas pavarų dėžės gale, ir generatoriaus slydimo žiedas. Stebulės slydimo žiedas veikia mažu greičiu (iki 30 aps./min.), tačiau turi atlaikyti dideles sroves, skirtas elektriniams žingsnio valdymo varikliams, reguliuojantiems ašmenų kampus. Slydimo žiedai suteikia reikalingų jungčių žingsnio valdymui, duomenų perdavimui ir galios paskirstymui vėjo turbinose.
Generatoriaus slydimo žiedas susiduria su įvairiais iššūkiais{0}}didelis greitis, bet mažesnės lauko sužadinimo srovės. Abu turi išgyventi sūrų orą atviroje jūroje įrengtuose įrenginiuose, temperatūros svyravimus nuo -40 laipsnių F iki 140 laipsnių F ir metus tarp priežiūros galimybių.
Pramoninė automatika pristato kitą naudojimo atvejį. Slydimo žiedai pakavimo mašinose ir automatizuotos surinkimo linijos užtikrina nuolatinį sukimąsi, kad darbas būtų efektyvus. Šioms programoms reikia daug mažos-srovės signalų grandinių, skirtų jutikliams ir valdikliams, ir galbūt kelios galios grandinės varikliams ar pavaroms. Kompaktiška pakuotė svarbiau nei didelė galia.
Dažnai užduodami klausimai
Kodėl slydimo žiediniai šepečiai nepraranda kontakto greito sukimosi metu?
Spyruoklės slėgis įveikia išcentrines jėgas, veikiančias šepetį. Spyruoklės jėga apskaičiuojama taip, kad išlaikytų kontaktą net esant didžiausiam vardiniam greičiui. Be to, šepečių laikikliai nukreipia šepetį radialiai, neleidžiant jam išskristi į išorę. Esant ypač dideliam greičiui (daugiau nei 3000 aps./min.), inžinieriai gali perorientuoti agregatą, kad išcentrinė jėga iš tikrųjų padėtų prispausti šepetį prie žiedo.
Kuo skiriasi slydimo žiedas ir komutatorius?
Nors abu naudoja teptuko{0}}žiedinį kontaktą, jų žiedai iš esmės skiriasi. Komutatoriai yra segmentuoti ir skirti nuolatinės srovės varikliams ir generatoriams, o slydimo žiedai yra ištisiniai žiedai. Komutatorius perjungia jungtis sukdamasis (suteikiamas ištaisymas nuolatinės srovės mašinose), o slydimo žiedas palaiko tą pačią jungtį viso sukimosi metu.
Kiek laiko tarnauja slydimo žiedo šepečiai?
Šepečių tarnavimo laikas svyruoja nuo šimtų valandų iki metų, priklausomai nuo srovės, greičio, aplinkos ir medžiagų. Mažos-greities, mažos{2}}dabartinėse programose tarp šepečių keitimo gali praeiti penkeri metai. Didelės-srovės generatoriaus slydimo žiedus gali tekti keisti kas 2 000–5 000 darbo valandų. Šiuolaikiniai vėjo turbinų slydimo žiedai suprojektuoti taip, kad tinkamai prižiūrint viršytų 50 milijonų apsisukimų.
Ar slydimo žiedai gali perduoti duomenų signalus?
Taip, šiuolaikiniai slydimo žiedai valdo įvairius signalų tipus. Pažangūs slydimo žiedų rinktuvai gali perduoti duomenis iki 100 Mbit/s greičiu naudodami Ethernet, Profibus, Profinet, LAN, CAN-Bus ir CANOpen protokolus. Tam skirtose signalų grandinėse naudojami tauriųjų metalų kontaktai (aukso-aukso-auksas), kad būtų užtikrintas stabilus, mažas-triukšmas. Atskiros grandinės neleidžia energijos perdavimui trukdyti jautriems signalams.
Išvada
Slydimo žiedo kolektoriaus žiedas pasiekia kažką apgaulingai paprasto{0}}neriboto sukimosi dėka išlaikomas elektros tęstinumas. Ši savybė atsiranda dėl kruopščiai sukurtos trinties tarp spyruoklinių-šepečių ir laidžių žiedų. Kontaktinis taškas, kuriame šepetys susitinka su žiedu, neša visą srovę, prisitaikydamas prie nusidėvėjimo, vibracijos ir aplinkos veiksnių.
Medžiagų pasirinkimas, spyruoklių dizainas ir paviršiaus apdaila – visa tai prisideda prie patikimo veikimo. Tinkamai nurodant ir prižiūrint, slydimo žiedai tarnauja dešimtmečius nuo megavatų generuojančių vėjo turbinų iki tikslių prietaisų, perduodančių miliamperinius signalus. Pagrindinis principas išlieka nepakitęs nuo XIX a
Duomenų šaltiniai:
Cutsforth - Įprastos kolekcininko žiedo problemos (cutsforth.com)
Wikipedia - Slip Ring straipsnis (wikipedia.org)
Springer Controls - Slydimo žiedo techninis vadovas (springercontrols.com)
BGB Innovation - Slip Ring Applications (bgbinnovation.com)
„Warfield Electric“ - vėjo turbinos slydimo žiedai (warfieldelectric.com)
United Equipment Accessories - Slip Ring Operation (uea-inc.com)
Moflon - Slydimo žiedo veikimo principas (moflon.com)
ATO - Tradiciniai ir šiuolaikiniai slydimo žiedai (ato.com)