Sistem rotacijskih spojnih drsnih obročev: kdaj integrirati

Ko se mora stroj nenehno vrteti, medtem ko podpira težka bremena, prenaša tekočo moč in prenaša električno energijo ali podatke čez isto os, se postavitev, zgrajena iz ločenih delov, hitro zaplete. Cevi se zvijajo. Utrujenost kablov. Oklepaji jedo prostor. Dostop do storitve izgine.

To je problem, za reševanje katerega je zasnovan integriran sistem drsnih obročev z vrtljivo spojko. V enem koordiniranem sklopu ležaj z vrtljivim obročem prenaša strukturno obremenitev, večportna rotacijska zveza prenaša tekoče medije, električni drsni obroč pa prenaša moč, krmilne signale in podatke skozi vrtljivi spoj.

Ta vodnik pojasnjuje, kako se tri komponente prilegajo skupaj na eno os, kdaj je integrirana zasnova prava in kdaj ne, parametre, ki jih morate pravilno določiti, in napake pri načrtovanju, ki povzročajo večino težav na terenu. Napisan je za inženirje za načrtovanje in nabavo proizvajalcev originalne opreme, pregledali pa so ga naši inženirji aplikacij drsnih obročev, pri čemer temelji na vzorcih, ki jih večkrat vidimo v projektih rotirajočih-vmesnikov po meri.

Kaj je integrirana rotacijska spojka, drsni obroč in sistem vrtljivih obročev?

Integrirani rotacijski vmesnik združuje tri opravila v en sklop, ki se vrti okoli skupne osi: podpora strukturni obremenitvi, prenos tekočine in prenos električne energije, signala ali podatkov. Namesto napeljave cevi in ​​kablov po zunanji strani vrtljive konstrukcije jih sistem pod nadzorom popelje skozi ali okoli osi vrtenja.

Ležaj vrtljivega obroča: temelj-za prenašanje bremena

Ležaj vrtljivega obroča, imenovan tudi vrtljivi obroč ali ležaj vrtljive plošče, je konstrukcijski spoj sistema. Podpira vrteči se odsek, medtem ko prenaša aksialne obremenitve, radialne obremenitve in obremenitev nagibnega momenta, ki jo ustvari zamaknjena palica ali orodje. V večini izvedb je vrtljivi obroč tudi del pogona: notranji ali zunanji zobniki zobnika omogočajo, da zobnik, hidravlični motor ali menjalnik obračajo vrtljivi del.

Zakaj je pomembno: trenutna obremenitev, ne statična teža, običajno odloča o velikosti ležaja. Kupola, ki tehta malo, a ima dolgo roko, lahko povzroči velik prevrnitveni moment, premajhen ležaj pa se bo zgodaj odklonil, zagozdil ali obrabil. Tipični gostitelji vključujejo stolpe za žerjave in bagre, vrtljive mize,-prijemnike za ravnanje z materialom in ploščadi,-obrnjene proti vetru.

Multiport Rotary Union: prenos tekočine

Večportni rotacijski spoj (imenovan tudi rotacijski spoj ali, ko premika olje, ahidravlični rotacijski spoj) prenaša tekočino iz stacionarnega dovoda v vrtljivi del stroja. Deluje lahko s hidravličnim oljem, zrakom, vodo, hladilno tekočino, mastjo ali vakuumom. "Multiport" del pomeni, da več neodvisnih tokokrogov prehaja skozi en vrtljivi vmesnik: vrtljivi priključek lahko uporablja en tokokrog za aktiviranje, enega za vračanje, enega za krmiljenje pilota in drugega za mazanje ali hlajenje, pri čemer je vsak tokokrog zaprt od drugih.

Zakaj je pomembno: število vrat je najmanj pomembno število. Vrsta medija, tlak, hitrost pretoka, temperatura in omejitev tlaka-hitrosti (PV) tesnila pri dejanski hitrosti vrtenja določajo, ali spoj preživi. Isti spoj, ki brez težav deluje pri 210 barih pri počasni uporabi, se lahko pregreje in obrabi tesnila pri istem tlaku, če se hitrost ali delovni cikel poveča.

Električni drsni obroč: moč, signal in prenos podatkov

Anelektrični drsni obročprenaša električno energijo, krmilne signale, povratne informacije senzorjev in komunikacijske podatke med stacionarno in vrtečo se stranjo. Sodobni drsni obroč le redko prenaša moč: lahko prenaša povratne informacije kodirnika, ukaze ventilov, promet prek vodila Ethernet ali CAN, video kamere in podatke o temperaturi na istem vozlišču. To je najbolj pomembno, če vrtljivi sklop vključuje senzorje, luči, aktuatorje, kamere ali pametne nadzorne module, ki se morajo med obračanjem stroja pogovarjati s fiksnim krmilnikom.

Kako se trije združijo na eni osi

V tipičnem integriranem sklopu so tri funkcije zložene soosno okoli ene vrtilne osi. Vrtljivi obroč tvori spoj med fiksno podlago in vrtljivo ploščadjo. Običajna razporeditev je votla postavitev skozi-izvrtine: rotacijski spoj je nameščen na sredini za prenos vodov za tekočino, drsni obroč pa je nameščen nad, pod ali okoli njega za prenos vodnikov. Prehodi tekočine pristanejo na vrteči se strani skozi rotor spoja; vodniki pristanejo na rotorju drsnega obroča; stacionarni napajalni vodi in ožičenje stroja ostanejo pritrjeni na podlago.

Dve odločitvi oblikujeta celotno postavitev:

• Kateri član se vrti.Na vrtljivem obroču izberete, ali se vrti notranji ali zunanji obroč in ali zobnik sedi na notranjem ali zunanjem obroču. Ta izbira določa, kje se končajo pogonski zobnik, priključki spojke in izhodi kabla.
• Kako so poti tekočine in električne poti ločene.Tekočina in električni mediji nikoli ne smejo imeti skupne zaprte votline. Tesnilo, ki pušča, ne sme preplaviti kontaktov drsnega obroča, zato obe funkciji spadata v ločene, posamično izpraznjene predelke.

Inženirska opomba: potrdite premer skoznje-izvrtine, preden je struktura podrobna. Sredinska izvrtina mora očistiti vsako cev, priključek in kabelski snop, ki gre skozi njo, ter samo telo spojke. Ugotovitev, da je izvrtina premajhna po oblikovanju okvirja, je ena najdražjih poznih sprememb pri tovrstnem projektu.

Zakaj združiti te tri komponente?

Kombinacija rotacijske spojke, drsnega obroča in ležaja vrtljivega obroča ni le trik pakiranja. Odstrani več točk okvar, ki se vedno znova pojavljajo v vrtečih se strojih.

Čistejše usmerjanje skozi eno os

Ločeno usmerjanje tekočinskih in električnih vodov okoli vrtljive konstrukcije običajno zahteva dodatne nosilce, varovala, zanke, vlečne verige in vrtljive opore. Integrirani vmesnik organizira ta vezja okoli vrtilne osi, namesto da bi jih sili okoli zunanjega dela stroja, zaradi česar je postavitev čistejša,-ki jo je-lažje zaščititi.

Manj zvijanja cevi in ​​utrujenosti kabla

Ponavljajoče zvijanje je eden največjih sovražnikov vrtljive opreme. Hidravlične cevi in ​​električni kabli prenesejo le toliko vrtenja, preden se pojavi utrujenost, odrgnina ali upogibna obremenitev. Rotacijski spoj preprečuje zvijanje vodov za tekočino, drsni obroč pa enako za vodnike, tako da se stroj lahko vrti, ne da bi karkoli navijal okoli strukture.

Meja, ki je pomembna: ta prednost velja, ko se odsek neprekinjeno vrti, naredi več obratov ali ima neomejeno vrtenje. Če niha samo skozi omejen lok, na primer nekaj zamahov plus ali minus 180 stopinj na cikel, so gibki kabli in cevi v nosilcu kabla pogosto preprostejši in cenejši od drsnega obroča in spojke. Celostni pristop zasluži svoje stroške zlasti tam, kjer ne bi preživel noben upogljivi statve.

Bolj kompaktna postavitev

Znotraj kupol, kompaktnih priključkov, robotskih zgibov in vrtljivih miz je malo prostora. Ločen ležaj, hidravlično vrtenje in drsni obroč lahko porabijo preveč aksialnega ali radialnega prostora. Zlaganje funkcij na eno os povrne prostor za strukturo, pogonske komponente, varovala ali servisni dostop, kar pomaga, ko mora oprema ostati majhna ali lahka.

Manj točk napak

Večina okvar rotirajočega-vmesnika je posledica kratkega seznama vzrokov: drgnjenje cevi po tisočih ciklih, otrdelost in pokanje kabla-na upogibni točki ali zrahljanje nosilca pod vibracijami. Z vlečenjem teh povezav v en inženirski vmesnik odstranimo improvizirane oklepaje in nepodprte zanke, kjer se te napake začnejo.

Zakaj je to pomembno, z opozorilom: povečanje zanesljivosti je resnično, vendar pogojno. Odvisno je od izbire tesnila, kontaktne tehnologije in načrta vzdrževanja, ne pa od integracije same. Dobro-določen integrirani vmesnik odstrani načine napak; slabo določen jih preprosto skrije v težje{3}}-servisnem paketu.

Enostavnejša montaža OEM

Za proizvajalce originalne opreme vnaprej-izdelani sklop nadomesti tri pritrdilne sisteme z enim. Namesto montaže in poravnave treh podsklopov ter uskladitve treh skladov toleranc pri končnem sestavljanju ekipa dela na enem samem vmesniku za montažo z enim vzorcem vijakov. To odstrani poravnave na liniji in skrajša montažno in servisno dokumentacijo.

Integrirani sistem v primerjavi z ločenimi komponentami

Pravi odgovor je odvisen od stroja. Popolnoma integriran sistem ni vedno potreben, vendar je običajno boljša izbira, ko so prostor, zanesljivost in usmerjanje pomembni hkrati.

Kjer se uporabljajo integrirani modeli

Najmočnejše aplikacije so stroji, ki potrebujejo vrtenje, podporo obremenitvi, tekočo moč in električni nadzor na istem mestu. Potrebe se razlikujejo glede na panogo, zato se fokus oblikovanja spreminja z vsako.

Težka oprema, žerjavi in ​​bagri

Scenarij: žerjavi, vrtalne naprave, grabeži in priključki za bagre vrtijo delovni zgornji del nad fiksno podlago, črpajo hidravlično moč za gibanje in električno energijo ter signale za krmiljenje, luči in povratne informacije.

Tipične zahteve: več srednje{0}}do-visok{2}}hidravličnih tokokrogov, ohišje-odtočna cev, napajanje za aktuatorje in razsvetljavo ter povratne informacije iz senzorjev položaja ali tlaka.

Poudarek pri oblikovanju: visoke momentne obremenitve od ogrodja ali orodja, udarna obremenitev in tesnjenje na prostem. Zaradi hidravličnega tlaka v kombinaciji z neprekinjenim obračanjem sta življenjska doba tesnila in moment ležaja omejujoča dejavnika. To je klasično ohišje za drsni obroč, vgrajen v vrtljivi nastavek, kot so uporabljene enotebagri in drugi vrtljivi priključki.

Vetrne turbine in obnovljivi viri energije

Scenarij: veliki vrtljivi sistemi, ki prenašajo moč, krmilne signale in včasih hidravlične ali mazalne funkcije preko vrtljivega zgloba. Pri vetrnih turbinah se to pojavi na mejah nihanja in nagiba ter na drsnem obroču med-gondolo-pestom.

Tipične zahteve: moč in nadzor v spoju, signali-nadzora stanja in zelo dolgi intervali vzdrževanja, ker je dostop težak in drag.

Poudarek pri oblikovanju: zanesljivost v dolgi življenjski dobi, zvočna strategija strele in ozemljitve ter zaščita pred kondenzacijo in temperaturnimi nihanji. Turbina običajno uporablja več različnih rotacijskih vmesnikov namesto enega univerzalnega sklopa, zato "integracija" tukaj pomeni ujemanje vsakega vmesnika z njegovo nalogo. Predanosistemi drsnih obročev vetrnih turbinso izdelani za te posebne položaje.

Robotika in rotacijska avtomatizacija

Scenarij: robotska zapestja in podstavki, rotacijski kazalniki, varilni pozicionerji in vrtljive kontrolne glave, ki potrebujejo kompakten prenos moči, signala, podatkov, zraka ali vakuuma.

Tipične zahteve: veliko nizko{0}}tokovnih signalnih in podatkovnih kanalov, pogosto Ethernet ali fieldbus, pakiranih v majhnem premeru, z nizkim navorom in velikim številom ciklov.

Osredotočenost na oblikovanje: velikost paketa, celovitost signala in izogibanje kabelskim zankam, ki ovirajo ali škodujejo ponovljivosti. Tukaj sta bolj kot obremenitev pomembna kontaktna tehnologija in število kanalov drsnega obroča. Kompaktni signalni drsni obroči zaroboti, ROV in UAVso tipično prileganje.

CNC stroji in rotacijske mize

Scenarij: obdelovalni stroji in vrtljive ali nagibne mize, ki usmerjajo hladilno tekočino, mazanje, moč vretena ali osi, povratne informacije kodirnika in-menjave orodij ali signale za vpenjanje skozi vrtljivi del.

Tipične zahteve: krogotoki hladilne tekočine in mazanja pri zmernem tlaku ter zanesljivi kodirniki in krmilni signali.

Poudarek na oblikovanju: preprečitev vstopa hladilne tekočine in čipov v električno pot ter zaščita signalov dajalnika pred hrupom pogona. Razred tesnjenja in čistoča kontaktov zagotavljata natančnost in čas delovanja.

Pakiranje, polnjenje in predelava hrane

Scenarij: rotacijska polnila, zapiralci in etiketirniki, ki delujejo neprekinjeno, pogosto 24 ur na dan.

Tipične zahteve: zračni in vakuumski vodi, signali senzorjev in aktuatorjev ter električne povezave-ocenjene s pranjem na vrtljivih stolpih.

Poudarek na oblikovanju: zelo visoko število ciklov in, v obratih za prehrano, izpostavljenost izpiranju in higienska-pravila glede materialov. Utrujenost in vdor kabla sta običajna načina okvare, zato se zapečaten neprekinjen-rotacijski vmesnik hitro povrne.

Pomorstvo, na morju in ravnanje z materialom

Scenarij: krovni žerjavi, vitli, nakladalne roke in oprema za rokovanje, ki se vrtijo v slanem pršilu, vremenu in nenehnih vibracijah.

Tipične zahteve: robusten prenos tekočine in moči, korozijsko-odporni materiali in visoka zaščita pred vdorom.

Poudarek pri oblikovanju: zaščita pred korozijo, tesnjenje, toleranca na udarce in vibracije ter uporabnost na morju, kjer so izpadi izjemno dragi. Tu prevladujeta izbira materiala in dizajn tesnila.

Delovni tok načrtovanja integracije

Določanje teh sistemov poteka bolj gladko kot zaporedje kot kot en sam kontrolni seznam. Vsak korak nahrani naslednjega in preskok zgodnjega običajno zahteva kasnejšo predelavo.

• 1. korak: Zberite podatke o aplikaciji.Obremenitve, rotacijski profil, tekočinska vezja, električna vezja, okolje, montaža in pričakovana storitev. To je vhod v vse, kar sledi, in tam večina projektov uspe ali zastane.
• 2. korak: Določite vrtljivo-postavitev vmesnika.Preden narišete kakršno koli podrobno strukturo, določite koaksialni sklad, velikost-izvrtine, kateri člen se vrti ter smeri vrat in izhodov kablov.
• 3. korak: Dimenzionirajte vrtljivi obroč za dejanske obremenitve.Uporabite dejanske aksialne, radialne in momentne obremenitve z dinamičnimi faktorji, izberite razporeditev zobnikov in potrdite, da je pritrdilna struktura dovolj toga, da ne popači ležaja.
• 4. korak: Določite tekočinska vezja in rotacijsko zvezo.Zaprite prehode, medij, tlak, pretok in temperaturo, nato preverite življenjsko dobo tesnila pri delovni hitrosti, ne le pri delovnem tlaku.
• 5. korak: Določite električna vezja in drsni obroč.Najprej na papirju ločite napajanje od nizko{0}}nivojskih signalov: definirajte napetost, tok, kanale, vrste signalov, podatkovne protokole, oklop in ozemljitev.
• 6. korak: Načrtujte usmerjanje, montažo, ozemljitev in servisni dostop.Odločite se, kako cevi in ​​kabli vstopajo in izstopajo, kje se nahajajo mazalne točke in priključki ter kako bo sklop pregledan in zamenjan.
• 7. korak: Pregled, prototip in validacija.Potrdite zasnovo pri dobavitelju, nato pa preizkusite tlak, vrtenje, električno in okoljsko učinkovitost, preden začnete s proizvodnjo.

Ključni tehnični parametri, ki jih je treba potrditi pred načrtovanjem

Najhitreje do natančne ponudbe in delujoče montaže je, da dobavitelju izročite celoten paket podatkov. Spodnje sezname obravnavajte kot ta paket.

Mehansko in rotacijsko

• Aksialne, radialne in momentne obremenitve, vključno z dinamičnimi in udarnimi obremenitvami
• Rotacijski kot: neprekinjeno, večkrat{0}}obratno ali omejeno nihanje
• Hitrost vrtenja in delovni cikel
• Usmerjenost vgradnje in strukturna togost

Tekočinska vezja

• Število odlomkov in vrsta medija za vsakega
• Tlak, pretok in temperatura
• Velikost in usmerjenost vrat ter omejitve puščanja in filtracije

Električni in podatkovni

• Napetost, tok in število vezij
• Vrste signalov in podatkovni protokoli z zabeleženo občutljivostjo na hrup
• Strategija oklopa in ozemljitve, vrsta priključka in pričakovana življenjska doba

okolje

• Cilj zaščite pred vdorom, nastavljen zSistem ocenjevanja IP IEC 60529, na primer IP65 za-odporno na prah-, vodo-pr-odporno na zunanjo uporabo
• Odpornost proti koroziji, delovno temperaturno območje in izpostavljenost izpiranju, prahu, UV ali morskim pogojem

Montaža in servis

• Vzorec vijakov, ravnost vgradnje, poravnava in položaj-roke navora ali proti-rotaciji
• Smeri in razmiki izhodov cevi in ​​kablov
• Dostop do mazalnih mest, priključkov in prostora za pregled ter postopek zamenjave

Pogoste napake pri načrtovanju, ki se jim je treba izogniti

Izbira samo po številu vrat

Zveza "šest-vrat" ali "osem-vrata" ne ustreza samodejno aplikaciji. Mediji, tlak, hitrost, pretok, temperatura, tesnjenje in montaža so prav tako pomembni. Zakaj je to pomembno: napačno tesnilo ali ocena PV ne deluje, tudi če je število vrat popolnoma pravilno.

Obravnavanje signalov kot napajalnih tokokrogov

Drsni obroč, ki napaja luči ali osnovno napajanje, ni samodejno primeren za povratne informacije kodirnika, ethernet, video kamere ali industrijsko komunikacijo. Tem je treba posvetiti pozornostoklop in fizična ločitev med močnostnimi in signalnimi vezji, ki je bil obravnavan na začetku načrtovanja. Zakaj je to pomembno: preslušavanje in hrup pokvarita podatke in odčitke senzorjev, veliko preden je kar koli videti fizično narobe.

Podcenjevanje trenutnih obremenitev

Vrtljivi obroč omogoča več kot samo vrtenje; podpira konstrukcijo pri dejanskih obratovalnih obremenitvah. Podcenjevanje momenta, udarca ali obremenitev iz-centra ter ležaja in okoliške strukture plača za to z upogibom in zgodnjo obrabo.

Ignoriranje smeri izhoda cevi in ​​kabla

Tudi pri integriranem sestavu slabo načrtovanje izhoda povzroča upogibno obremenitev, drgnjenje in glavobole pri servisiranju. Usmerjanje sodi v zasnovo od samega začetka, ne kot naknadna misel, ko je geometrija določena.

Pozabite na dostop do vzdrževanja

Kompaktna oblika pomaga le, če jo je še mogoče servisirati. Točke za mazanje, konektorje, inšpekcijske pokrove in prostore za zamenjavo je treba poravnati, preden zamrznete postavitev stroja. Zgodaj se odločite, ali je sklop mogoče zamenjati-na terenu ali samo-tovarniško, ker ta izbira povzroči izpade in stroške življenjskega cikla.

Nakup treh delov namesto oblikovanja enega vmesnika

Spoj, drsni obroč in vrtljivi obroč so tri komponente na polici, vendar v stroju delujejo kot en vrtljiv vmesnik. Če jih obravnavamo kot nepovezane dele, povzroča težave pri usklajevanju, spore pri usmerjanju in zapletenost, ki se ji je mogoče izogniti.

Ko popolnoma integriran sistem morda ni potreben

Integracija ni privzeta. Preprostejša postavitev je lahko boljša inženirska izbira, kadar:

• odsek se vrti samo skozi majhen, omejen lok
• potreben je samo en vod za tekočino ali en električni krog
• prostora za usmerjanje je dovolj
• vrtljivi del je lahek-in nizki-cikel
• stroj je enostaven za vzdrževanje
• ločeni deli zmanjšajo stroške brez dodajanja tveganja glede zanesljivosti

Cilj je postavitev, ki najbolje uravnoteži zanesljivost, embalažo, uporabnost in stroške, ne integracija sama po sebi.

Primer zasnove: kompaktna vrtljiva kupola s hidravličnim, električnim in vodilom CAN

Razmislite o 360-stopinjskem neprekinjenem obračanju kupole na mobilnem pregledovalnem vozilu. Kupola nosi glavo orodja, jo poganja hidravlično, napaja delovne luči in vrača podatke o položaju in kameri v kabino.

Zgradba ločene-komponente bi potrebovala vrtljivi ležaj, zunanji hidravlični vrtljivi element, samostojni drsni obroč, več nosilcev, zanke za cevi in ​​varovala za kable ter prostor in čas za montažo za poravnavo vsega tega. Integriran sklop postavi podporo za obremenitev, prenos tekočine in električni prenos okoli ene osi. Cevi in ​​kabli potekajo skozi sredinsko izvrtino, tako da se nič ne vije okoli zunanje strani, ko se kupola obrača. V praksi je rezultat manj oklepajev, nobenih zunanjih cevnih zank, lažji dostop do konektorjev in hitrejša, bolj ponovljiva končna montaža.

Reprezentativna specifikacija za to kupolo je lahko videti kot spodnja tabela. Številke so ilustrativne; vaše obremenitve, pritiski in število kanalov izvirajo iz vašega lastnega delovnega cikla. Bistvo je raven podrobnosti, ki jo dobavitelj potrebuje za ponudbo sestava po meri.

Ključni zaključki

Večportni rotacijski spoj, električni drsni obroč in ležaj vrtljivega obroča spadajo skupaj, ko mora rotacijski stroj prenašati obremenitve, prenašati tekočino in prenašati električno energijo ali podatke skozi isti vmesnik. Prava vrednost ni le prihranjen prostor; to je nadzorovano usmerjanje, manjša obremenitev cevi in ​​kablov, tesnejša embalaža in zanesljivejši rotacijski sistem.

Za preproste stroje so lahko dovolj ločeni deli. Za kompaktno, težko-opremo, visoko-ciklično ali več-funkcijsko vrtljivo opremo integrirana zasnova omogoča čistejšo izdelavo stroja in lažje vzdrževanje. Najboljša prva poteza je definiranje obremenitve, profila vrtenja, tekočinskih tokokrogov, električnih tokokrogov, okolja in servisnih zahtev, nato pa vmesnik oblikovati kot en usklajen sistem. Če določate obseg projekta, morajo dobavitelji načrtovati tudi te specifikacijerotacijski spoj in drsni obroč po meriki se prvič prilega vašemu stroju.