Przelotowe złącza obrotowe: konstrukcja, zastosowania i wskazówki dla konstruktorów

Przelotowe złącza obrotowe to kluczowe elementy elektromechaniczne, służące do przesyłania energii i danych przez obracające się złącze, przy jednoczesnym zachowaniu otworu (tzw. przelotu) w osi zespołu. Taka konstrukcja umożliwia inżynierom przeprowadzenie kanałów optycznych, wałów, przewodów hydraulicznych lub innych elementów mechanicznych bezpośrednio przez środek pierścienia, co czyni je niezwykle wszechstronnym rozwiązaniem w licznych zastosowaniach przemysłowych i automatyzacyjnych.

W przeciwieństwie do tradycyjnych, zamkniętych slipringów (tzw. kapsułowych), konstrukcja przelotowa opiera się na pustym wale. Przewodzące pierścienie są zamontowane wokół otworu, a szczotki utrzymują z nimi kontakt elektryczny w trakcie obrotu zespołu. Takie rozwiązanie zapewnia ciągłość elektryczną i elastyczność mechaniczną, umożliwiając projektowanie maszyn wymagających jednocześnie obrotu i niezakłóconej przestrzeni osiowej.

Jak działają przelotowe złącza obrotowe?

Rdzeniem przelotowego slipringa jest dopasowana para pierścieni przewodzących i szczotek: jeden zestaw obraca się (pierścienie lub szczotki), a drugi pozostaje nieruchomy (lub obraca się wolniej). Przewodzące pierścienie są zazwyczaj umieszczone koncentrycznie wokół otworu, a szczotki utrzymują kontakt ślizgowy, aby przesyłać energię lub sygnały przez obracające się złącze.

Takie rozwiązanie umożliwia nieprzerwaną rotację 360°, przy jednoczesnym przesyłaniu różnorodnych obwodów elektrycznych – mocy, sygnałów analogowych, danych cyfrowych, a nawet szybkich połączeń Ethernet – bez ryzyka skręcania czy plątania kabli. Inżynierowie mogą prowadzić przez środek elementy mechaniczne, takie jak przewody hydrauliczne, pneumatyczne czy wały napędowe, eliminując potrzebę stosowania złożonych systemów zarządzania okablowaniem.

Kluczowe zastosowania

Wszechstronność przelotowych złączy obrotowych sprawia, że są one niezastąpione w wielu branżach:

Robotyka i automatyzacja:
Roboty często wymagają ciągłego obrotu przegubów lub efektorów końcowych przy jednoczesnym przesyłaniu energii, sygnałów sterujących i danych z czujników. Konstrukcja przelotowa pozwala osiom robota obracać się swobodnie, umożliwiając jednocześnie prowadzenie w środku wałów napędowych lub siłowników.

Turbiny wiatrowe:
Systemy regulacji kąta łopat oraz mechanizmy obrotu gondoli korzystają z centralnego przelotu, który umożliwia prowadzenie wałów lub przewodów hydraulicznych, przy jednoczesnym zapewnieniu połączenia elektrycznego dla czujników i systemów sterowania.

Sprzęt medyczny:
Tomografy komputerowe (CT) i zaawansowane systemy obrazowania wymagają nieprzerwanego obrotu w celu uzyskania wysokiej jakości obrazów. Przelot umożliwia swobodny ruch stołu pacjenta, kabli lub przewodów chłodzących przy zachowaniu niezawodnego przesyłu danych i energii.

Maszyny pakujące:
Zautomatyzowane systemy pakujące oparte na karuzelach często łączą elementy obrotowe z przewodami pneumatycznymi lub hydraulicznymi. Przelotowe złącza obrotowe zapewniają niezbędne połączenia elektryczne, umożliwiając jednocześnie doprowadzenie powietrza lub cieczy przez środek.

Gimbale przemysłowe i kamery:
Precyzyjne systemy kamerowe i antenowe wymagają płynnego obrotu przy minimalnych zakłóceniach elektrycznych. Konstrukcja przelotowa pozwala prowadzić przez środek wały wsporcze lub elementy optyczne, przy zachowaniu ciągłości transmisji danych.

Te przykłady pokazują, dlaczego inżynierowie cenią możliwość połączenia przesyłu elektrycznego z niezakłóconą drogą mechaniczną przez środek złącza obrotowego

Ważne aspekty przy doborze przelotowego złącza obrotowego

Dobór odpowiedniego przelotowego slipringa wymaga analizy zarówno parametrów elektrycznych, jak i mechanicznych:

Rozmiar otworu (bore size):
Środkowy przelot musi być wystarczająco duży, by pomieścić wały, przewody lub inne elementy. Typowe rozmiary wahają się od małych średnic (dla czujników) po duże otwory w sprzęcie przemysłowym.

Konfiguracja obwodów:
Należy określić liczbę i typ obwodów – zasilających, sygnałowych lub mieszanych. W rozwiązaniach hybrydowych wysokoprądowe obwody zasilające można łączyć z niskonapięciowymi liniami sygnałowymi, jednak każdy typ wymaga odpowiedniej izolacji, by uniknąć zakłóceń.

Przepustowość i transmisja danych:
Aplikacje wykorzystujące Ethernet, protokoły fieldbus lub szybkie sygnały cyfrowe wymagają niskiego poziomu szumów elektrycznych i odpowiednich materiałów stykowych. Parametry takie jak impedancja, ekranowanie i rezystancja stykowa mają kluczowy wpływ na wydajność.

Ochrona i środowisko pracy:
Klasa ochrony IP określa odporność złącza na kurz, wilgoć i inne zanieczyszczenia. W trudnych warunkach przemysłowych lub zewnętrznych wymagane mogą być obudowy uszczelnione, powłoki ochronne lub materiały odporne na korozję.

Materiały szczotek i pierścieni:
Dobór materiałów – złoto, srebro, grafit czy specjalne stopy – wpływa na rezystancję stykową, zużycie i jakość sygnału. W aplikacjach z szybką transmisją danych zwykle stosuje się metale szlachetne, by ograniczyć szumy i zapewnić stałą przewodność.

Montaż i integracja:
Przelotowe pierścienie ślizgowe mogą być montowane na wale lub na kołnierzu. Kluczowe znaczenie ma prawidłowe ustawienie i kontrola momentu obrotowego, co minimalizuje zużycie i wydłuża żywotność urządzenia.

Trwałość i konserwacja:
Zużycie szczotek jest naturalnym skutkiem pracy ciągłej. Dobór modelu o odpowiednim cyklu pracy, prędkości obrotowej i planie konserwacji zapewnia niezawodność w długim okresie.

Odpowiednie zrównoważenie tych czynników pozwala dobrać przelotowe złącze obrotowe, które spełni wymagania elektryczne bez kompromisów w zakresie integracji mechanicznej.

Przykład nowoczesnego rozwiązania przelotowego

Współczesnym przykładem tej technologii jest Seria SVTS C firmy Servotecnica – przelotowe złącze obrotowe zaprojektowane do obsługi szerokiego zakresu sygnałów i mocy. To dowód na to, jak nowoczesne konstrukcje mogą łączyć dużą gęstość obwodów, niski poziom szumów elektrycznych i elastyczne opcje montażu w kompaktowej obudowie.

 

źródło: https://servotecnica.com/en/through-bore-slip-rings-design-applications-and-engineering-considerations/