Pierścienie ślizgowe – jak działają i jak je dobrać

Co to jest pierścień ślizgowy?

Pierścień ślizgowy składa się z wirnika i stojana. Na wirniku znajdują się pierścienie z mosiądzu lub miedzi, często pokryte złotem lub srebrem. W stojanie umieszczone są szczotki, które dociskają się do pierścieni. Każdy pierścień ze szczotką tworzy jeden obwód, więc pierścień ślizgowy z 12 pierścieniami może przenosić 12 oddzielnych przewodów.

Dopóki ruch obejmuje tylko kilka obrotów w przód i w tył, często wystarczy prowadnik kablowy lub bęben kablowy. Gdy element musi obracać się bez przerwy – np. stół obrotowy, kamera lub piasta turbiny wiatrowej – potrzebny jest pierścień ślizgowy. Nazywa się go też obrotowym złączem elektrycznym lub złączem obrotowym.

Szczotki do sygnałów wykonuje się często z metali szlachetnych, a do dużych prądów – ze srebrografitu. Szczotki włóknowe, czyli wiązki cienkich drucików metalowych, dają kilka punktów styku na pierścień, mniejsze zużycie i niższe szumy.

Jakie są rodzaje pierścieni ślizgowych?

Na co zwrócić uwagę przy wyborze pierścienia ślizgowego?

• Liczba obwodów – zasilanie, sygnały i dane liczy się osobno i dodaje kilka obwodów rezerwowych.
• Prąd i napięcie na obwód – przy dużych prądach można łączyć kilka pierścieni równolegle.
• Rodzaj sygnału – słabe sygnały analogowe, np. z czujników tensometrycznych, wymagają styków złoto-złoto i ekranowania. Ethernet i sieci polowe potrzebują obwodów zaprojektowanych do tego celu.
• Prędkość obrotowa – podawana w obrotach na minutę. Miniaturowy pierścień ślizgowy może pracować z prędkością kilkuset obr./min, a pierścień do turbiny wiatrowej jest zbudowany do niskich prędkości i długiej pracy.
• Trwałość – podawana jako liczba obrotów; zależy od prędkości, prądu i materiału styków.
• Szumy elektryczne – zmiana rezystancji styku podczas obrotu pierścienia, podawana w miliomach. Ważne przy sygnałach z czujników.
• Warunki pracy – stopień ochrony IP, temperatura, drgania, sól i kondensacja. IP40 wystarcza w pomieszczeniach, na zewnątrz i w turbinach wiatrowych często wymaga się IP65.

Gdzie stosuje się pierścienie ślizgowe?

• Energetyka wiatrowa – pierścień ślizgowy między gondolą a piastą przenosi zasilanie do silników regulacji kąta łopat oraz sygnały i magistralę CAN do układu sterowania łopatami.
• Pakowanie i przemysł spożywczy – obrotowe maszyny napełniające i etykieciarki, często ze złączem obrotowym do sprężonego powietrza.
• Roboty i automatyka – przeguby robotów, stoły obrotowe i pojazdy automatyczne z obrotową nadbudową.
• Maszyny mobilne – żurawie i koparki, których nadwozie może obracać się bez ograniczeń.
• Kamery i monitoring – kamery PTZ, które obracają się o 360° bez zatrzymania i jednocześnie przesyłają obraz.
• Obronność i radary – anteny radarowe, głowice sensorowe i pozycjonery anten ze współosiowymi złączami obrotowymi RF i światłowodem.
• Technika medyczna – tomografy komputerowe, w których lampa rentgenowska i detektory nieustannie obracają się wokół pacjenta.

Pięć typowych błędów

1. Ethernet przez zwykłe pierścienie sygnałowe. Na stole może działać, ale w eksploatacji gubi pakiety. Należy wybrać pierścień ślizgowy specyfikowany dla danego protokołu i przepływności.
2. Sztywny montaż stojana. Jeśli zarówno wirnik, jak i stojan są sztywno zamocowane, najmniejsza niewspółosiowość obciąża łożyska. Stojan mocuje się ramieniem przeciwobrotowym, które pozwala na pewien luz.
3. Niewłaściwy materiał styków. Słabe sygnały wymagają złota. Duże prądy wymagają materiału odpornego na ciepło, np. srebrografitu.
4. Mieszanie zasilania i sygnałów. Zakłócenia z obwodów silnikowych mogą przenikać do sygnałów z czujników. Obwody należy rozdzielić i ekranować.
5. Pominięcie warunków pracy. Pierścień ślizgowy IP40 nie wytrzyma na zewnątrz. Trzeba uwzględnić kondensację, pył, sól i temperaturę.

Pierścienie ślizgowe w ofercie SCN

Oferujemy pierścienie ślizgowe firmy Jinpat: miniaturowe i płaskie, do serwonapędów i turbin wiatrowych, wersje do USB, HDMI i SDI, współosiowe złącza obrotowe RF oraz pneumatyczne złącza obrotowe. Pierścienie ślizgowe często wymagają dopasowania, dlatego warto zacząć od listy wymagań: obwody, prąd, sygnały, prędkość, warunki pracy i wymiary.

Przykłady z naszej oferty

Najczęściej zadawane pytania

Czym różni się pierścień ślizgowy od komutatora?

Pierścień ślizgowy ma ciągłe pierścienie i przenosi prąd bez zmian. Komutator ma segmenty, które odwracają kierunek prądu podczas obrotu wirnika, jak w szczotkowym silniku prądu stałego.

Czy przez pierścień ślizgowy można przesyłać Ethernet?

Tak, jeśli pierścień ślizgowy jest zaprojektowany do Ethernetu. Trzeba sprawdzić, dla jakiej przepływności jest specyfikowany, np. 100 Mbit/s lub 1 Gbit/s.

Jak długo wytrzymuje pierścień ślizgowy?

Trwałość podaje się jako liczbę obrotów; zależy ona od prędkości, prądu, materiału styków i warunków pracy. Szczotki włóknowe i metale szlachetne ją wydłużają.

Co to jest silnik pierścieniowy?

Silnik indukcyjny, którego uzwojenie wirnika jest połączone przez pierścienie ślizgowe z rezystorami zewnętrznymi. Daje to duży moment rozruchowy i mały prąd rozruchowy; stosuje się go np. w dźwignicach i kruszarkach.

Czy istnieją bezstykowe pierścienie ślizgowe?

Tak. Przenoszą zasilanie i dane indukcyjnie, pojemnościowo lub optycznie, bez zużywających się szczotek. Stosuje się je m.in. w tomografach komputerowych.