フラットスリップリング

IP65 フラット スリップ リングはどのような RPM と寿命を達成できますか?

IP65 エンクロージャ定格のフラット スリップ リングは、ブラシの材質、コンタクト リングの構成、およびハウジング アセンブリに組み込まれた熱管理規定に応じて、さまざまな速度で動作します。標準的な産業用ユニットは、約 10 RPM から最大 300-500 RPM で連続的に動作し、強制空冷または液体冷却通路がハウジング構造に統合されている特殊な高速バージョンでは 1000 ～ 1500 RPM に達します。 IEC 60529 に基づく IP65 指定は、粉塵の侵入に対する完全な保護 (「6」評価) と、6.3 mm のノズルからあらゆる方向から 12.5 リットル/分で噴射される水噴流に対する保護 (「5」評価) を指定します。

速度制限と断熱壁

ここで、同じブラシとリングの材質を使用したオープンフレームのフラット スリップ リング-は 800-1200 RPM で確実に動作する可能性がありますが、エラストマー シール（通常は -40 度から +100 度の使用にはニトリルゴム、または耐薬品性にはフルオロエラストマー）を備えた IP65 ハウジングに封入された同じ設計では、 30-最大速度能力が 40% 減少します。ブラシ-リングのインターフェースで発生する熱（I²R 抵抗加熱と機械的摩擦の組み合わせ、定格電流でブラシあたりアンペアあたり約 0.8 ～ 1.2 ワット）は、周囲の空気に直接放散されるのではなく、密閉されたハウジングを通って伝導する必要があります。 400 RPM で 1 回路あたり 5 アンペアを流す 10 回路のスリップ リングは、合計でおよそ 40 ～ 60 ワットを生成します。取り付けフランジまたは外部冷却フィンによる適切な放熱がないと、ブラシ接触点のジャンクション温度が 90 ～ 120 度に達する可能性があり、これによりカーボン ブラシの酸化が促進され、接触面の早期グレージングが発生します。

定格 500 RPM のユニットが 300 RPM に耐えられないのを見たことがあります。その理由は、熱設計が限界に達していたためです。- メーカーは重量を節約するために冷却フィンのない薄いアルミニウム製ハウジングを使用しており、20 分間動作させるとアセンブリ全体が触れると不快なほど熱くなります。お客様からは、最終的にハウジングの温度を測定したところ、シール領域付近で周囲温度が 75 度に達していることが判明するまで、スリップ リングの「欠陥」についての電話が続きました。 6か月後にシールが壊れたのも不思議ではありません。

ブラシの寿命

カーボン-グラファイト ブラシは、電流密度に応じて 1000 時間の動作あたり約 0.5-1.5 ミリメートル摩耗します。長さ 8 mm から始まったブラシは、適切に設計されたアセンブリで 2500-4000 時間後に交換点に達します（通常、適切なバネ圧力を維持するために残り 3{8}}4 mm まで磨耗したとき）。 40 ～ 60% の銅または銀の粉末をグラファイト バインダーと混合した金属グラファイト ブラシは、接触抵抗が低く (ブラシあたり 0.005 ～ 0.015 オームであるのに対し、純粋なカーボン グラファイトでは 0.020 ～ 0.040 オーム)、より高い電流密度 (標準カーボン グレードでは 25 ～ 30 A/cm2 であるのに対し、最大 50 A/cm2) を流すことができますが、摩耗率は 50 ～ 80% 増加します。より硬い金属粒子がブラシとコンタクトリング表面の両方を摩耗させるため、交換が必要になるまでの耐用年数は 1500 ～ 3000 時間になります。

「動作時間」とは、電源を入れた時間ではなく、実際の回転時間を意味することに注意してください。-人々がタコメーター時間ではなく暦月を追跡しているメンテナンス ログを数多く目にしましたが、これが時期尚早の交換 (寿命が 40% 残っているブラシにお金を無駄にする) や予期せぬ故障 (機械が 1 シフトではなく 2 シフトで稼働したためにブラシが摩耗する) につながりました。

接点リングの材質と劣化

コンタクト リングの寿命は、ほとんどの設備でブラシの寿命を大幅に上回っています。金{0}}合金メッキ リング（通常、銅基板上のニッケル バリア プレート上に 1-3 ミクロンの硬質金）は、金層が下層のニッケルまで磨耗するまで 10,000-20,000 時間持続します。この時点で接触抵抗が著しく増加し、ブラシの摩耗が加速します。一部のメーカーはコスト削減のためにわずか 0.3{10}}0.5 ミクロンの「ゴールド フラッシュ」を指定していますが、これらのリングは中程度の電流負荷下で 3000～5000 時間で磨耗します。-銀または銀グラファイトのリングは、大電流用途 (回路あたり 50 ～ 100 アンペア) で使用されることもありますが、金よりも低い接触抵抗 (回路あたり 0.001 ～ 0.003 オーム、金の場合は 0.003 ～ 0.006 オーム) を示しますが、硫黄化合物や高湿度の環境では変色しやすく、時間の経過とともに抵抗が 200 ～ 300% 増加し、断続的な接触問題を引き起こす可能性があります。変色層は研磨剤としても機能し、ブラシの摩耗率が増加します。裸の銅または真鍮のリングは、低コストのユニット、または電流要件が 1 回路あたり 100 アンペアを超える場所でのみ使用され、急速に摩耗し (最大 5000 ～ 8000 時間)、継続的に酸化します。

このパッケージング ラインのアプリケーションは、2017 - に遡ります。お客様は、1 回路あたり 80 アンペアを出力しており、重い金メッキの費用を払いたくないため、金メッキではなく銅のリングを主張しました。-約 4000 時間正常に動作していましたが、突然、高電流パルス中に断続的なドロップアウトが発生し始めました。-酸化銅の蓄積により半導体層が形成され、負荷がかかると破壊され、アークが発生し、さらに酸化物が発生し、これを繰り返すことが判明しました。結局、ダウンタイムの費用が、金メッキのリングの当初の費用よりも高くなりました。{8}}しかし、購買部門がどのように機能するかはご存知でしょう - 彼らは見積書で低い数字を参照しており、それが重要なのです。

シールの劣化 - 隠れた故障モード

IP65 等級に必要な密閉構造により、オープンフレーム設計には存在しない複雑さが生じます。-回転ハウジング部分と固定ハウジング部分の間のエラストマーシールは、異種材料（スチールシャフトを備えたアルミニウムハウジング、または金属リングを備えたプラスチック絶縁体）の熱膨張に適応しながら圧縮を維持する必要があり、これらのシールは、熱サイクル、オゾンへの曝露（特にブラシアーク放電によりオゾンを発生させる近くの電気モーターの場合）、および回転中の機械的屈曲によって時間の経過とともに劣化します。ニトリルゴムシールは、15,000 ～ 20,000 時間の運転または 3 ～ 5 年の暦時間 (いずれか早い方) の後にポリマー鎖の架橋により弾性を失い始めます。一方、フルオロエラストマーシール (バイトンまたは同等品) は特性をより長く維持しますが、コストは 3 ～ 4 倍かかります。

シールが故障すると、IP65 定格は壊滅的なものではなく徐々に低下します。- まず水蒸気が侵入し (内部湿度が上昇し、ブラシの酸化が促進されます)、その後、液体の水や粉塵が侵入して急速な性能低下を引き起こします。

DC 動作と AC 動作の比較

スリップ リング回路を通る DC 電流は、ブラシ-リング界面での電気化学的移行により、同等のアンペア数での AC 電流よりも大幅に多くの摩耗を引き起こします-。これは本質的にゆっくりとした電解腐食プロセスであり、数千時間の動作中に材料がアノードからカソードに移動し、一方の表面に孔食が発生し、もう一方の表面に蓄積が生じます。この影響により、AC 動作と比較してブラシの寿命が 40-60% 減少します。一部のメーカーでは、DC 回路では 1,200-2,000 時間、AC では 3,000～4,000 時間でブラシを交換することを推奨しています。ブラシとリングの接触ペア間の電圧降下は、通常、新品の場合は定格電流で 0.2 ～ 0.5 ボルトですが、ブラシが摩耗して接触面積が減少すると、0.8 ～ 1.2 ボルトに増加します。この電圧降下は、発熱に寄与する電力損失 (接点ごとの I × V ワット) を表しており、特に 0.5 V 降下で 10 アンペアの回路がブラシ セットあたり 5 ワットを消費する大電流アプリケーションでは、熱計算に考慮する必要があります。

注意してください、古い文献の中には、DC 動作では寿命が 20 ～ 30% しか減少しないと主張しているものもありますが、それらの研究は 1970 年代と 1980 年代の計器用スリップ リングに典型的なはるかに低い電流密度で行われました。各ブラシに 10 ～ 20 アンペアを流す最新の産業用ユニットでは、より顕著な DC 劣化が見られます。

誰も語らない環境要因

公称基準温度 25 度ではなく周囲 50 度で動作させると、ブラシ バインダー材料の酸化と熱による軟化が促進されるため、ブラシの寿命が約 25-35% 減少します。同時に、熱故障に対する温度マージンが比例して減少するため、最大許容 RPM が 15 ～ 20% 減少します。高湿度環境 (相対湿度 70% 以上) では、カーボングラファイト ブラシが湿気を吸収し、接触抵抗が 15 ～ 25% 増加し、滑り界面の摩擦係数が変化します。この効果は湿度が低下すると可逆的ですが、湿った状態と乾燥した状態が繰り返されると機械的摩耗が促進されます。

振動も十分な注目を集めていないもう一つのキラーです。ブラシのバウンス（接触の瞬間的な喪失）は、加速度が 50-200 Hz の周波数範囲で約 3-5G を超えると発生します。各バウンス イベントによりマイクロ アークが発生し、ブラシとリングの両方の表面から材料が侵食され、剛性の高い基礎上でスムーズに動作する設置と比較して、高振動用途では寿命が 20 ～ 40% 短縮されます。{6}}

往復包装機に IP65 のスリップ リングを取り付けているお客様が、高いジャーク レートで多数の起動-サイクルを繰り返していた-。ブラシの定格寿命は 3000 時間ですが、一貫して 800 ～ 1000 時間で故障が発生していました。加速度計は 120 Hz で 8 ～ 10G のピークを示し、ブラシが跳ね返ることなく処理できるレベルをはるかに超えていました。解決策としては、準拠した絶縁マウントを追加する必要があり、これによってシャフトのアライメントに関する問題が発生しましたが、少なくともブラシは 2200 ～ 2500 時間持続し始めました。

メンテナンスの現実とデータシートの仕様の比較

1,500-2,000 運転時間ごとの定期検査により、完全な故障を引き起こす前に、異常な摩耗パターン、汚染、電気的問題の発生を検出できますが、ユニットを完全にブラシ故障させると、多くの場合、アーク放電やリング表面に埋め込まれた磨耗したブラシによって放出される金属粒子による接触リングの損傷が発生します。一部の通信事業者は、この目的専用のスリップ リング回路を使用して回路抵抗を継続的に監視し、メンテナンスを開始するためにベースライン値の 50-10​​0% 増加にアラームしきい値を設定します。 Parker{10}}Hannifin の技術情報 TB-1147 (2018 年改訂) では、回路とアース間の絶縁抵抗 (DC500V で 100 メガオームを超える必要がある)、回路間抵抗 (隣接する回路と 20% 以内で一致する必要がある)、負荷時の接触電圧降下 (ブラシ ペアごとに 1.0 V 未満に維持する必要がある) などの電気テストを推奨しています。

問題は、ほとんどの施設には、これらの検査を適切に行う訓練を受けた人がいないことです。彼らは絶縁抵抗をチェックするかもしれません。それはメガーにクリップしてボタンを押し、番号を取得するのが簡単だからです。-しかし、実際の負荷の下で接点の低下を測定するのでしょうか?そのためには、スリップ リング回路の動作中に電流と電圧の検出ワイヤをスリップ リング回路に挿入する必要があります。つまり、カスタムのテスト治具と 4 線式抵抗測定を理解している人が必要になります。-つまり、実際に何が起こるかというと、何かが機能しなくなるまでスリップ リングを動かし、その後緊急サービスを呼び、コンタクト リングがブラシの破片によって損傷していることに気づき、最終的には 300 ドルでブラシを交換する代わりに、8000 ドルでアセンブリ全体を交換することになります。

500 RPM を超える連続動作や、ブラシ交換なしで 15,000 時間を超える耐用年数が必要な用途では、従来のカーボン ブラシ スリップ リングの代替品を検討する必要があります。-非接触ロータリー トランスやロータリー オプティカル ジョイントでは、磨耗メカニズムは完全に排除されますが、信号帯域幅や電力容量に制限が課せられます。また、水銀に接したスリップ リング（規制上の制限により使用が許可されている場合）は、基本的に無制限の回転寿命を提供しますが、毒性の問題が発生し、通常コストが発生します。従来の設計よりも5～10倍。