ロータリー ユニオン スリップ リング システム: いつ統合するか

機械が重い負荷を支え、流体動力を伝達し、電力やデータを同じ軸を通過させながら連続的に回転する必要がある場合、別々の部品から構築されたレイアウトは急速に複雑になります。ホースがねじれる。ケーブルの疲労。ブラケットはスペースを食います。サービスへのアクセスが失われます。

これが、統合ロータリーユニオンスリップリングシステムが解決するために構築された問題です。 1 つの調整されたアセンブリでは、旋回リング ベアリングが構造負荷を支え、マルチポート ロータリー ユニオンが流体媒体を移送し、電気スリップ リングが回転ジョイントを介して電力、制御信号、およびデータを運びます。

このガイドでは、3 つのコンポーネントが 1 つの軸上でどのように組み合わされるか、統合設計が適切な場合とそうでない場合、それを正しく指定するために必要なパラメータ、およびほとんどの現場での問題の原因となる設計ミスについて説明します。これは、OEM 設計および調達エンジニア向けに書かれており、カスタム回転インターフェース プロジェクトで繰り返し見られるパターンを基にして、当社のスリップ リング アプリケーション エンジニアによってレビューされています。-

統合されたロータリー ユニオン、スリップ リング、および旋回リング システムとは何ですか?

統合された回転インターフェースは、構造的荷重のサポート、流体の伝達、電力、信号、またはデータの伝達という 3 つのジョブを、共通の軸の周りを回転する 1 つのアセンブリに組み込みます。回転構造物の外側にホースやケーブルを配線する代わりに、システムはそれらを制御下で回転軸の中または回転軸の周りに通過させます。

旋回リング ベアリング: 荷重を支える基礎-

旋回リング ベアリングは、旋回リングまたはターンテーブル ベアリングとも呼ばれ、システムの構造接合部です。アキシアル荷重、ラジアル荷重、オフセットブームやツールが発生する傾斜モーメント荷重を負荷しながら回転部を支持します。ほとんどの設計では、旋回リングも駆動装置の一部を形成します。内歯車または外歯車の歯によって、ピニオン、油圧モーター、またはギアボックスが回転部分を回転させます。

重要な理由: 通常、ベアリングのサイズは静的重量ではなくモーメント荷重によって決まります。重量が軽いにもかかわらず長いアームを搭載したタレットは大きな転倒モーメントを生成する可能性があり、小さすぎるベアリングはたわみ、固着、または早期摩耗を引き起こします。一般的なホストには、クレーンや掘削機のタレット、回転テーブル、マテリアル ハンドリング グラップル、風向きのプラットフォームなどがあります。{2}

マルチポートロータリーユニオン: 流体移送

マルチポート ロータリー ユニオン (ロータリー ジョイント、またはオイルを移動させる場合はロータリー ジョイントとも呼ばれます)油圧ロータリーユニオン) 流体を固定供給源から機械の回転部分に運びます。作動油、空気、水、冷却剤、グリース、または真空を扱うことができます。 「マルチポート」部分は、複数の独立した回路が 1 つの回転インターフェースを通過することを意味します。つまり、回転アタッチメントは、1 つの回路を作動に、1 つをリターンに、1 つをパイロット制御に、そしてもう 1 つを潤滑または冷却に使用し、各回路が他の回路から密閉されている可能性があります。

重要な理由: ポート数は最も重要ではない数値です。媒体の種類、圧力、流量、温度、および実際の回転速度でのシールの圧力速度 (PV) 制限によって、ユニオンが存続するかどうかが決まります。-低速のアプリケーションでは 210 bar で問題なく動作する同じユニオンでも、速度やデューティ サイクルが上昇すると、同じ圧力で過熱してシールが摩耗する可能性があります。

電気スリップ リング: 電力、信号、データ転送

アン電気スリップリング電力、制御信号、センサーフィードバック、および固定側と回転側の間の通信データを伝送します。最新のスリップ リングは、電力を移動するだけであることはほとんどありません。エンコーダ フィードバック、バルブ コマンド、イーサネットまたは CAN バス トラフィック、カメラ ビデオ、および温度データを同じハブ上で伝送する場合があります。これは、機械の回転中に固定コントローラーと通信し続ける必要があるセンサー、ライト、アクチュエーター、カメラ、またはスマート制御モジュールが回転アセンブリに含まれている場合に最も重要です。

3 つが 1 つの軸上でどのように結合されるか

一般的な統合アセンブリでは、3 つの機能が 1 つの回転軸の周りに同軸上に積み重ねられます。旋回リングは、固定ベースと回転プラットフォームの間のジョイントを形成します。一般的な配置は中空の貫通孔レイアウトです。ロータリー ユニオンが中央に配置されて流体ラインを運び、スリップ リングが導体を運ぶためにその上、下、または周囲に取り付けられます。流体通路はユニオンのローターを通って回転側に達します。導体はスリップ リングのローターに着地します。固定の供給ラインと機械の配線はベースに固定されたままになります。

2 つの決定がレイアウト全体を形成します。

• どのメンバーがローテーションするか。旋回リングでは、内輪または外輪のどちらを回転させるか、またギアを内輪または外輪のどちらに配置するかを選択します。この選択により、ドライブ ピニオン、ユニオン ポート、およびケーブルの出口がどこに配置されるかが決まります。
• 流体経路と電気経路がどのように分離されているか。流体媒体と電気媒体が密閉されたキャビティを共有してはなりません。シールの漏れによってスリップ リングの接点が浸水してはなりません。そのため、2 つの機能は別々の、個別に排水されたコンパートメントに属します。

エンジニアリングメモ: 構造の詳細を説明する前に、貫通穴の直径を確認してください。-中央の穴は、そこを通過するすべてのホース、継手、およびケーブルの束、さらにユニオン本体自体を通過する必要があります。フレームの設計後にボアが小さすぎることが判明することは、この種のプロジェクトにおける後からの変更で最も費用がかかるものの 1 つです。

なぜこれら 3 つのコンポーネントを組み合わせるのでしょうか?

ロータリー ユニオン、スリップ リング、旋回リング ベアリングの組み合わせは、単なるパッケージングのコツではありません。回転機械に何度も現れるいくつかの故障点を取り除きます。

1 つの軸によるよりクリーンなルーティング

回転構造物の周りに流体と電気のラインを別々に配線するには、通常、追加のブラケット、ガード、ループ、ドラッグ チェーン、スイベル サポートが必要になります。統合インターフェースにより、これらの回路がマシンの外側に強制的に配置されるのではなく、回転軸を中心に整理されるため、レイアウトがすっきりし、保護が容易になります。--

ホースのねじれやケーブルの疲労が少ない

繰り返しのねじれは回転機器にとって最大の敵の 1 つです。油圧ホースと電気ケーブルは、疲労、摩耗、または曲げ応力が発生する前に、ある程度の回転しか許容できません。ロータリー ユニオンは流体ラインのねじれを防ぎ、スリップ リングは導体にも同様の働きをするため、機械は構造物に何も巻き付けることなく回転できます。

重要な境界: この利点は、セクションが連続的に回転する場合、複数回回転する場合、または無制限に回転する場合に適用されます。たとえば、1 サイクルあたりプラスまたはマイナス 180 度の数回のスイープなど、限られた円弧内でのみ振動する場合、ケーブル キャリア内のフレキシブル ケーブルとホースは、スリップ リングやユニオンよりも単純で安価であることがよくあります。統合されたアプローチは、特にフレキシブル織機が生き残れない場所でコストを稼ぎます。

よりコンパクトなレイアウト

タレット、コンパクトなアタッチメント、ロボットジョイント、回転テーブル内のスペースは限られています。個別のベアリング、油圧スイベル、およびスリップ リングは、軸方向または半径方向のスペースを過度に消費する可能性があります。機能を 1 つの軸に折りたたむと、構造、駆動コンポーネント、ガード、またはサービス アクセス用のスペースが再利用され、装置を小型または軽量に維持する必要がある場合に役立ちます。

故障箇所の減少

回転-インターフェースの故障のほとんどは、数千回のサイクル後のホースの擦れ、ケーブル加工の硬化と屈曲点での亀裂、振動によるブラケットの緩みなど、短いリストに基づいて原因をたどります。-これらの接続を 1 つの設計されたインターフェイスに引き込むことで、障害が始まる即席のブラケットやサポートされていないループが削除されます。

なぜそれが重要なのかという点に注意してください。信頼性の向上は実際のものですが、条件付きです。それは、統合自体ではなく、シールの選択、接触技術、メンテナンス計画によって決まります。明確に指定された統合インターフェースにより、障害モードが排除されます。-指定が不十分な場合は、サービス パッケージの中でそれらを隠すだけです。--

よりシンプルな OEM 組み立て

OEM の場合、事前設計されたアセンブリにより 3 つの取り付けシステムが 1 つに置き換えられます。{0} 3 つのサブアセンブリを取り付けて位置合わせし、最終組み立て時に 3 つの公差スタックを調整する代わりに、チームは 1 つのボルト パターンを備えた単一の取り付けインターフェイスに取り組んでいます。これにより、ライン上の位置合わせ作業が不要になり、組み立てとサービスの文書化が短縮されます。

統合システム vs 個別のコンポーネント

正しい答えはマシンによって異なります。完全に統合されたシステムは必ずしも必要なわけではありませんが、スペース、信頼性、配線制御のすべてが一度に重要となる場合には、通常、これがより良い選択となります。

統合設計が使用される場所

最も強力なアプリケーションは、同じ場所で回転、荷重サポート、流体力、および電気制御を必要とする機械です。ニーズは業界によって異なるため、設計の焦点は業界ごとに変わります。

重機、クレーン、掘削機

シナリオ: クレーン、ドリル リグ、グラップル、および掘削機のアタッチメントは、固定ベース上で作業上部セクションを回転させ、動作用の油圧力と、制御、照明、およびフィードバック用の電力と信号を引き出します。

一般的な要件: 複数の中圧から高圧の油圧回路、ケース-、アクチュエーターと照明用の電源、位置センサーまたは圧力センサーからのフィードバック。

設計の焦点: ブームやツールからの高モーメント荷重、衝撃荷重、屋外シール。油圧と連続旋回の組み合わせにより、シールの寿命とベアリングの定格モーメントが制限要因となります。これは、回転アタッチメントに組み込まれたスリップ リングの典型的なケースです。掘削機およびその他の回転アタッチメント.

風力タービンと再生可能エネルギー

シナリオ: 回転ジョイントを介して電力、制御信号、場合によっては油圧機能や潤滑機能を渡す大型回転システム。風力タービンでは、これはヨーとピッチの境界面、およびナセル-と-ハブのスリップ リングで発生します。

一般的な要件: ジョイント全体の電力と制御、状態監視信号、アクセスが難しくコストがかかるため非常に長いメンテナンス間隔。{0}}

設計の焦点: 長い耐用年数にわたる信頼性、適切な落雷と接地戦略、結露と温度変動に対する保護。タービンは通常、1 つの汎用アセンブリではなく、いくつかの異なる回転インターフェイスを使用するため、ここでの「統合」とは、各インターフェイスをそのタスクに適合させることを意味します。ひたむきな風力タービンスリップリングシステムこれらの特定の位置向けに構築されています。

ロボット工学とロータリーオートメーション

シナリオ: 電力、信号、データ、空気、または真空のコンパクトな転送を必要とするロボットのリストとベース、回転インデクサー、溶接ポジショナー、および回転検査ヘッド。

一般的な要件: 多くの低電流信号およびデータ チャネル（多くの場合イーサネットまたはフィールドバス）が、低トルクと高サイクル数で小さな直径に詰め込まれています。{0}}

設計の焦点: パッケージ サイズ、信号の完全性、引っかかったり再現性を損なうケーブル ループの回避。ここでは、スリップ リングの接触技術とチャネル数が荷重よりも重要です。コンパクトな信号用スリップリングロボット、ROV、UAV典型的なフィット感です。

CNC機械と回転テーブル

シナリオ: 回転セクションを介して冷却剤、潤滑剤、主軸または軸の動力、エンコーダのフィードバック、工具交換またはクランプ信号を伝送する工作機械と回転テーブルまたは傾斜テーブル。{0}}

一般的な要件: 中圧力の冷却剤と潤滑回路、および信頼性の高いエンコーダーと制御信号。

設計の焦点は、クーラントと切りくずを電気経路から遠ざけ、エンコーダ信号をドライブノイズから保護することです。シーリング クラスと接点の清浄度は、精度と稼働時間の両方を左右します。

包装、充填、食品加工

シナリオ: ロータリーフィラー、キャッパー、ラベラーは、多くの場合 24 時間継続的に稼働します。

一般的な要件: エアと真空のライン、センサーとアクチュエーターの信号、回転タレットのウォッシュダウン定格電気接続。{0}}

設計の焦点: 非常に高いサイクル数、食品工場では洗浄時の暴露と衛生的な材料ルール。{0}}ケーブルの疲労と侵入は一般的な故障モードであるため、密閉された連続回転インターフェースはすぐに効果を発揮します。-

海洋、海洋、マテリアルハンドリング

シナリオ: 塩水噴霧、天候、一定の振動の中で回転するデッキ クレーン、ウインチ、積載アーム、およびハンドリング機器。

一般的な要件: 堅牢な流体と動力伝達、耐食性素材、高度な侵入保護。{0}}

設計の焦点: 腐食保護、シーリング、衝撃と振動への耐性、ダウンタイムが非常に高くつくオフショアでの保守性。ここでは、材料の選択とシールのデザインがデザインを左右します。

統合設計ワークフロー

これらのシステムを指定することは、単一のチェックリストとして行うよりも、一連の手順として行う方がスムーズです。各ステップが次のステップに影響を与えるため、初期のステップをスキップすると、通常は後で再作業が必要になります。

• ステップ 1: アプリケーション データを収集します。負荷、回転プロファイル、流体回路、電気回路、環境、取り付け、およびサービスの期待。これは、その後に続くすべてのものへの入力であり、ほとんどのプロジェクトが成功するか停滞するかのどちらかになります。
• ステップ 2: 回転インターフェースのレイアウトを定義します。-詳細な構造を描く前に、同軸スタック、貫通穴のサイズ、どの部材が回転するか、ポートとケーブルの出口の方向を決定します。-
• ステップ 3: 実際の負荷に合わせて旋回リングのサイズを決定します。実際のアキシアル荷重、ラジアル荷重、およびモーメント荷重を動的係数とともに使用し、ギアの配置を選択し、取り付け構造がベアリングを歪めないほど十分に硬いことを確認します。
• ステップ 4: 流体回路とロータリー ユニオンを指定します。通路、媒体、圧力、流量、温度をロックダウンし、作動圧力だけでなく作動速度でのシール寿命をチェックします。
• ステップ 5: 電気回路とスリップ リングを指定します。まず紙の上で電力と低レベル信号を分離します。電圧、電流、チャネル、信号タイプ、データ プロトコル、シールド、接地を定義します。
• ステップ 6: 配線、取り付け、接地、およびサービス アクセスを計画します。ホースとケーブルの出入り方法、グリース ポイントとコネクタの位置、アセンブリの検査と交換の方法を決定します。
• ステップ 7: レビュー、プロトタイプ、検証を行います。サプライヤーに設計を確認し、生産を開始する前に圧力、回転、電気的、環境的性能をテストします。

設計前に確認すべき主要なエンジニアリングパラメータ

正確な見積もりと動作するアセンブリを取得する最も早い方法は、完全なデータ パッケージをサプライヤーに渡すことです。以下のリストをそのパッケージとして扱います。

機械と回転

• 動的荷重と衝撃荷重を含む、アキシアル荷重、ラジアル荷重、モーメント荷重
• 回転角度: 連続振動、複数回転振動、または限定振動
• 回転速度とデューティサイクル
• 取り付け方向と構造剛性

流体回路

• それぞれの継代数とメディアの種類
• 圧力、流量、温度
• ポートのサイズと方向、および漏れと濾過の制限

電気とデータ

• 電圧、電流、回路数
• 信号の種類とデータ プロトコル、ノイズ感度の注意事項
• シールドと接地の戦略、コネクタの種類、および予想される耐用年数

環境

• で設定された侵入保護ターゲットIEC 60529 IP 評価システムたとえば、IP65 は防塵{1}}防水-スプレー-に耐える屋外使用に適しています。
• 耐食性、動作温度範囲、洗浄、塵、紫外線、または海洋条件への曝露

取り付けとサービス

• ボルト パターン、取り付け平面度、アライメント、トルク-アームまたは回転防止位置-
• ホースとケーブルの出口方向と隙間
• グリースポイント、コネクタ、検査スペースへのアクセスと交換手順

避けるべきよくある設計ミス

ポート数のみで選択する

「6-ポート」または「8-}ポート」の結合は、アプリケーションに自動的には適合しません。媒体、圧力、速度、流量、温度、シール、取り付けも同様に重要です。それが重要な理由: ポート数が正確であっても、シールや PV 定格が間違っているとサービスが失敗します。

信号を電源回路のように扱う

ライトや基本電力を供給するスリップ リングは、エンコーダ フィードバック、イーサネット、カメラ ビデオ、または産業用通信には自動的には適しません。これらには注意が必要です電源回路と信号回路間のシールドと物理的分離、設計の早い段階で対処されました。それが重要な理由: クロストークやノイズは、物理的に異常が発生するずっと前に、データとセンサーの読み取り値を破損します。

モーメント荷重の過小評価

旋回リングは回転を可能にするだけではありません。実際の動作荷重下で構造をサポートします。モーメント、衝撃、または中心から外れた荷重を過小評価すると、ベアリングと周囲の構造がたわみや早期摩耗によってその代償を負います。{1}

ホースとケーブルの出口方向を無視する

統合されたアセンブリであっても、出口計画が不十分であると、曲げ応力、摩擦、および整備の悩みが生じます。ルーティングは、ジオメトリが固定された後に後から考えるのではなく、最初から設計に組み込まれています。

メンテナンスアクセスを忘れた場合

コンパクトな設計は、メンテナンスが可能な場合にのみ役に立ちます。グリースポイント、コネクタ、検査カバー、および交換用クリアランスは、機械のレイアウトが固まる前に決定する必要があります。アセンブリが現場で交換可能であるか、工場でのみ交換可能であるか-を早めに決定してください。これを選択すると、ダウンタイムとライフサイクル コストが増加するためです。

1 つのインターフェイスを設計する代わりに 3 つのパーツを購入する

ユニオン、スリップ リング、および旋回リングはシェルフ上の 3 つのコンポーネントですが、機械内では 1 つの回転インターフェイスとして機能します。これらを無関係な部品として扱うと、位置合わせの問題、配線の競合、回避可能な複雑さが生じます。

完全に統合されたシステムが必要ない場合

統合はデフォルトではありません。次の場合には、よりシンプルなレイアウトがエンジニアリング上のより良い選択となる可能性があります。

• このセクションは、小さく限られた円弧内でのみ回転します。
• 必要な流体ラインまたは電気回路は 1 つだけです
• 配線スペースは十分にあります
• 回転セクションは軽負荷かつ低サイクルです-。-
• メンテナンスのために機械に簡単にアクセスできる
• 個別の部品により信頼性のリスクを高めることなくコストを削減

目標は、統合そのものを目的としたものではなく、信頼性、パッケージング、保守性、コストのバランスが最もよくなるレイアウトです。

設計例: 油圧、動力、CAN バスを備えたコンパクトな旋回タレット

移動式検査車両に搭載された 360 度の連続旋回タレットを考えてみましょう。タレットはツールヘッドを搭載し、油圧で駆動し、作業灯に電力を供給し、位置とカメラのデータをキャブに返します。

個別のコンポーネントを構築するには、旋回ベアリング、外部油圧スイベル、独立型スリップ リング、複数のブラケット、ホース ループ、ケーブル ガードに加えて、それらすべてを調整するためのスペースと組み立て時間が必要になります。-統合されたアセンブリにより、荷重サポート、流体伝達、および電気伝達が 1 つの軸の周りに配置されます。ホースとケーブルは中央の穴を通るため、砲塔が回転するときに何も外側に巻きつきません。実際には、その結果、ブラケットの数が減り、外部のホース ループがなくなり、コネクタへのアクセスが容易になり、最終組み立てがより迅速かつ再現可能になります。

このタレットの代表的な仕様は次の表のようになります。数字は例示的なものです。負荷、圧力、チャンネル数は独自のデューティ サイクルから得られます。重要なのは、サプライヤーがカスタムアセンブリを見積もる際に必要な詳細レベルです。

重要なポイント

回転機械が同じインターフェースを介して負荷を運び、流体を移送し、電力やデータを渡す必要がある場合、マルチポート ロータリー ユニオン、電気スリップ リング、および旋回リング ベアリングが一緒に使用されます。本当の価値はスペースの節約だけではありません。制御されたルーティング、ホースとケーブルのストレスの軽減、より緊密な梱包、より信頼性の高い回転システムです。

単純なマシンの場合は、個別の部品で十分な場合があります。コンパクト、高耐久、高サイクル、または多機能の回転機器の場合、統合された設計により、機械の組み立てが簡単になり、メンテナンスが容易になります。最初の最善の策は、負荷、回転プロファイル、流体回路、電気回路、環境、およびサービス要件を定義し、その後インターフェースを 1 つの調整されたシステムとして設計することです。プロジェクトの範囲を定めている場合、それらの仕様はサプライヤーが製品を設計するために必要なものでもあります。カスタムロータリーユニオンとスリップリングアセンブリ初めてあなたのマシンに適合します。