スリップリング vs.ロータリー連合: ロータリー連合の仕組み、違い、結合方法

通常のケーブルやホースは無限に回転することはできません。これらは、機械をねじったり、締め付けたり、疲労させたり、方向を逆にさせたりします。スリップ リングとロータリー ユニオンはこの問題を解決しますが、対応するトランスミッションのタイプは異なります。

スリップ リングは、電力、信号、またはデータを転送します。ロータリー ユニオンは液体、気体、または真空を移送します。組み合わせたアセンブリは、1 つの調整された回転インターフェイスを介して両方を転送します。

このガイドでは、内部動作原理、実際的な違い、統合オプション、仕様要件、およびよくある選択ミスについて説明します。電気コンポーネントの別の紹介については、を参照してください。スリップリングとは何か、またどこで使用されるか.

スリップリングとロータリーユニオン: 簡単な比較

したがって、最初の選択質問は単純です。回転界面を通過しなければならないものは何ですか?答えが電気だけの場合は、スリップ リングを使用してください。流体や気体のみの場合はロータリーユニオンをご使用ください。マシンに両方が必要な場合は、組み合わせた配置または調整された配置を評価します。

スリップリングの内部の仕組み

スリップ リングは、固定構造と回転アセンブリ間の電気経路を維持します。従来の接触設計では、各回路は導電性リングに接続されます。ローターが回転すると、固定ブラシ、ブラシ ワイヤ、または接点束がそのリング上に乗ります。

電流または信号エネルギーは片側から入り、ブラシとリングの境界面を通過し、反対側の回転リードまたは固定リードから出ます。{0}{1}コンタクトは円形のトラックの周りを連続的にスライドするため、固定ケーブルをシャフトに巻き付けることなく、機械は繰り返し回転することができます。

電気経路のより詳細な説明は、このガイドで参照できます。スリップリングの仕組み.

導電性リング、ブラシ、および接触の安定性

ブラシ-と-のインターフェースは、単にオンまたはオフの接続ではありません。-接点の材質、表面仕上げ、ブラシの力、回転速度、振動、汚染、電流密度、温度はすべて、電気経路の安定性に影響します。

電源回路は多くの場合、低レベルのアナログ回路やセンサー回路よりも大きな抵抗変化を許容できます。{0}熱電対、ひずみゲージ、エンコーダ、または測定チャンネルは、ヒーターやランプ回路にはほとんど影響を及ぼさない小さな外乱に反応する場合があります。したがって、高電流電力と低レベル信号を同一のチャネルとして扱うべきではありません。-

接点の構造も摩耗粉、メンテナンス、摩擦トルク、寿命に影響します。これらのコンポーネントの役割については、この概要で詳しく説明します。スリップリングブラシと接触システム.

電力、制御、データは異なる設計問題です

「20回路」としか記載されていない仕様は不完全です。サプライヤーは、各回路が何を伝送するかを知る必要があります。

• 電源回路には、電圧、連続電流、ピーク電流、負荷の種類が必要です。
• 安全回路と制御回路には、安定した導通と明確な絶縁が必要な場合があります。
• アナログ測定チャネルには、低電気ノイズと慎重な接地が必要な場合があります。
• エンコーダには、信号のタイプ、周波数、インターフェイスの詳細が必要です。
• 動画と高速データには、正確なプロトコル、データ速度、ケーブル インピーダンス、シールド、コネクタの配置が必要です。{0}

Ethernetの場合は「データ信号」を書き込むだけでは不十分です。設計では、回転中に必要なチャネル特性を維持する必要があります。のIEEE 802.3 イーサネットワーキンググループはイーサネット標準を開発および維持しているため、実際のイーサネットのバリアントと物理インターフェイスは仕様の際に特定される必要があります。

電力と敏感な信号が 1 つのアセンブリを共有する場合、レイアウト、シールド、接地、ペアの形状、回路の分離が重要になります。このガイドは、スリップリングチャンネル間のクロストークを防止この問題については、さらに詳しく説明します。

接触通信と非接触通信

ほとんどの産業用スリップ リングは、コンパクトなパッケージに広範な電力および信号回路を搭載できるため、物理接点を使用します。非接触方式では、転送する必要がある内容に応じて、誘導性、容量性、無線周波数、または光伝送が使用されます。-

非接触設計が自動的に優れているわけではありません。機械的接触の摩耗は軽減される可能性がありますが、電力容量、プロトコルの互換性、パッケージング、熱、コスト、または統合の複雑さに関連する制限が生じる可能性があります。新しいテクノロジーが常に優れているという仮定ではなく、実際の伝送要件に基づいて選択する必要があります。

特殊なメンテナンスまたは伝送要件を持つアプリケーションも評価できます。ブラシレススリップリング技術.

スリップリングのフォームファクター

スリップ リングは、カプセル、パンケーキ、セパレート、スルーホール、カスタム構成で利用できます。{0}正しい形状は、使用可能な直径、軸長、軸配置、回路数、電流、速度、取り付け方法によって異なります。

A スルーホールスリップリングシャフト、パイプ、ケーブル束、またはその他のサービスが中心を通過する必要がある場合によく考慮されます。ただし、流体と電気を組み合わせたアセンブリでは、ロータリー ユニオンがすでに中心線を占めている場合があるため、いずれかのコンポーネントを選択する前に完全なアーキテクチャを計画する必要があります。

ロータリー組合の内部的な仕組み

ロータリー ユニオンは、固定配管と回転機械部材の間に密閉された経路を作成します。固定ポートは媒体を受け取り、内部通路が媒体を回転インターフェースを介して運び、出口が媒体を回転機器に送ります。

シーリング システムは、加圧通路を周囲の環境から分離します。複数の通路の設計では、追加のシール境界によって 1 つの内部チャネルが別の内部チャネルから分離されます。

流路とシール境界

単一通路ロータリー ユニオンは 1 つの流体サービスを提供します。-複数通路ユニットは、油圧の供給と戻り、圧縮空気、冷却剤、真空などの複数の独立したラインを運ぶことができます。

複数のパッセージがあるからといって、すべてのメディアの組み合わせが自動的に受け入れられるわけではありません。それぞれの組み合わせを以下について検討する必要があります。

• 化学的適合性。
• 動作圧力と最大圧力。
• 圧力スパイク。
• 温度範囲。
• 粘度と潤滑性。
• 必要な流量と許容可能な圧力降下。
• クロスポート漏洩のリスク。-
• 濾過と清浄度。
• 乾燥した走行条件。-

空気、ガス、真空システムは、利用可能なツールを通じて調査できます。空気圧スリップリングおよびロータリートランスミッションソリューション。オイルやその他の加圧液体を運ぶアプリケーションでは、設計上の考慮事項も検討する必要があります。油圧スリップリング.

プレッシャーだけでは不十分な理由

最大圧力は重要ですが、完全な動作条件を定義するものではありません。中程度の圧力と高い連続速度で動作するユニオンは、短く頻繁に動作しない間だけ高い圧力に達するユニオンよりも多くのシール熱を発生する可能性があります。

温度により、媒体の粘度、シールの動作、材料の寸法、潤滑条件が変化する可能性があります。圧力スパイクは、定常圧力とは異なる方法でシール面に負荷をかける可能性があります。公称圧力と速度が許容範囲内に見えても、汚染によりシール界面が損傷する可能性があります。

油圧システムの場合、「清浄な流体」は、アプリケーションがサポートする定義済みの清浄度要件に置き換える必要があります。ISO 4406:2021油圧作動油中の固体粒子汚染のレベルをコード化する方法を提供します。{0}

ベアリング、アライメント、および外部荷重

ベアリングは多くのロータリー ユニオン設計内での相対回転をサポートしますが、ユニオンを自動的に機械全体の構造ベアリングとして扱うべきではありません。外部ラジアル荷重、アキシアル荷重、配管のひずみ、軸の振れ、取付ズレなどによりシール界面が乱れ、寿命が短くなる恐れがあります。

サプライヤーはポートサイズとシャフト直径だけでなく、実際の取り付け配置を受け取る必要があります。図面では、固定側、回転側、中心線、サポート ベアリング、利用可能なエンベロープ、ポートの方向、およびアセンブリに到達する可能性のある外部荷重を特定する必要があります。

スリップリングとロータリーユニオンを組み合わせる必要があるのはどのような場合ですか?

組み合わせアセンブリは、1 つの回転軸に電気伝達と流体伝達の両方が必要な場合に適しています。典型的な組み合わせは次のとおりです。

• 回転クレーンプラットフォーム上の油圧力、電力、および制御信号。
• 自動回転テーブル上の圧縮空気、真空、I/O、およびイーサネット。
• 工作機械のクーラント、エンコーダフィードバック、センサー回路。
• 産業用回転機器の潤滑ライン、電源、信号の監視。

機能を組み合わせることで、個別の取り付け構造の数を減らし、すべてのサービスを 1 つの中心線の周りに配置し、ケーブルとホースの配線を簡素化できます。また、回転ジョイント付近の露出したコンポーネントの数も減らすことができます。

これらの利点は、統合された設計が製造、設置、テスト、保守に実用的である場合にのみ重要になります。

統合アセンブリを使用する場合

• 半径方向または軸方向の設置スペースは厳しく制限されています。
• 回転中心が混雑している。
• 電気インターフェースと流体インターフェースは共通の中心線を共有する必要があります。
• 破片、振動、または偶発的な衝撃から外部を保護することが重要です。
• 1 つの調整された機械インターフェイスにより、OEM の取り付けが簡素化されます。
• 電気要件と流体要件は、予想される機器の耐用年数にわたって安定しています。

次の場合はコンポーネントを分離しておいてください

• 電気セクションと流体セクションは個別に交換する必要があります。
• シール部分は頻繁な整備が必要です。
• 将来的には電気設備のアップグレードが行われる可能性があります。
• 標準コンポーネントはすでに両方の要件を満たしています。
• 2 つのアセンブリに十分なスペースがあります。
• 熱、汚染、またはサービスの分離が優先事項です。
• 異なるサプライヤーまたは認定プロセスを維持する必要があります。

したがって、統合は品質レベルではなく、アーキテクチャ上の決定となります。コンパクトな統合ユニットが、2 つの個別のコンポーネントよりも自動的に信頼性が高くなるわけではありません。信頼性は、実際の設計、動作条件、設置、検証、およびサービス戦略によって異なります。

統合型、半統合型、分離型の設計-

統合された設計

完全に統合された設計では、電気セクションと流体セクションが、緊密に調整された 1 つのハウジングまたは機械パッケージに組み込まれています。このアプローチでは、最小の外部パッケージが提供され、強力な物理的保護を提供できます。

トレードオフはサービスの結合です。シール、ベアリング、ブラシ、コネクタ、または内部リードに到達するには、さらに分解が必要になる場合があり、一部のセクションで障害が発生すると、アセンブリ全体が使用できなくなる可能性があります。

半-統合された設計

半統合配置では、流体セクションと電気セクション間の分離を維持しながら、選択された構造特徴、取り付けポイント、カバー、または中心線の形状を共有します。-

これは、機械がコンパクトなパッケージを必要としながらも、電気接点、シール、コネクタ、またはポートへの合理的なアクセスが必要な場合に、有益な妥協策となることがよくあります。

分離されたデザイン

分離設計では、スリップリングとロータリーユニオンは独立したユニットのままです。これらは同軸に取り付けることができますが、それぞれに独自のハウジング、保守方法、および交換経路があります。

この配置では通常、より長い長さ、取り付け金具、および配線スペースが必要になります。その代わりに、標準的な調達、アップグレード、障害の切り分け、コンポーネントの交換が容易になります。

選択例

2 つの油圧通路、24 VDC 電源、エンコーダ フィードバック、安全 I/O、およびギガビット イーサネットを必要とする自動回転ステーションを考えてみましょう。このステーションは生産シフト全体にわたって稼働しており、中心軸の周囲のスペースは限られています。

選択プロセスは、「2 つのポートと複数のワイヤ」を備えたユニットを探すことから始めるべきではありません。次の順序で進める必要があります。

• サービスを分離します。油圧経路、電力回路、低レベル信号、安全チャンネル、イーサネット インターフェースを個別に文書化します。-
• 実際の動作限界を定義します。通常および最大圧力、圧力スパイク、流量、温度、回転速度、加速度、動作時間、予想サイクルを記録します。
• 干渉リスクを特定します。大電流スイッチング回路を、エンコーダやイーサネット チャネルと安易にグループ化しないでください。{0}}
• 中心線を見直してください。油圧通路が中心シャフトを占有する必要があるかどうか、および電気セクションにどの程度の直径と軸方向の長さを残すかを決定します。
• メンテナンスを見直します。シールと電気接点を個別に交換可能にする必要があるかどうかを決定します。
• アーキテクチャを選択します。コンパクトな一体型または半一体型アセンブリが出発点として最適ですが、シール セクションのメンテナンス間隔が短い場合は、分離した配置の方が望ましい場合があります。-
• ローテーション下で検証します。代表的な使用条件下で、圧力、漏れ、導通、イーサネット通信、温度上昇、回転トルクを確認してください。

この例では、最終的な部品番号は生成されません。これは、メディア リスト、回路リスト、デューティ サイクル、ジオメトリ、およびメンテナンス戦略を一緒に評価する必要がある理由を示しています。

スリップリングとロータリーユニオンの指定方法

1. 流体要件を定義する

• メディア名と全構成。
• 独立した通路の数。
• 通常圧力、最大圧力、過渡圧力。
• 必要な流量と許容可能な圧力降下。
• 動作温度と周囲温度。
• 粘度と潤滑特性。
• ポートのサイズ、タイプ、方向。
• シールおよび材質の制限。
• 濾過または清浄度の要件。
• 媒体の流れや圧力がなくても回転が起こるかどうか。
• 許容可能な外部漏れおよびクロスポート漏れ。-

「油」、「水」、「空気」などの一般的な説明では、重要な添加物、湿気、洗浄剤、温度の影響が隠れている可能性があります。可能な限り実際のメディア情報を提供してください。

2. あらゆる電気回路とデータ回路を定義する

• 機能別の回路数。
• AC または DC 動作。
• 各回路グループの電圧。
• 連続およびピーク電流。
• 負荷の種類とスイッチング動作。
• センサー、エンコーダー、ビデオ、安全性、または制御インターフェイス。
• データ プロトコルと必要なデータ レート。
• 該当する場合、ケーブルのインピーダンスとペアの要件。
• シールドと接地の配置。
• 許容可能な電気ノイズまたは抵抗の変動。
• コネクタ、ケーブル、リード線の要件。{0}}

高速チャネルは、実際のプロトコルで指定する必要があります。-たとえば、イーサネットスリップリング単なる予備の信号線のグループとしてではなく、通信チャネルとして評価する必要があります。

3. 機械的義務を定義する

• 通常および最大回転速度。
• 連続、断続、振動、またはインデックス運動。
• 回転方向。
• 加速と減速。
• サイクルごとに開始および停止します。
• 1 日あたりの稼働時間。
• 予想される耐用年数または総サイクル。
• 許容回転トルク。
• 利用可能な外径と軸長。
• 必要な貫通穴径。-
• 取り付け方向。
• 軸振れ、ミスアライメント、外部負荷。
• ケーブル、コネクタ、ホース、ポートの出口の方向。

最高速度の値だけでは十分ではありません。 1 サイクルあたり 10 秒間で速度に達するユニットと、同じ速度で 20 時間連続回転するユニットでは、熱と摩耗の状態が異なります。

4. 環境とコンプライアンス要件を定義する

• ほこり、土、泥、または研磨性の破片。
• 水しぶき、洗い流し、雨、または水没の危険。
• 湿気と結露。
• 海水または腐食性雰囲気。
• 高温と低温。
• 衝撃と振動。
• 洗浄剤またはプロセス化学薬品。
• 電磁干渉。
• 危険または爆発性の雰囲気。
• 必要な認証と市場固有のコンプライアンス-。

IP 番号をマーケティング ラベルとして選択しないでください。のIECによるIP定格の説明では、固体および液体に対するエンクロージャの保護が IEC 60529 に基づいてどのように分類されるかを説明します。設置される保護レベルは、コネクタ、ケーブル出口、取り付けインターフェイス、ドレイン、および嵌合機器によっても異なります。

熱、湿気、ほこり、腐食の実際的な影響については、このガイドでさらに詳しく説明します。スリップリングに影響を与える環境要因そしてこの説明はスリップリングのIP定格.

爆発性雰囲気を対象とした機器の場合、目的の市場および設置に必要な保護コンセプトと認証を確認する必要があります。のIECEx 認定機器スキーム爆発性雰囲気で使用される機器の国際適合性評価フレームワークを提供します。{0}

5. メンテナンスと検証の期待を定義する

• どのコンポーネントが摩耗すると予想されるか。
• ブラシ、シール、ベアリングが交換可能かどうか。
• 流体セクションと電気セクションを個別に保守できるかどうか。
• 点検と交換の間隔。
• 許容可能なマシンのダウンタイム。
• 必要なスペアパーツと書類。
• 圧力および漏れ試験の要件。
• 電気的導通および絶縁テスト。
• 動的信号および通信テスト。
• 温度の-上昇と回転-トルクのチェック。
• トレーサビリティと受け入れ記録。

テストでは、実際に設置された状態をできるだけ正確に表す必要があります。静的な連続性だけでは、回転、加速、振動、および電気負荷中に信号が安定していることを証明できません。追加のガイダンスは、この概要で参照できます。スリップリングをテストする方法.

よくある設計と選択の間違い

ポートサイズと圧力だけでロータリーユニオンを選択する

ねじ山と圧力定格が一致しても、媒体の適合性、流量性能、シール温度、濾過耐性、空運転動作、または耐用年数が確認されるわけではありません。{0}}圧力、速度、温度、媒体、およびデューティ サイクルは、動作条件の 1 つとして検討する必要があります。

あらゆる電気回路を信号と呼ぶ

エンコーダ、熱電対、イーサネット チャネル、安全入力、アナログ センサー、および 24 VDC 制御回路には、異なる伝送要件があります。実際の回路機能に名前を付けることで、サプライヤーは適切な接点材料、間隔、シールド、配線を選択できます。

過渡状態の無視

起動電流、圧力スパイク、急加速、緊急停止、クリーニング サイクル、コールド スタートなどにより、通常の動作よりも厳しい条件が発生する可能性があります。{0}

ユニオンが指定されていないパイプまたはシャフトの荷重を保持できるようにする

配管が硬い、シャフトの位置がずれている、ホースがサポートされていない、または過度の振れがあると、回転インターフェースに負荷が伝わる可能性があります。これらの負荷により、トルクが増加したり、シールが乱れたり、ベアリングの摩耗が加速したりする可能性があります。

サービスへのアクセスを確認せずに最小のパッケージを選択する

ユニットは、コネクタ、ホースの曲がり、取り付け工具、シールの交換、またはケーブルの配線のためのスペースを残さずに、利用可能な直径に適合する場合があります。完全に取り付けられたエンベロープを 3 次元で確認する必要があります。

統合が常に優れていると仮定する

統合により外部コンポーネントは削減されますが、メンテナンスと交換を組み合わせることができます。正しいアーキテクチャとは、パッケージ サイズ、伝送パフォーマンス、サービス アクセス、アップグレード プラン、ライフサイクル リスクのバランスがとれたアーキテクチャです。

機械レイアウトが固定された後のサプライヤーへの連絡

早期レビューにより、設計チームはボア サイズ、取り付け面、ポートの方向、ケーブル出口、サポート ベアリング、メンテナンス アクセスをより自由に変更できるようになります。関与が遅れると、回避可能なパッケージングの問題がカスタム エンジニアリング要件に変換されることがよくあります。

標準アセンブリまたはカスタムアセンブリ?

標準製品は、媒体、圧力、回路、速度、寸法、コネクタ、環境が確立された製品範囲内にある場合に最初に評価する必要があります。標準製品により、エンジニアリングの労力、認定作業、配送リスク、スペアパーツの複雑さを軽減できます。-

アプリケーションで次のことが必要な場合、カスタムまたは変更されたアセンブリが合理的になります。

• 流体、電力、信号、およびデータ サービスの珍しい組み合わせ。
• いくつかの異なるメディア。
• 特別な中心穴またはシャフト配置。
• 直径または軸方向の長さの厳密な制限。-
• 標準以外のポート、コネクタ、またはケーブル出口。
• 大電流または回路数が多い。
• 特別な高速データ チャネル。-
• 極端な温度、衝撃、振動、または耐腐食性。
• アプリケーション-固有のメンテナンス アクセス。
• プロジェクト固有のテスト、ドキュメント、または認定-。

2 つのアプローチの比較については、次のセクションで説明します。標準スリップリングとカスタムスリップリングの選択。確立された製品が複合要件を満たせない場合、カスタマイズされたスリップリングソリューション不完全な仕様ではなく、明確に文書化されたエンジニアリング上の制約に対処する必要があります。

代表的な用途

重機およびクレーン

回転プラットフォームには、油圧の供給と戻り、照明電源、カメラ、制御装置、安全回路、センサー通信が必要な場合があります。主な懸念事項には、衝撃、振動、汚染、ホースの配線、電流容量、保守性などが含まれます。

ロボット工学とファクトリーオートメーション

回転テーブルと自動ツールは、圧縮空気、真空、電源、I/O、エンコーダ、産業用イーサネットを組み合わせることができます。多くの場合、低トルク、コンパクトなサイズ、高いサイクル数、急速な加速、信号の安定性が重要です。

工作機械

スピンドル、治具、回転テーブルには、冷却剤、潤滑剤、油圧クランプ、温度検知、エンコーダフィードバックが必要な場合があります。速度、熱挙動、媒体の清浄度、漏れ制御、振れが中心的な選択要素となります。

包装および加工装置

充填、キャッピング、ラベル貼り、印刷、包装システムでは、空圧ツール、真空処理、センサー、制御電源、および連続回転カルーセルでの通信が使用される場合があります。

風力と再生可能エネルギー

回転エネルギー機器には、電力、制御、データ、油圧制御、または潤滑サービスが必要な場合があります。環境シーリング、温度範囲、メンテナンスのためのアクセス、電気ノイズ、および長いサービス間隔は、最小パッケージ サイズよりも重要な場合があります。

見積依頼チェックリスト

役立つ見積依頼には、次の情報を含める必要があります。

• 媒体名、組成、圧力、温度、流量、および清浄度。
• 独立した流体通路の数。
• 各回路グループの電圧、電流、機能。
• センサー、ビデオ、エンコーダー、安全性、通信プロトコル。
• 回転速度、動作プロファイル、デューティサイクル、および期待寿命。
• 最大外径、軸長、必要な中心穴。
• 取り付け、サポート、ポート、コネクタ、ケーブル、およびホースの配置。
• 環境への曝露と認証要件。
• メンテナンス、スペアパーツ、テスト、ドキュメントの期待-。
• 試作数量、生産数量、設置予定日。

可能な限り寸法図を含めてください。固定側、回転側、中心線、利用可能なエンベロープ、サポート ポイント、ポートの方向、ケーブル出口、および近くのコンポーネントにマークを付けます。

最終選考ガイダンス

まず、回転軸を横切る必要があるすべてのサービスをリストします。リストを流体、電力、制御、センサー、安全、データ機能に分けます。次に、過渡状態、環境暴露、形状、メンテナンス、検証要件などの実際の動作限界を定義します。

これらの要件が文書化された後でのみ、設計チームはスリップ リング、ロータリー ユニオン、個別の電気コンポーネントと流体コンポーネント、または統合された組み合わせの中から選択する必要があります。

最適なソリューションは、必ずしも最小のユニットや最も高度に統合されたユニットであるとは限りません。これは、必要なすべてのサービスを確実に送信し、機械のアーキテクチャに適合し、電気的および流体のリスクを制御し、設置、テスト、保守が実用的である設計です。

回路リスト、メディア要件、動作条件、設置図を確認するには、エンジニアリングチームに連絡してください周囲の機械レイアウトが完成する前。