Контактные кольца: как это работает?

26 ноября 2015

Основная задача и функция контактного кольца – поддержание связи в различных узлах сложного прибора или системы посредством электрических или сигнальных выходов, расположенных на вращающейся поверхности. По этому принципу работают, например, радиолокационные антенны, орудийные башни, перископы, электрооптические датчики карданных подвесов и космических спутников.

Для большей наглядности давайте представим, что перед вами поставлена задача удаленно управлять вращающейся частью, входящей в состав машинной сборки. Допустим на минуту, что у вас есть собственный танк. И вы хотите задавать угол вращения его башни дистанционно, через пульт или операторскую панель. Как передать сигнал для смены позиции, угол смещения и координаты?

Решение: используйте токосъемник со скользящим контактом.

Скользящий контакт возникает внутри контактного кольца благодаря работе токосъемных щеток, спрятанных внутрь конструкции. Функционально это одни из важнейших, но и наиболее хрупких, частей токосъемника. И их защита – задача настолько же важная, как и защита пилота, находящегося внутри танка. Качество и стабильность работы щеток, как и выучка танкиста, – две трети успеха. С ростом популярности технологии контактных колец именно токосъемные щетки претерпели наибольшее число модернизаций и изменений.

Их дизайн до сих пор может колебаться. Некоторые образцы, например, действительно напоминают кисть или щеточку, выполненную из металлических волокон. Помимо металла нередко используется фибра, доказавшая эффективность в высокоточных системах. Другие представляют собой одиночный провод или кабель, на один из концов которого нанесен специальный контактный материал. Такие модели считаются более современными и используются чаще всего.

На рисунке 1, расположенном ниже, можно видеть кисти внутреннего блока токосъемника с четырьмя контурами. Каждое кольцо в этой конструкции имеет по две токосъемные щетки. В этой сборке щетки для двух колец защищены пластиковым щитом желтого цвета,изолирующим цепи высокого напряжения. Рядом с кистями расположен цилиндрический барабан с четырьмя серебряными кольцами. На рисунке 2 показано расположение этих компонентов относительно друг друга. Внутри корпуса контактного кольца они помещаются таким образом, чтобы колодка на конце каждой кисти находилась в контакте с поверхностью одного из колец. Провода, идущие от щеток и колец, используются для подключения электрических цепей.

Обратите внимание на то, что цилиндр, внутри которого находятся кольца, может свободно вращаться, не влияя на степень сцепления щеток и колец.

В конструкции, рассмотренной в данном примере, каждое кольцо имеет одну кисть с двумя контактами.

Корпуса токосъемника – это основа, удерживающая все компоненты детали в правильном положении. На корпус приходится до 70% всех воздействий, связанных с работой контактного кольца. Он предохраняет более чувствительные и хрупкие части, спрятанные под оболочкой, мусора, грязи и случайного повреждения, не пропускает излишек температуры, влаги из воздуха, активные химические соединения. Чем агрессивнее условия, в которых предстоит работать контактному кольцу, тем выше уровень его герметичности и защиты. Технические пластики, промышленный алюминий высокой очистки и нержавеющая сталь позволяют некоторым моделям токосъемников справляться не только с высокой токовой нагрузкой, но даже работать под водой.

На рисунке 3 можно рассмотреть, как выглядит скользящее кольцо без корпуса. Здесь хорошо виден барабан или узел ротора с окончаниями токосъемных кистей, выведенных на него. Корпус этого устройства предназначен, в основном, для защиты рабочих частей от пыли и влаги.

На обоих концах барабана установлены подшипники, обеспечивающие стабильность структуры и упрощающие процесс вращение. В клиентской сборке, выполненной на заказ, нередко также используются разъемы для подводящих проводов, упрощающие монтаж скользящего кольца в конкретную систему.

Конструктивно контактные кольца довольно разнообразны независимо от того, выпускаются ли они поточно или под конкретный проект заказчика. Так, например, есть токосъемники со сквозным отверстием на вал, на фланцах, капсульные контактные кольца и дисковые скользящие контактны. В последних, токосъемные щетки настроены не на барабан, а на плоскую дисковую основу, подходящую для систем, ограниченных по высоте, как, например, в башне вашего танка, с которой все началось.

Дисковые контактные кольца.

Несмотря на то, что технология контактных колец сегодня вряд ли может быть названа молодой, вопрос о том, из чего лучше производить рабочие щетки и контуры, не имеет единого решения. Материалы – важнейший момент при проектировке и выборе токосъемников, и эксперименты в этой области не окончены. После Второй мировой войны, подстраиваясь под требования развивающейся электронной промышленности, производители токосъемников предложили кольца с позолоченными контурами, где золотыми же проволочными щетками. Недурной технически, однако очень небюджетный вариант, неподходящий для массового использования. В качестве альтернативы золоту были предложены медь и графит – материалы с высокой проводимостью и достаточной толерантностью друг другу. Контактные кольца с медным рабочим контуром и графитовой щеткой оставались в ходу вплоть до 1970-х, когда в связи с ростом ракетной и космической промышленности понадобился более современный и стабильный аналог.

Эра освоения космоса и гонки вооружений в годы холодной войны спровоцировала всплеск исследований, посвященных технологии удаленного управления сигналом, передачи питания и данных, став основой новой индустрии. В этот период окончательно отказались от использования чистого золота и серебра для рабочих контуров. Их заменили двойная позолота и глубокая серебрение, позволявшие серьезно экономить на производстве. Более устойчивые токосъемные щетки повышенной проводимости научились выполнять из смеси серебра и графита.

Обе эти разработки – двойного золочения и смешения серебра и графита – до сих пор являются основными для промышленности. система золота на золоте, например, используется для слаботочных сигнальных цепей, ввиду их компактности. Серебряно-графитовая лучше подходит для высоких токов цепей передачи мощности и питания, в первую очередь, благодаря экономичности и большему срок службы.

Современные контактные кольца настолько надежны, износостойкости и нетребовательны к гарантийному обслуживанию, что с успехом выдерживают даже экстремальные нагрузки. Они работают в безвоздушном пространстве, под водой, при температуре ниже 60 и выше 80 по Цельсию. Так что, если вы ищите нечто, что позволит вам управлять башней личного танка или винтом вертолета, не разваливаясь на куски от вибрации при выстреле или взлете, токосъемник – это то, что надо. Готовы заказать – свяжитесь с нашими менеджерами по телефону или электронной почте.

Для тех, кто оснащает свой первый танк скользящими контактами, и пока не знает, что выбрать, мы подготовили простой путеводитель по спецификациям и форматам токосъемников.