超長壽命導(dǎo)電滑環(huán)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)新時(shí)代
超長壽命導(dǎo)電滑環(huán)進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)新時(shí)代
一文讀懂導(dǎo)電滑環(huán)的真實(shí)品質(zhì)與真正使用壽命
導(dǎo)電滑環(huán)品質(zhì)與使用壽命的三個(gè)錯(cuò)誤觀點(diǎn)——
近年來，超長壽命、超高速的導(dǎo)電滑環(huán)成為了不少滑環(huán)生產(chǎn)廠家宣傳的熱點(diǎn)，宣稱的長壽命一般在2000萬轉(zhuǎn)至2億轉(zhuǎn)，高轉(zhuǎn)速有1千至6萬轉(zhuǎn)/分鐘（RPM）不等。各家產(chǎn)品方案的實(shí)現(xiàn)方法不盡相同，設(shè)計(jì)原理相似，主要包括了材料、刷壓、表面處理工藝三大方面。但對(duì)導(dǎo)電滑環(huán)的超長壽命、超高速的概念描述得較為含糊不清，且可信度不高。只能提供一些理論上的數(shù)據(jù)，或還在樣品階段，或缺乏足夠的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，甚至存在不符邏輯，數(shù)據(jù)相互矛盾等。我們不妨先看看以下幾個(gè)與滑環(huán)使用壽命、轉(zhuǎn)速、品質(zhì)相關(guān)的錯(cuò)誤觀點(diǎn)、似是而非的依據(jù)和我們對(duì)它們所存在的問題分析。
錯(cuò)誤觀點(diǎn)1：
接近零刷壓的電刷設(shè)計(jì)，減小接觸面，滑環(huán)壽命延長了1/3。
錯(cuò)誤依據(jù)1：
因?yàn)樗盒?、接觸面越小、接觸件表面光滑度高，接觸件磨損就越小，所以就延長了滑環(huán)的使用壽命。
問題分析1：
刷壓的確是使用壽命的重要影響因素，只是刷壓越小，穩(wěn)定性極難控制，電流動(dòng)態(tài)波動(dòng)值就會(huì)越大，反而增加了電功率或信號(hào)傳輸?shù)牟环€(wěn)定性。同時(shí)，接觸面越小，電阻也會(huì)越大，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，更容易造成高溫，甚至產(chǎn)生火花，導(dǎo)致接觸件燒結(jié)現(xiàn)象，反而縮短了滑環(huán)應(yīng)有的使用壽命，且存在較大的安全隱患。
實(shí)際上，在合理的耐磨設(shè)計(jì)壓力范圍內(nèi)，增大刷壓，電阻變得更小而穩(wěn)定；當(dāng)壓力穩(wěn)定不變，增大接觸面而壓強(qiáng)減小，接觸件的磨損率減小，以致滑環(huán)的使用壽命更長，信號(hào)傳輸也更加穩(wěn)定。
分析結(jié)論1：
合理而穩(wěn)定的刷壓，才能保障導(dǎo)電滑環(huán)使用壽命的最大化。
錯(cuò)誤觀點(diǎn)2：
轉(zhuǎn)速越高的導(dǎo)電滑環(huán)，產(chǎn)品性能就越好。
錯(cuò)誤依據(jù)2：
滑環(huán)的轉(zhuǎn)速越高，說明加工精度高，性能就更穩(wěn)定可靠。
問題分析2：
導(dǎo)電滑環(huán)的技術(shù)原理，決定了其使用壽命與轉(zhuǎn)速成反比，轉(zhuǎn)速越高，使用壽命越短。如轉(zhuǎn)速為6萬RPM的滑環(huán)， 以2億轉(zhuǎn)使用壽命來計(jì)算（2個(gè)都是目前市場上所宣稱的極限值），理論上使用時(shí)長只有5.5小時(shí)。因此，滑環(huán)轉(zhuǎn)速越高，其實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域越小，超高轉(zhuǎn)速滑環(huán)目前只在高鐵、飛機(jī)引擎等高轉(zhuǎn)速檢測中有應(yīng)用。
滑環(huán)轉(zhuǎn)速越快，接觸件摩擦產(chǎn)生的粉塵、磨損、錯(cuò)位、高溫、短路等安全風(fēng)險(xiǎn)幾率也會(huì)隨之增加。所以，高轉(zhuǎn)速滑環(huán)都有個(gè)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，體積小且電流較低，一般最大只有1安培，很多都是毫安級(jí)別的，超過1萬RPM的導(dǎo)電滑環(huán)，還須同時(shí)配備降溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)。而大電流滑環(huán)的轉(zhuǎn)速都設(shè)計(jì)在每分鐘十幾到幾十轉(zhuǎn)范圍內(nèi)。
導(dǎo)電滑環(huán)的轉(zhuǎn)速取決于它所用的軸承，國內(nèi)市面上宣傳推廣的高轉(zhuǎn)速滑環(huán)有8千、1萬、2萬、4萬、6萬RPM的。而我國通用軸承的最高連續(xù)運(yùn)行轉(zhuǎn)速約為4000 RPM，專業(yè)領(lǐng)域如乘用車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子支撐軸承1.2萬RPM；國外知名品牌的高轉(zhuǎn)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速才1.8萬～2.4萬RPM，無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速不到4萬RPM，民用飛機(jī)引擎3萬RPM；大家日常所熟識(shí)的普通臺(tái)式電風(fēng)扇轉(zhuǎn)速也不過500-1500 RPM的范圍。
全球最知名的滑環(huán)生產(chǎn)商，生產(chǎn)的工業(yè)級(jí)高轉(zhuǎn)速滑環(huán)的轉(zhuǎn)速為1000-2500RPM，而2萬RPM已是極限，且配備了1.4kg/cm2的冷卻空氣進(jìn)行強(qiáng)制降溫。并非說國內(nèi)的滑環(huán)轉(zhuǎn)速就不能超過國外的，而是根據(jù)這些行業(yè)數(shù)據(jù)，相信大家心里對(duì)動(dòng)輒幾萬轉(zhuǎn)的高速滑環(huán)應(yīng)有所判斷。
回歸到導(dǎo)電滑環(huán)的本質(zhì)意義，只是一根導(dǎo)線，而不是電機(jī)或軸承。它的品質(zhì)在于信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，而不是超高的轉(zhuǎn)速。
分析結(jié)論2：
導(dǎo)電滑環(huán)的品質(zhì)性能取決于信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，零損失、零波動(dòng)就是最佳品質(zhì)，與滑環(huán)的轉(zhuǎn)速無關(guān)（若說有，也只是負(fù)相關(guān)）。
錯(cuò)誤觀點(diǎn)3：
導(dǎo)電滑環(huán)使用壽命等同于使用轉(zhuǎn)數(shù)，標(biāo)記轉(zhuǎn)數(shù)越大，壽命越長，品質(zhì)越好。
錯(cuò)誤依據(jù)3：
很多廠家在標(biāo)示導(dǎo)電滑環(huán)使用壽命時(shí)，都會(huì)以使用轉(zhuǎn)數(shù)或“轉(zhuǎn)數(shù)@轉(zhuǎn)速”來表示。導(dǎo)電滑環(huán)使用壽命的轉(zhuǎn)數(shù)值越大，代表使用壽命越長。因此，2000萬轉(zhuǎn)肯定比1000萬轉(zhuǎn)的使用壽命長，品質(zhì)更好。
問題分析3：
由于導(dǎo)電滑環(huán)的應(yīng)用十分廣泛，不同行業(yè)的品質(zhì)要求相差極大，甚至完全不一樣。如工程機(jī)械行業(yè)可能對(duì)電源信號(hào)的閃斷基本沒有要求，閃斷1、2秒鐘幾乎沒什么影響；而一些高精密的自動(dòng)化設(shè)備行業(yè)則對(duì)閃斷要求每秒鐘不能高于30次；醫(yī)療設(shè)備、軍工裝備行業(yè)則要求控制在微秒級(jí)以內(nèi)；數(shù)據(jù)通訊行業(yè)則還會(huì)有數(shù)據(jù)丟包率、比特差錯(cuò)、發(fā)送頻率及噪聲等多種要求。這就不難理解，為什么同樣一個(gè)全新的用在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備上的滑環(huán)，可能完全不符合醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用要求。
國內(nèi)大多導(dǎo)電滑環(huán)廠家主要是以滑環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主，缺乏不同應(yīng)用行業(yè)的專業(yè)技術(shù)支撐。通用做法是以電阻動(dòng)態(tài)波動(dòng)值來作為電源信號(hào)傳輸品質(zhì)的衡量標(biāo)準(zhǔn)。 即便是這樣，品質(zhì)衡量標(biāo)準(zhǔn)仍然存在很大的差別。由于早期市場應(yīng)用要求普遍不高的原因，絕大部分的滑環(huán)生產(chǎn)廠家對(duì)滑環(huán)的檢測都是使用市面上的電阻測試儀進(jìn)行測試，但這種儀器采樣率較低，不足20次/秒，導(dǎo)致那些極短時(shí)間的閃斷都不會(huì)被捕捉。為此，三千米連接利用20多年的通信行業(yè)經(jīng)驗(yàn)與資源，自主研發(fā)設(shè)計(jì)了高采樣率的電阻波動(dòng)檢測設(shè)備，能以1,000,000/秒的速度對(duì)滑環(huán)的波動(dòng)及閃斷進(jìn)行測試，大大提高了測試的精度與可靠性，是目前業(yè)內(nèi)精度最高的閃斷檢測設(shè)備。
其次，比如同樣是1000萬轉(zhuǎn)使用壽命的導(dǎo)電滑環(huán)，不同廠家所用測試的轉(zhuǎn)速很可能不一樣，而且有的每天只測試8小時(shí)，有的是每天24小時(shí)不間斷測試，有的在常溫測試，有的在高低溫不同或交替的模擬環(huán)境里測試等等。嚴(yán)格來說，脫離了測試方式方法、連續(xù)時(shí)長、轉(zhuǎn)速、環(huán)境、動(dòng)態(tài)波動(dòng)值等幾個(gè)主要維度去表述壽命，都是片面且不規(guī)范的，它們之間沒有可比性，更無法作為正常使用壽命的判斷依據(jù)。
因此，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膹S家會(huì)先根據(jù)滑環(huán)實(shí)際應(yīng)用的需求特點(diǎn)，再以應(yīng)用需求行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來定義導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命，而且一般都會(huì)在使用壽命里標(biāo)注“請(qǐng)注意，滑環(huán)的使用壽命取決于轉(zhuǎn)速、環(huán)境和溫度”。只有這樣定義出來的使用轉(zhuǎn)數(shù)，才是導(dǎo)電滑環(huán)的真實(shí)使用壽命。
分析結(jié)論3：
導(dǎo)電滑環(huán)使用轉(zhuǎn)數(shù)值不等同于使用壽命，更不能代表導(dǎo)電滑環(huán)品質(zhì)的好壞。
導(dǎo)電滑環(huán)品質(zhì)與使用壽命的三大影響因素——
通過以上刷壓、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)數(shù)3個(gè)不同角度的問題分析，相信大家對(duì)導(dǎo)電滑環(huán)的使用壽命及品質(zhì)會(huì)有新的、更加準(zhǔn)確的認(rèn)知，明白滿足市場應(yīng)用領(lǐng)域技術(shù)品質(zhì)要求的使用壽命，才是導(dǎo)電滑環(huán)真正的使用壽命。只有這樣，我們才能進(jìn)一步了解導(dǎo)電滑環(huán)的技術(shù)性能，才能正確理解導(dǎo)電滑環(huán)的材料、設(shè)計(jì)與工藝三大影響因素之間的關(guān)系。
決定導(dǎo)電滑環(huán)品質(zhì)的材料，主要是指導(dǎo)電滑環(huán)的接觸件材料，包括了金、銀、銅、稀貴金屬及它們各種不同配比、制作工藝的合成金屬。在不同的電源、信號(hào)的旋轉(zhuǎn)傳輸應(yīng)用中，每一種材料都有著不同的特點(diǎn)性能，包括接觸件材料的導(dǎo)通性能、硬度、強(qiáng)度、彈性、脆性、延展性、磨損性、耐腐蝕性、耐高低溫與散熱性能等等。為確保導(dǎo)電滑環(huán)環(huán)道和刷絲的接觸可靠性和壽命，應(yīng)使兩種材料的硬度盡可能匹配，以最大限度降低接觸件之間的磨損率。
影響導(dǎo)電滑環(huán)壽命的設(shè)計(jì)主要在刷壓設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面（當(dāng)然還有電子部分的設(shè)計(jì)，但不是本文的重點(diǎn)，就不展開說了）。相同材料，如0.3、0.25、0.2、0.17、0.1、0.08、0.05mm等不同直徑的刷絲應(yīng)力不一樣，能承受的刷壓都不一樣；材料與直徑都相同的刷絲，采用單刷、多刷、束刷等不同形式，或環(huán)道設(shè)計(jì)成扁平形、圓弧形、V形、W形，接觸件的刷壓、導(dǎo)通性、磨損率也都不一樣；刷絲的不同形狀及長度、與環(huán)道的接觸角度、工作時(shí)的溫度變化都會(huì)影響刷壓變化，造成電阻動(dòng)態(tài)波動(dòng)值發(fā)生變化，進(jìn)而影響電源及信號(hào)的傳輸品質(zhì)。這其中的效果與差異，并不是僅僅憑設(shè)計(jì)師的多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)就能區(qū)分、實(shí)現(xiàn)與把控的，而必須依靠大量的實(shí)驗(yàn)、測試數(shù)據(jù)庫，長期的分析驗(yàn)證積累，才能得出最為接近客觀事實(shí)的最優(yōu)解決方案。
影響導(dǎo)電滑環(huán)品質(zhì)的工藝主要包括技術(shù)處理工藝與人工制作工藝。技術(shù)處理工藝集中在接觸件表面平滑度、耐磨性、耐腐蝕性、導(dǎo)通性及摩擦粉塵等多個(gè)方面，隨著導(dǎo)電材料、電鍍工藝、表面處理等專業(yè)技術(shù)不斷發(fā)展，各大滑環(huán)廠家的技術(shù)處理工藝水平已日趨接近。對(duì)導(dǎo)電滑環(huán)品質(zhì)的影響，重點(diǎn)體現(xiàn)在人工制作工藝方面的差距。因?yàn)閷?dǎo)電滑環(huán)應(yīng)用十分廣泛，滑環(huán)行業(yè)的絕大部分業(yè)務(wù)都是非標(biāo)定制化，只能靠人工操作與裝配。目前，人的因素仍然是導(dǎo)電滑環(huán)一致性、可靠性的最重要保障，同時(shí)也是最不可控的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。
材料、設(shè)計(jì)、工藝都好，不等于品質(zhì)好——
不少人認(rèn)為“好材料+好設(shè)計(jì)+好工藝”，還有成品技術(shù)參數(shù)檢測作為最終的質(zhì)量保障，必定能做出好產(chǎn)品來。其實(shí)，在競爭激烈的高科技時(shí)代，好產(chǎn)品已不可能靠這樣簡單疊加出來了，在導(dǎo)電滑環(huán)行業(yè)也不例外。
“差之毫厘，遠(yuǎn)之千里”，我們?cè)暨x了10個(gè)各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)初始值都一樣的同款導(dǎo)電滑環(huán)同時(shí)進(jìn)行不間斷運(yùn)行的極限壽命測試，結(jié)果10個(gè)滑環(huán)的使用壽命都不一樣、磨損程度也都不一樣、動(dòng)態(tài)電阻波動(dòng)值變化大小更不一樣，最大的差距竟接近60%。深究其原因，是缺乏系統(tǒng)性數(shù)據(jù)化的支撐。即便已有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)規(guī)范，一個(gè)擁有十幾年制作經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)工程師，在從材料到滑環(huán)成品的制作過程中，也很難確?；h(huán)刷絲刷壓的一致性：
1、刷壓大的，磨損快；刷壓小的，則動(dòng)態(tài)電阻波動(dòng)值偏大（電阻動(dòng)態(tài)波動(dòng)值是檢驗(yàn)滑環(huán)穩(wěn)定性最重要的指標(biāo)，其穩(wěn)定性直接影響信號(hào)的傳輸質(zhì)量，當(dāng)動(dòng)態(tài)電阻波動(dòng)值變化范圍較大時(shí)，若是功率環(huán)，則容易出現(xiàn)打火花現(xiàn)象；若是信號(hào)環(huán)，則會(huì)影響信號(hào)傳輸?shù)男Ч?；刷壓過大、過小，接觸件溫度都會(huì)偏高，刷絲的彈性應(yīng)力降低，容易導(dǎo)致刷壓隨溫度變化而變化。更無法確定不同的刷壓范圍與磨損率、動(dòng)態(tài)電阻波動(dòng)值、溫度變化之間有著怎樣的對(duì)應(yīng)關(guān)系與變化規(guī)律。
2、裝配調(diào)刷時(shí)，刷絲不小心弄彎曲了，重新調(diào)直，雖刷絲的外觀一模一樣，看不出有任何差別。但實(shí)際上，受內(nèi)部應(yīng)力變化的影響，它的刷壓已經(jīng)與原來不一樣了。
3、接觸件各個(gè)工藝處理節(jié)點(diǎn)的時(shí)間長短、環(huán)境溫度的不同，如淬火、應(yīng)力釋放、鍍覆等，都會(huì)導(dǎo)致成品的強(qiáng)度、硬度與表面耐磨性能就會(huì)相差很大。
因此，在第二輪測試時(shí)，我們把相同刷壓的導(dǎo)電滑環(huán)每3個(gè)作為一組，按不同刷壓等級(jí)分成5組導(dǎo)電滑環(huán)進(jìn)行測試。不出所料，最終得出了5組都十分相近甚至相同的測試參數(shù)數(shù)據(jù)。
滑環(huán)品質(zhì)與使用壽命進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)新時(shí)代——
近幾年來，導(dǎo)電滑環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)工藝越來越雷同、差異化越來越少。如何提升產(chǎn)品的市場競爭力？有先知先覺的滑環(huán)生產(chǎn)廠家已經(jīng)逐漸意識(shí)到，導(dǎo)電滑環(huán)行業(yè)的競爭力已不再是昔日的設(shè)計(jì)能力經(jīng)驗(yàn)與特殊處理工藝，而是企業(yè)自身的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)設(shè)計(jì)能力與數(shù)據(jù)化生產(chǎn)管控能力。
因?yàn)?，只有將“?guī)范化、數(shù)據(jù)化、標(biāo)準(zhǔn)化”貫穿到材料、工藝、成品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)與管理，并形成良性的優(yōu)化循環(huán)系統(tǒng)。才能在導(dǎo)電滑環(huán)接觸件的磨損率、穩(wěn)定性、一致性之間取得最佳平衡點(diǎn)；才能對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行專業(yè)的分級(jí)、分批管理，確保批量產(chǎn)品最佳的一致性與可靠性；才能精確把控滑環(huán)的真實(shí)品質(zhì)與真正使用壽命，針對(duì)性地滿足于來自不同行業(yè)的各種各樣的市場需求，讓客戶用得明明白白、清清楚楚；才能讓公司在越演越烈的市場競爭中脫穎而出，甚至引領(lǐng)滑環(huán)行業(yè)進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)代。
超長壽命小空心軸滑環(huán)系列
型號(hào) | 使用壽命（轉(zhuǎn)） | 測試轉(zhuǎn)速 | 測試方式 | 動(dòng)態(tài)電阻波動(dòng)值 | 接觸件方案 |
3KM-T020-0502-0 | ≥8000萬 | 600rpm | 連續(xù)、常溫 | ≤10mΩ | A |
3KM-T020-0502-1 | ≥1.2億 | 600rpm | 連續(xù)、常溫 | ≤10mΩ | B |
3KM-T020-0502-3 | ≥1.5億 | 600rpm | 連續(xù)、常溫 | ≤10mΩ | C |
