超長壽命導電滑環(huán)進入標準化設計新時代
超長壽命導電滑環(huán)進入標準化設計新時代
一文讀懂導電滑環(huán)的真實品質(zhì)與真正使用壽命
導電滑環(huán)品質(zhì)與使用壽命的三個錯誤觀點——
近年來，超長壽命、超高速的導電滑環(huán)成為了不少滑環(huán)生產(chǎn)廠家宣傳的熱點，宣稱的長壽命一般在2000萬轉至2億轉，高轉速有1千至6萬轉/分鐘（RPM）不等。各家產(chǎn)品方案的實現(xiàn)方法不盡相同，設計原理相似，主要包括了材料、刷壓、表面處理工藝三大方面。但對導電滑環(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與滑環(huán)使用壽命、轉速、品質(zhì)相關的錯誤觀點、似是而非的依據(jù)和我們對它們所存在的問題分析。
錯誤觀點1：
接近零刷壓的電刷設計，減小接觸面，滑環(huán)壽命延長了1/3。
錯誤依據(jù)1：
因為刷壓小、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，電流動態(tài)波動值就會越大，反而增加了電功率或信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定性。同時，接觸面越小，電阻也會越大，在高速旋轉時，更容易造成高溫，甚至產(chǎn)生火花，導致接觸件燒結現(xiàn)象，反而縮短了滑環(huán)應有的使用壽命，且存在較大的安全隱患。
實際上，在合理的耐磨設計壓力范圍內(nèi)，增大刷壓，電阻變得更小而穩(wěn)定；當壓力穩(wěn)定不變，增大接觸面而壓強減小，接觸件的磨損率減小，以致滑環(huán)的使用壽命更長，信號傳輸也更加穩(wěn)定。
分析結論1：
合理而穩(wěn)定的刷壓，才能保障導電滑環(huán)使用壽命的最大化。
錯誤觀點2：
轉速越高的導電滑環(huán)，產(chǎn)品性能就越好。
錯誤依據(jù)2：
滑環(huán)的轉速越高，說明加工精度高，性能就更穩(wěn)定可靠。
問題分析2：
導電滑環(huán)的技術原理，決定了其使用壽命與轉速成反比，轉速越高，使用壽命越短。如轉速為6萬RPM的滑環(huán)， 以2億轉使用壽命來計算（2個都是目前市場上所宣稱的極限值），理論上使用時長只有5.5小時。因此，滑環(huán)轉速越高，其實際應用領域越小，超高轉速滑環(huán)目前只在高鐵、飛機引擎等高轉速檢測中有應用。
滑環(huán)轉速越快，接觸件摩擦產(chǎn)生的粉塵、磨損、錯位、高溫、短路等安全風險幾率也會隨之增加。所以，高轉速滑環(huán)都有個設計特點，體積小且電流較低，一般最大只有1安培，很多都是毫安級別的，超過1萬RPM的導電滑環(huán)，還須同時配備降溫系統(tǒng)設計。而大電流滑環(huán)的轉速都設計在每分鐘十幾到幾十轉范圍內(nèi)。
導電滑環(huán)的轉速取決于它所用的軸承，國內(nèi)市面上宣傳推廣的高轉速滑環(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)運行轉速約為4000 RPM，專業(yè)領域如乘用車的驅(qū)動電機轉子支撐軸承1.2萬RPM；國外知名品牌的高轉速電機的轉速才1.8萬～2.4萬RPM，無刷直流電機轉速不到4萬RPM，民用飛機引擎3萬RPM；大家日常所熟識的普通臺式電風扇轉速也不過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)級高轉速滑環(huán)的轉速為1000-2500RPM，而2萬RPM已是極限，且配備了1.4kg/cm2的冷卻空氣進行強制降溫。并非說國內(nèi)的滑環(huán)轉速就不能超過國外的，而是根據(jù)這些行業(yè)數(shù)據(jù)，相信大家心里對動輒幾萬轉的高速滑環(huán)應有所判斷。
回歸到導電滑環(huán)的本質(zhì)意義，只是一根導線，而不是電機或軸承。它的品質(zhì)在于信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，而不是超高的轉速。
分析結論2：
導電滑環(huán)的品質(zhì)性能取決于信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，零損失、零波動就是最佳品質(zhì)，與滑環(huán)的轉速無關（若說有，也只是負相關）。
錯誤觀點3：
導電滑環(huán)使用壽命等同于使用轉數(shù)，標記轉數(shù)越大，壽命越長，品質(zhì)越好。
錯誤依據(jù)3：
很多廠家在標示導電滑環(huán)使用壽命時，都會以使用轉數(shù)或“轉數(shù)@轉速”來表示。導電滑環(huán)使用壽命的轉數(shù)值越大，代表使用壽命越長。因此，2000萬轉肯定比1000萬轉的使用壽命長，品質(zhì)更好。
問題分析3：
由于導電滑環(huán)的應用十分廣泛，不同行業(yè)的品質(zhì)要求相差極大，甚至完全不一樣。如工程機械行業(yè)可能對電源信號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化設備行業(yè)則對閃斷要求每秒鐘不能高于30次；醫(yī)療設備、軍工裝備行業(yè)則要求控制在微秒級以內(nèi)；數(shù)據(jù)通訊行業(yè)則還會有數(shù)據(jù)丟包率、比特差錯、發(fā)送頻率及噪聲等多種要求。這就不難理解，為什么同樣一個全新的用在工業(yè)自動化設備上的滑環(huán)，可能完全不符合醫(yī)療設備的應用要求。
國內(nèi)大多導電滑環(huán)廠家主要是以滑環(huán)結構設計為主，缺乏不同應用行業(yè)的專業(yè)技術支撐。通用做法是以電阻動態(tài)波動值來作為電源信號傳輸品質(zhì)的衡量標準。 即便是這樣，品質(zhì)衡量標準仍然存在很大的差別。由于早期市場應用要求普遍不高的原因，絕大部分的滑環(huán)生產(chǎn)廠家對滑環(huán)的檢測都是使用市面上的電阻測試儀進行測試，但這種儀器采樣率較低，不足20次/秒，導致那些極短時間的閃斷都不會被捕捉。為此，三千米連接利用20多年的通信行業(yè)經(jīng)驗與資源，自主研發(fā)設計了高采樣率的電阻波動檢測設備，能以1,000,000/秒的速度對滑環(huán)的波動及閃斷進行測試，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備。
其次，比如同樣是1000萬轉使用壽命的導電滑環(huán)，不同廠家所用測試的轉速很可能不一樣，而且有的每天只測試8小時，有的是每天24小時不間斷測試，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。嚴格來說，脫離了測試方式方法、連續(xù)時長、轉速、環(huán)境、動態(tài)波動值等幾個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，嚴謹?shù)膹S家會先根據(jù)滑環(huán)實際應用的需求特點，再以應用需求行業(yè)標準規(guī)范來定義導電滑環(huán)的使用壽命，而且一般都會在使用壽命里標注“請注意，滑環(huán)的使用壽命取決于轉速、環(huán)境和溫度”。只有這樣定義出來的使用轉數(shù)，才是導電滑環(huán)的真實使用壽命。
分析結論3：
導電滑環(huán)使用轉數(shù)值不等同于使用壽命，更不能代表導電滑環(huán)品質(zhì)的好壞。
導電滑環(huán)品質(zhì)與使用壽命的三大影響因素——
通過以上刷壓、轉速、轉數(shù)3個不同角度的問題分析，相信大家對導電滑環(huán)的使用壽命及品質(zhì)會有新的、更加準確的認知，明白滿足市場應用領域技術品質(zhì)要求的使用壽命，才是導電滑環(huán)真正的使用壽命。只有這樣，我們才能進一步了解導電滑環(huán)的技術性能，才能正確理解導電滑環(huán)的材料、設計與工藝三大影響因素之間的關系。
決定導電滑環(huán)品質(zhì)的材料，主要是指導電滑環(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、信號的旋轉傳輸應用中，每一種材料都有著不同的特點性能，包括接觸件材料的導通性能、硬度、強度、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。為確保導電滑環(huán)環(huán)道和刷絲的接觸可靠性和壽命，應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。
影響導電滑環(huán)壽命的設計主要在刷壓設計與結構設計兩方面（當然還有電子部分的設計，但不是本文的重點，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)道設計成扁平形、圓弧形、V形、W形，接觸件的刷壓、導通性、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、工作時的溫度變化都會影響刷壓變化，造成電阻動態(tài)波動值發(fā)生變化，進而影響電源及信號的傳輸品質(zhì)。這其中的效果與差異，并不是僅僅憑設計師的多年設計經(jīng)驗就能區(qū)分、實現(xiàn)與把控的，而必須依靠大量的實驗、測試數(shù)據(jù)庫，長期的分析驗證積累，才能得出最為接近客觀事實的最優(yōu)解決方案。
影響導電滑環(huán)品質(zhì)的工藝主要包括技術處理工藝與人工制作工藝。技術處理工藝集中在接觸件表面平滑度、耐磨性、耐腐蝕性、導通性及摩擦粉塵等多個方面，隨著導電材料、電鍍工藝、表面處理等專業(yè)技術不斷發(fā)展，各大滑環(huán)廠家的技術處理工藝水平已日趨接近。對導電滑環(huán)品質(zhì)的影響，重點體現(xiàn)在人工制作工藝方面的差距。因為導電滑環(huán)應用十分廣泛，滑環(huán)行業(yè)的絕大部分業(yè)務都是非標定制化，只能靠人工操作與裝配。目前，人的因素仍然是導電滑環(huán)一致性、可靠性的最重要保障，同時也是最不可控的關鍵節(jié)點。
材料、設計、工藝都好，不等于品質(zhì)好——
不少人認為“好材料+好設計+好工藝”，還有成品技術參數(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，在競爭激烈的高科技時代，好產(chǎn)品已不可能靠這樣簡單疊加出來了，在導電滑環(huán)行業(yè)也不例外。
“差之毫厘，遠之千里”，我們曾挑選了10個各項技術參數(shù)初始值都一樣的同款導電滑環(huán)同時進行不間斷運行的極限壽命測試，結果10個滑環(huán)的使用壽命都不一樣、磨損程度也都不一樣、動態(tài)電阻波動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。即便已有嚴格的標準作業(yè)規(guī)范，一個擁有十幾年制作經(jīng)驗的技術工程師，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，則動態(tài)電阻波動值偏大（電阻動態(tài)波動值是檢驗滑環(huán)穩(wěn)定性最重要的指標，其穩(wěn)定性直接影響信號的傳輸質(zhì)量，當動態(tài)電阻波動值變化范圍較大時，若是功率環(huán)，則容易出現(xiàn)打火花現(xiàn)象；若是信號環(huán)，則會影響信號傳輸?shù)男Ч凰哼^大、過小，接觸件溫度都會偏高，刷絲的彈性應力降低，容易導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、動態(tài)電阻波動值、溫度變化之間有著怎樣的對應關系與變化規(guī)律。
2、裝配調(diào)刷時，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。但實際上，受內(nèi)部應力變化的影響，它的刷壓已經(jīng)與原來不一樣了。
3、接觸件各個工藝處理節(jié)點的時間長短、環(huán)境溫度的不同，如淬火、應力釋放、鍍覆等，都會導致成品的強度、硬度與表面耐磨性能就會相差很大。
因此，在第二輪測試時，我們把相同刷壓的導電滑環(huán)每3個作為一組，按不同刷壓等級分成5組導電滑環(huán)進行測試。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)與使用壽命進入標準化設計新時代——
近幾年來，導電滑環(huán)的結構設計與技術工藝越來越雷同、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)逐漸意識到，導電滑環(huán)行業(yè)的競爭力已不再是昔日的設計能力經(jīng)驗與特殊處理工藝，而是企業(yè)自身的標準化生產(chǎn)設計能力與數(shù)據(jù)化生產(chǎn)管控能力。
因為，只有將“規(guī)范化、數(shù)據(jù)化、標準化”貫穿到材料、工藝、成品的設計、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；才能對產(chǎn)品進行專業(yè)的分級、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)的真實品質(zhì)與真正使用壽命，針對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，甚至引領滑環(huán)行業(yè)進入新的發(fā)展時代。
超長壽命小空心軸滑環(huán)系列
型號 | 使用壽命（轉） | 測試轉速 | 測試方式 | 動態(tài)電阻波動值 | 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 |
