Wofür werden hydraulische Schleifringe verwendet?
Wissen Sie, ich arbeite jetzt seit fast 15 Jahren mit rotierenden Geräten, und hydraulische Schleifringe gehören zu den Komponenten, über die niemand wirklich spricht, bis etwas katastrophal schief geht. Letzten Monat stürzte ein Kran in einer Hafenanlage in Long Beach ab.{{2}Es stellte sich heraus, dass der hydraulische Schleifring schon seit Wochen undicht war, aber der Bediener füllte einfach weiter Flüssigkeit nach. Als sie uns anriefen, war überall Hydrauliköl und der gesamte Rotationsmechanismus war kaputt.
Die Grundlagen (aber nicht die Lehrbuchversion)
Daher sind hydraulische Schleifringe{0}}manchmal auch Drehdurchführungen, hydraulische Drehgelenke oder hydraulische Drehgelenke genannt, je nachdem, mit wem man spricht-sie sind im Grunde das, was es einem ermöglicht, Hydraulikflüssigkeit aus einer stationären Quelle in etwas zu pumpen, das sich dreht. Stellen Sie sich das wie... okay, schlechte Analogie vor, aber stellen Sie sich vor, Sie versuchen, einen Eimer mit Wasser zu füllen, während er sich auf einer Töpferscheibe dreht. Sie brauchen eine Möglichkeit, das Wasser dorthin zu bringen, ohne dass es überall hinläuft.
Der häufigste Ort, an dem ich diese sehe? Kräne. Baukräne, Schiffskräne, Mobilkräne und Raupenkräne-Wenn schwere Lasten gehoben und gedreht werden, handelt es sich wahrscheinlich um einen hydraulischen Schleifring. Aber das kratzt nur an der Oberfläche.
Wo Sie sie tatsächlich finden (und wo sie kaputt gehen)
Windkraftanlagensind mittlerweile große Nutzer hydraulischer Schleifringe. Die Pitch-Kontrollsysteme benötigen hydraulische Energie, um die Blattwinkel anzupassen, und offensichtlich dreht sich die Gondel mit der Windrichtung. Ich habe 2019 an einem Vestas V90-Nachrüstprojekt gearbeitet und wir haben Schleifringe ausgetauscht, deren Lebensdauer weniger als 8 Jahre betrug. Die OEM-Spezifikation besagte 20 Jahre. Warum? Salzluftkorrosion durch Küsteninstallation. Daran denkt niemand bei den ersten Entwurfsberechnungen.
Auch die Offshore-Ölindustrie nutzt sie ausgiebig-insbesondere Bohrinseln. Aber hier ist etwas Interessantes: Die Fehlermodi unterscheiden sich völlig von landbasierten Anwendungen. Wir hatten eine Bohranlage im Golf von Mexiko, bei der alle 6–8 Monate die Schleifringdichtungen ausfielen. Es stellte sich heraus, dass die Kombination aus Hitze (dort unten in der Nähe des Bohrbodens wird es HEISS) und der speziellen Art der synthetischen Hydraulikflüssigkeit, die sie verwendeten, die Viton-Dichtungen zerstörte. Auf HNBR-Dichtungen umgestellt und das Problem war behoben. Kosten etwa 12.000 US-Dollar mehr pro Einheit, aber wenn Ihre Ausfallzeit 500.000 US-Dollar pro Tag beträgt, ist Ihnen das eigentlich egal.
Militärische Anwendungen-Radarsysteme, Panzertürme, Marinegeschützsysteme. Ich kann aufgrund von NDAs nicht viel darüber reden, aber lassen Sie mich einfach sagen, dass die Technik schnell interessant wird, wenn Sie eine 5-Tonnen-Radaranlage drehen und dabei Hydraulikflüssigkeit mit 3.000 PSI pumpen müssen. Die Schleifringe für diese Anwendungen verfügen manchmal über redundante Flusspfade, was im Grunde bedeutet, dass Sie bei Ausfall eines Kanals über einen Ersatz verfügen. Ich habe Einheiten mit bis zu 8 unabhängigen Hydraulikkanälen in einem einzigen Gehäuse gesehen.
Medizinische Geräte sind ein weiterer Bereich, der die Menschen überrascht. CT-Scanner und einige spezialisierte chirurgische Roboter verwenden hydraulische Schleifringe. Die CT-Scanner-Anwendung stellt eine besondere Herausforderung dar, da eine gleichmäßige, vibrationsfreie Rotation bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung eines präzisen Flüssigkeitsflusses erforderlich ist. Ein Scanner, mit dem wir an der UCLA Medical gearbeitet haben, musste bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 180 U/min eine Durchflusskonsistenz von ±2 % aufrechterhalten. Versuchen Sie das mit herkömmlichen hydraulischen Anschlüssen.
Die technischen Herausforderungen, vor denen Sie niemand warnt
Der Druckabfall am Schleifring gehört zu den Dingen, die auf dem Papier unbedeutend erscheinen, in realen Installationen jedoch endlose Kopfschmerzen verursachen. Wir haben Systeme gesehen, bei denen die Ingenieure alles für die Aktuatoren und Zylinder perfekt berechnet haben, aber völlig vergessen haben, den Druckabfall von 150 PSI über den Schleifring zu berücksichtigen. Ergebnis? Langsamer Betrieb, überhitzte Pumpe, verkürzte Lebensdauer der Komponenten.
Die Temperatur ist der stille Killer. Hydraulikflüssigkeit wird heiß, wenn sie hart arbeitet, und wenn man sie durch die engen Zwischenräume in einem Schleifring drückt (bei den meisten Konstruktionen sprechen wir von 0,001 bis 0,003 Zoll), erzeugt sie noch mehr Wärme. Ich habe bei Baggern, die im Sommer in Arizona im Einsatz waren, Temperaturen im Schleifringgehäuse von über 180 Grad F gemessen. Bei diesen Temperaturen sind Sie an der Grenze dessen, was die meisten hydraulischen Dichtungen langfristig aushalten können.
Dinge aus der realen-Welt, die wichtig sind
Bei der Installation beginnen die meisten Probleme. Der Schleifring muss korrekt zur rotierenden Achse ausgerichtet sein-normalerweise innerhalb von 0,005" TIR (gesamter angezeigter Rundlauffehler). Ich habe viele Installationen gesehen, bei denen jemand ihn einfach angeschraubt und für gut befunden hat. Drei Monate später fragen sie sich, warum er undicht ist.
Ach ja, und hier ist etwas, das in keinem Handbuch steht: Die Befestigungsschrauben müssen nach den ersten 50–100 Betriebsstunden nachgezogen werden. Durch den Temperaturwechsel kommt es zur Beruhigung. Niemand macht das. Immer. Dann geben sie dem Hersteller die Schuld, wenn es nach 2.000 Stunden und nicht nach 10.000 Betriebsstunden zu lecken beginnt.
Die Portkonfiguration ist viel wichtiger als man denkt. Sie können Schleifringe mit seitlichen Anschlüssen, axialen Anschlüssen oder beidem erhalten. Für eine Krananwendung verwenden wir normalerweise seitliche Anschlüsse auf der stationären Seite und axiale Anschlüsse auf der rotierenden Seite. Aber bei einer Windkraftanlage, wo der Platz knapp ist? Manchmal bleibt man bei dem, was physisch funktioniert, stecken, auch wenn das mit umständlichen Klempnerarbeiten verbunden ist.
Die ganze Sache mit dem „wartungsfreien-freien“ Marketing? Ja, das ist größtenteils Unsinn. Sicher, der Schleifring selbst muss möglicherweise nicht regelmäßig gewartet werden, das Hydrauliksystem um ihn herum jedoch auf jeden Fall. Kontamination ist Feind Nummer eins. Ein Stück Metall von einer verschlissenen Pumpe, ein Stück Gummi von einem beschädigten Schlauch – und schon können die Dichtflächen beschädigt werden. Wir haben Schleifringe abgekratzt, nachdem wir Metallpartikel gefunden hatten, die mit einer 10-fach-Lupe kaum zu erkennen waren.
Anwendungen habe ich noch gar nicht erwähnt
Automatisierte Fertigung-Transfertische, Rundschalttische, Montagevorrichtungen. Diese laufen normalerweise bei niedrigeren Drücken (800–1500 PSI), aber viel höheren Zyklusraten. Ich habe Schleifringe an Automobilmontagelinien gesehen, die rund um die Uhr 10–12 Mal pro Minute laufen. Die Berechnung der Lebenserwartung für diese unterscheidet sich völlig von der eines Krans, der sich alle paar Minuten einmal dreht.
Stahlwerke verwenden hydraulische Schleifringe in Pfannentürmen und in einigen Walzwerkskonfigurationen. Die Umgebung ist brutaler Hitze, Ablagerungen, Vibrationen und Stoßbelastungen ausgesetzt. Wir lieferten einen Schleifring mit 4 -Kanälen für einen Stranggießrevolver, der Umgebungstemperaturen von bis zu 200 °F und gelegentlichem Spritzwasser standhalten musste. Kundenspezifisches Edelstahlgehäuse, keramikbeschichteter Rotor, spezielle Hochtemperaturdichtungen. Hat 7 Jahre gehalten, bevor ein Umbau nötig war. Der Kunde war begeistert, denn das Vorgängergerät hielt weniger als 3 Jahre.
Unterhaltungsindustrie-Bühnenausrüstung, rotierende Plattformen, Luftaufnahmen für Konzerte und Shows. Die Anforderungen sind interessant, da ein zuverlässiger Betrieb erforderlich ist, die Einschaltdauer jedoch normalerweise recht gering ist. Die Herausforderung besteht eher darin, die Verpackung zu verpacken,-sie klein und leicht zu halten und gleichzeitig genug Durchfluss für mehrere Hydraulikzylinder zu ermöglichen.
Dinge, die schief gehen (eine unvollständige Liste)
Versagen von Dichtungen ist wahrscheinlich 60 % der Probleme, die wir sehen. Möglicherweise handelt es sich um eine falsche Materialauswahl, eine Kontamination, Druckspitzen oder eine unsachgemäße Installation. Manchmal ist es einfach Pech.
Auch Lagerausfälle kommen vor, wenn auch seltener. Normalerweise liegt es daran, dass jemand die Tragfähigkeitsrichtlinien nicht befolgt hat. Nur weil ein Schleifring 3.000 PSI hydraulisch verarbeiten kann, bedeutet das nicht, dass er einer Momentlast von 5.000 lb standhalten kann. Überprüfen Sie die Tragfähigkeitskurven des Herstellers. Sie existieren aus einem bestimmten Grund.
Kavitationsschäden-Ich habe dies bei Anwendungen mit hohem-Durchfluss beobachtet, bei denen die Strömungsgeschwindigkeit zu hoch wird und der lokale Druck unter den Dampfdruck fällt. Am Ende bilden sich winzige Blasen, die dann wieder zusammenfallen und das Metall erodieren. Klingt wie Sandstrahlen von innen. Die Lösung ist meist ein größerer Schleifring oder eine Reduzierung der Durchflussrate, was der Kunde aber nicht hören möchte.
Eine Kreuzkontamination-zwischen Passagen ist selten, kann aber katastrophal sein, wenn sie auftritt. Ich hatte einen Schleifring mit 6-Durchgängen in einer Forstmaschinenanwendung, bei dem eine Dichtung im Inneren versagte und es zu einem Leck des Hochdruckflusses in eine Niederdruck-Rücklaufleitung kam. Der daraus resultierende Druckstoß sprengte drei verschiedene Hydraulikzylinder. Teuerer Tag.
Kostenrealität
Ein einfacher 1-Schleifring für 3000 PSI-Anwendungen kann je nach Bohrungsgröße und Ausstattung zwischen 800 und 2000 US-Dollar kosten. Mehrkanalige Anlagen für komplexe Anwendungen? Ich habe Angebote über 25.000 US-Dollar für Spezialeinheiten gesehen. Individuelle Designs mit exotischen Materialien? Der Himmel ist die Grenze.
Aber hier ist die Sache: -Der Schleifring selbst macht normalerweise nur einen winzigen Bruchteil der gesamten Systemkosten aus. Ein Kran könnte 2 Millionen Dollar kosten. Der hydraulische Schleifring kostet vielleicht 5.000 US-Dollar. Wenn dieser Schleifring jedoch ausfällt, könnten Ausfallkosten in Höhe von 50 $000+ anfallen. Aus diesem Grund empfehlen wir immer, für kritische Anwendungen ein Ersatzgerät bereitzuhalten, auch wenn die meisten Kunden es nicht hören möchten.
Was ich Leuten erzähle, wenn sie ein neues System spezifizieren
Passen Sie die Durchflusskapazität an Ihren tatsächlichen Bedarf an, nicht nur an die Pumpenkapazität. Ich habe zu viele übergroße Schleifringe gesehen, bei denen die tatsächliche Durchflussrate halb so groß ist wie die, die der Schleifring bewältigen kann. Am Ende kommt es zu niedrigen Geschwindigkeiten und möglichen Stagnationsproblemen.
Denken Sie an die Wartungsfreundlichkeit. Kann man den Schleifring tatsächlich austauschen, ohne die gesamte Maschine zu demontieren? Ich habe an Installationen gearbeitet, bei denen der Austausch des Schleifrings eine dreitägige Krandemontage erforderte. Nicht ideal.
Umweltversiegelung ist wichtig. Wenn Sie sich in einer staubigen Umgebung befinden, ist die Kontaminationskontrolle von entscheidender Bedeutung. Meeresumgebungen benötigen korrosionsbeständige Materialien. Bei extremen Temperaturen müssen Dichtungsmaterialien und Abstände besonders berücksichtigt werden.
Und bitte, bitte geben Sie die richtige Hydraulikflüssigkeit an. Der Schleifringhersteller orientiert sich bei der Entwicklung an bestimmten Flüssigkeitseigenschaften-Viskosität, Zusatzstoffen und Grundmaterial. Die Verwendung beliebiger Ersatzflüssigkeiten ist problematisch.
Die Zukunft (vielleicht)
Derzeit wird an berührungslosen Magnetkupplungssystemen gearbeitet, die in einigen Anwendungen möglicherweise hydraulische Schleifringe ersetzen könnten. Die Idee besteht darin, mithilfe eines Magnetantriebs Flüssigkeit durch ein abgedichtetes System ohne rotierende Dichtungen zu pumpen. Interessantes Konzept, aber ich habe noch nicht gesehen, dass es über etwa 1500 PSI gut funktioniert. Wir werden sehen.
Einige Hersteller arbeiten an integrierten Sensorpaketen, die den Zustand des Schleifrings-Temperatur, Druck und Vibration überwachen. Vorausschauende Wartung statt reaktiver Reparatur. Macht in der Theorie Sinn. In der Praxis möchten die meisten Kunden nicht den Aufpreis für die Smart-Version zahlen, wenn die Basisversion nur die Hälfte kostet.
Die Realität ist, dass hydraulische Schleifringe eine ausgereifte Technologie sind, die bei richtiger Anwendung gut funktioniert. Sie werden so schnell nicht verschwinden, auch wenn einige Leute in der Branche vielleicht von einer „vollständig elektrischen“ Zukunft behaupten. Hydraulik bietet immer noch Vorteile in Bezug auf Leistungsdichte und Zuverlässigkeit, die mit elektrischen Aktuatoren kaum zu erreichen sind, insbesondere in rauen Umgebungen.