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超长寿命导电滑环进入标准化设计新时代

超长寿命导电滑环进入标准化设计新时代

一文读懂导电滑环的真实品质与真正使用寿命

导电滑环品质与使用寿命的三个错误观点——

近年来，超长寿命、超高速的导电滑环成为了不少滑环生产厂家宣传的热点，宣称的长寿命一般在2000万转至2亿转，高转速有1千至6万转/分钟（RPM）不等。各家产品方案的实现方法不尽相同，设计原理相似，主要包括了材料、刷压、表面处理工艺三大方面。但对导电滑环的超长寿命、超高速的概念描述得较为含糊不清，且可信度不高。只能提供一些理论上的数据，或还在样品阶段，或缺乏足够的检验数据支撑，甚至存在不符逻辑，数据相互矛盾等。我们不妨先看看以下几个与滑环使用寿命、转速、品质相关的错误观点、似是而非的依据和我们对它们所存在的问题分析。

错误观点1：

接近零刷压的电刷设计，减小接触面，滑环寿命延长了1/3。

错误依据1：

因为刷压小、接触面越小、接触件表面光滑度高，接触件磨损就越小，所以就延长了滑环的使用寿命。

问题分析1：

刷压的确是使用寿命的重要影响因素，只是刷压越小，稳定性极难控制，电流动态波动值就会越大，反而增加了电功率或信号传输的不稳定性。同时，接触面越小，电阻也会越大，在高速旋转时，更容易造成高温，甚至产生火花，导致接触件烧结现象，反而缩短了滑环应有的使用寿命，且存在较大的安全隐患。

实际上，在合理的耐磨设计压力范围内，增大刷压，电阻变得更小而稳定；当压力稳定不变，增大接触面而压强减小，接触件的磨损率减小，以致滑环的使用寿命更长，信号传输也更加稳定。

分析结论1：

合理而稳定的刷压，才能保障导电滑环使用寿命的最大化。

错误观点2：

转速越高的导电滑环，产品性能就越好。

错误依据2：

滑环的转速越高，说明加工精度高，性能就更稳定可靠。

问题分析2：

导电滑环的技术原理，决定了其使用寿命与转速成反比，转速越高，使用寿命越短。如转速为6万RPM的滑环， 以2亿转使用寿命来计算（2个都是目前市场上所宣称的极限值），理论上使用时长只有5.5小时。因此，滑环转速越高，其实际应用领域越小，超高转速滑环目前只在高铁、飞机引擎等高转速检测中有应用。

滑环转速越快，接触件摩擦产生的粉尘、磨损、错位、高温、短路等安全风险几率也会随之增加。所以，高转速滑环都有个设计特点，体积小且电流较低，一般最大只有1安培，很多都是毫安级别的，超过1万RPM的导电滑环，还须同时配备降温系统设计。而大电流滑环的转速都设计在每分钟十几到几十转范围内。

导电滑环的转速取决于它所用的轴承，国内市面上宣传推广的高转速滑环有8千、1万、2万、4万、6万RPM的。而我国通用轴承的最高连续运行转速约为4000 RPM，专业领域如乘用车的驱动电机转子支撑轴承1.2万RPM；国外知名品牌的高转速电机的转速才1.8万～2.4万RPM，无刷直流电机转速不到4万RPM，民用飞机引擎3万RPM；大家日常所熟识的普通台式电风扇转速也不过500-1500 RPM的范围。

全球最知名的滑环生产商，生产的工业级高转速滑环的转速为1000-2500RPM，而2万RPM已是极限，且配备了1.4kg/cm2的冷却空气进行强制降温。并非说国内的滑环转速就不能超过国外的，而是根据这些行业数据，相信大家心里对动辄几万转的高速滑环应有所判断。

回归到导电滑环的本质意义，只是一根导线，而不是电机或轴承。它的品质在于信号传输的稳定性，而不是超高的转速。

分析结论2：

导电滑环的品质性能取决于信号传输的稳定性，零损失、零波动就是最佳品质，与滑环的转速无关（若说有，也只是负相关）。

错误观点3：

导电滑环使用寿命等同于使用转数，标记转数越大，寿命越长，品质越好。

错误依据3：

很多厂家在标示导电滑环使用寿命时，都会以使用转数或“转数@转速”来表示。导电滑环使用寿命的转数值越大，代表使用寿命越长。因此，2000万转肯定比1000万转的使用寿命长，品质更好。

问题分析3：

由于导电滑环的应用十分广泛，不同行业的品质要求相差极大，甚至完全不一样。如工程机械行业可能对电源信号的闪断基本没有要求，闪断1、2秒钟几乎没什么影响；而一些高精密的自动化设备行业则对闪断要求每秒钟不能高于30次；医疗设备、军工装备行业则要求控制在微秒级以内；数据通讯行业则还会有数据丢包率、比特差错、发送频率及噪声等多种要求。这就不难理解，为什么同样一个全新的用在工业自动化设备上的滑环，可能完全不符合医疗设备的应用要求。

国内大多导电滑环厂家主要是以滑环结构设计为主，缺乏不同应用行业的专业技术支撑。通用做法是以电阻动态波动值来作为电源信号传输品质的衡量标准。 即便是这样，品质衡量标准仍然存在很大的差别。由于早期市场应用要求普遍不高的原因，绝大部分的滑环生产厂家对滑环的检测都是使用市面上的电阻测试仪进行测试，但这种仪器采样率较低，不足20次/秒，导致那些极短时间的闪断都不会被捕捉。为此，三千米连接利用20多年的通信行业经验与资源，自主研发设计了高采样率的电阻波动检测设备，能以1,000,000/秒的速度对滑环的波动及闪断进行测试，大大提高了测试的精度与可靠性，是目前业内精度最高的闪断检测设备。

其次，比如同样是1000万转使用寿命的导电滑环，不同厂家所用测试的转速很可能不一样，而且有的每天只测试8小时，有的是每天24小时不间断测试，有的在常温测试，有的在高低温不同或交替的模拟环境里测试等等。严格来说，脱离了测试方式方法、连续时长、转速、环境、动态波动值等几个主要维度去表述寿命，都是片面且不规范的，它们之间没有可比性，更无法作为正常使用寿命的判断依据。

因此，严谨的厂家会先根据滑环实际应用的需求特点，再以应用需求行业标准规范来定义导电滑环的使用寿命，而且一般都会在使用寿命里标注“请注意，滑环的使用寿命取决于转速、环境和温度”。只有这样定义出来的使用转数，才是导电滑环的真实使用寿命。

分析结论3：

导电滑环使用转数值不等同于使用寿命，更不能代表导电滑环品质的好坏。

导电滑环品质与使用寿命的三大影响因素——

通过以上刷压、转速、转数3个不同角度的问题分析，相信大家对导电滑环的使用寿命及品质会有新的、更加准确的认知，明白满足市场应用领域技术品质要求的使用寿命，才是导电滑环真正的使用寿命。只有这样，我们才能进一步了解导电滑环的技术性能，才能正确理解导电滑环的材料、设计与工艺三大影响因素之间的关系。

决定导电滑环品质的材料，主要是指导电滑环的接触件材料，包括了金、银、铜、稀贵金属及它们各种不同配比、制作工艺的合成金属。在不同的电源、信号的旋转传输应用中，每一种材料都有着不同的特点性能，包括接触件材料的导通性能、硬度、强度、弹性、脆性、延展性、磨损性、耐腐蚀性、耐高低温与散热性能等等。为确保导电滑环环道和刷丝的接触可靠性和寿命，应使两种材料的硬度尽可能匹配，以最大限度降低接触件之间的磨损率。

影响导电滑环寿命的设计主要在刷压设计与结构设计两方面（当然还有电子部分的设计，但不是本文的重点，就不展开说了）。相同材料，如0.3、0.25、0.2、0.17、0.1、0.08、0.05mm等不同直径的刷丝应力不一样，能承受的刷压都不一样；材料与直径都相同的刷丝，采用单刷、多刷、束刷等不同形式，或环道设计成扁平形、圆弧形、V形、W形，接触件的刷压、导通性、磨损率也都不一样；刷丝的不同形状及长度、与环道的接触角度、工作时的温度变化都会影响刷压变化，造成电阻动态波动值发生变化，进而影响电源及信号的传输品质。这其中的效果与差异，并不是仅仅凭设计师的多年设计经验就能区分、实现与把控的，而必须依靠大量的实验、测试数据库，长期的分析验证积累，才能得出最为接近客观事实的最优解决方案。

影响导电滑环品质的工艺主要包括技术处理工艺与人工制作工艺。技术处理工艺集中在接触件表面平滑度、耐磨性、耐腐蚀性、导通性及摩擦粉尘等多个方面，随着导电材料、电镀工艺、表面处理等专业技术不断发展，各大滑环厂家的技术处理工艺水平已日趋接近。对导电滑环品质的影响，重点体现在人工制作工艺方面的差距。因为导电滑环应用十分广泛，滑环行业的绝大部分业务都是非标定制化，只能靠人工操作与装配。目前，人的因素仍然是导电滑环一致性、可靠性的最重要保障，同时也是最不可控的关键节点。

材料、设计、工艺都好，不等于品质好——

不少人认为“好材料+好设计+好工艺”，还有成品技术参数检测作为最终的质量保障，必定能做出好产品来。其实，在竞争激烈的高科技时代，好产品已不可能靠这样简单叠加出来了，在导电滑环行业也不例外。

“差之毫厘，远之千里”，我们曾挑选了10个各项技术参数初始值都一样的同款导电滑环同时进行不间断运行的极限寿命测试，结果10个滑环的使用寿命都不一样、磨损程度也都不一样、动态电阻波动值变化大小更不一样，最大的差距竟接近60%。深究其原因，是缺乏系统性数据化的支撑。即便已有严格的标准作业规范，一个拥有十几年制作经验的技术工程师，在从材料到滑环成品的制作过程中，也很难确保滑环刷丝刷压的一致性：

1、刷压大的，磨损快；刷压小的，则动态电阻波动值偏大（电阻动态波动值是检验滑环稳定性最重要的指标，其稳定性直接影响信号的传输质量，当动态电阻波动值变化范围较大时，若是功率环，则容易出现打火花现象；若是信号环，则会影响信号传输的效果）；刷压过大、过小，接触件温度都会偏高，刷丝的弹性应力降低，容易导致刷压随温度变化而变化。更无法确定不同的刷压范围与磨损率、动态电阻波动值、温度变化之间有着怎样的对应关系与变化规律。

2、装配调刷时，刷丝不小心弄弯曲了，重新调直，虽刷丝的外观一模一样，看不出有任何差别。但实际上，受内部应力变化的影响，它的刷压已经与原来不一样了。

3、接触件各个工艺处理节点的时间长短、环境温度的不同，如淬火、应力释放、镀覆等，都会导致成品的强度、硬度与表面耐磨性能就会相差很大。

因此，在第二轮测试时，我们把相同刷压的导电滑环每3个作为一组，按不同刷压等级分成5组导电滑环进行测试。不出所料，最终得出了5组都十分相近甚至相同的测试参数数据。

滑环品质与使用寿命进入标准化设计新时代——

近几年来，导电滑环的结构设计与技术工艺越来越雷同、差异化越来越少。如何提升产品的市场竞争力？有先知先觉的滑环生产厂家已经逐渐意识到，导电滑环行业的竞争力已不再是昔日的设计能力经验与特殊处理工艺，而是企业自身的标准化生产设计能力与数据化生产管控能力。

因为，只有将“规范化、数据化、标准化”贯穿到材料、工艺、成品的设计、生产与管理，并形成良性的优化循环系统。才能在导电滑环接触件的磨损率、稳定性、一致性之间取得最佳平衡点；才能对产品进行专业的分级、分批管理，确保批量产品最佳的一致性与可靠性；才能精确把控滑环的真实品质与真正使用寿命，针对性地满足于来自不同行业的各种各样的市场需求，让客户用得明明白白、清清楚楚；才能让公司在越演越烈的市场竞争中脱颖而出，甚至引领滑环行业进入新的发展时代。

超长寿命小空心轴滑环系列