Inzicht in borsteldefecten
Borsteldefecten zijn problemen met de koolstof- of metaal-grafietborstels die de elektrische stroom geleiden tussen de stationaire en roterende onderdelen van gelijkstroommotoren, wisselstroommotoren met gewikkelde rotor, generatoren en sleepringconstructies. Veelvoorkomende defecten zijn slijtage van de borstels, onjuiste aanligging, klapperen (stuiteren), vonkvorming, vervuiling en problemen met de veerspanning. Elk van deze defecten veroorzaakt problemen op meer dan één gebied: elektrisch (slechte stroomoverdracht en boogontlading), mechanisch (trillingen (door het stuiteren), en — indien dit niet wordt verholpen — secundaire schade aan de commutator of de sleepringen.
Machines met koolborstels worden geleidelijk verdrongen door wisselstroom-inductiemotoren, maar ze zijn nog lang niet verdwenen. Gelijkstroomaandrijvingen, motoren met gewikkelde rotor, generatoren en diverse speciale apparatuur maken nog steeds gebruik van koolborstels, dus het herkennen van defecten aan koolborstels blijft een essentieel onderdeel van diagnose van elektromotoren and of any elektrische storing onderzoek naar draaiende installaties.
1. Veelvoorkomende gebreken bij borstels
Brush Wear
Enige slijtage is normaal, maar kan sterk versneld worden:
- Normale slijtage: geleidelijk materiaalverlies door wrijving — in de orde van grootte van 1–2 mm per 1000 uur.
- Versnelde slijtage: veroorzaakt door hoge stroomsterkte, slechte smering (geen beschermende koolstoffilm) of vervuiling.
- Symptomen: de borstels zijn zichtbaar korter geworden en naderen hun minimale lengte.
- Gevolgen: een te lage veerdruk naarmate de borstel korter wordt, wat leidt tot slecht contact en meer vonkvorming.
- Actie: vervangen wanneer het tot de minimale lengte is versleten, doorgaans een derde tot de helft van de oorspronkelijke lengte.
Klapperen van de borstel (stuiteren)
Hier verliest de borstel af en toe het contact met de commutator:
- Oorzaken: onvoldoende veerdruk, een ruwe commutator, externe trillingen, of een excentrische commutator.
- Symptomen: Zichtbare vonken, hoorbaar gezoem of geratel, elektrisch geluid
- Trilling: het stuiteren veroorzaakt schokken op de doorloopfrequentie van de commutatorlamellen.
- Schade: versnelt de slijtage van de commutator en veroorzaakt schade door boogontlading.
- Frequentie: Het klapperen bevindt zich doorgaans in het bereik van 100–1000 Hz.
Slechte aanligging van de borstel
- Beschrijving: het borstelvlak sluit niet aan op de kromming van de commutator.
- Oorzaken: nieuwe borstels die nog niet zijn ingelopen, onjuiste montage of een te harde borstelkwaliteit.
- Effect: kleiner contactoppervlak, hoge lokale stroomdichtheid en geconcentreerde verwarming.
- Symptomen: overmatige vonkvorming, oververhitte plekken en snelle slijtage.
- Oplossing: een goede inloopprocedure, de juiste keuze van de borstelkwaliteit en inslijpstenen.
Verontreiniging
- Olie en vet: wrijving verminderen, de vorming van een koolstoffilm voorkomen en elektrische overslag veroorzaken.
- Stof: schurende deeltjes die versnellen slijtage.
- Vocht: bevordert corrosie en verstoort het elektrisch contact.
- Ophoping van koolstofstof: Kan tussen segmenten kortsluiten of volgpaden creëren
Problemen met de veer van de borstel
- Weak springs: onvoldoende druk, slecht contact en stuiteren.
- Gebroken veren: er is helemaal geen druk, dus de borstel maakt geen contact meer.
- Verkeerde druk: te hoog leidt tot overmatige slijtage, te laag leidt tot slecht contact.
- Corrosie: Gecorrodeerde veren verliezen hun veerkracht.
Vonkvorming en boogvorming
- Zichtbare vonken op het raakvlak tussen borstel en commutator.
- Oorzaken zijn onder meer klapperen, slecht contact, overbelasting en schade aan de commutator.
- De schade is progressief en veroorzaakt putjes in het oppervlak van de commutator.
- In het ergste geval leidt dit tot een flashover — een boog die meerdere segmenten met elkaar verbindt.
2. Trillingspatronen
Borstelgerelateerde trillingen
- Klapperen: hoogfrequente trillingen in het bereik van 100–1000 Hz wanneer de borstel stuitert.
- Doorloopfrequentie van de commutatorlamellen: aantal commutatorlamellen × toerental / 60.
- Elektrische harmonischen: een familie van harmonischen door boogontlading en herhaaldelijke stroomonderbrekingen.
- Breedbandruis: willekeurige hoogfrequente signalen die door vonkvorming worden gegenereerd.
- Amplitudemodulatie: treedt op als de excentriciteit ervoor zorgt dat de contactdruk één keer per omwenteling varieert.
Secundaire mechanische effecten
- Door de wrijving van de borstels ontstaan er tangentiële krachten op de commutator.
- Ongelijkmatige slijtage van de borstel kan leiden tot onbalans-achtige symptomen.
- Een asymmetrische veerdruk kan de centrering van de rotor verstoren.
Aangezien een aantal van deze signalen qua frequentie overeenkomt met die van echte mechanische storingen, vormen problemen met de koolborstels een veelvoorkomende bron van verwarring bij de diagnose — een goede reden om altijd eerst de doorloopfrequentie van de commutatorlamellen te controleren voordat men de lagers de schuld geeft.
3. Detectiemethoden
Visuele inspectie
- Brush length: meet de resterende lengte en vervang het materiaal als deze onder het minimum komt.
- Contactoppervlak: het moet glad zijn en aansluiten op de vorm van de commutator.
- Vonken: controleer in een verduisterde ruimte — lichte vonkvorming is normaal, hevige vonkvorming is een probleem.
- Verontreiniging: controleer op olie-, stof- en roetafzetting.
- Veertoestand: Controleer of de veren intact zijn en de juiste spanning leveren.
Elektrische tests
- Contactweerstand van de borstel: moet laag zijn en voor alle borstels gelijk blijven.
- Veerdruk: meet met een veerweegschaal — doorgaans 1,5–3,5 psi contactdruk.
- Spanningsval: over het raakvlak tussen de borstel en de commutator, gewoonlijk minder dan 1 V per borstel.
Trillings- en akoestische methoden
- High-frequency versnellingsmeter metingen om de schokken/slagen van het stotteren vast te leggen.
- Akoestische emissie voor het detecteren van vonkvorming.
- Ultrasone bewaking voor corona-ontlading of tracking.
- Spectrumanalyse om de frequentie van de commutatorstaven te isoleren.
Thermische beeldvorming
- Hete borstels duiden op slecht contact of overbelasting.
- Hotspots op de commutator duiden op plaatselijke problemen.
- Thermografie kan een temperatuurverschil tussen de borstelsets aan het licht brengen.
4. Het meten van borsteltrillingen in de praktijk
Als er een vermoeden bestaat dat een machine met koolborstels last heeft van trillingen of vonkvorming, is de beste manier om dit te controleren een meting van de hoogfrequente trillingen bij de behuizing van het koolborstelmechanisme. Een draagbare tweekanaalsanalysator zoals de Balanset-1A hiermee kunt u het spectrum vastleggen en nagaan of de energie overeenkomt met de commutatorstaaf-passeringsfrequentie of met een breedbandig vonkpatroon. In combinatie met een visuele inspectie in een verduisterde ruimte en een spanningsvaltest helpt dit om een echt defecte koolborstel te onderscheiden van een losstaand lager- of balansprobleem — en, zodra de nieuwe koolborstels zijn geplaatst, te controleren of de hoogfrequente component weer is gedaald tot het basisniveau. Het bijhouden van die meetwaarden binnen een conditiebewaking Het programma zorgt ervoor dat een reactieve vervanging een geplande vervanging wordt.
5. Onderhoud en correctie
Routinematig borstelonderhoud
- Inspectiefrequentie: maandelijks voor kritieke machines, driemaandelijks voor algemene toepassingen — een logische keuze voor periodieke monitoring op basis van routes.
- Schoonmaken: zuig het koolstofstof op en reinig het oppervlak van de commutator.
- Lengtecontrole: Vervang de borstels zodra ze de minimale lengte hebben bereikt.
- Veerspanning: controleer of de druk correct is.
- Toestand van de commutator: controleer op krassen, putjes en hoge ribbels.
Borstel vervangen
- Gebruik de juiste kwaliteit voor de toepassing — raadpleeg de fabrikant.
- Vervang alle borstels in een set tegelijk.
- Zorg ervoor dat de borstels goed passen in de borstelhouders.
- Geef nieuwe borstels een inloopperiode van 24 tot 48 uur, zodat ze volledig kunnen inslijten.
- Controleer de veerdruk na de montage nogmaals.
Onderhoud van de commutator
- Maak het regelmatig schoon met goedgekeurde oplosmiddelen of schuurstenen.
- Draai de commutator (met een machine) bij als deze groeven vertoont of ruw is geworden.
- Freest het mica tussen de staven uit op de aangegeven plaatsen.
- Controleer op te hoge stangen, losse stangen en beschadigde segmenten.
6. Beste praktijken op het gebied van preventie
Bedrijfspraktijken
- Werk binnen de nominale stroomsterkte om de opwarming van de borstels te beperken.
- Vermijd te vaak starten — de startstroom belast de koolborstels.
- Houd de omgeving schoon om besmetting te voorkomen.
- Regel de luchtvochtigheid; zowel te droge als te vochtige lucht tast het contact aan.
Selectie en ontwerp
- Kies een geschikte borstelhardheid — zacht of hard — voor de stroomdichtheid.
- Zorg voor voldoende borstels voor de stroom.
- Gebruik een goed ontworpen borstelhouder.
- Overweeg borstelloze alternatieven voor nieuwe installaties
Hoewel borsteldefecten specifiek zijn voor gelijkstroommotoren en motoren met gewikkelde rotor, vormen ze belangrijke onderhoudspunten die baat hebben bij regelmatige inspectie en tijdige vervanging. Een goed begrip van de slijtageprocessen, degelijke onderhoudspraktijken en het herkennen van de diagnostische symptomen zorgen ervoor dat borstelmotoren betrouwbaar blijven draaien — en voorkomen de elektrische en mechanische schade die het gevolg is van verwaarloosde borstels.
