Понимание дефектов щёток
Дефекты щетки проблемы с угольными или металлографитовыми щетками, которые обеспечивают проведение электрического тока между неподвижными и вращающимися частями двигателей постоянного тока, двигателей переменного тока с обмоточным ротором, генераторов и узлов с контактными кольцами. К числу распространенных неисправностей относятся износ щеток, их неправильная посадка, дребезжание (подскакивание), искрение, загрязнение и проблемы с натяжением пружин. Каждая из этих неисправностей вызывает проблемы сразу по нескольким направлениям: электрические (плохая передача тока и образование дуги), механические (вибрация (из-за подскакивания), а также — если не принять меры — вторичное повреждение коммутатора или контактных колец.
Машины щеточного типа постепенно вытесняются асинхронными двигателями переменного тока, но они еще далеко не исчезли. Приводы постоянного тока, двигатели с обмоточным ротором, генераторы и целый ряд специального оборудования по-прежнему используют щетки, поэтому выявление дефектов щеток остается важнейшей частью диагностика электродвигателей и любого электрическая неисправность исследование вращающегося оборудования.
1. Распространенные дефекты кистей
Износ щеток
Некоторое изнашивание является нормальным явлением, однако оно может значительно ускориться:
- Нормальный износ: постепенная потеря материала в результате трения — порядка 1–2 мм за 1000 часов.
- Ускоренный износ: вызванные сильным током, недостаточной смазкой (отсутствием защитной углеродной пленки) или загрязнением.
- Симптомы: щетки заметно укоротились и приближаются к своей минимальной длине.
- Последствия: Ослабление усилия пружины по мере износа щетки, что приводит к ухудшению контакта и усилению искрения.
- Действие: заменять при износе до минимальной длины, как правило, от одной трети до половины первоначальной длины.
Дрожание щетки (подпрыгивание)
Здесь щетка периодически теряет контакт с коммутатором:
- Причины: недостаточное давление пружины, изношенный коммутатор, внешний вибрацияили эксцентриковый коммутатор.
- Симптомы: Видимое искрение, слышимое жужжание или дребезжание, электрические помехи
- Вибрация: подпрыгивание вызывает удары с частотой прохождения пластин коллектора.
- Повреждения: ускоряет износ коммутатора и приводит к повреждениям от электрической дуги.
- Частота: Частота дребезжания обычно находится в диапазоне 100–1000 Гц.
Плохое прилегание щетки
- Описание: поверхность щетки не повторяет кривизну коммутатора.
- Причины: новые щетки, которые не прошли обкатку, неправильная установка или слишком твёрдая марка щетки.
- Эффект: уменьшенная площадь контакта, высокая локальная плотность тока и концентрированный нагрев.
- Симптомы: чрезмерное искрение, появление горячих точек и быстрый износ.
- Решение: надлежащая процедура приработки, правильный выбор марки щетки и притирочные камни.
Загрязнение
- Масло и смазка: снизить трение, предотвратить образование углеродной пленки и вызвать электрическое проскакивание.
- Пыль: абразивные частицы, которые ускоряют износ.
- Влага: способствует коррозии и ухудшает электрический контакт.
- Накопление углеродной пыли: Может создавать короткие промежутки между сегментами или прокладывать траектории движения.
Проблемы с пружиной щетки
- Слабые пружины: недостаточное давление, плохой контакт и отскок.
- Поломка пружин: давления нет вообще, поэтому щетка перестает соприкасаться.
- Неправильное давление: Слишком высокое значение приводит к чрезмерному износу, слишком низкое — к плохому контакту.
- Коррозия: Корродированные пружины теряют свою упругость.
Искрение и образование электрической дуги
- Видимые искры на стыке щетки и коммутатора.
- К причинам относятся дребезжание, плохой контакт, перегрузка и повреждение коммутатора.
- Повреждение носит прогрессирующий характер и приводит к образованию язв на поверхности коммутатора.
- В худшем случае это приводит к пробою — образованию дуги, соединяющей несколько сегментов.
2. Вибрационные характеристики
Вибрация, связанная с щеткой
- Дребезжание: высокочастотные колебания в диапазоне 100–1000 Гц при отскоке щетки.
- Частота прохождения пластин коллектора: количество пластин коллектора × число оборотов в минуту / 60.
- Электрические гармоники: семья гармоники от образования электрической дуги и многократного прерывания тока.
- Широкополосный шум: случайные высокочастотные составляющие, возникающие при искрении.
- Амплитудная модуляция: возникает, если из-за эксцентриситета давление контакта изменяется один раз за оборот.
Вторичные механические эффекты
- Трение щеток создает тангенциальные силы, действующие на коммутатор.
- Неравномерный износ щетки может привести к дисбаланс-подобные симптомы.
- Неравномерное давление пружины может нарушить центрирование ротора.
Поскольку некоторые из этих признаков по частоте совпадают с признаками реальных механических неисправностей, проблемы с щетками являются классической причиной затруднений при диагностике — это напоминание о том, что прежде чем винить подшипники, всегда следует проверить частоту прохождения тока по щупам коммутатора.
3. Методы обнаружения
Визуальный осмотр
- Длина щетки: измерьте оставшуюся длину и замените, если она меньше минимальной.
- Контактная поверхность: она должна быть гладкой и конформной по отношению к коммутатору.
- Искра: Проверяйте в затемнённом помещении — небольшое искрение является нормальным явлением, а сильное искрение — признаком неисправности.
- Загрязнение: проверьте, нет ли накоплений масла, пыли и нагара.
- Состояние пружины: убедитесь, что пружины не повреждены и обеспечивают необходимое усилие.
Электрические испытания
- Сопротивление контакта щетки: должна быть низкой и одинаковой для всех щёток.
- Давление пружины: измерить с помощью пружинных весов — обычно давление прижатия составляет 1,5–3,5 фунта на квадратный дюйм.
- Падение напряжения: на границе между щеткой и коммутатором, обычно менее 1 В на одну щетку.
Методы вибрации и акустики
- Высокочастотные акселерометр измерения для регистрации ударов, вызванных дребезжанием (chattering) щётки.
- Акустическая эмиссия для обнаружения электрической дуги.
- Ультразвуковой мониторинг для выявления коронного разряда или трекинга (образования проводящих дорожек).
- Спектральный анализ для выделения частоты шин коммутатора.
Тепловизионный контроль
- Нагрев щеток свидетельствует о плохом контакте или перегрузке.
- Нагретые участки на коммутаторе указывают на локальные неисправности.
- Термография может выявить разницу в температуре между наборами щеток.
4. Измерение вибрации щетки в полевых условиях
Если есть подозрение, что машина с щетками вибрирует или дает искрение, практическим способом проверки является измерение высокочастотной вибрации на корпусе щеткодержателя. Для этого можно использовать портативный двухканальный анализатор, такой как Balanset-1A позволяет зарегистрировать спектр и определить, соответствует ли энергия частоте полосового пропускания коммутатора или же наблюдается широкополосная картина искрения. В сочетании с визуальным осмотром в затемнённом помещении и испытанием на падение напряжения это помогает отличить реальный дефект щеток от несвязанных с ним проблем с подшипниками или балансировкой — а после установки новых щеток позволяет убедиться, что высокочастотная составляющая вернулась к исходному уровню. Отслеживание этих показаний в течение мониторинг состояния Программа превращает внеплановую замену в плановую.
5. Техническое обслуживание и исправление
Плановое обслуживание щеток
- Периодичность проверок: ежемесячно для критически важных систем, ежеквартально для обычных систем — идеально подходит для периодический мониторинг на основе маршрутов.
- Уборка: удалите углеродную пыль с помощью пылесоса и очистите поверхность коммутатора.
- Проверка длины: заменяйте щетки, как только их длина достигнет минимального значения.
- Натяжение пружины: убедитесь в правильном давлении.
- Состояние коммутатора: проверьте наличие царапин, вмятин и высоких выступов.
Замена щетки
- Используйте материал, подходящий для конкретного применения — проконсультируйтесь с производителем.
- Замените все щетки в наборе одновременно.
- Убедитесь, что щетки надежно закреплены в держателях.
- Прежде чем использовать новые щетки, дайте им «разработаться» в течение 24–48 часов, чтобы ворс полностью расправился.
- После установки снова проверьте натяжение пружины.
Техническое обслуживание коммутатора
- Регулярно очищайте с помощью рекомендованных растворителей или абразивных камней.
- Если на коммутаторе появились зазубрины или неровности, необходимо его отшлифовать (на станке).
- Прорежьте слюду между стержнями в указанных местах.
- Проверьте, нет ли высоко расположенных перекладин, ослабленных перекладин и поврежденных сегментов.
6. Передовой опыт в области профилактики
Правила эксплуатации
- Работайте в пределах номинального тока, чтобы ограничить нагрев щеток.
- Не допускайте слишком частых пусков — пусковой ток приводит к износу щеток.
- Следите за чистотой окружающей среды, чтобы предотвратить загрязнение.
- Следите за уровнем влажности; слишком сухой или слишком влажный воздух ухудшают качество контакта.
Выбор и проектирование
- Укажите подходящий тип щетки — мягкую или жесткую — с учетом плотности тока.
- Обеспечьте наличие достаточного количества щеток для данной силы тока.
- Используйте щеткодержатель надлежащей конструкции.
- Рассмотрите бесщеточные альтернативы для новых установок.
Неисправности щеток, хотя и характерны исключительно для двигателей постоянного тока и машин с обмоточным ротором, являются важными аспектами технического обслуживания, которые требуют регулярного осмотра и своевременной замены. Четкое понимание механизмов износа, правильные методы технического обслуживания и умение распознавать диагностические признаки позволяют обеспечить надежную работу щеточных двигателей, а также предотвратить электрические и механические повреждения, возникающие в результате ненадлежащего ухода за щетками.
