Угольные и меднографитовые щетки и комплектующие промышленной электрики

Состав и свойства угольных и меднографитовых щеток

Угольные и меднографитовые щетки являются расходными элементами щеточно-коллекторного узла электрических машин. Их основная функция — передача тока между неподвижными выводами и вращающимся коллектором или контактными кольцами. Материал щетки определяет не только качество коммутации, но и ресурс как самой щетки, так и коллектора. Различия в составе и технологии изготовления приводят к существенным различиям в электрических, механических и эксплуатационных характеристиках. Подробнее об этих различиях можно узнать здесь.

Отличия углеродистой основы и медного наполнения

Угольные щетки изготавливаются на основе углеродистых материалов — графита, кокса, каменноугольного пека или их композиций. После смешивания компонентов и прессования заготовки подвергаются термической обработке (обжигу) при температурах 1000–1300 °C. Полученный материал обладает высокой термостойкостью, относительно низкой электропроводностью и достаточной твердостью. Угольные щетки применяются в машинах с умеренными нагрузками, где не требуется высокая токопроводность.

Меднографитовые щетки содержат в составе мелкодисперсный медный порошок, который добавляется в углеродистую основу на этапе смешивания. Содержание меди может варьироваться от 10 до 90 % по массе. После прессования и спекания формируется композит с равномерно распределенными металлическими включениями. Механическая прочность такого композита повышается, хотя твердость может изменяться в зависимости от соотношения компонентов.

Основное отличие заключается в природе токопроводящего материала: угольная щетка проводит ток за счет слоистой структуры графита (проводимость вдоль слоев выше, чем поперек), а меднографитовая использует металлические включения, обеспечивающие более низкое сопротивление. Это обуславливает различие в областях применения.

Влияние содержания меди на электропроводность и износостойкость

Электропроводность меднографитовых щеток возрастает пропорционально содержанию меди. При добавлении 30 % меди удельное электрическое сопротивление снижается примерно в 5 раз по сравнению с чисто угольными составами. При 70 % меди сопротивление может составлять 0,05–0,15 Ом·мм²/м, что сопоставимо с медными проводниками. Это позволяет использовать такие щетки в машинах с большой плотностью тока — до 15–20 А/см² и выше.

Однако повышение электропроводности за счет металла приводит к снижению износостойкости щетки при работе на коллекторе. Медь обладает более высоким коэффициентом трения по меди (материал коллектора), что увеличивает механический износ. Для компенсации в состав вводят твердые смазывающие добавки (например, дисульфид молибдена или графит), снижающие трение. Оптимальное содержание меди подбирается экспериментально для конкретного режима работы.

На износостойкость также влияет твердость щетки. Угольные щетки имеют твердость по Шору 50–100 единиц, меднографитовые — 30–70 единиц. Слишком мягкая щетка быстро изнашивается и образует большое количество пыли; слишком твердая — ускоряет износ коллектора. Выбор состава меди и связующего — это компромисс между электропроводностью, износом щетки и сохранностью коллектора.

Согласно ГОСТ 25346-2013, щетки для электрических машин классифицируются по составу: графитные (Г), угольно-графитные (УГ), меднографитовые (МГ) и электрографитированные (ЭГ). Каждая группа имеет регламентированные диапазоны механических и электрических параметров.

Критерии выбора щеток для промышленных электрических машин

Выбор типа щетки для конкретного электродвигателя или генератора основывается на режимных параметрах: плотности тока на контакте, окружной скорости коллектора, условиях охлаждения, а также на материале и состоянии коллектора. Ошибка в выборе приводит к повышенному искрению, перегреву и сокращению межремонтного интервала.

Зависимость от плотности тока и окружной скорости коллектора

Плотность тока на щетке определяется как отношение тока, проходящего через щетку, к площади её рабочей поверхности. Превышение номинальной плотности вызывает нагрев щетки и ухудшение коммутации. Угольные щетки обычно допускают 6–10 А/см², меднографитовые — до 20–25 А/см². При работе с продолжительной нагрузкой (S1) выбирается запас не менее 20 %.

Окружная скорость коллектора — линейная скорость точек на поверхности контакта. Максимально допустимая скорость зависит от материала щетки. Для угольно-графитных щеток она не превышает 35–40 м/с, для меднографитовых — 50–60 м/с. При превышении скорости возрастает механический износ из-за увеличения силы трения и вибраций щеткодержателей.

Зона коммутации — область между щеткой и коллектором, где происходит переключение тока из секции обмотки. Материал щетки влияет на ширину зоны и длительность коммутации. Меднографитовые щетки с низким переходным сопротивлением сужают зону, что может ухудшить коммутацию при резком изменении тока. Для сглаживания применяют более высокоомные сорта.

Марки угольных и меднографитовых щеток по ГОСТ

В Российской Федерации марки щеток регламентируются ГОСТ 28778-90 и отраслевыми стандартами. Основные типы:

• Г (графитные) — на основе природного графита, низкое трение, применяются для легких режимов.
• УГ (угольно-графитные) — обожженная углеродистая смесь, универсальные.
• МГ (меднографитовые) — композит с медным наполнением, для высоких токов.
• ЭГ (электрографитированные) — графит, подвергнутый высокотемпературной обработке, высокая термостойкость и стабильные характеристики.

Примеры конкретных марок: МГ-С, МГ-1, МГ-40, ЭГ-14, ЭГ-74, УГ-3. Каждая марка имеет строго регламентированные значения удельного сопротивления, твердости, изгибающей прочности и плотности тока. Например, щетка МГ-40 содержит 40 % меди, имеет удельное сопротивление 0,3–0,5 Ом·мм²/м и допустимую плотность тока до 18 А/см².

Причины искрения и износа щеточно-коллекторного узла

Искрение под щетками является индикатором нарушения нормальной коммутации. Оно может быть вызвано как электрическими, так и механическими факторами. Износ щеток — естественный процесс, но его скорость зависит от условий эксплуатации.

Нарушение коммутации и механические факторы

Основные электрические причины искрения: превышение плотности тока (выше номинальной для данной марки щетки), плохой контакт из-за загрязнения коллектора, образование лаковой пленки, колебания напряжения в сети, неисправность обмотки якоря (межвитковое замыкание, обрыв). В зоне коммутации возникают реактивная ЭДС и ЭДС от внешнего поля. Если щетка не успевает закоммутировать ток, происходит разрыв цепи с дугой.

Механические факторы: биение коллектора (допустимое биение для новых коллекторов — не более 0,01 мм; после износа — до 0,05 мм), выступание или западание миканита между пластинами, неровности поверхности, вибрации щеткодержателей. При окружной скорости свыше 30 м/с даже небольшое биение приводит к отрыву щетки и искрению. Твердость щетки влияет на притирку: слишком твердая щетка не подстраивается под микронеровности коллектора, вызывая повышенное искрение.

Диагностика степени искрения и нормальный износ

Степень искрения классифицируется по шкале от 1 до 5 согласно ГОСТ 183-74. Искрение степени 1 и 1¼ считается допустимым при длительной работе. При степени 2 (искры средней длины) допускается кратковременная работа. Степень 3 и выше свидетельствует о неисправности и требует остановки для ремонта.

Цитата из ГОСТ 183-74: «Искрение степени 2 характеризуется появлением отдельных искр, вылетающих из-под щётки на длину до 5 мм. Работа допустима не более 2 минут.»

Нормальный износ щетки — процесс, при котором равномерно истирается рабочая поверхность, образуя зеркальную фаску. Заводской допуск на высоту щетки обычно составляет 50 % от начальной (например, при начальной высоте 32 мм минимальная рабочая — 16 мм). Средний ресурс в нормальных условиях — 1500–3000 часов для угольных и 2000–4000 часов для меднографитовых щеток.

Ускоренный износ вызывается:

1. Неправильным нажатием пружин щеткодержателя (норма 0,15–0,25 кг/см² площади щетки).
2. Повышенной вибрацией из-за дисбаланса ротора или износа подшипников.
3. Загрязнением коллектора абразивной пылью.
4. Работой при пониженном напряжении или перегрузке.

Правила замены и подбора щеток

Своевременная замена щеток предотвращает повреждение коллектора и аварийный выход машины из строя. При подборе необходимо учитывать не только типоразмер, но и характеристики материала.

Признаки необходимости замены и периодичность

Основные признаки износа щетки, требующие замены:

• Высота щетки достигла минимально допустимой (обычно указана в паспорте двигателя, чаще 12–16 мм).
• Появление трещин, сколов или выкрашивания рабочей поверхности.
• Искрение степени 2 и выше при нормальном нажатии пружины.
• Повышенный нагрев щетки (температура выше 100 °C на корпусе щеткодержателя).
• Неравномерный износ — образование односторонней фаски.

Периодичность замены устанавливается по результатам осмотра. В условиях круглосуточной работы электрических машин (например, на насосных станциях) рекомендуется проверять состояние щеток каждые 500 часов работы. При непрерывно-циклическом режиме (S5, S6) интервал сокращают до 250 часов.

Допустимость установки щеток другого типоразмера

Установка щеток с отличным от штатного типоразмером допускается только при условии сохранения рабочей площади контакта и обеспечения нормального нажатия пружины. Замена на щетку меньшей ширины или высоты недопустима, так как уменьшается токопередающая поверхность, растет плотность тока и перегрев. Допустимо использовать щетку большего размера, если она помещается в гнездо щеткодержателя и не выходит за его габариты (но часто это невозможно из-за конструктивных ограничений).

Замена материала щетки (например, с угольной на меднографитовую) может проводиться при условии, что параметры электрической машины допускают такой тип. Меднографитовые щетки имеют меньшее переходное сопротивление, что может изменить зону коммутации и привести к возникновению кругового огня на коллекторе. Перед заменой следует проверить соответствие по плотности тока, окружной скорости и рекомендациям завода-изготовителя машины. В сомнительных случаях проводят тестирование на стенде с измерением уровня искрения до и после замены.

Правильный подбор и своевременное обслуживание щеток обеспечивают длительную и надежную работу промышленных электрических машин в режимах, близких к номинальным.

Видео