Шероховатость контактной поверхности, является одним из ключевых параметров определяющих качество работы электрощёток, который является "доступным" для изменения как перед началом работы щёточно-контактного аппарата(узла), так и во время его работы. Рекомендуется придерживаться следующих значений:
• 0,9..1,8 μm - для коллекторов промышленных двигателей;
• 0,5..1,0 μm - для небольших моторов до 1кВт;
• 0,75..1,25 μm - для стальных и бронзовых контактных колец;
(допускается небольшое отклонение в большую сторону перед пуском оборудования).

    На рисунке 1 приведены две кривые, которые описывают характер зависимости коэффициента трения от величины шероховатости. График "1" - гладкая поверхность (значение шероховатости ниже указанных диапазонов). В этом случае коэффициент трения имеет достаточно большое значение и приводит к повышенным механическим потерям. Необходимо отметить, что такие условия работы электрощёток могут сопровождаться их повышенной температурой, высокочастотной вибрацией электрощёток и, как следствие, небольшому искрению, которое может исчезать при увеличении усилия нажатия на электрощётку. При неблагоприятных условиях эксплуатации (внешних факторах) значение коэффициента μ может не только не уменьшиться, но и увеличиться, что приведет к значительному повышению температуры в зоне пятна прилегания под электрощёткой, разогреву контактной поверхности и очень большому износу электрощёточного материала.
    График "2" - оптимальные условия шероховатости при пуске. Значение коэффициента трения увеличится незначительно и на незначительное время (время притирки электрощётки). Далее, процесс нормализуется и будут обеспечены оптимальные условия для работы электрощётки.

    После проведения механической обработки контактной поверхности (шлифовка или проточка) всегда должна выполняться проверка полученных результатов обработки. Конусность - не имеет столь критичного влияния на работу щеточно-контактного узла и может быть проверена с достаточно высокой точностью с помощью стрелочного индиктора. А вот форма контактной поверхности (её овальность) оказывает очень значительное влияние на работу электрощёток, которая в значительной мере начинает проявляться при высоких линейных скоростях. В этом случае применение обычного (стрелочного) индикатора не позволяет в полной мере оценить полученную форму профиля контактной поверхности. Для качественной оценки формы профиля контактной поверхности нужно применять цифровые профилометры, которые позволяют записать профиль контактной поверхности и смоделировать её круговую диаграмму (визуализацию). Зачастую, при таком анализе выявляются неровности, которые имеют очень резкое изменение формы на малых углах. Для контактных колец рекомендуется придерживаться таких правил:
• общий бой не более 65мкм;
• не должно быть более 15мкм изменения формы контактной поверхности на дуге 30°
• не должно быть больше 1 волны (в некоторых случаях допускается наличие второй волны с амплитудой не более 25%)

    На рисунке 2 показана линейная диаграмма формы профиля контактного кольца, измеренная с помощью профилометра CL-Profiler (Mersen) . Для достоверности измеренных данных было выполнено измерение 2х оборотов. На рисунке 3 показан 1 оборот в увеличенном виде. Бой контактного кольца составляет 112мкм. При этом, наблюдается 2 волны, почти одинаковой амплитудой. Визуализация таких данных на круговой диаграмме показывает, на сколько критична такая форма контактного кольца(рисунок 3). Работа электрощёток на такой поверхности будет сопровождаться вибрацией (низкочастотной, равной удвоенной частоте вращения), а также возможно искрение, что, в свою очередь, скажется на износе электрощёток.

    Притирку электрощёток необходимо производить для того, чтобы обеспечить полное прилегание контактной поверхности электрощётки к контактной поверхности кольца или коллектора. В противном случае есть риск появления искрения, что в свою очередь приведёт к изменению шероховатости рабочей поверхности и вповышенному износу всех работающих на одной дорожке электрощёток. Перед пуском оборудования рекомендуется производить притирку непосредственно на самом оборудовании. Перед установкой новой электрощётки во время работы оборудования эта операция выполняется на приспособлении, которое имитирует рабочий диаметр. Притирку электрощёток настоятельно рекомендуется выполнять для следующих случаев:
• материал электрощёток очень твёрдый;
• большая линейная скорость (больше 40м/c);
• наличие вибрации при работе оборудования;
• небольшое усилие прижатия электрощётки;
• небольшой радиус контактной поверхности (особенно критично для разрезных электрощёток; см.рис.5).

  Примечание: электрощётки могут поставляться с требуемым радиусом притирки. Однако это не гарантирует 100% прилегание электрощёток по причине наличия отклонений от перпендикулярного положения щёткодержателей.

  При выполнении притирки можно использовать абразивную бумагу с зернистостью 60. На рисунке 6 показаны варианты притирки электрощёток. Рисунок 6А и 6Б - правильная притирка электрощёток. Рисунок 6В - неправильная притирка электрощеток.

  Очень важно: независимо от метода притирки электрощёток необходимо продуть контактную поверхность коллектора (кольца) и электрощёток на предмет удаления угольной пыли и частиц абразивного материала. Операцию желательно проводить со снятыми электрощётками.

Важные примечания:
• необходимо производить притирку электрощёток у которых имеется канавка на контактной поверхности даже при том, что глубина канавки будет уменьшена;
• очень важно обращать внимание на притирку для реверсивных машин;
• рекомендуется матовать контактную поверхность электрощёток в случае, если она была обработана на алмазном круге и имеет зеркальную поверхность;
• не рекомендуется заменять единовременно более 20% электрощёток на работающей машине ;

    В зависимости от конфигурации щёточно-контактного узла (аппарата) могут возникать ситуации, когда имеется недостаточный обдув компонентов траверсы и, таким образом, наблюдается повышенная температура электрощёток при том, что температура контактной поверхности (коллектора или кольца) находится в оптимальных пределах (50..70°С). И наоборот, может иметь место направленный поток охлаждающего воздуха на компоненты траверсы, тем самым чрезмерно охлаждая часть электрощёток или все электрощётки. И в том и в другом случае будет наблюдаться повышенный износ электрощёток. А также может иметь место неравномерный износ между разными щётками одного полюса. На данный момент сложно сказать о математической зависимости температуры электрощёток на их износ. Практические наблюдения говорят о следующем: наиболее оптимальные условия работы электрощёток от 40 до 80°С (рис.7). Отклонения в меньшую или большую сторону приводят к значительному повышению износа электрощётки. Предельные значения в большей степени ограничены технологией изготовления (материала) самой электрощётек. Так, например, для электрографита повышение температуры до 130°С не приведёт к каким-либо серьёзным повреждениям материала электрощётки. Наоборот, для бакелитографита такое повышение температуры может оказаться критическим и привести к выделению связующего компонента и блокированию электрощётки в щёткодержателе, с дальнейшем развитием аварийной ситуации.

    Температура контактных колец, как и температура электрощёток, имеет практически ту же зависимость и практически те же рабочие температурные диапазоны. Это связано стем, что проводящая плёнка на контактной поверхности (политура) имеет в своём составе окислы метала, которые наиболее устойчивы при температурах от 40 до 80°С. Изменение в меньшую сторону приводит к тому, что политура более сложно нарабатывается. При больших температурах происходит испарение воды и разрушение окислов. При отсутствии политуры достаточно быстро происходит глянцевание контактной поверхности, что приводит к дальнейшему повышению температуры как электрощётки, так и контактной поверхности. А в конечном результате будет наблюдаться повышенный износ компонентов (электрощёток и контактной поверхности). При отсутствии должного сервисного обслуживания имеется риск возникновения искрения и образования кругового огня.
    На рисунке 8 показан график зависимости износа электрощёток от температуры контактного кольца. Стоит отметить, что при чрезмерном перегреве контактной поверхности изменяются свойства материалов (например стальных колец: появление следов побежалости - изменяются механические свойства; происходит "натяг" меди на коллекторных пластинах, что чревато межламельным замыканием).

Примечание: перегрев контактной поверхности более опасен, чем перегрев электрощёток. На практике, электрическая машина с перегретыми электрощётками будет работать более стабильно (относительно стабильно), чем электрическая машина с перегретым контактным кольцом или коллектором (связано с процессом образования политуры).

    Влажность окружающего (охлаждающего) воздуха имеет очень серьёзное влияние на процессы, происходящие в скользящем контакте, особенно это проявляется на изменении коэффициента трения (μ). Так, например, абсолютно одинаковые электрические машины, с практически идентичным состоянием компонентов щёточно-контактного узла (аппарата) будут работать по-разному, если одна машина находится в середине машинного зала, а вторая находится у ворот, которые периодически открывают. Или, как один из наиболее частых примеров: наблюдается определённое ухудшение работы в зимний и летний период. Все эти моменты связаны с влажностью воздуха.
    В сухом воздухе проводящая плёнка становится тоньше, и, тем самым, увеличивается коэффициент трения (μ), появляется вибрация и электрощётка начинает пылить (повышенный износ). Такие процессы характерны для электрических машин, которые:
• предназначены для авиации;
• работают на больших высотах;
• работает в суровых климатических условиях (низкая температура и сухой воздух);
• работают в осушенной атмосфере (в водороде, азоте);
• закрытые и имеют водонепроницаемый кожух;

    При работе электрощётки имеются следующие критические значения:
• содержание воды на 1м³ меньше 2 грамм - наблюдается пыление электрощётки, повышенный коэффициент трения, повышение температуры электрощётки;
• содержание воды на 1м³ больше 25 грамм - ухудшение коммутации (контакта), возможно небольшое подискривание (электроэрозионный эффект).

Примечание: оптимальным является значения от 8 до 15 гр/м³.

Для перевода указанных параметров (абсолютной влажности) в относительную можно использовать график, приведённый на рисунке 9.

    Величина усилия нажатия на электрощётку - очень важный параметр, к которому следует относиться с большим вниманием. Выбор величины усилия нажатия пружины - это всегда поиск компромисса между электрическими и механическими потерями, а также механической стабильностью работы электрощётки, который должен базироваться на следующих данных:
• линейная скорость;
• материал электрощётки;
• условия работы (наличие вибрации, температура и т.д.);
• материал коллектора или контактного кольца;
• информация о положении щёткодержателе по отношению к контактной поверхности;
• информация о форме электрощётки (наличие скосов);
• плотность тока.

  1) Усилие должно быть эффективным для того, чтобы создавать постоянный и надёжный контакт между электрощёткой и контактной поверхностью. Нарушение контакта приводит к искрению, повышенному износу электрощёток, а также к повреждению и износу контактной поверхности. Так, например, в случае вибрации по причине внешних воздействий или при наличии достаточно больших отклонений профиля контактной поверхности (овальность, эксцентричность, неровности) следует увеличить нажатие на элекрощётку.
  2) При увеличении усилия нажатия также увеличиваются механические потери, температура электрощёток и контактной поверхности.
  3) При увеличении усилия нажатия уменьшается падение напряжения в зоне контакта электрощётка-контактная поверхность, что приводит к уменьшению электрических потерь. Вследствие этого коммутационная способность щётки снижается.

Примечание: для электрографита (Jb=10 A/cm² и V=30 m/s), такое изменение может составлять 30% при увеличении нажатия на электрощётку с 15 до 55 кПа.

  4) Максимально допустимые значения усилия на электрощётку определяются твёрдостью используемых материалов. Все "мягкие" и "хрупкие" марки электрощёток не должны использоваться в приложениях, где требуется усилие нажатия (более 225 кПа).

    Одним из оптимальных решений можно выделить применение пружин постоянного нажатия (рисунок 10). График величины усилия нажатия такой пружины на электрощётку приведён на рисунке 11. На всей рабочей высоте электрощётки значение усилия находится в допустимых пределах.

    Электрощёточный материал LFC554 имеет слоистую структуру, что требует соблюдения правила установки электрощёток, выполненных их этого материала. На рисунке 12 показана электрощётка и ориентация её на кольце. Таким образом получается, что электрощётка с размерами t*a=20*32 не тоже самое, что электрощётка с размерами t*a=32*20.

    Несоблюдение правила установки электрощётки на электрическую машину не приводит к серьёзным последствиям и проявляется при достаточно больших линейных скоростях (более 50 м/с). В ряде случаев, при неправильной установке, могут проявляться такие моменты, как повышенный износ электрощёток, наличие сколов на сбегающем крае контактной поверхности щётки. В случае сомнения в правильности применения той или иной электрощётки рекомендуем обращаться к специалистам компании Mersen.

    Если иное не указано, то электрощётки фирмы Mersen изготавливаются с соблюдением рекомендаций IEC136 ©(1986), норм указанных в стандарте AFNOR C 51902 (март 1968) и стандартом DIN43000 (декабрь 1973).

    В соответствии с рекомендуемым рядом размеров "t", "a" и "r" в таблице 1 приведены допуски для электрощёток.

    После проточки (механической обработки) коллекторов необходимо снять фаску на коллекторных пластинах. Эта операция абсолютно необходима для электрических машин с высоким межламельным напряжением (см. технические руководства AE1601 и AE1616).
    Снятие фаски увеличивает расстояние между верхними частями рядом стоящих ламелей, что в свою очередь уменьшает риск образования искрения.Также, в дополнение, после снятия фаски уменьшается риск откалывания частей слюды после неправильной продорожки коллектора (см. рис.13).

    Обычно снятие фаски выполняется под углом α=45°, иногда 60°. Ширина фаски выбирается в пределах от l/10 до l/20, где l=ширина ламели (см.рис.14).

    С целью получения лучшего токораспределения, вентиляции, распределения потерь, механической стабильности и других параметров на контактных кольцах применяется винтовая канавка. Обычно это выполняется для машин с линейной скоростью от 20 м/с. Винтовая канавка должна иметь шаг кратный размеру электрощётки в аксиальном направлении. Соблюдение этого правила обеспечивает стабильную токовую плотность на электрощётках. Настоятельно рекомендуется соблюдение этого правила для синхронных машин с высокой плотностью тока.     Обычно канавка имеет размер 3 мм шириной и от 3 до 4 мм глубиной. Шаг составляет от 8 до 12 мм. Для машин выполненных в дюймовой системе мер шаг обычно кратен 1 дюйму или 1/2 дюйма.     После проведения механической обработки контактных колец (проточки и/или подшлифовки) обязательно необходимо выполнить операцию по снятию фаски. Рекомендуется выдерживать угол 45° с шириной фаски 0.4..0.5 мм (см.рис.15). В противном случае острый край вентиляционной канавки будет срезать электрощётку, что увеличит расход элекрощёток.

    Примечание: обновление фаски рекомендуется делать не только, когда выполняется механическая обработка контактного кольца, но и по мере срабатывания поверхности.

    Одной из самых главных причин нарушения контакта - наличие паров масла поблизости работающего щёточно-коллекторного узла (ЩКУ) или щёточно-контактного аппарата(ЩКА). Даже небольшое количество паров масла может существенно ухудшить состояние ЩКУ или ЩКА. Обычно процесс ухудшения начинается с того, что сначала небольшое количество электрощёток прекращает проводить электрический ток, а затем это количество доходит до 80..90 %. В любом случае система возбуждения (питания) электрической машины выдаёт требуемое значение тока. А это значит, что вся нагрузка проходит только через малую часть электрощёток. Несвоевременно принятые действия по устранению последствий влияния масляных паров приводят к серьёзному перегреву компонентов ЩКА (ЩКУ), которые сказываются на большой разнице в износе электрощёток одного полюса, а при длительной работе в таких условиях это приводит к повреждениям, таким как отгоревшие поводки электрощёток, расплавленные щёткодержателей и повреждённые нажимные механизмы. В ряде случаев это может приводить к образованию кругового огня и полному выходу из строя ЩКА/ЩКУ.

    Необходимо периодически осматривать электрические машины на предмет наличия паров масла и устранять их источники, в случае, когда они присутствуют. Обычно пары масла легко заметить на гладких поверхностях в виде тонкой масляной плёнки (достаточно просто провести пальцем по поверхности).
    Устранение последствий воздействия паров масла сводится к следующим операциям:
• Устранение источника паров масла;
• Подшлифовка контактной поверхности абразивным камнем;
• Проверки наличия повреждений компонентов ЩКА / ЩКУ;
• Замена полного комплекта электрощёток.

    Замена всего комплекта электрощёток требуется по причине особенности структуры электрощёток (не зависит от производителей). Электрощётка имеет пористую структуру и масло впитывается щёткой, как губка. Таким образом всё тело электрощётки пропитывается маслом и при работе на электрической машине создаёт изоляционную плёнку, которая не позволяет обеспечить стабильный контакт с рабочей поверхностью.

    Зачастую возникает вопрос о замене дорогостоящих электрощёток. И, нередко, после проведения всех операций по устранению последствий воздействия масляных паров, электрощётки не меняются (например: отсутствует запас электрощёток). В этом случае рекомендуется оценить ситуацию, на сколько "сильно" электрощётки пропитались маслом, и как долго можно работать на данном комплекте электрощёток. Для этого, после проведённых работ по устранению влияния масляных паров, необходимо с периодичностью от 30 минут до 1 часа проверять токораспределение на электрощётках. Если токораспределение остаётся достаточно ровным (отсутствуют щётки с нулевым значением тока [нулевая щетка - щётка, которая несёт менее 15% от номинального тока]), и количество электрощёток, которые несут не более 30% не превышает 20%, тогда можно перейти к измерению токораспределения с периодичностью 2 раза в сутки. Как только будет выявлено отклонение от нормального токораспределения необходимо сразу провести подшлифовку контактной поверхности. В ряде случаев может быть так, что электрощётка не "берёт" нагрузку - в этом случае она должна быть заменена. В любом случае, это можно назвать "аварийной" работой ЩКА / ЩКУ. При первой же возможности полный комплект электрощёток должны быть заменён с повторным выполнением всех этапов по устранению воздействия масляных паров на ЩКА / ЩКУ.
    Примечание: приведённая методика по возобновлению работы с электрощётками, которые работали в условиях масляных паров является строго информационной, которая базируется на опыте автора данного параграфа и не может быть использована в качестве инструкции по эксплуатации электрощёток! А также, в данном случае никакие гарантии компании Mersen не распространяются на подобные электрощётки, т.к. это выходит за рамки нормальной эксплуатации электрического оборудования и электрощёток.

    Как и наличие масла, так и наличие других химических компонентов в воздухе может нарушать работу электрощёток и приводить к серьёзным нарушениям в работе щёточно-контактных аппаратов (ЩКА) и щёточно-коллекторных узлов (ЩКУ). А именно может наблюдаться повышенный износ электрощёток, их перегрев, а также может приводить к повреждениям компонентов ЩКА / ЩКУ. Следует избегать работы электрических машин вблизи источников любого рода химических компонентов (кислоты, смолы и т.п.). В случае, когда электрические машины должны работать в близи таких источников - необходимо уделить особое внимание системе вентиляции и очистки воздуха, который поступает для охлаждения компонентов ЩКА / ЩКУ.
    Так, например, замена полов в машинном зале с применением полимеров вблизи электрической машины, у которой забор охлаждающего воздуха выполнен из машинного зала без применения воздушных фильтров может привести к серьёзным нарушениям в работе ЩКА / ЩКУ с образованием кругового огня и выхода оборудования из строя.
    Наличие пыли в воздухе также сказывается на работу ЩКУ / ЩКУ. В случае повешенной запылённости будут наблюдаться повышенный износ электрощёток, повышенный износ контактной поверхности с явными признаками повреждений в виде продольных линий (царапин). Длительная работа в таких условиях в дальнейшем потребует обязательной механической обработки контактной поверхности (проточки и/или подшлифовки).

    Один из самых доступных для контроля параметров во время работы электрической машины - ток, который протекает через щётку. Но, необходимо отметить, что данный параметр является лишь отражением факторов, которые были описаны выше. Т.е. плохое токораспределение - это не причина плохой работы машины, а следствие воздействия внешних факторов и конструкционных особенностей машины. Регулируя токораспределение и при этом не решая вопросы первопричины большого разброса - лишь временная мера улучшения работы щёточно-контактного аппарата (узла).
    Для определённого типа оборудования допускается регулировка тока на электрощётках путём изменения усилия нажатия на неё во время работы. К такому типу оборудования относятся щёточно-контактные аппараты турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных машин. Такое обслуживание достаточно опасно для жизни обсуживающего персонала и требует соответствующей подготовки и квалификации. В промышленности, на машинах постоянного тока, обычно такая операция запрещена, а обслуживание щёточно-контактного узла (аппарата) выполняется после того, как оборудования обесточено.
    Стоит отметить, что возможность контролировать и, даже, регулировать ток на каждой электрощётке - это лишь мнимая возможность оптимизировать работу электрической машины. Зачастую регулировку следует производить сразу после того, как была отрегулирована "последняя" электрощётка. Этот процесс можно назвать творческим и завершить его можно только после того, как "договоришься с самим собой", что всё хорошо. Получить идеальное токораспределение между параллельно включёнными электрощётками практически невозможно. К факторам, которые были перечислены выше добавляется ещё следующие: высота электрощётки, сопротивление заделки токоведущего провода, удельное сопротивление материала. Иногда вводятся критерии на общее количество электрощёток, которые перегружены или недогружены, чтобы можно было как-то оценить токораспределение и остановить процесс регулировки. Применение мониторинга позволяет ускорить процесс измерения протекающего тока через электрощётку по сравнению с токовыми клещами, но не увеличивает существенно надёжность оборудования. Напротив, в погоне за идеальным токораспределением может наступить момент, когда электрощётки окажутся слишком сильно прижаты к контактной поверхности, что приведёт к повышению температуры и серьёзному ухудшению работы узла.
    Для стабильной и надёжной работы электрической машины необходимо создать оптимальные условия, при которых каждая из параллельно включённых электрощёток будет проводить ток на коллектор или кольцо. Процесс оптимизации работы щёточно-контактного аппарата (узла) можно разделить на 3 этапа:
• Этап проектирование/модернизация щёточно-контактного аппарата (узла);
• Этап подготовки оборудования к работе;
• Этап эксплуатации оборудования - регулировка условий, в которых работает оборудование.

    Заключительным и самым очевидным критерием работы электрощёток является искрение.
Может быть две причины появления искрения:
• Электрическая: повреждённый коллектор, электрические перегрузки, чрезмерное значение dI/dt, неправильно подобранный материал электрощёток и т.д.
• Механические: удары, вибрация, повышенное трение, отклонение в форме профиля контактной поверхности (овальность, эксцентриситет и т.п.), разбалансировка, повреждение в нажимных механизмах и т.п.

В любом случае искрение сказывается на:
• повышенном износе электрощёток;
• образовании подгаров на контактной поверхности;

Оценить степень искрения можно:
• по количеству:
    которые могут едва ли быть видны на сбегающем крае электрощётки, прерывистые или постоянные, до устойчивого искрения которое наблюдается в конкретном месте или разных местах с или без вылета ярких раскалённых частиц ("комет").
• по цвету:
    - маленькие фиолетовые искры и достаточно безобидные, которые влияют только на электрощётку;
    - красные искры, с или без вылета ярких раскалённых частиц при перегрузках; такое искрение обычно приводит к повышенному износу электрощёток.
    - голубые искры, яркие с шумом, которые говорят о серьёзных проблемах коммутации; приводит как к повышенному износу электрощёток, так и подгарам на контактной поверхности;
    - зелёные искры которые видны в достаточно большом количестве, всегда видно горение; такое искрение говорит об очень серьёзных проблемах в работе электрической машины и предшествует круговому огню; такое искрение наносит серьёзные повреждения как электрощёткам, так и контактной поверхности, которое в последствии потребует серьёзных затрат по восстановлению оборудования.

    Очень важно вовремя отследить начало и интенсивность искрения. В таблице 3 приведена классификация искрения для коллекторных машин и генераторов (Westinghouse), которая достаточно широко распространена и применяется во всём мире.

    Приведённые выше аргументы и комментарии основаны на лабораторных исследованиях компании Mersen и практическом опыте автора. Некоторые вопросы остаются открытыми и требуют очень серьёзного изучения влияния перечисленных факторов на работу электрощёток в комбинации друг с другом. На данный момент нет методики определения точной причины неудовлетворительной работы скользящего контакта. Однако, изложенная выше информация позволяет провести анализ происходящих процессов и с высокой долей вероятности определить причину неудовлетворительной работы узла.

Дата публикации 20.10.2015