Как узнать, что угольные щетки нуждаются в замене? Полное руководство

Угольные щетки требуют замены, когда они изнашиваются до одна треть или меньше их первоначальной длины — обычно 6 мм (¼ дюйма) или короче — или когда вы заметили любой из этих предупреждающих знаков: снижение мощности двигателя, видимое искрение на коллекторе, запах гари во время работы, прерывистое отключение или необычный скрежет и стук. В большинстве двигателей не нужно ждать полного провала . Замена угольных щеток при первых признаках износа всегда дешевле, чем ремонт забитого коллектора или сгоревшего двигателя из-за небрежного отношения к щеткам.

В этом руководстве описаны все надежные методы выявления изношенных угольных щеток — от визуального осмотра до признаков неисправности — чтобы вы могли точно диагностировать проблему и вовремя заменить щетки, будь то электроинструмент, электродвигатель, угловая шлифовальная машина, стиральная машина или автомобильный стартер.

Что делают угольные щетки и почему они изнашиваются

Угольная щетка — это небольшой блок проводящего материала (обычно смесь углерода, графита, меди и связующих веществ), который прижимается к вращающемуся коллектору или контактному кольцу щеточного электродвигателя. Его задача — поддерживать постоянное электрическое соединение между неподвижной цепью и вращающимся якорем, передавая ток без фиксированного металлического контакта, который мог бы вызвать чрезмерное трение или искрение.

Поскольку угольные щетки находятся в постоянном физическом контакте с вращающейся поверхностью, износ не является неисправностью — это предусмотренный режим работы . Углеродный материал намеренно мягче, чем медный коллектор, на котором он установлен, поэтому щетка жертвует собой, чтобы защитить более дорогой и трудный для замены коллектор. Хорошо работающий двигатель откладывает на поверхности коллектора тонкую темную углеродную патину, которая фактически повышает эффективность электрического контакта — это называется «глазурью» или «пленкой», и ее присутствие является признаком исправной работы щеток.

На скорость износа угольных щеток влияет несколько факторов:

• Плотность тока: Более высокие токовые нагрузки ускоряют электрохимическую эрозию поверхности щетки.
• Скорость поверхности коллектора: Более быстрое вращение увеличивает механическое истирание. Двигатели, работающие со скоростью 3000–15 000 об/мин, изнашивают щетки значительно быстрее, чем тихоходные двигатели.
• Давление пружины: Слишком малое давление пружины вызывает искрение и ускоренный электрохимический износ; слишком большое количество вызывает чрезмерное механическое трение и нагрев.
• Окружающая среда: Пыльная, влажная или химически загрязненная среда ускоряет износ и может привести к преждевременному выходу из строя щеток.
• Рабочий цикл: Двигатели непрерывного использования изнашивают щетки гораздо быстрее, чем инструменты, используемые с перерывами.

Шесть ярких признаков необходимости замены угольных щеток

Эти симптомы, ранжированные от наиболее достоверных до наиболее неоднозначных, указывают на необходимость проверки или замены угольной щетки:

1. Длина щетки ниже минимального предела износа.

Это наиболее точный показатель. Большинство производителей отмечают линию износа или канавку на самом корпусе угольной щетки — когда щетка изнашивается до этой отметки, замените ее. При отсутствии знака производителя действует универсальное правило: замените, если щетка короче одной трети своей первоначальной длины или короче 6 мм (¼ дюйма) , в зависимости от того, что наступит раньше. При такой длине давление пружины значительно падает, поскольку пружина выдвинулась дальше расчетного диапазона, что приводит к нестабильному контакту и увеличению искрения.

Для справки: новая угольная щетка в типичной угловой шлифовальной машине обычно используется. Длина 17–20 мм . В моторе стиральной машины щетки часто запускаются при 20–25 мм . В крупных промышленных двигателях постоянного тока новые щетки могут иметь длину 40–60 мм. Независимо от стартовой длины, правило одной трети применяется повсеместно.

2. Видимое искрение на коммутаторе.

Небольшое искрение (слабое голубое свечение) в зоне контакта щетки с коллектором является нормальным явлением во время работы двигателя. Что ненормально, так это яркое, сильное или постоянное искрообразование видны через вентиляционные щели, особенно искры, выходящие за пределы зоны контакта щеток или «растекающиеся» по окружности коллектора. Это указывает на то, что щетка больше не может поддерживать стабильный контакт — либо потому, что она слишком коротка, либо из-за ослабления пружины, либо из-за загрязнения поверхности щетки, либо из-за повреждения поверхности коллектора. Если не принять меры, чрезмерное искрообразование приведет к быстрому разрушению щетки и коллектора.

3. Снижение мощности двигателя или прерывистая работа.

Если вашему электроинструменту или двигателю заметно не хватает прежнего крутящего момента, он работает неравномерно или на мгновение отключается под нагрузкой, главным подозреваемым являются изношенные щетки. По мере того как щетки укорачиваются, они обеспечивают менее плотный контакт с коллектором. Двигатель может нормально работать при низкой нагрузке, но теряет эффективность передачи тока при высокой нагрузке, создавая характеристику «недостаточная мощность под нагрузкой» симптом. В стиральных машинах и угловых шлифовальных машинах это часто проявляется в том, что двигатель пытается достичь полной скорости или глохнет раньше, чем раньше.

4. Запах гари или чрезмерное тепло от двигателя.

Когда угольные щетки изнашиваются до такой степени, что металлический щеткодержатель или пружина соприкасаются с коммутатором (так называемое «дножание щеткодержателя»), возникает сильная дуга, вызывающая интенсивное локальное нагревание. Это обжигает поверхность коммутатора и может воспламенить изоляционный материал, вызывая резкий запах электрического гари отличается от обычного теплого запаха работающего двигателя. Тепловое повреждение из-за вышедших из строя щеток является одной из наиболее частых причин неустранимого отказа двигателя. Крайне важно обнаружить этот симптом на ранней стадии, до того, как коллектор будет поврежден.

5. Необычный шум: стук, грохот или визг.

Исправная угольная щетка плавно скользит по коллектору с минимальным шумом. Изношенные или поврежденные щетки издают характерные звуки: быстрое стрекотание или дребезжание (вызвано подпрыгиванием щетки, а не плавным скольжением), пронзительным визгом (вызванным твердой или глянцевой поверхностью щетки, создающей трение прилипания и скольжения) или неравномерным постукиванием (вызванным неравномерным контактом сколотой щетки). Эти шумы отличаются от шума подшипников: шум щеток напрямую коррелирует со скоростью двигателя и исчезает, когда двигатель останавливается, тогда как шум подшипников часто продолжается на мгновение после отключения питания.

6. Черная угольная пыль вокруг держателей щеток или вентиляционных отверстий двигателя.

Угольные щетки по мере износа постоянно сбрасывают мелкую пыль — это нормально. Тем не менее, сильное скопление черной пыли вокруг крышек доступа к держателям щеток, вентиляционных отверстий или корпуса двигателя. указывает на аномально быстрый износ. Обычная пыль от кисти мелко распределена и легка; ненормальная пыль густая, слипшаяся или имеет маслянистый вид. Чрезмерная пыль сама по себе может вызвать проблемы из-за короткого замыкания сегментов коммутатора или засорения вентиляции, что усугубляет первоначальную проблему износа.

Как физически осмотреть угольные щетки

Визуальный и физический осмотр всегда более надежен, чем диагностика только по симптомам. Большинство двигателей и электроинструментов рассчитаны на доступ к щеткам — вот стандартная процедура проверки:

1. Полностью отключите питание. Отключите инструмент или двигатель или отсоедините аккумулятор. Для проводных устройств подождите 60 секунд после отключения, прежде чем открывать — конденсаторы в цепях управления двигателем могут сохранять заряд.
2. Найдите колпачки щеток или панели доступа. На большинстве угловых шлифовальных машин, дрелей и электроинструментов колпачки щеток представляют собой небольшие колпачки, часто с прорезями или монетными головками, расположенные на противоположных сторонах корпуса двигателя ближе к задней части. Двигатели стиральных машин обычно требуют снятия задней панели, чтобы получить доступ к двигателю. Некоторые двигатели не имеют внешнего доступа — корпус двигателя необходимо разъединить.
3. Отвинтите или отсоедините крышку щетки и снимите щетку. Угольная щетка выскользнет из канала держателя. Обратите внимание на ориентацию — некоторые щетки имеют фаску с одной стороны, чтобы соответствовать кривой коллектора, и их необходимо переустанавливать в том же направлении.
4. Измерьте длину кисти. Используйте линейку или цифровой штангенциркуль. Если длина щетки составляет одну треть первоначальной длины или меньше ее, замените ее. Если вы не знаете исходную длину, замените любую щетку короче 6 мм (¼ дюйма). .
5. Осмотрите поверхность щетки (контактную поверхность). Он должен быть гладким и слегка изогнутым, чтобы соответствовать коллектору. Признаки проблемы включают в себя: плоскую, неизношенную поверхность (новая щетка установлена ​​в неправильном направлении или не обкатанный двигатель), глубокие канавки или трещины на поверхности, остекление (необычно блестящая, твердая поверхность) или следы ожогов.
6. Проверьте пружину. Нажмите на пружину пальцем. Оно должно оказывать твердое и последовательное сопротивление. Пружина, которая оказывает небольшое сопротивление, имеет видимую коррозию или расположена под неудобным углом, ослабла и приведет к преждевременному износу щеток даже после установки новых щеток.
7. Осмотрите коллектор через отверстие щеткодержателя. Обращайте внимание на: однородный темно-коричневый/черный цвет (хорошо — это нормальная патина), глубокие канавки между сегментами (плохо — требует профессиональной шлифовки), следы поджогов или оплавленную медь (плохо — мотор не подлежит замене щеток) или блестящую, переполированную медь (указывает на слишком жесткую щетку или слишком сильное давление пружины).

Индикаторы износа угольных щеток по применению

Для разных применений характерны разные типичные сроки службы щеток и признаки неисправностей. Знание того, чего ожидать от вашего конкретного оборудования, поможет вам запланировать проверку в нужное время, а не ждать сбоя:

Диагностика проблем с угольной щеткой и других неисправностей двигателя

Многие симптомы изношенных угольных щеток совпадают с другими неисправностями двигателя. Неправильная диагностика проблемы приводит к потере денег и времени. Используйте эту диагностическую логику, чтобы дифференцировать:

Признак: двигатель вообще не запускается.

Если двигатель не издает звуков и не реагирует, возможно, полностью мертвые щетки (изношенные до металла), а также перегоревший предохранитель, неисправный выключатель питания, сломанная обмотка якоря или заклинивший подшипник. Сначала проверь кисти — это самый быстрый и дешевый объект для проверки. Если обе щетки имеют нулевую длину или металлическая пружина/держатель контактирует с коллектором, замените щетки и осмотрите коммутатор, прежде чем предполагать более дорогостоящую неисправность.

Признак: двигатель работает неравномерно или с вибрацией.

Неравномерный ход может указывать на изношенные щетки, осуществляющие прерывистый контакт, но также может указывать на изогнутый вал якоря, изношенные подшипники или обрыв обмоток якоря. Отличительный тест: Если двигатель работает плавно при очень низкой нагрузке, но ухудшается под нагрузкой, более вероятной причиной являются щетки. . Если он испытывает механическую вибрацию на всех скоростях, независимо от нагрузки, возможно, речь идет о подшипниках или механическом дисбалансе.

Признак: искрение и запах гари.

Искрообразование почти всегда связано с щетками, но его причиной могут быть не только щетки. А поврежденный коммутатор — с высокими стержнями (сегменты возвышаются над поверхностью), разомкнутыми цепями между сегментами или тяжелыми углеродистыми следами — могут возникнуть искры даже при использовании совершенно новых щеток. Если замена щеток не устраняет искрообразование в течение нескольких минут работы, внимательно осмотрите поверхность коллектора. Коллектор, имеющий глубокие потертости или видимые прожоги между сегментами, требует профессиональной шлифовки (токарной обработки на токарном станке) или замены двигателя.

Признак: потеря мощности только при большой нагрузке

Этот классический узор явно напоминает угольные щетки. Изношенные щетки имеют более высокое контактное сопротивление, что особенно заметно в условиях сильного тока (большой нагрузки). Простой способ подтвердить: проверьте длину щетки сразу после того, как инструмент сильно используется и ощущается слабость. . Поверхность щетки также может изменить цвет из-за тепла, выделяемого при контакте с высоким сопротивлением во время фазы большой нагрузки.

Что проверить на самой угольной щетке — наглядное руководство

После снятия угольной щетки проверьте каждую из этих особенностей, чтобы определить состояние и основную причину износа:

Как правильно заменить угольные щетки

Убедившись, что замена необходима, выполните следующие действия, чтобы убедиться, что новые щетки установлены правильно и двигатель возвращается к полной производительности:

1. Найдите подходящую сменную щетку. Угольные щетки are not universal. They must match the original in размеры (длина × ширина × высота) , марка (твердость углерода/графита) и тип клеммы (проводной провод, рамочная клемма или встроенная пружина). Использование неправильного класса — даже правильного размера — приведет к ускоренному износу или повреждению коммутатора. Всегда используйте щетки, рекомендованные OEM, или проверенные эквиваленты от специализированного поставщика.
2. Замените обе щетки одновременно. Даже если изношена только одна щетка, всегда заменяйте обе попарно. Установка одной новой щетки рядом с частично изношенной щеткой создает неравномерное контактное давление и электрическое сопротивление, что приводит к неравномерному износу новой щетки и асимметричному нагреву коллектора.
3. Очистите щеткодержатель и коллектор. Перед установкой новых щеток очистите канал держателя щеток сухой тканью или сжатым воздухом, чтобы удалить угольную пыль. Если коммутатор доступен, аккуратно протрите его безворсовой тканью, слегка смоченной изопропиловым спиртом, чтобы удалить загрязнения, возникшие в результате поломки старой щетки. Не используйте абразивы для очистки коллектора.
4. Установите щетки в правильной ориентации. Если поверхность щетки предварительно изогнута, она должна соприкасаться с коллектором. Если подводящий провод подсоединен, проложите его так, чтобы он не мог засорить коммутатор или узел вентилятора.
5. Запустите двигатель под небольшой нагрузкой на 15–30 минут. Новые щетки имеют плоскую поверхность, которая должна соответствовать изогнутой поверхности коллектора — это называется процессом «притирки» или «посадки». Запустите двигатель при низкой или средней нагрузке без больших нагрузок, пока поверхность щетки не приобретет соответствующую кривую. Работа только что установленной щетки с полной нагрузкой до ее посадки приводит к ненормальному износу и искрению.
6. Проверьте наличие искрения после приработки. После 15–20 минут легкой работы кратко осмотрите зону щетки через вентиляционные отверстия. Должно быть видно только очень слабое свечение. Постоянное яркое искрение после приработки указывает на проблему с коллектором, неправильный тип щетки или механическое смещение, требующее дальнейшего исследования.

Как продлить срок службы угольной щетки

Хотя износ щеток неизбежен, методы эксплуатации и привычки технического обслуживания существенно влияют на то, насколько быстро изнашиваются щетки, а также на то, изнашиваются ли они чисто или вызывают побочный ущерб:

• Избегайте длительных перегрузок. Постоянная работа двигателя при токе выше номинального — самый быстрый способ сократить срок службы щеток. Высокий ток увеличивает как скорость электрохимической эрозии, так и температуру щетки, смягчая материал щетки и ускоряя механический износ.
• Содержите двигатель и держатели щеток в чистоте. Накопление углеродистой пыли в держателях щеток приводит к залипанию щеток, что снижает эффективность пружины и вызывает искрение. Очищайте держатели щеток сжатым воздухом каждые несколько месяцев на интенсивно используемых инструментах.
• Поддерживайте достаточную вентиляцию вокруг двигателя. Жара — враг кустарниковой жизни. Убедитесь, что вентиляционные отверстия двигателя не заблокированы и в рабочей среде имеется достаточный приток воздуха.
• Осматривайте по графику, а не только при появлении симптомов. Для интенсивно используемых инструментов (угловые шлифовальные машины, промышленные двигатели) плановая проверка через определенные промежутки времени — например, каждые 50 часов использования — позволяет заменить щетки до того, как износ достигнет критической зоны, предотвращая повреждение коммутатора.
• Используйте кисть, подходящую для конкретного применения. Более твердые сорта щеток (с более высоким содержанием графита и меньшим содержанием меди) служат дольше при высокоскоростных и слаботочных применениях. Более мягкие сорта (с более высоким содержанием меди) лучше подходят для сильноточных и низкоскоростных двигателей. Использование слишком жесткой щетки приводит к износу коллектора; слишком мягкий приводит к износу щеток. Всегда следуйте указаниям производителя.
• Проверьте и поддерживайте правильное давление пружины. Давление пружины должно находиться в пределах диапазона, указанного производителем — обычно 150–400 г/см² для большинства небольших двигателей. Если вы подозреваете, что пружина ослабла, измерьте ее с помощью измерителя натяжения пружины; пружину, потерявшую более 20 % номинальной силы, следует заменить вместе со щетками.