СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЩЕТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
MANUFACTURING METHOD OF BRUSHES OF ELECTRICAL MACHINES

Изобретение относится к электрощеточному производству, в частности к изготовлению щеток для стартеров, генераторов и автомобильных электродвигателей напряжением питания 12 и 24 В.
Щеточные материалы различных марок отличаются друг от друга примененным при их изготовлении сырьем, соотношением отдельных видов этого сырья и схемами технологического процесса его переработки.
Решающим элементом в электроугольном производстве являются связующие материалы, способы их подготовки и введения в щеточные изделия.
Известен способ изготовления металлографитных электрощеток (Ливщиц П.С. Справочник по щеткам электрических машин. М., Энергоатомиздат, 1983, с.13). Порошки графита, меди (>75%) и других металлов смешивают без связующих веществ, прессуют и спекают при температуре около 1000°C.
Недостатком известного способа является необходимость повышенного содержания металлической (обычно медной) составляющей, для обеспечения жесткого спеченного металлического каркаса щетки, ввиду отсутствия другого связующего вещества. Повышенное содержание меди в щетке увеличивает износ и снижает ресурс работы узла: щетка - коллектор. Происходит сегрегация шихты при межоперационном хранении.
Известен способ изготовления электрощеток с каменноугольным (пековым) связующим (Темкин Т.В. Производство электроугольных изделий. М., Высш. Школа, 1975, с.184-189). Полуфабрикат предварительно смешивается нагретым, потом размалывается охлажденным, усредняется, прессуется и обжигается. Процесс может проходить в одну или в две стадии.
Недостатком данного способа является то, что процесс трудоемок. Нет гарантии однородного перемешивания шихты. Заделка провода в щетку может производиться только конопаткой, что менее надежно, по сравнению с запрессовкой.
Известен способ изготовления щеток электрических машин, в котором в качестве связующего вещества применен термореактивный олигомер (Патент РФ 2097886, кл. H01R 43/12, 1997). Компоненты, графит и термореактивный олигомер, смешивают нагретыми 100-140°C, спекают 190-270°C, смешивают 95-100°C (вальцуют), измельчают, производят теплое прессование 100-120°C и подвергают стабилизации при 200°C.
Недостатком данного способа является наличие сложно контролируемых термических операций (смешение, вальцевание), при которых смола полимеризуется частично, что приводит к ухудшению прессуемости порошка в процессе прессования. В Z-образном смесителе нет гарантии однородного перемешивания шихты, в готовых электрощетках может остаться органический компонент, что может привести к перегреву узла: щетка - коллектор. Эти недостатки влияют на стабильность свойств щетки и снижают ее ресурс.
Целью изобретения является получение не сегрегирующегося, однородного, сыпучего пресс-порошка с хорошей прессуемостью, стабильного грансостава, для изготовления прочного тела электрощетки, при уменьшенном содержании металлической составляющей, и увеличения ресурса ее работы.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе изготовления щеток электрических машин, включающем смешение наполнителя со связующим, измельчение, прессование, спекание, производится совместный помол графитового наполнителя с твердым полимерным связующим в вибромельнице, в грануляторе полимер растворяется этиловым спиртом для приготовления смолографитовых гранул, затем растворитель высушиваются в виброкипящем слое инфракрасной сушилки. После прессования щетки с проводом щетки нагревают до 200°C для полимеризации связующего и спекают в среде азота с добавкой водорода при 870°C, для предохранения медного провода от окисления и для образования в теле щетки прочного коксового каркаса и металлических связей (если в наполнителе использован металл).
Способ осуществляется следующим образом. Графитовый порошок и зерна термореактивного полимера (фенолформальдегидной смолы) 9-20% от веса графита загружают в вибромельницу на 15-45 мин. Происходит размол и взаимное проникновение компонентов. Затем смесь обрабатывают в турболопастном грануляторе, добавляя этиловый спирт 5-15% от веса порошков в течение 1-3 мин, при максимальных оборотах ротора, происходит увлажнение и смешивание компонентов. Смола растворяется спиртом и за счет жидкой фазы образуются связи на молекулярном уровне графита со связующим. Число оборотов снижается до 30% от максимального и в течение последующих 2-5 мин проходит процесс грануляции. Спирт испаряется в виброкипящем слое инфракрасной сушилки. Температура контролируется оптическим пирометром, она не должна быть выше 100-120°C, чтобы смола не полимеризовалась. Шихта просеивается от посторонних примесей через сетку +1 мм. Полученная таким способом шихта однородна, стабильного грансостава, сыпучая, с хорошей прессуемостью, не сегрегируется при хранении. Из нее прессуют готовые электрощетки с одновременной запрессовкой провода. Затем щетки подвергают двухстадийной термообработке в засыпке активированного угля: 1 стадия - 200°C в воздушной атмосфере в течение 2-4 ч, происходит полимеризация термореактивной смолы; 2 стадия - 680-950°C в азотно-водородной (10%) атмосфере в течение 5-20 ч. Азотно-водородная атмосфера спекания предохраняет медный провод от окисления, а угольная засыпка способствует образованию в теле щетки прочного коксового каркаса. Высокая температура обжига способствует образованию надежных металлических связей (если в наполнителе использован металл). После термообработки засыпку отсеивают.
В зависимости от назначения щетки, в ее состав вводят дополнительные наполнители, например медь и другие компоненты, на операции турболопастного гранулирования или дополнительной операции.
Проведены сравнительные испытания электрощеток, полученных разными способами. Результаты сведены в таблицу. В первой строке таблицы указаны результаты анализа щетки марки МГС-20, полученной без применения органического связующего. Во второй строке результаты марки МГС-5, полученной с применением пекового связующего. В третьей строке результаты марки МГС-23, полученной со связующим термореактивного полимера. В четвертой строке приведены результаты анализа щетки, полученной по предлагаемому способу.
Из таблицы видно, что низкий коэффициент трения образца, полученного предлагаемым способом (столбец 5), обеспечивает минимальный износ (столбец 6) и, следовательно, увеличивает ресурс работы. Износ щетки, полученной предлагаемым способом, в 5 раз ниже, чем у прототипа (таблица к патенту 2097886). Падение напряжения на двух щетках, скользящих по коллектору, характеризует показатель коммутации (столбец 7). Высокое его значение указывает на образование надежного слоя политуры на медной поверхности коллектора, что улучшает скольжение, уменьшает искрение и износ. Запрессовка провода (столбец 8) выполняется совмещением с операцией прессования, надежность ее характеризует низкое переходное сопротивление. Параметры в столбцах 3 и 4 зависят от назначения щетки. Предложенный способ позволяет получать эти параметры необходимой величины, в зависимости от назначения и марки щетки, а также позволяет использовать меньшее содержание дорогостоящей металлической составляющей, при сохранении эксплуатационных характеристик электрощетки.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать прочные электрощетки с повышенным ресурсом работы, необходимых эксплуатационных характеристик, при уменьшенном содержании металлического наполнителя.
Таблица
Результаты испытаний электрощеток, полученных разными способами
№
Марка
Содержание металлического порошка, %
Удельное эл. сопротивление, мкОм·м
Коэф. трения
Износ за 50 ч, мм
Падение напряжения на пару щеток 2ΔU, в
Крепление провода, переходное эл. сопротивление, мОм
1
2
3
4
5
6
7
8
1
МГС-20
80
0,5
0,19
0,6
0,7
Калибровка 0,5
2
МГС-5
50
7
0,17
0,15
0,9
Конопатка 1,25 3,75 через год
3
МГС-23
80
1,5
0,25
2,0
0,6
Запрессовка 0,8
4
МГБ-5*
50
5
0,14
0,1
1,2
Запрессовка 0,5
* авторы предлагают ввести букву «Б» в маркировку электрощеток как отличительный признак получения их по предложенному способу.