В условиях частых пусков и остановок (например, в лифтах, станках с ЧПУ, автоматизированных производственных линиях) двигатели постоянного тока многократно переключаются с 0 на номинальную скорость и обратно. Это подвергает отдельные компоненты постоянным ударным нагрузкам и потерям энергии, требуя особого внимания к четырём основным компонентам: щетки и коллекторы, обмотки якоря, подшипники и электромагнитные тормозаМеханизмы их износа и целевые меры по техническому обслуживанию подробно описаны ниже:
1. Щетки и коллекторы: зоны повышенного трения и искрения при пусках/остановках
Частые пуски и остановки ускоряют износ щеток и коллекторов, что обусловлено двумя ключевыми факторами: во-первых, ток якоря резко колеблется во время пусков/остановок (пусковой ток может достигать 5–8 раз номинального тока), а скорость коллектора быстро увеличивается или уменьшается от 0, вызывая «удар трения скольжения» и «усиленное искрение коммутации» на контактном интерфейсе. С одной стороны, удар трения ускоряет износ щеток — при нормальной непрерывной работе щетки обычно служат 2000–3000 часов, но этот срок службы сокращается до 800–1200 часов при частых пусках и остановках. Если щетки не заменять при износе до 1/3 от их первоначальной длины, площадь контакта уменьшается, плотность тока увеличивается, а искрение ухудшается. С другой стороны, резкие изменения электродвижущей силы коммутации во время пусков/остановок легко приводят к образованию сильных искр, которые сжигают поверхность коллектора, создавая язвины или оксидные слои и увеличивая сопротивление контакта, формируя порочный круг «износ → искрение → более сильный износ».
Техническое обслуживание состоит из трех ключевых этапов:
- Регулярно проверяйте износ щёток каждые 200–300 часов работы. Заменяйте щётки подходящими моделями (например, щётки из композитного материала на основе графита и металлического порошка предпочтительны для частых пусков и остановок, поскольку они на 30% более износостойкие, чем щётки из чистого графита) и следите за тем, чтобы давление на щётки стабилизировалось на уровне 15–25 кПа (недостаточное давление приводит к искрению, избыточное — к ускорению износа).
- Полируйте поверхность коллектора мелкозернистой наждачной бумагой зернистостью 400 каждые 500 часов для удаления оксидных слоёв и раковин, обеспечивая шероховатость поверхности (Ra) ≤ 0,8 мкм. После полировки очистите поверхность спиртом.
- Нанесите тонкий слой токопроводящей смазки (например, на основе графита) на поверхность коллектора, чтобы уменьшить коэффициент трения при пусках/остановках и минимизировать искрение.
2. Обмотки якоря: риски ухудшения изоляции и потери меди под воздействием пуско-остановочного тока
Во время пусков и остановок обмотки якоря подвергаются двойной угрозе износа:
- Высокий пусковой ток приводит к резкому увеличению потерь в меди (Pcu = I²R). Например, двигатель с номинальным током 50 А может иметь пусковой ток 300 А, что увеличивает потери в меди до 36 раз по сравнению с номинальным рабочим уровнем. Это приводит к резкому повышению температуры обмоток, ускоряя старение изоляции (например, срок службы изоляции класса B сокращается вдвое при воздействии температур выше 130 °C).
- При вращении ротора обмотки якоря подвергаются многократным электромагнитным воздействиям. Вибрация, особенно на закреплённых концах обмоточных проводов, легко повреждает изоляционный слой, что приводит к межвитковым замыканиям.
Центры технического обслуживания по «контролю тока» и «испытанию изоляции»:
- Установите устройство плавного пуска в цепь якоря. Постепенно увеличивая напряжение на якоре, можно ограничить пусковой ток до 1,5–2 номинальных значений (например, 75–100 А для двигателя на 50 А), избегая сильных токовых ударов.
- Проверяйте сопротивление изоляции обмоток якоря мегаомметром каждые 3 месяца, следя за тем, чтобы оно составляло ≥ 0,5 МОм (для двигателей напряжением 380 В). При снижении сопротивления изоляции разберите двигатель и просушите обмотки термофеном (температура ≤ 80 °C) или заново нанесите изоляционную краску (например, эпоксидную).
- Осмотрите обмотку обмотки якоря. Замените ослабленную или порванную ленту термостойкой (например, стеклотканевой лентой) для предотвращения износа, вызванного вибрацией.
3. Подшипники: скрытые риски радиального воздействия и отказа смазки при пусках/остановках
Частые пуски и остановки нарушают стабильную смазку и баланс сил подшипников:
- При запуске ротор резко разгоняется из состояния покоя, вызывая «трение скольжения» (вместо обычного трения качения) между внутренним кольцом подшипника и шариками. Это разрушает смазочную пленку, ускоряя износ шариков и дорожек качения.
- Во время пусков/остановок вал двигателя подвержен радиальному биению из-за колебаний нагрузки, что приводит к дополнительной радиальной нагрузке на подшипники. Со временем это приводит к увеличению зазора подшипника (у обычных радиальных шарикоподшипников зазор составляет ≤ 0,1 мм, но может превышать 0,2 мм после частых пусков/остановок), что приводит к ненормальному шуму и вибрации.
При техническом обслуживании особое внимание уделяется «управлению смазкой» и «проверке зазоров»:
- Сократите интервал замены смазки — с 6 месяцев (при нормальной эксплуатации) до 3 месяцев при частом пуске-остановке. Используйте высокотемпературную, устойчивую к сдвигу смазку (например, композитную литиевую смазку Grade 2, пригодную для температур от -20°C до 150°C) и заполните ею внутреннее пространство подшипника на 1/2–2/3 (избыток смазки приводит к перегреву, недостаток — к сухому трению).
- Контролируйте уровень шума подшипников с помощью стетоскопа каждые 200 часов. При появлении гудения или щелчков немедленно выключите двигатель. Измерьте зазор подшипника щупом и замените подшипник, если он превышает 0,15 мм.
- Во время установки убедитесь, что отклонение соосности вала двигателя и муфты составляет ≤ 0,1 мм, чтобы уменьшить воздействие радиальной силы во время пусков/остановок.
4. Электромагнитные тормоза: износ тормозных колодок и катушек при частом торможении
Некоторые двигатели постоянного тока (например, тяговые двигатели лифтов, двигатели подъёмников) оснащены электромагнитными тормозами. Частые пуски и остановки требуют многократного включения и выключения тормоза, что приводит к двум видам износа:
- Износ тормозных колодок: каждый цикл торможения сопровождается трением между колодкой и тормозным барабаном. Частое торможение быстро уменьшает толщину колодок (нормальная толщина составляет 5 мм; при частом старте-стопах износ может достигать 0,5–1 мм в месяц). Когда толщина становится меньше 2 мм, эффективность торможения значительно снижается.
- Износ катушки: частое включение тормозной катушки увеличивает потери меди. Кроме того, электромагнитное воздействие во время включения легко повреждает изоляционный слой катушки, что приводит к коротким замыканиям.
Объекты технического обслуживания «тормозные колодки» и «катушки»:
- Проверяйте толщину тормозных колодок еженедельно. Заменяйте колодки, если толщина составляет менее 2 мм, обеспечивая ≥ 90% площади контакта между колодкой и тормозным барабаном, чтобы избежать неравномерного усилия при торможении.
- Ежемесячно измеряйте сопротивление тормозной катушки. Если отклонение от номинального значения превышает 5%, разберите катушку и проверьте её на наличие межвитковых замыканий. При обнаружении коротких замыканий перемотайте катушку или замените весь тормозной узел.
- Нанесите тонкий слой высокотемпературного износостойкого покрытия (например, покрытия на основе керамики) на поверхность тормозного барабана, чтобы повысить износостойкость колодок и барабанов, продлевая срок службы колодок.
Подводя итог, можно сказать, что для двигателей постоянного тока, работающих в условиях частых пусков и остановок, «частые проверки и целенаправленное техническое обслуживание» щёток/коллекторов, обмоток якоря, подшипников и электромагнитных тормозов могут снизить частоту отказов компонентов более чем на 60%. Это обеспечивает долгосрочную стабильную работу и предотвращает простои производства или несчастные случаи, связанные с безопасностью, вызванные повреждением компонентов.