Способ изготовления композиции для щеток электрических машин

Изобретение относится к электротехнике и касается композиции для изготовления щеток электрических машин, генераторов и двигателей с резко выраженной неравномерной токовой нагрузкой. Технический результат заключается в повышении плотности материала и в его хорошей коммутирующей способности. Сущность изобретения заключается в том, что переработку шихты на двухшнековом смесителе ведут в течение 30-45 секунд при удельном расходе электрической энергии, равной 0,08-0,12 кВт·ч/кг, полученную массу охлаждают до комнатной температуры, размалывают до частиц размером не более 3 мм, размолотую массу вновь подвергают переработке на двухшнековом смесителе в течение 10-20 секунд при удельном расходе электрической энергии, равном 0,14-0,18 кВт·ч/кг, после чего производят размол, прессование блоков, их термообработку.

 

Изобретение относится к электротехнике и касается композиции для изготовления щеток электрических машин, генераторов и двигателей с резко выраженной неравномерной токовой нагрузкой.

Материал для изготовления щеток для таких машин должен характеризоваться повышенной плотностью и хорошей коммутирующей способностью.

Известен способ изготовления композиции для щеток, включающий подготовку сырьевых материалов, смешение компонентов, прессовку заготовок (куличей), обжиг, размол куличей, просев, усреднение порошка, смешение его со связующим, вальцевание, размол полученной массы, просев и усреднение пресс-порошка, прессование блоков, обжиг, графитацию (И.В.Темкин “Производство электроугольных изделий”. М.: “Высшая школа”, 1970-214 с).

Данный способ изготовления композиции дает возможность получить материал повышенной плотности, но является очень длительным и трудоемким.

Известен также способ изготовления композиции для щеток электрических машин, включающий изготовление шихты путем смешения углеродных компонентов, переработку шихты на двухшнековом смесителе, размол и просев порошка, прессование блоков, их термообработку (патент РФ №2166817, МКИ H 01 R 39/22, 43/12 - прототип).

Данный способ изготовления композиции более совершенен, менее трудоемок, но спрессовать блоки с кажущейся плотностью 1,48±0,2 г/см³ практически невозможно, т.к. такая плотность достигается только при повышенном удельном давлении прессования, равном 2000-2500 кгс/см², что приводит к перепрессовке: расслоению блоков из-за релаксации напряжений при снятии нагрузки, повышенному браку по трещинам при термообработке (обжиге).

При меньшей плотности прессования эксплуатационные свойства щеток, особенно на электрических машинах с резко выраженной неравномерной токовой нагрузкой, ухудшаются.

Техническим результатом изобретения является изготовление плотных изделий с хорошей коммутирующей способностью при низких давлениях прессования, а также повышение выхода годных изделий.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в известном способе изготовления композиции для щеток электрических машин, включающем изготовление шихты путем смешения углеродных компонентов, переработку полученной шихты на двухшнековом смесителе, размол, прессование и термообработку, переработку шихты на двухшнековом смесителе ведут в течение 30-45 секунд при удельном расходе электрической энергии, равном 0,08-0,12 кВт·ч/кг, полученную массу охлаждают до комнатной температуры, размалывают до частиц размером не более 3 мм, размолотую массу вновь подвергают переработке на двухшнековом смесителе в течение 10-20 секунд при удельном расходе электрической энергии, равном 0,14-0,18 кВт·ч/кг, после чего производят размол, прессование и термообработку.

Предлагаемое техническое решение применимо в промышленности. Основным потребителем щеток, изготовленных с использованием предлагаемого технического решения, является железнодорожный транспорт.

Щетки, изготовленные по предлагаемой технологии, обеспечивают необходимый пробег транспорта, а также улучшают качество настройки двигателя в коммутационном отношении.

Сущность изобретения заключается в следующем. Для двигателей с резко переменной токовой нагрузкой, которая возникает особенно в момент резкого торможения, трогания и т.д., очень важно, чтобы щетка хорошо коммутировала (не искрила), иначе двигатель может воспламениться, в то же время материал щетки должен быть достаточно плотным, чтобы щетка не изнашивалась выше установленных норм. Но эти свойства - взаимоисключающие. В одном и том же материале их можно достичь или, используя очень трудоемкий процесс (по аналогу) с изготовлением углеродного наполнителя и дальнейшей его переработкой, или путем пропитки конечного материала пеком, чтобы закрыть поры, получить плотный, прочный материал, или предварительным (до операции прессования) уплотнением частиц пресс-порошка, что и предполагает данное техническое решение. Без такого предварительного уплотнения спрессовать пресспорошок без накладывания высокого удельного давления невозможно.

При переработке сырьевых материалов (наполнителя и связующего) на двухшнековом смесителе протекают следующие процессы:

- связующее (каменноугольный пек) за счет подводимого тепла расплавляется до вязкотекучего состояния,

- твердые частицы наполнителя за счет напряжения сдвига разделяются, связующее распределяется по поверхности наполнителя,

- смесь за счет сил сдавливания уплотняется (Сборник “Электротехнические и металлокерамические изделия для электротехники”, М.: ВНИАИ, 1985 - 77-81 с.).

Известно, что при взаимодействии с наполнителем связующее структурируется, т.е. уменьшается текучесть, подвижность (Фиалков А.С. “Углеродные материалы”, М.: “Энергия”, 1974 - 28-89 с).

Предлагаемый способ изготовления сохраняет реалогические свойства связующего при первой переработке массы на двухшнековом смесителе за счет ограничения времени нахождения массы в смесителе в течение 30-45 секунд, а также за счет ограничения усилий (сдвига и уплотнения), прилагаемых к массе. Так как прямой оценки величины усилий нет, то используется косвенный параметр - удельный расход электрической энергии, т.е. расход энергии на 1 кг перерабатываемой массы, который связан с величиной усилий прямо пропорциональной зависимостью: чем больше напряжение сдвига и силы сдавливания, тем больше удельный расход электрической энергии.

Удельный расход электрической энергии при переработке шихты должен находиться в пределах 0,08-0,12 кВт·ч/кг.

Из переработанной и охлажденной массы путем размола формируются частицы порошка размером не более 3 мм, которые вновь подвергаются переработке на двухшнековом смесителе.

При вторичной переработке порошка осуществляется пропитка частиц собственным связующим путем увеличения величины сил сдавливания, что фиксируется величиной токовой нагрузки. Связующее, распределенное по поверхности наполнителя и сохранившее реалогические свойства (пластичность и текучесть), под влиянием сил сдавливания заполняет поры частиц, т.е. пропитывает ее, этим достигается получение плотной однородной структуры. Время нахождения массы в смесителе должно быть в пределах 10-20 секунд, удельный расход электрической энергии равным 0,14-0,18 кВт·ч/кг.

Размер частиц ограничен 3 мм, потому что при большем размере частица под влиянием напряжений сдвига быстро выдавливается из зоны переработки и процесса пропитки не происходит.

Уплотненная, хорошо гомогенизированная масса вновь размалывается до требуемой дисперсности. Подготовленный таким способом пресс-порошок прессуется при значительно более низких давлениях, что позволяет существенно повысить выход годного.

Ниже приводятся конкретные примеры изготовления композиции по предлагаемому способу.

Пример 1 (по прототипу). Кокс пековый (ТУ 14-7-80-86), измельченный на дробилке ДМ-300 и просеянный через сетку 07, графит тайгинский (ГОСТ 10274-79), просеянный через сетку 07, в количестве 52,7 и 10,6 вес.% соответственно загружали в 400-литровый Z-образный смеситель. Компоненты (наполнитель) перемешивали в течение 20 мин. Затем в смеситель загружали связующее: измельченный на дробилке ДМ-300 и просеянный через сетку 07 каменноугольный пек с температурой размягчения 65°С (ГОСТ 1038-75) в количестве 36,7 вес.%.

Сырьевые материалы перемешивали в течение 45 мин. Полученную массу (шихту) перерабатывали на двухшнековом смесителе при температуре 125-140°С и скорости подачи - 100 кг/час. Время нахождения массы в зоне переработки составляло 60 секунд.

Усилия, прилагаемые к массе при переработке, а именно напряжение сдвига, силы сдавливания, силы трения замерить непосредственно невозможно, но их величина связана прямо пропорционально с токовой нагрузкой на двигатель, которая фиксируется установленным прибором. Удельный расход электрической энергии на 1 кг перерабатываемой массы составлял 0,14 кВт·ч/кг.

Переработанную массу размалывали на дробилке ДМ-300, просевали через сетку 045, усредняли в 400 л Z-образном смесителе.

Из пресс-порошка прессовали методом холодного прессования блоки размером 115×75×30 мм при удельном давлении прессования 2000 кгс/см², чтобы получить кажущуюся плотность 1,46 г/см³. Некоторые блоки расслаивались, у части блоков после снятия давления обнаруживались продольные тонкие трещины. Годные по внешнему виду блоки подвергались термообработке в туннельной печи при конечной температуре 1200±20°С, охлаждались, выгружались, разбраковывались по внешнему виду, затем графитировались при температуре 2800°С в печах графитации типа НеРС. Из графитированных блоков изготавливались щетки, в которых определяли твердость и удельное электросопротивление (ГОСТ 30262-95). Щетки испытывались на стендовой машине типа УК. Результаты испытаний, полученные по примеру 1, даны в таблице.

Пример 2. Кокс пековый (ТУ 14-7-80-86), измельченный на дробилке ДМ-300 и просеянный через сетку 07, графит тайгинский (ГОСТ 10274-79), просеянный через сетку 07 в количестве 52,7 и 10,6 вес.% соответственно загружали в 400-литровый Z-образный смеситель. Компоненты (наполнитель) перемешивали в течение 20 мин.

Затем в смеситель загружали связующее: измельченный на дробилке ДМ-300 и просеянный через сетку 07 каменноугольный пек с температурой размягчения 65°С (ГОСТ 1038-75) в количестве 36,7 вес.%.

Сырьевые материалы перемешивали в течение 45 мин. Полученную массу (шихту) перерабатывали на двухшнековом смесителе при температуре 125-135°С и скорости подачи 100 кг/час. Время нахождения массы в зоне переработки составляло 30 секунд.

Усилие, прилагаемое к массе при переработке, прямо пропорционально удельному расходу электроэнергии, которое определяется по показателям приборов, установленных на пульте управления: амперметру, вольтметру. Удельный расход электрической энергии на 1 кг перерабатываемой массы составлял 0,08 кВт·ч/кг. Переработанную и охлажденную массу размалывали на дробилке ДМ-300 с диаметром решетки 3 мм. Полученный порошок подвергали вторичной переработке на двухшнековом смесителе при той же температуре. Удельный расход электроэнергии составлял 0,14 кВт·ч/кг, время нахождения массы в смесителе - 10 секунд.

Полученную массу размалывали на дробилке ДМ-300, просевали через сетку 045, усредняли в 400-литровом Z-образном смесителе.

Из пресс-порошка прессовали блоки размером 115×75×30 мм с кажущейся плотностью 1,46 г/см³, которая достигалась при удельном давлении прессования 750 кгс/см². В спрессованных блоках не наблюдалось брака ни по трещинам, ни по расслоению. Блоки подвергали термообработке в туннельной печи при конечной температуре 1200±20°С, охлаждали, выгружали, разбраковывали по внешнему виду, затем графитировали при температуре 2800°С в печах графитации типа НеРС.

Из графитированных блоков изготавливали щетки, в которых определяли твердость и удельное электросопротивление, проводили испытание щеток на стендовой машине типа УК. Результаты испытаний, полученные по примеру 2, даны в таблице.

Пример 3. Кокс пековый (ТУ 14-7-80-86), измельченный на дробилке ДМ-300 и просеянный через сетку 07, графит тайгинский (ГОСТ 10274-79), просеянный через сетку 07 в количестве 52,7 и 10,6 вес.% соответственно, загружали в 400-литровый Z-образный смеситель. Компоненты (наполнитель) перемешивали в течение 20 мин.

Затем в смеситель загружали связующее: измельченный на дробилке ДМ-300 и просеянный через сетку 07 каменноугольный пек с температурой размягчения 72°С (ГОСТ 1038-75) в количестве 36,7 вес.%.

Сырьевые материалы перемешивали в течение 45 мин. Полученную массу (шихту) перерабатывали на двухшнековом смесителе при температуре 140-145°С и скорости подачи 100 кг/час. Время нахождения массы в зоне переработки составляло 45 секунд.

Усилие, прилагаемое к массе при переработке, прямо пропорционально удельному расходу электрической энергии, которое определяется по показателям приборов, установленных на пульте управления: амперметру, вольтметру. Удельный расход электрической энергии на 1 кг перерабатываемой массы составлял 0,12 кВт·ч/кг. Переработанную и охлажденную массу размалывали на дробилке ДМ-300 с диаметром решетки 3 мм.

Полученный порошок подвергали вторичной переработке на двухшнековом смесителе при той же температуре. Удельный расход электрической энергии составлял 0,18 кВт·ч/кг, время нахождения массы в смесителе - 20 секунд.

Таблица Характеристики материала, изготовленного по известному и предлагаемому способам
№№ примеров способа изготовления	Удельное давление прессования, кгс/см2	Кажущаяся плотность блоков, г/см3	Брак по внешнему виду после прессования, %	Брак по внешнему виду после обжига (трещины)	Электрофизические параметры щеток	Испытания на стендовой машине типа УК
			расслоение	трещины		Твердость 7,9/60	Удельное электросопротивление мкОм·м	Износ щеток, мм за 20 час	Степень искрения, баллы
	ФЭО.045.015	ФЭО.045.540	ФЭО.005.880	ФЭО.005.880	ГОСТ 30262-95	ФЭО.005.399
1 Известный (прототип)	2000	1,46	10	15	Присутствует	8-18	11-27	0,30	1 1/2
2 Предлагаемый	750	1,46	нет	нет	Отсутствует	13-20	11-24	0,20	1
3 Предлагаемый	800	1,47	нет	нет	Отсутствует	15-21	17-24	0,18	1
Требования к материалу по техническим условиям	8-21	11-27	не более 0,35	не более 1 1/4

Полученную массу размалывали на дробилке ДМ-300, просевали через сетку 045 и усредняли в 400-литровом Z-образном смесителе.

Из пресс-порошка прессовали блоки размером 115×75×30 мм с кажущейся плотностью 1,47 г/см³, которая достигалась при удельном давлении прессования 800 кгс/см².

В прессованных блоках не наблюдалось брака ни по трещинам, ни по расслоению. Блоки подвергали тремообработке в туннельной печи при конечной температуре 1200±20°С, охлаждали, выгружали, разбраковывали по внешнему виду, затем графитировали при температуре 2800°С в печах графитации типа НеРС.

Из графитированных блоков изготавливали щетки, в которых определяли твердость и удельное электросопротивление, испытывали на стендовой машине типа УК. Результаты испытаний, полученные по примеру 3, даны в таблице.

Как следует из анализа полученных данных, представленных в таблице, щетки, изготовленные по предлагаемому способу, характеризуются меньшим разбросом значений по электрофизическим показателям (твердости и удельному электросопротивлению), более высоким уровнем твердости и электропроводности, чем щетки, изготовленные известным способом. Нет брака по расслоению и трещинам ни при прессовании, ни при обжиге, а следовательно, выше выход годных изделий. Требуемая кажущаяся плотность материала (γ_каж 1,46-1,47) обеспечивается при значительно более низких давлениях прессования, щетки обладают хорошей коммутирующей способностью (меньше степень искрения).

Способ изготовления композиции для щеток электрических машин, включающий изготовление шихты путем смешения углеродных компонентов, переработку шихты на двухшнековом смесителе, размол, прессование и термообработку, отличающийся тем, что переработку шихты на двухшнековом смесителе ведут в течение 30-45 с при удельном расходе электрической энергии, равном 0,08-0,12 кВт·ч/кг, полученную массу охлаждают до комнатной температуры, размалывают до частиц размером не более 3 мм, размолотую массу подвергают переработке на двухшнековом смесителе в течение 10-20 с при удельном расходе электрической энергии, равном 0,14-0,18 кВт·ч/кг, после чего производят размол, прессование и термообработку.