Spazzole e commutatori per motori a corrente continua: usura, problemi e manutenzione
La maggior parte delle spazzole e commutatore I guasti sono dovuti a quattro fattori: contatto errato della spazzola, condizioni errate della superficie, ambiente errato o nessuno che controlli realmente la macchina fino a quando non si guasta. Tutto ciò che segue riguarda l'individuazione tempestiva di questi quattro fattori e la loro correzione con abitudini ripetibili, non con azioni eroiche.
Indice
1. Cosa si consuma effettivamente nell'interfaccia spazzola-commutatore
Conoscete già la storia delle schede tecniche: spazzole di carbone che scorrono su barre di rame, commutazione di corrente, percorsi di corrente tracciati con precisione. Nell'impianto, l'interfaccia reale è molto più complessa ed è proprio lì che risiede l'affidabilità.
Ciò che effettivamente si “usura” non è solo il rame e il carbonio. Si tratta del sottile strato presente sul commutatore, sul gruppo molle, sull'allineamento della scatola delle spazzole, sull'impostazione della neutralità e sul profilo termico dell'armatura. Quando lo strato è uniforme, le molle sono nella giusta posizione e le vibrazioni sono sotto controllo, le spazzole si usurano lentamente e in modo prevedibile. Quando uno di questi elementi si sposta, i tassi di usura aumentano, il modello diventa irregolare e compaiono scintille molto prima che venga superata la corrente indicata sulla targhetta. Questo è il motivo per cui i testi di manutenzione più seri attribuiscono tanta importanza all'ispezione delle spazzole, alla tensione delle molle e alle superfici del commutatore come elementi fondamentali della cura dei motori a corrente continua.
I manuali ufficiali di solito si fermano dopo “ispezionare, pulire, sostituire”. L'abitudine più utile è quella di considerare ogni ispezione come una raccolta di dati: quale zona è più calda, quale portaspazzole è più lento, in quale direzione corre la scanalatura, quali barre stanno iniziando a macchiarsi. Dopo alcune interruzioni di servizio, quel set di dati diventa il modello di guasto locale per quell'unità, non uno generico.
2. Leggere la superficie del commutatore come una pagella
La superficie del commutatore è smussata. Mostra ciò che non ha funzionato correttamente nelle ultime centinaia di ore, a volte anche più a lungo. Le condizioni comuni della superficie hanno cause piuttosto coerenti, confermate da numerose guide pratiche e officine di riparazione.
Di solito vedrai uno di questi stati generali:
Un anello liscio, leggermente satinato, con una pellicola sottile, uniforme e scura che si ripete su ogni barra è un buon segno. La pellicola si è adattata al grado e al tipo di spazzola, le temperature sono adeguate e la pressione della spazzola è nella zona utile. Lascia tutto così com'è, basta tenerlo pulito.
Solchi, linee simili a filamenti, gradini tra le zone, bruciature sui bordi delle barre, rame trascinato nella direzione di rotazione o macchie scure irregolari sono segnali di allarme di medio livello. Questi modelli indicano quasi sempre un grado di spazzola non adeguato, contaminazione, sovraccarichi, impostazione neutra inadeguata o contatto intermittente dovuto alle vibrazioni.
Poi c'è lo stato di emergenza: barre gravemente scolorite, forte bruciatura dei bordi delle barre, barre sollevate, mica sporgente dal rame e trasferimento di metallo tra barre adiacenti. A quel punto non si sta più “manutenendo” un commutatore, ma lo si sta recuperando.
Ecco una tabella di correlazione compatta che puoi utilizzare durante le ispezioni.
| Sintomo visivo sul commutatore | Come appare solitamente sul campo | Probabili cause dominanti | Primi controlli da effettuare |
| Pellicola delicata, uniforme e scura, morbida al tatto | Colore uniforme su tutta la superficie, bordi non visibili al tatto | Condizioni adeguate al grado della spazzola, alla corrente e al raffreddamento | Registrare come riferimento; confermare il grado della spazzola, le impostazioni delle molle, il profilo di carico |
| Scanalatura su tutta la circonferenza | Scanalature poco profonde, spesso simili a specchi nella scanalatura, tra le tracce delle spazzole | Contaminazione, grado di durezza eccessivo della spazzola, alta densità di corrente per lunghi periodi | Verificare il grado della spazzola rispetto all'OEM, controllare la filtrazione dell'aria, controllare la cronologia della corrente dell'armatura |
| “Linee ”intrecciate" o a spirale | Linee elicoidali sottili nella direzione di rotazione, talvolta con leggero rumore | Particelle intrappolate sotto le spazzole, pellicola scadente, commutatore leggermente ruvido o eccentrico | Misurare l'eccentricità, ispezionare i percorsi dell'aria, verificare l'allineamento della scatola delle spazzole e la libertà di movimento. |
| Bruciatura/intaglio dei bordi delle barre | Zone scure e bruciate sui bordi anteriori o posteriori delle barre, scintille visibili alla luce del giorno | Piano neutro disattivato, impostazioni errate dell'interpolatore, reazione dell'armatura, molle deboli | Controllare la posizione della spazzola rispetto alla posizione neutra, verificare la forza della molla, confermare le correnti di campo/interpolo. |
| Resistenza del rame nella direzione di rotazione | Sbavature di rame, barre non più nettamente separate | Temperatura eccessiva, sovraccarichi, vibrazioni elevate, pellicola sporca | Cercare eventuali problemi di raffreddamento, variazioni improvvise del carico, condizioni dei cuscinetti e squilibri. |
| Macchie scure irregolari o fossette | Pitting locale, alcune barre pulite, altre molto scure | Contaminanti, umidità, contatto irregolare della spazzola, occasionali eventi flash | Controllare la tenuta dell'involucro, la cronologia di stoccaggio, cercare segni di flashover passati sui supporti. |
| Barre rialzate / mica alta | Passi percepibili con le unghie, rumore sgradevole delle spazzole | Allentamento meccanico, cicli termici, commutatore non rasato dopo forte usura | Pianificare la lavorazione e il sottosquadro; verificare la presenza di sovraccarichi o frequenti avviamenti/arresti. |
Nessuna singola riga racconta l'intera storia. Il trucco sta nel considerare insieme il modello, la storia operativa recente e l'ambiente. L'aria sporca di una miniera con segni di scanalature è una storia diversa da un banco di prova pulito con le stesse scanalature.
3. Modelli di usura delle spazzole e cosa indicano solitamente
L'usura delle spazzole dovrebbe essere noiosa. Tutte le spazzole in una banca dovrebbero rientrare in una fascia ristretta di lunghezza, avere facce con la stessa curvatura, senza scheggiature, senza smaltatura, senza bruciature sui bordi. Quando quell'immagine si rompe, il modello ti dice più della lunghezza assoluta.
Se una o due spazzole in un gruppo di supporti si consumano molto più rapidamente rispetto alle altre, è possibile che la causa sia una forza della molla non uniforme, una scatola troppo stretta, un supporto inclinato o un'eccentricità locale del commutatore. I rapporti sul campo e le note di riparazione indicano costantemente che le impostazioni errate delle molle e il grado sbagliato delle spazzole sono le cause principali di molti problemi relativi alle spazzole e ai commutatori.
Se tutte le spazzole sono corte ma uniformi, con superfici pulite e un film commutatore accettabile, il problema probabilmente non è affatto di natura elettrica. Si tratta semplicemente di normale usura e l'intervallo di sostituzione è troppo lungo oppure il grado delle spazzole è troppo morbido per il servizio.
Bordi scheggiati, angoli anteriori incrinati e code delle spazzole rotte spesso indicano la presenza di vibrazioni, provenienti dalla macchina stessa o dalla base. Questo legame tra vibrazioni, scintille e danni al commutatore è ripetutamente sottolineato nelle note specialistiche sulle macchine a corrente continua. Cuscinetti difettosi, alberi piegati, giunti disallineati e piastre di base scadenti si manifestano tutti come danni alle spazzole prima che il motore dia completamente segni di malfunzionamento.
Le superfici lucide e levigate con usura ridotta e scarsa distribuzione della corrente indicano spesso un funzionamento a bassa corrente, un carico molto leggero o una rotazione prolungata a vuoto con eccitazione. Il film diventa più duro e liscio rispetto a quanto richiesto dalla spazzola e il contatto diventa inaffidabile. In questi casi potrebbe essere necessario utilizzare un grado leggermente più morbido o procedere a una pulizia accurata e a un rodaggio dopo un funzionamento prolungato a carico leggero.
4. Sintomi elettrici: scintille, rumore e rischio di scariche elettriche
Le scintille sono il sintomo più evidente, ma ciò che conta è la tempistica e la distribuzione di tali scintille. Scintille leggere e distribuite uniformemente sotto carico pesante possono essere accettabili per alcune macchine. Alcune scintille pesanti e vaganti su spazzole specifiche a carico moderato sono un segnale di allarme molto più grave.
Le scintille eccessive hanno una breve lista di cause comuni nella maggior parte delle guide dei motori CC: spazzole usurate, pressione della molla errata, superficie del commutatore sporca o ruvida, piano neutro impostato in modo errato o sovraccarico. Se la scintilla segue una particolare posizione del supporto, è necessario concentrarsi sull'allineamento e sulla qualità della superficie locale. Se segue il carico, è necessario controllare la densità di corrente, le impostazioni degli interpolatori e il comportamento termico.
Il flashover è meno comune ma costoso. Le note tecniche dell'EASA chiariscono che i bordi affilati delle barre e lo stress da alta tensione all'estremità del commutatore sono fattori che contribuiscono in modo significativo e che semplici modifiche geometriche, come lo smussamento dei bordi delle barre, possono ridurre notevolmente lo stress e il rischio. Se a ciò si aggiungono contaminazione, umidità elevata e un sistema di spazzole debole o danneggiato, la probabilità aumenta.
Il rumore elettrico e le interferenze radio provenienti da un azionamento CC sono spesso riconducibili a una commutazione inadeguata. Quando un addetto ai controlli segnala la presenza di segnali rumorosi, è opportuno includere nelle indagini anche le condizioni delle spazzole e del commutatore, anziché considerare il problema solo come una questione di filtraggio o schermatura.
5. Routine di manutenzione che rendono tutto noioso
La maggior parte delle fonti autorevoli sulla manutenzione dei motori a corrente continua concordano sul fatto che l'affidabilità dipende principalmente da ispezioni regolari delle spazzole, degli ingranaggi delle spazzole e del commutatore, piuttosto che da riparazioni occasionali.
Un modello pratico a cui molte aziende si orientano è il seguente, anche se non lo descrivono esattamente in questi termini. Controlli brevi e frequenti mentre la macchina è ferma. Ispezioni periodiche più approfondite con copertura rimossa e registrazione dei dati. Lavori occasionali pesanti come lavorazioni meccaniche, sottosquadri e sostituzione completa delle spazzole, idealmente pianificati anziché resi necessari da un guasto.
Per quanto riguarda gli aspetti più semplici, una breve ispezione dopo un'interruzione di corrente dovrebbe verificare almeno: la libertà di movimento delle spazzole nella scatola, l'integrità dei cavi, che i bracci a molla non siano bloccati o grippati, la visibilità della zona del commutatore sotto ogni banco di spazzole e la pulizia generale dell'interno. In questa fase non si sta cercando di riparare nulla; l'obiettivo è vedere come ha funzionato la macchina dall'ultima visita.
In occasione di una manutenzione programmata più approfondita, è necessario aggiungere: misurazione della lunghezza delle spazzole e registrazione dei valori minimi/medi/massimi per ciascun supporto; misurazione della pressione della molla con un calibro; ispezione dell'eccentricità e della rugosità superficiale del commutatore; controllo della profondità e delle condizioni della mica; controllo dell'allineamento e dello sfalsamento dei portaspazzole; ispezione dei collegamenti principali e interpolo; pulizia di tutta la polvere incrostata nei condotti e nelle cavità. Le note dei produttori di spazzole di carbone sottolineano con forza che una pulizia e un'ispezione approfondite delle aree del commutatore e dell'anello di contatto sono uno dei modi migliori per evitare problemi di commutazione precoci e che le cavità o le macchie scure sui bordi delle barre sono segnali di allarme precoci che devono essere affrontati prima che si aggravino.
Dopo qualsiasi intervento pesante, come la raschiatura di un commutatore o la sostituzione delle spazzole, è necessario prevedere un'attenta fase di rodaggio anziché mettere immediatamente il motore in piena produzione. Questa è la parte che la maggior parte dei programmi trascura e che fa perdere valore a molti lavori di riparazione.
6. Numeri pratici e tolleranze
I professionisti spesso discutono sui valori esatti, ma alcune linee guida numeriche tendono a ripetersi nelle note tecniche e nelle raccomandazioni dei produttori.
La lunghezza di sostituzione delle spazzole è comunemente fissata a circa la metà della lunghezza originale. Molte guide di manutenzione moderne suggeriscono di ispezionare le spazzole ogni 500-1000 ore di funzionamento per le macchine per uso generico e di sostituirle prima che raggiungano la lunghezza minima indicata dal produttore, non quando sono quasi esaurite. In caso di servizio sporco o con carico elevato, è necessario ridurre drasticamente tali intervalli.
La pressione della molla è solitamente specificata dal fornitore delle spazzole, spesso nell'ordine di alcune decine di kilopascal sull'area di contatto. Una pressione troppo bassa provoca scintille e un film irregolare; una pressione troppo alta aumenta l'usura e il riscaldamento. La cosa importante è misurare effettivamente la pressione con un manometro durante l'interruzione, non limitarsi a supporre che le molle siano “ancora abbastanza rigide”.”
L'eccentricità, la rugosità e lo spessore della mica del commutatore hanno i propri numeri OEM, ma la regola generale è semplice: se si percepiscono chiaramente con l'unghia i gradini della barra o la mica sporgente, significa che si è già fuori dalla zona ottimale e si sta andando incontro a una commutazione scadente. Le note di riparazione sottolineano che i danni meccanici evidenti, le bruciature da scintille o una superficie irregolare devono essere corretti mediante lavorazione o molatura, seguite da sottosquadro e pulizia, piuttosto che semplicemente con una “pulizia extra”.”
La temperatura è un altro fattore limitante silenzioso. Se gli ingranaggi delle spazzole si surriscaldano molto più delle strutture in acciaio adiacenti, ciò significa solitamente che la densità di corrente è elevata, il raffreddamento è insufficiente o l'attrito è eccessivo. Un termometro a infrarossi portatile o una termocamera utilizzati durante un funzionamento a carico costante possono rivelare punti caldi sui supporti o sulla superficie del commutatore molto prima che scatti l'allarme di temperatura dell'avvolgimento.
7. Dopo una riparazione o un lungo periodo di inattività: rimessa in funzione del motore
I problemi relativi alle spazzole e al commutatore spesso si manifestano subito dopo un cambiamento. Un riavvolgimento, un nuovo front-end VFD, un lungo periodo di stoccaggio, un cambiamento nel grado delle spazzole. Pertanto, le prime ore di ripristino del servizio sono più importanti del solito.
Dopo un lungo periodo di stoccaggio, specialmente in ambienti umidi o contaminati, molti produttori raccomandano di pulire il commutatore, controllare la presenza di macchie scure o corrosione e separare le spazzole dalle parti rotanti con materiale isolante fino al momento della rimessa in funzione. Una volta rimessa in funzione, non saltare la fase di ricostruzione del film: un funzionamento controllato con carico crescente gradualmente consente all'interfaccia spazzola-commutatore di ricostruire la propria superficie di lavoro invece di deformarsi sotto la richiesta di coppia massima.
Quando cambi il grado della spazzola, trasformalo in un esperimento documentato piuttosto che in una semplice sostituzione. Registra il grado precedente, le ore di funzionamento, le condizioni della superficie e il comportamento delle scintille. Installa il nuovo grado, esegui un corretto rodaggio (levigatura manuale o funzionamento a basso carico secondo le indicazioni del fornitore), quindi ispeziona nuovamente dopo un numero prestabilito di ore. Senza questo ciclo, non potrai mai sapere con certezza se il nuovo grado ha aiutato o ha semplicemente spostato il problema altrove.
Dopo la lavorazione del commutatore, il sottosquadro e la pulizia approfondita, pianificare diversi cicli di carico brevi con ispezioni intermedie. Controllare lo sviluppo della pellicola, il livello di scintillamento, l'assestamento delle spazzole e la temperatura. Può sembrare lento, ma i commutatori ricostruiti che vengono sottoposti immediatamente a un carico elevato sono proprio quelli che si bruciano al primo guasto.
8. Breve sintesi per ingegneri impegnati
Se si eliminano il gergo tecnico e le lunghe liste di controllo, il funzionamento affidabile delle spazzole e dei commutatori dei motori a corrente continua si riduce a poche abitudini.
Mantenete l'ambiente pulito e prevedibile in modo che il film possa stabilizzarsi. Mantenete le parti meccaniche allineate, libere di muoversi e entro i limiti di eccentricità e molla. Osservate i modelli visivi sul commutatore e sulle superfici delle spazzole e registrateli con date, carichi e temperature. Intervenite tempestivamente quando tali modelli cambiano, utilizzando lavorazioni meccaniche, regolazioni del grado delle spazzole o correzioni di raffreddamento, piuttosto che attendere interruzioni e scariche elettriche.
