Szakdolgozat

 

 

 

 

Porkohászat termék tulajdonságainak vizsgálata

 

Készítette: Besse Sándor

 

 

Gépipari mérnökasszisztens szak

 

 

 

 

 

 

 

Budapesti Műszaki Főiskola Bánki Donát Gépészmérnöki Kar

Budapest

2004

 

 

                                                                                 

Nyilatkozat az önálló munkáról

 

 

Alulírott Besse Sándor, a Budapesti Műszaki Főiskola Bánki Donát Gépipari mérnökasszisztensi szak hallgatója kijelentem, hogy ezt a szakdolgozatot meg nem engedett segítség nélkül, saját magam készítettem, és a szakdolgozatomban csak a megadott forrásokat használtam fel. Minden olyan részt, amelyet szó szerint vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvetem, a forrás megjelölésével egyértelműen megjelöltem.

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                              ……………………………

                                                                                                                             Besse Sándor

 

 

 

Kelt: Székesfehérvár, 2004-05-28

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tartalmi kivonat

 

 

Szakdolgozatomat  a porkohászati termékekről, ezen belül a réz-grafit önindító kefék gyártásáról, működéséről és vizsgálatáról írtam.

A szakdolgozatom a következő főbb pontokba van szedve.

 

- A porkohászat általános technológiája:

                Itt röviden ismertetem a porkohászat fontosságát az iparban, majd leírom az általános porkohászati technológiai sorrendet.

 

- Porkohászati gyártmányok csoportosítása anyagtulajdonság szerint:

                Itt felsorolom a különböző porkohászati végtermékeket, és ezeket különböző csoportokba rendezem. Így látható, hogy a réz-grafit kefék az álötvözetek            csoportjába tartoznak.

 

- Réz-grafit kefék gyártása:

                Ezt a fejezetet egy történelmi áttekintéssel kezdem, ahol a különböző csúszó áramvezetők fejlődését lehet nyomon követni egészen a ma is használatos                áramvezető kefékig. Ezután részletesen leírom a réz-grafit kefék technológiai sorrendjét, ami a következő:

·         Nyersanyagok gyártása

·         Nyersanyagok aprítása

·         Nyersanyagok kötőanyaggal való összekeverése

·         Sajtolás

·         Zsugorító hőközlés

·         Mechanikai feldolgozás, darabolás

·         Galvanizálás

·         Szerelvények elhelyezése

 

 

 

 

- Réz-grafit porkohászati önindító kefe működése:

                Ebben a fejezetben a kefe működésével kapcsolatban lévő három főrészt írom le. Ez a három főrész a következő:

a)       Kefe, mint elektromos áram átviteli egység.

b)       Kefetartó, amely rögzíti a kefét, és helyes pozícióban tartja azt.

c)       Kommutátor, amely egymástól elszigetelt réz szegmensekből álló henger, és amivel közvetlenül érintkezik a kefe.

 

Ezt a három főrészt ezután külön-külön részletesen leírom.

a)       A kefék anyagvizsgálata és kiválasztásának szempontjai:

       Ebben a részben a kefékre jellemző paramétereket és azok mérését írom le.

       Kefehibák és okok:

       Ahogy a cím is elárulja, a különböző kefe meghibásodás, ill. a kefe felületén létrejövő kopásokat részletezem, és ezek okait írom le.

b)       A kefetartók vizsgálata:

       Itt írom le a különböző kefetartók elhelyezését, szerepét, és működését.

c)       A kommutátorok vizsgálata:

       Itt részletezem a kommutátor elhelyezkedését – értem ez alatt két             kommutátor közötti optimális távolságot és a közötte elhelyezkedő szigetelő fontosságát. Ezután itt is részletezem a       kommutátor felületén létrejövő hibákat, és ezek okait.

 

- Réz-grafit mintasorozat elméleti sűrűségének meghatározása:

                Részletesen leírom az elméleti sűrűség meghatározásához szükséges méréseket, és táblázatba foglalom az adatokat.

 

- A mintasorozat réz-grafit anyagainak meghatározása:

                A grafikonon jelölöm a mintasorozatok sűrűségeit, majd leolvasom a réz-grafit %-os arányát. Az eredményeket táblázatba foglalom.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tartalomjegyzék

 

 

 

 

1. Bevezetés................................................................................................................ 1

 

2. A porkohászat általános technológiája...................................................................... 2

2.1  A porkohászati gyártmányok csoportosítása anyagminőség,

ill. fizikai vagy kémiai tulajdonságok szerint.................................................... 2

2.1.1 Nagy olvadáspontú fémek.................................................................... 2

2.1.2 Porózus fémek..................................................................................... 3

2.1.3 Mágneses anyagok.............................................................................. 3

2.1.4 Keramikusanyagok.............................................................................. 3

2.1.5 Álötvözetek......................................................................................... 3

 

3. Réz-grafit kefék gyártása.......................................................................................... 4

3.1 Nyersanyagok................................................................................................ 4

3.2 Aprítás........................................................................................................... 5

3.3 Keverés......................................................................................................... 6

3.4 Sajtolás.......................................................................................................... 7

3.5 Zsugorító hőkezelés........................................................................................ 8

3.5.1 A zsugorítás fázisai............................................................................... 8

3.6 Mechanikai feldolgozás................................................................................... 8

3.7 Galvanizálás................................................................................................... 9

3.8 Szerelvények.................................................................................................. 9

 

4. Réz-grafit porkohászati önindító kefék működése..................................................... 12

4.1 A kefék anyagvizsgálata és kiválasztásának szempontjai.................................. 12

4.1.1 Kefehibák és okok.............................................................................. 16

4.2 A kefetartók vizsgálata................................................................................... 17

4.3 A kommutátorok vizsgálata............................................................................. 18

 

5. Réz-grafit mintasorozat elméleti sűrűségének meghatározása...................................... 21

5.1 A mérésekhez felhasznált eszközök................................................................. 21

5.2 A próbatestek főbb adatai.............................................................................. 22

5.3 A próbatest méretezése.................................................................................. 22

 

6. A mintasorozat réz-grafit arányának meghatározása.................................................. 23

 

Összefoglalás............................................................................................................... 25

 

Irodalomjegyzék.......................................................................................................... 26

 

Köszönetnyilvánítás...................................................................................................... 27

 

 

 

1.     Bevezetés:

 

Szakdolgozatomat egy porkohászati termék tulajdonságainak vizsgálatáról írtam. A porkohászati termékeken belül részletesebben megvizsgáltam a réz-grafit önindító kefét. A szakdolgozatom a következőképpen épül fel.

 

 

1.                  A porkohászat általános technológia ismertetése után, csoportosítom az általános porkohászati termékeket, és elhelyezem bennük a réz-grafit keféket.

 

2.                  Részletesen leírom a réz-grafit gyártási technológiáját.

 

3.                  A továbbiakban részletesen ismertetem a réz-grafit porkohászati kefék működési elvét. Itt részletesen leírom a kefével közvetlen kapcsolatban lévő egységeket, majd ezeket külön részletezem is. Itt teszek említést néhány kefe és kommutátor hibára, majd ezek okaira is fényt derítek.

 

4.                  Meghatározom egyszerű számítással – mivel a porozitás elhanyagolhattam – a réz-grafit mintasorozat elméleti sűrűségét, majd táblázatba foglalom.

 

5.         A grafikon segítségével meghatározom a mintasorozat réz-grafit arányát, majd ezeket az adatokat táblázatba foglalom.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. A porkohászat általános technológiája:

 

 

            A két világháború között az iparilag fejlett országokban, a technika gyors fejlődése olyan új anyagok készítését tette szükségessé, amilyeneket az addig használatos módszerekkel nem lehetett gyártani. Olyan új gyártási módszereket kellett alkalmazni, amelyekkel új termékeket, és gazdaságosabb gyártást lehetett létrehozni. Ezen új gyártási módszerek közé tartozik a porkohászat.

A fémporok készítése után, azokat önállóan, vagy más fémporokkal keverve összesajtolják. Ezután az oxidációt megakadályozva, a fő alkotórész olvadáspontját el nem érő hőmérsékleten izzítják. Az izzítás során a munkadarab mérete kissé csökken, ezt a méretcsökkenést zsugorításnak nevezzük. Ezzel a módszerrel olyan tulajdonságú, szerkezetű, összetételű anyagokat, gyártmányokat lehet készíteni, amilyenre más mód nincs.  

 

2.1 A porkohászati gyártmányok csoportosítása anyagminőség, ill. fizikai vagy kémiai tulajdonságok szerint {5}:

 

2.1.1 Nagy olvadáspontú fémek:

 

a)      Wolfram

Felhasználása: izzólámpák spiráljai, rádió és televízió csövek, villamos kemencék ellenállás fűtőszálai.

b)      Keményfémek

Felhasználása: nagy teljesítményű forgácsolószerszámok, acél- és színesfém huzalok húzása.

c)      Molibdén

Felhasználása: üveggyártás elektródái.

 

 

 

 

 

2.1.2 Porózus fémek:

 

a)      Fémszűrők:

Felhasználás: nyersolajmotorokban üzemanyagszűrőként, élelmiszeripari gépekben folyadékszűrőként, szilárd-folyékony, folyékony-gáz fázis szétválasztására.

b)      Önkenőcsapágyak:

Felhasználása: autóipar, szerszámgépgyártás, kisteljesítményű elektromotorok gyártása

 

2.1.3 Mágneses anyagok:

 

a)      Kemény mágneses anyagok:

Felhasználás: audiotechnikában hangszóró mágnes gyártása.

b)      Lágy mágneses anyagok, ferritek:

Felhasználása: híradástechnikában hangoló tekercsek beállítása.

 

2.1.4 Keramikusanyagok:

 

Felhasználása: forgácsolószerszám anyag, ott használják, ahol a fémötvözés már nem lehetséges a nagy hőmérséklet miatt.

 

2.1.5 Álötvözetek:

 

a)      Súrlódó anyagok:

Felhasználás: fékberendezések, tengelykapcsolók súrlódó anyagai.

b)      Ólombronz:

Felhasználása: Diesel-motorok főtengelycsapágya.

c)      Villamos érintkező anyagok:

Felhasználása: elektronikában, a reléknél fellépő villamos ív eróziós hatásának ellenáll

d)      Áramvezető kefék:

Felhasználása: villamos forgógépek kollektor keféi.

 

3.      Réz-grafit kefék gyártása:

 

Az átmenetnek kefe által való megoldása már Faraday első, 1830-ben szerkesztett tárcsás indukciós gépén található, mint egyrészt a tárcsa peremén, másrészt annak tengelyén csúszó rézszalag. Az 1880-as évekig a keféket vörös- vagy sárgaréz drótokból, lemezekből vagy drótszövetből készítették. Az angol Forbes volt az első, aki 1885-ben kefe gyanánt az un. műszenet ajánlotta. Az ötlet lényegében nem volt egyedülálló, hiszen már 1810-ben a Davy találmányából kiinduló ívlámpa-világításból, majd pedig 1842-ben Bunsen galvánelem egyik részeként használatos műszénből, ötletet meríthetett. A XX. század első éveibe készítették Svédországban az első bronz-szénkeféket, amelyek „bronskol” név alatt kerültek forgalomba. Ennél egy különleges eljárással grafitszemcséket réz-és ónhártyával vonták be, az anyagot kötőanyag hozzáadása nélkül sajtolták, és utána izzították, miközben a réz és ón bronzzá ötvöződött. Azóta egyenértékűnek bizonyult az egyszerűbb eljárás, miszerint a következő gyártási mozzanatokat lehet megkülönböztetni.

·        A nyersanyagok őrlése, osztályozása, adagolása és kötőanyaggal való keverése.

·        A keveréknek lemezekké vagy rudakká való sajtolása.

·        A sajtolt lemezek vagy rudak izzítása.

·        Az izzított anyag a végleges alakra való felvágása és megmunkálása.

·        Galvanizálás és szerelvényekkel való ellátás.

Szem előtt tartva ezt a gyártási sorrendet, a következőkben előbb a nyersanyagokat, azután az egyes folyamatokat fogom röviden ismertetni.

 

3.1  Nyersanyagok:

·                           Grafit

·                           Szénszármazékok (koksz, petrolkoksz, kátránykoksz, korom, kátrány)

-         Koksz: kevésbé alkalmas, mint kefeanyag.

-         Petrolkoksz: nehéz ásványolajok desztillálásakor nyerik, hátránya az aránylag nagy gáztartalom.

-         Kátránykoksz: a kátrányszurok további desztillációjánál marad vissza, és tulajdonságaiban hasonlít a petrolkokszhoz.

-         Korom: az előállítási eljárása az, hogy a többnyire folyékony nyersanyagot (kátrányszurok, nehézolajok, gyantamaradékok) kevés levegő jelenlétében elégetik, és a keletkező gázokat kamrákba vezetik, ahol a korom a falakon kiválik.

-         Kátrány: kötőanyagként vált be legjobban. Előnye az aránylag kis hamutartalom mellett a viszkozitása, melyre azért van szükség, hogy az őrölt szén anyaggal keverve péppé gyúrható legyen.

·      Réz por: (elektrolitikus úton gyártják).

 

3.2  Aprítás:

 

A sokszor darabos nyersanyagok aprítására és őrlésére használt gépeket a kefegyártás a technológia más ágazataiból vette át. Nagyobb darabok széttörésére az ismert pofás vagy hengeres zúzókat használják, míg a finomabb őrlés, golyós malmokkal (Ld. 1.ábra){3}, és görgős járatokkal történik. Mindezek a műveletek többé-kevésbé hátrányosak az anyag tisztasága szempontjából, mert a gépek kopása következtében – pofás törők esetén – vaspor kerül az anyagba. Párhuzamosan az őrlési eljárással, az anyagot szitákon osztályozzák. Megjegyzendő, hogy nem célszerű a szemcsefinomságot a lehetőség határáig fokozni. Ugyanis a túl finomra őrölt anyag túl sok kötőanyagot igényel ahhoz, hogy péppé gyúrható legyen. A kötőanyag mennyisége viszont az égetésre való tekintettel korlátozva van.

 


 

 

3.3  Keverés:

 

A kötőanyaggal való keverés a tésztaiparban használtakhoz hasonló keverő gépekben történik (Ld. 2.ábra){4}, melyeket az anyag pépszerű állapotának fönntartása véget fűteni kell. Ugyancsak fűtött edényekből eresztik a szénkeverékhez a kátrányt, hogy folyékony maradjon. A keverés után az anyagot még külön gyúrásnak vetik alá, ami az anyag egyenletessége szempontjából különösen fontos. Erre is görgős járatokat, gyúró hengerszékeket használnak úgy, mint a gumiiparban.

Az elektrolitikus úton gyártott rézpor szemcsemérete, szemcseszerkezete, töltősűrűsége igen hasonló a grafitéhoz, és ez elősegíti a két fázis egyenletes eloszlását a keverés közben.

 


Keverési műveletben a legfontosabb az, hogy milyen anyagokat mekkora arányba keverünk egymásba. A keverékek számarányaiban vannak a gyárak hosszadalmas kísérleteinek eredményei lefektetve. Érthető hogy ezeket szigorú titokban tartják. Mivel a különböző anyagok tulajdonságai ismeretesek, ezért ebből meg lehet határozni a keverési arányokat.

Ahol nagyobb kopással szembeni ellenállásra, vagy nyomásnak, ütésnek jobban ellenálló kefeanyagra van szükség, a nagyobb szilárdság és keménység elérésére érdekében, a 70 %-os réztartalom felett, néhány %-tól egészen 10%-ig mennyiségű ónt, esetleg cinket is adagolhatnak. A simább működés miatt ólom adagolása is szokásos. Néhány réz-grafit, ill. bronz-grafit kefeanyag összetételét mutatja az (Ld. 1.táblázat){5}.

 

 

 

Típus

Szám

Összetétel %-ban

Réz

Grafit

Ón

Ólom

Cink

1

85

5

-

10

-

2

80

10

-

10

-

3

80

10

10

-

-

4

70

20

-

10

-

5

70

30

-

-

-

6

68

12

8

-

12

7

30

70

-

-

-

1.táblázat

 

3.4  Sajtolás:

 

 

 


Miután a keverés megtörtént, az anyagot mechanikus vagy hidraulikus présekbe töltik. A sajtolást végezhető hidegen, vagy melegen a zsugorítási hőmérsékleten. A legelterjedtebb a hidegsajtolás, ezen belül megkülönböztetünk egyirányú, vagy kétirányú sajtolás. Az eredeti térfogat kb. 1/7-ére történő egyenletes sűrítést a munkadarab kétirányú sajtolásával (Ld. 3.ábra){1} érik el. A sűrűség a sajtolási nyomástól függ, ami kb. 40-60 kN/cm2. A bonyolult alakú ill. változó magasságú munkadarabokat osztott szerszámban sajtolják, mivel csak így lehet a port egyenletes süsüségre tömöríteni.

3.ábra Kétirányú sajtolás

3.5  Zsugorító hőkezelés{2}:

 

A zsugorítás során összetett fizikai-kémiai folyamatok mennek végbe, diffúziós és anyagszerkezet változással járó átalakulások játszódnak le. A zsugorított termék tulajdonságait a porkeverék összetételén, szemcseméretén és egyéb fizikai-kémiai jellemzőin kívül a zsugorítás technológiai paraméterei is (hőmérséklet, időtartam, védőatmoszféra stb.) alapvetően befolyásolja. A zsugorítást egykomponensű por esetén az adott anyag, többalkotós por esetén a keverék fő alkotóját képező komponens olvadáspontja (Tolv) alatti hőmérsékleten (T=0,65…0,75Tolv), semleges vagy redukáló védőgáz-atmoszférába végzik. A zsugorító hőközlés a munkadarab térfogatcsökkenésével jár együtt, ez elérheti a 10…40%-ot is.

 

 

3.5.1        A zsugorítás fázisai:

 

a)      A lassú fölmelegítés után kb. 300°C-on eltávoznak a sajtoláshoz használt kenőanyagok.

b)      A kefe zsugorítási hőmérsékleten tartása az előírt ideig, védő atmoszféra mellett. Ez réz-grafitnál kb. 600-900°C-on történik.

c)      Lassú lehűtési folyamat, a felületi minőség megtartása miatt.

 

 

3.6  Mechanikai feldolgozás:

 

Miután a zsugorító hőközlés megtörtént, az anyagtömböket méretre vágják, majd minden oldalát csiszolják. A folyamat közben hűtő-kenő emulziót használnak. Ez azért fontos, hogy a felületen ne jöhessenek létre mikro repedések a nagy hő hatására. Továbbá a lecsiszolt anyag is porképződés nélkül eltávolítható. Ez főleg a szén, ill. a grafit keféknél jelentős. A méretre vágás és csiszolás után a keféket jelölésekkel látják el. Ezeket a jelöléseket régebben ráfestéssel oldották meg, ami szám és betűből állt. Sajnos ezek a jelölések hamar lekoptak, ezért újabban vagy színjelölést használnak, vagy belegravírozzák a kefébe a típusjelölést.

 

 

3.7  Galvanizálás{6}:

 

A forrasztásnál a szénnek és a bronznak rézbevonattal való ellátása a forrasztás helyén feltétlenül szükséges. A szegecselésnél is kívánatos a rézbevonat a szénnél, mert egyszerű mérésekkel lehet igazolni, hogy az érintkezés átmeneti ellenállása ezáltal kb. a tizedére csökken. Régebben a rezezés mellett ezüstözés és nikkelezés is szokásban volt. Minthogy azonban a rezezés egyszerűbb és gazdaságosabb, ezért mást ma már alig használnak. Tehát a rezezés egyedüli célja a kefekábel és a kefe közötti jó érintkezés biztosítása.

            Rézbevonatot galvanikus úton lehet előállítani legkönnyebben. A rézzel való galvanizálás egyszerű telített savas rézszulfát fürdőben történik, és pedig kb. 1,5-2,5 Volt feszültségen. A szénkeféket függesztve tartják, azokat a részeket pedig, amelyeket bevonat nélkül akarnak hagyni, azokat a felületeket parafinnal vonják be.

            Előzőleg a keféket gondosan zsírtalanítani kell. A fürdőből kikerülő keféket a beszívódott rézszulfáttól forró vízben való áztatás által kell megszabadulni, különben a benne marad rézszulfát később csúnyán kivirágzik. Mosás után a keféket szárítják.

 

 

3.8  Szerelvények:

 

Régebben a keféket minden szerelvény nélkül helyezték a kefetartóba, és a véletlenre bízták, hogy az áram hol fog a keféből a tartóba átmenni. Kis áramerősségnél ez nem is jár különösebb hátránnyal. Nagyobb igénybevételeknél azonban ívfény és az elektronikus hatások következtében a kefék egyes helyeken kimaródnak, kiégnek, és a kefetartóhoz oda is sülhetnek. Ezenfelül a tökéletlen érintkezés, melegedést is okozhat.

            Ma már –eltekintve a kis feszültségen működő motoroktól- minden kefét un. armatúrával szokták felszerelni, és ezzel előírják az áramnak az útját. Gyakran a kefét a futófelületre szorító kefetartórész végét is elszigetelik a kefétől, hogy azon és esetleg a rugón áram ne menjen keresztül. E szigetelés történhet akár úgy, hogy a kefetartórész vége szigetelőanyagból készül, de akár úgy is, hogy a kefe felső része egy szigetelőlemezzel van borítva. Elmaradhat az armatúra olyan esetekben, mikor a kefe maradandóan a tartóba van beillesztve, (pl.: motorok áramvezető gyűrűinél). A jobb átmeneti érintkezés biztosítására, pl.: a szénkeféket ilyen esetekben célszerű legalább rézbevonattal ellátni.

            A tapasztalatok azt mutatják, hogy a szokásos igénybevételek mellett a szerelvények szerkesztésére és kivitelére kell a legnagyobb gondot fordítani, ha azt alkarjuk, hogy egy különben jó kefeanyag, mint kefe az üzembe helyezéskor is állandó jó eredményt adjon.


            Olyan kefetartóknál, melyekben a kefe mozoghat, az áramot hajlékony, kb. 0.05-0.2mm átmérőjű rézszálból vagy ezüstszálból készült kábelekkel vezetik a kefetartóhoz (Ld. 4.ábra){7}, amelyhez a kábelek többnyire hozzásajtolt és forrasztott saruk útján vannak csavarkötéssel odaszorítva (Ld. 5.ábra){7}.

4.ábra Szerelvények

 


5.ábra Csatlakozók

 

            Elvi különbségek csak a kábeleknek  a keféhez való erősítésének módja körül fordulnak elő és pedig nagyjából háromféle eddig bevált rendszert találunk.

a)      A kábeleket hozzáforrasztják (Ld. 6.ábra”a”){6} a kefékhez, többnyire úgy, hogy a kábel egy a kefe felső részében kimart horonyba fekszik, melyet egy fémsapkával védnek. A kábelt a sapkához is forraszthatják, ha az megfelelően van kiképezve. A forrasztás jó érintkezést ad; hátránya, hogy a túlterheléseknél esetleg kiolvadhat.

b)      Kiperemezett rézcsőből álló szegecskötéssel (Ld. 6.ábra”b”){6} is felerősíthetők a kábelek a keféhez. A kefe fejét természetesen megfelelően kell kialakítani. Egy válfaja ennek a rendszernek az, amelynél a sapkát szegecselik a keféhez és a kábelt a sapkához. A szegecskötés megbízhatóbb, mint a forrasztás, nem érzékeny annyira a melegedésre, mert a kábel, mely a szegecs alá van szorítva, rugalmas és enged a hőtágulásnak. Hátránya, hogy nagyobb keféknél aránylag nagy a kefe ki nem használt része.

c)      Bedöngölés (Ld. 6.ábra”c”){6}. Ennél az eljárásnál a kábelnek 1-2mm-el nagyobb átmérőjű és lefelé táguló lyukat fúrnak a kefébe, beledugják a kábelt, és a körülötte levő hézagot egy a kábelt körülvevő cső segítségével, elektrolitikus úton gyártott rézporral speciálisabb esetben un. fémcementtel tömködik ki. A folyamat után a fémcement kb. 30 perc alatt keményedik ki. Ezt a folyamatot különleges gépek végzik teljesen önműködően.

d)     

A kábelnek a keféhez csavarokkal való hozzáerősítése nem ajánlatos, mert a csavarkötés átmeneti ellenállása nagy, és az a melegedésnél megbízhatatlan.

 

 

 

Az így elkészített keféket, ellenőrzik; méret, tömeg, elektromos ellenállás, szerelvények mechanikai tulajdonságai szempontjából. A selejtes kefék mivel nem javíthatók, ezért ezeket visszaforgatják a technológiai sor elejére, és ezek nagyobb részét újból felhasználják.

 

 

 

 

4. Réz-grafit porkohászati önindító kefék működése:

 

 

Ha egy villamos gép forgórészéről áramot akarunk levenni, vagy abba bevezetni, az átmeneti érintkezés biztosítására a leggyakrabban csúszó érintkezést szokás használni. Ha az átmenet közben az áramirány változatlan marad, erre a célra elegendő egy tömör fémgyűrű, míg ha az átmenettel egyidejűleg a forgórész egyes részeiben az áramiránynak meg kell változni, szigetelő rétegek által szeletekre osztott gyűrűt-kommutátort- kell használnunk. Mindkét esetben a gyűrűn vagy a kommutátoron csúszó kefe alkotja a külső áramkör utolsó elemét. Az áramkör mozgó és mozdulatlan részeinek csatlakozó helye természetszerűleg gyenge pontja a körnek, amelyre úgy a szerkesztésnél és előállításnál, mint az üzembetartásnál fokozottabb figyelemmel kell lenni. Tehát a kefe működésével kapcsolatban három fő egységet különböztethetünk meg. Ezek a következők:

·        Magát a kefét, mint elektromos áram átviteli egységet.

·        Kefetartót, amely rögzíti a kefét és helyes pozícióban tartja, úgy hogy az szabadon föl-le mozoghasson.

·        Kommutátort, amely egymástó elszigetelt réz szegmensekből álló henger, ami a tekercselés kivezetéseihez van hozzáforrasztva.

A következőkben ezeket a fő egységek szeretném részletesebben megvizsgálni és leírni.

 

4.1 A kefék anyagvizsgálata és kiválasztásának szempontjai:

 

A különböző elektromos gépek és berendezések csúszóérintkezéses áramvezetésében résztvevő kefék kiválasztása nem könnyű feladat, mivel jelentős szerepet töltenek be. Fontos hogy a lehető legjobb érintkezés álljon fenn a kefe és az armatúra között, egyidejűleg pedig a kefe jó hatásfokkal működjön. A kefe kiválasztásánál, valamint más minőséggel való helyettesítésnél kellő gondossággal kell eljárni, hogy az adott körülményekhez a lehető legjobb kefeminőség kerüljön alkalmazásra. A kefeanyagokkal szemben a felhasználástól függően következők a követelmények:

·        Nagy elektromos vezetőképesség.

·        Hosszú élettartam.

·        Nagy túlterhelhetőség.

·        Kis érzékenység az üzemeltetési klímára.

·        Kielégítő mechanikai szilárdság.

·        Rezgéselnyelő képesség.

Ahhoz hogy az adott munkakörhöz a legoptimálisabb kefét válasszuk ki, ismernünk kell a kefeanyagok műszaki paramétereit és főbb anyagtulajdonságait. A forgalomban használatos kefeanyagoknál, a következő paramétereket adják meg:

 

a)             Sűrűség [g/cm3]: Az anyag térfogatához viszonyított súlyát jelenti. A megkapott összeg nem teljesen fedi a valóságot, ugyanis a keféknél porozitással is kell számolni.

A sűrűség a grafitkeféknél kb. 1,55 [g/cm3] körül van, de ez arányosan emelkedik a fémtartalommal. Vannak olyan réz-grafit kefeanyagok, amelyek elérhetik a 7 [g/cm3] is.

 

b)      Golyónyomásos keménységmérés [N/mm2]: Ennél a módszernél a keménység alatt tudvalevőleg a nyomóerő és a golyó által az anyagba nyomott körterület viszonyszámát értjük. Kísérletek szerint ez a szám a nagyjából független a benyomódás területétől, és csak is az anyag függvénye. Olyan kísérletekből, melyeknél 5 mm átmérőjű acélgolyót használtak és az erőt mérték, mely ezt a golyót 0,1 mm-nyire képes az anyagba benyomni, átszámítva mint keménységet a következő értékeket kaphatjuk:

Közönséges kemény szén:                               30-50  [N/mm2]

                                               Középkeménységű szén és elektrografit:          15-40  [N/mm2]

                                   Lágy, természetes grafit:                                  4,5-9   [N/mm2]

                                   Bronzszén:                                                      6,5-30 [N/mm2]

A kemény szenek eszerint kb. a cink keménységét (50 N/mm2) érik el, a lágy grafit pedig az ólomét (4,5 N/mm2) közelíti meg.

 

c)      Hőtágulási tényező [%]: Azért fontos, mert a keféknek a tartókban csak néhány tized mm-nyi játékkal szabad mozogniuk, és túl nagy hőtágulás esetén a tartókba beszorulhatnak. Itt különbséget teszünk a rétegzés iránya, és az erre merőleges irány között. A tágulás a rétegzésre merőlegesen sokkal nagyobb. A tágulás 100 °C túlmelegedés mellett a következők lehetnek:

Szénnél és elektrografitnál:       0,03 és 0,08    [%]

Természetes grafitnál:   0,01 és 0,08    [%]

Bronz szénnél:              0,1 és 0,15      [%]

          A tágulás tekintetében tehát minden anyag ma már eleget tesz a követelményeknek.

d)      Fajlagos ellenállás [μΩ]: A különböző kefeanyagok különböző fajlagos ellenállással rendelkeznek. Ennek oka a kefeanyagok eltérő atomi felépítése. A különböző kefeanyagok ellenállásának összehasonlítására azonos méretű próbadarabokra van szükség. E próbatestek 1 cm2 keresztmetszetűnek és 1 cm hosszúságúnak választjuk, és az ellenállást 20 °C hőmérsékleten mérjük. A gyakorlat azt mutatja, hogy a grafittól haladva a fémgrafitokig csökken a fajlagos ellenállás értéke.

Szénnél:                                   2500-4000      [μΩ]

Természetes grafitnál:   1000-3000      [μΩ]

Fémgrafitoknál:                        0,3-12             [μΩ]

e)      Áramsűrűség [A/cm2]: A kefe keresztmetszet egy cm2-ére jutó  áramerősséget, áramsűrűségnek nevezzük. Ha a kefe keresztmetszetét csökkentjük, akkor csökken az áram is. A fajlagos ellenállás csökkentésével növelhetjük az áramsűrűséget. Így belátható hogy a kis méretű grafit kefék kisebb áram átvezetésére képesek. Velük szemben a nagyobb méretű fém-grafit kefék nagyobb áram átvezetésével is megbirkóznak.

Keménygrafit:                          7          [A/cm2]

                                   Széngrafit:                                6          [A/cm2]

                                   Műgyantakötésű grafitok:         2,5-5   [A/cm2]

                                   Fémgrafitok:                            12-25  [A/cm2]

Nagy fémtartalom esetén a fém-grafit kefeanyag néhány pillanatig a 100[A/cm2] terhelést is kibírja.

f)        Súrlódási tényező [μ]{6}: A futófelület és a kefe kopása szempontjából fontos a súrlódási tényező vizsgálata. A súrlódási munka melegíti a kommutátort és így csökkenti a kefe átmeneti ellenállását. Azt lehetne hinni, hogy a kisebb átmeneti ellenállás kisebb veszteségeket is okozva, ezt a káros befolyást ismét kiegyenlíti. A valóságban azonban az átmeneti ellenállás csökkenése a rövidzárási áramok növekedésével és bizonyos határon túl a kefe szikrázásával jár, ami a kisebb átmeneti ellenállás előnyénél többnyire sokszor nagyobb hátrányt jelent. A súrlódási munka, mint veszteség is figyelemre méltó.

Átlagviszonyok mellett egy egyenáramú kommutátoron fellépő százalékos súrlódási veszteségre a következő képletet írhatjuk le:


Ahol                v = kerületi sebesség [m/s]

                  P = gép kapocsfeszültsége [V]

                  Ws = súrlódási munka

 

Tehát ha pl.: v=30 [m/s] és P=200 [V] akkor


 

Tehát 0,75…1,5 [%]-a a gép teljesítményének. A súrlódási munka tehát megközelíti az átmeneti veszteségek értékét.

A tapasztalatok szerint a futófelület kopása a súrlódási tényezővel nincs egyszerű összefüggésben. Így pl. egyenlő súrlódási tényezőjű, de különböző minőségű kefék a futófelületet nem mindig koptatják egyenlő mértékben. A súrlódási tényezőt mindazok a körülmények befolyásolják, amelyek az átmeneti ellenállásra is befolyással vannak. Rendes viszonyok esetén a súrlódási tényező 0,1 és 0,3 között van, az anyag minősége és az üzemi körülmények szerint. Néhány kefeanyag súrlódási tényezőit mutatja a (Ld. 2.táblázat){8}.

                       

 

Kefeanyagok

Súrlódási tényező [μ]

Keménygrafit és széngrafit

0,17

Műgyantakötésű grafit

0,05-0,22

Fémgrafit

0,08-0,15

2.táblázat Súrlódási tényezők

 

4.1.1 Kefehibák és okok:

 

Mivel a generátorokban és önindítókban főként a kefék hibásodna meg vagy kopnak el leghamarabb, ezért ezek kicserélése a leggazdaságosabb és a leggyorsabb is. Ám a gyakorlat azt mutatja, hogy az előírt időn belül gyorsabban hibásodnak meg, minek cseréje újból pénzbe és időbe kerül. Ez a plusz munka mindig visszavezethető egy hibaokra. Ezért a meghibásodott kefe felületét mindig meg kell vizsgálni, mielőtt az új kefe a helyére kerülne. A következőkben kefe felületén létrejött hibákat, és azok okait fogom ismertetni.

 
 
                                                          

Hiba:               Finom hajszálvonalas.{7}

                                                           Ok:                  Normál működés, vékony pórhatás.

 

 
 
                                                                                             

                                                           Hiba:                Durva hajszálvonalas.{7}

                                                           Ok:                  Nagy porhatásnak kitett.

 
 
 


                                                           Hiba:                Égett szél.{7}

                                                           Ok:                  Nagy szikraképződés.

 

 
 
 


                                                           Hiba:                Erodált kefefelület.{7}

                                                           Ok:                  Elektromos megterhelés.

 

 
 
 


                                                           Hiba:                Rézszemcsék a kefefelületen.{7}

                                                           Ok:                  Nagy kefenyomás + szikraképződés.

 

 

 
 
 


                                                           Hiba:                Törött szélek.{7}

                                                           Ok:                  Kommutátor kopás, kiéleződés.

 

 

 

 

4.2 A kefetartók vizsgálata:

 

A gyakorlatban a keféknek a futófelületen simán és nyugodtan kell járniuk. Ha a kefék időnként eltávolodnak a futófelülettől, a működésük nem lehet kifogástalan, sem a kommutáció, sem a kopás, sem a melegedés tekintetében. A futófelület sohasem tökéletesen körhengeres alakú, ezért ebből a szempontból a kefealak és a kefetartó szerkezete döntő pontosságú. A régebben használt radiális (Ld. 7.ábra”a”){6}, vagy kissé ferdén állított, az aránylag hosszú kefét kétoldalt vezető tartó kényes esetekben nem felelt meg. A sohasem álladó súrlódási erő a kefét rezgésbe hozza, idővel a kefetartó alsó éle a kefébe vágódik. Végül a kefe beszorul a futófelület, és a tartó közé, és nem tudja a kommutátor egyenlőtlenségeit követni.


 

Még kevésbé feleltek meg azok a szerkezetek, melyeknél a kefe tartósan össze volt kötve a kefetartóval és így azzal együtt mozgott, mert ezáltal megnövekedett a mozgó tömege és a kefetartó szerkezeti súrlódása is hátráltatta a kefe szabad mozgását. Az ilyen kefetartók általában csak kis sebességeknél és gyűrűkön vált be.

Jobbak azok a kefetartók, melyek alacsony, kis tömegű kefék használatára készülnek, fékező rugóval vannak ellátva a rezgések tompítására. Ezeknél a beszorulástól kevésbé kell tartani.


A legtökéletesebbek az un. reakciós kefetartók. Ezeknél a kefe csak az egyik oldalfelületen fekszik a kefetartóhoz (Ld. 7.ábra”b”){6}, ami által az ide-oda billenés ki van zárva. A kefetartó annál jobb minél kevesebb kopásnak kitett csuklószerkezete van benne. A feladatot órarugóval lehet megoldani (Ld. 8.ábra){6}, amely esetben a kefe tömege is nagyobb lehet, mint más szerkezeteknél.

 

 

4.3 A kommutátorok vizsgálata:

 

            Természetes, hogy nem bízhatunk mindent a kefetartóra, hanem gondoskodnunk kell arról is, hogy a futófelület kifogástalan állapotban legyen. Ebből a szempontból különös figyelmet érdemelnek a kommutátor-szegmenseket egymástól elszigetelő mikarétegek. Gyakori eset, hogy a kommutátor felmelegedésekor fellépő nagy nyomás kiszorítja a szigetelést a futófelületből úgy, hogy a kefe sima járása lehetetlenné válik. Ugyan ez a helyzet áll elő, ha a kefék üzem közben lekoptatják a rézszegmenseket, de nem képesek a sokkal ellenállóbb mikát is ugyanolyan mértékben lekoptatni. Ilyen tulajdonságuk van az erősen elektrografitozott anyagoknak, míg a közönséges szén és grafit szilikáttartalma segítségével a mikát is lekoptatja. Az elektrografitnak kisebb koptatóképessége természetesen nem hátrány, mert kellő intézkedésekkel a mika kinyomulódását meg lehet akadályozni, viszont igen  nagy előnye, hogy ez az anyag magukat a szegmenseket is kevésbé támadja meg.

            A mikaszigetelés kinyomulásának magakadályozására ma már minden gyár a kommutátorokat úgy készíti, hogy a szigetelés nem ér a futófelületig. A kommutátorok közötti hézagot időközönként ellenőrizni kell. Ez a hézag nem lehet nagyobb mint 0,5mm mert a szénpor ez fölött megtapad, és szegmensek közé rakódott szénpor zárlatot okozhat. Az optimális horonytávolság azért fontos, ugyanis  tapasztalatok szerint a centrifugális erő kidobja a szénport, különösen ha kevésbé kenődő elektrografitról van szó. A gyárakban a kimarást különleges gépeken úgyszóval teljesen önműködően végzik el. Az üzemekben gondoskodni kell olyan készülékről, mellyel az idővel szükséges utánmarást el lehet végezni. Ez a készülék az un. kézi mikakikaparó.

Ha egy önindító motoron karbantartást végzünk, vagy esetleg a kopott kefe szorul cserére, akkor feltétlenül ellenőrizni kell a kommutátorok felületét, épségét. Ugyanis ha ezt elmulasszuk akkor az újonnan beszerelt kefe élettartama igen lerövidülhet. Itt is a különböző hibák visszavezethetők az okokra. A következőkben a kommutátor felületén létrejött hibákat, és azok okait fogom részletezni.
 
 

 


                                                                                  Enyhén kopott kommutátor, durva

                                                                                  felületi hiba nem található rajta!{7}

 

 

 
 
 


                                                                                  Hiba:    A sáv széle és közepe égett.

                                                                                  Ok:      A szikrázás, fázisváltás

                                                                                              problémából adódik.{7}

 

 

 

 

 

 

 
 
 


                                   Hiba:    Sötétebb foltok a sáv szélén a forgási irányban.{7}

                                   Ok:      Az álló motor hirtelen megterhelése pl. nagy indítási áram.

 

 
 
 


                                   Hiba:    Világos és sötét szelvények váltakozása.

                                   Ok:      Egyeletlen árameloszlás.{7}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Réz-grafit mintasorozat elméleti sűrűségének meghatározása:

 


A mintasorozat (Ld. 9.ábra) 13 db-ból állt. Mindegyik db-nak megmértem a súlyát 4-tizedes pontossággal. A súlymérés után a mintadarabok hosszúság, szélesség, magasság lemérése következett. A mérést megkönnyítette, hogy mindegyik mintadarab négyzet alapú hasáb volt, melyeknek a lapjai párhuzamosan futottak és szögei derékszöget zártak be. A mérések után sűrűséget számolta. Mivel a szakdolgozat kiírás szerint a porozitást elhanyagolhattam, ezért az egyszerű tömeg/térfogat összefüggéssel számolta.


9.ábra Mintasorozat

 

 

5.1 A mérésekhez felhasznált eszközök:

 

Megnevezés

A mérés típusa

Méréshatár

Pontosság

Típus szám

Gyári szám

Zaktady

Súly

0-100g

4 tizedes

WA-21

80225

Mitutoyo

Hossz

0-25mm

3 tizedes

-

9082003

Mitutoyo

Hossz

25-50mm

3 tizedes

-

9095668

 

 

 

 

5.2 A próbatestek főbb adatai:

 

Próbatest megnevezése

Tömege [g]

Hosszúság „L” [mm]

Szélesség „a” [mm]

Magasság „b” [mm]

Térfogat [cm3]

Sűrűség [g/cm3]

EG~15

27,3290

50,272

15,976

19,969

16,0380

1,7040

60B

44,4930

49,978

16,018

19,719

15,7859

2,8185

50B

46,3973

49,268

16,026

19,975

15,7716

2,9418

DM~4A

46,9936

49,707

16,032

20,017

15,9515

2,9460

70B

61,4973

49,985

16,042

19,870

15,9329

3,8597

CM~5H

58,4560

49,627

15,030

20,006

14,9223

3,9173

72B

66.3269

49,864

16,025

19,998

15,9798

4,1506

RC~73

68,8468

49,900

16,037

20,034

16,0321

4,2943

CM~3H

69,5062

49,708

16,055

19,757

15,7673

4,4082

78B

76,0921

49,818

16,042

20,003

15,9860

4,7599

32~9

80,4103

50,046

16,080

19,847

15,9716

5,0345

85B

81,9354

49,808

16,029

20,008

15,9738

5,1293

89B

92,6578

50,028

16,113

19,987

16,1115

5,7510

 

 

 

 

 

5.3 A próbatest méretezése:

 

 


 

 

6. A mintasorozat réz-grafit arányának meghatározása.

 

A réz-grafit arányát úgy határoztam meg, hogy felvettem az egyik y-tengelyre a grafit sűrűségét ami 2,05 [g/cm3], a másik y-tengelyre a réz sűrűségét ami 8,92 [g/cm3]. A két pontot összekötöttem. Ezen az egyenesen helyezkednek el a mintadarabok kiszámolt sűrűség értékei. Az x-tengelyen a réz %-os eloszlása látható. A mintadarabokhoz tartozó sűrűség értékeket ábrázolva az egyenesen, és azt levetítve az x-tengelyre megkapjuk a kefék réztartamának %-os eloszlását. Ha tudjuk a mintadarabok réztartalmát, akkor ebből már meg tudjuk határozni a grafit tartalmat is, mivel a porozitás elhanyagolható. Ez szemlélteti a (Ld. 10.ábra) grafikonja. A mintasorozat réz-grafit arányát a (Ld. 3.táblázat)-ban foglaltam össze. Mint látjuk az EG~15 mintadarab nincs feltüntetve, ugyanis az anyaga elektrografit, és nem tartalmaz rezet. A réz-grafit arány meghatározása szempontjából ezért ezt kihagytam.

 


10.ábra A kefék réztartalmának meghatározása.

 

Sorszám

Próbatest megnevezése

Réztartalom [%]

Grafittartalom [%]

1

EG~15

n.a.

n.a.

2

60B

11

89

3

50B

13

87

4

DM~4A

13

87

5

70B

26

74

6

CM~5H

27

73

7

72B

30

70

8

RC~73

33

67

9

CM~3H

35

65

10

78B

39

61

11

32~9

43

57

12

85B

45

55

13

89B

53

47

                        3.táblázat A mintasorozat réz-grafit aránya.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Összefoglalás:

 

A szakdolgozatom írásakor az alapgondolat az volt, hogy az adott terméket a gyártástól a használatáig részletesen leírjam.

Bár a szakdolgozatom kiírásában nem szerepelt a réz-grafit kefék gyártása, de én mégis fontosnak tartottam, a többi fejezet megértése szempontjából. Nagy gondot fordítottam a réz-grafit kefék gyakorlatban betöltött szerepének ismertetésére. Külön kihangsúlyoztam a részegységek (kefe, kommutátor) meghibásodásait, és azok okait. Ezzel rávilágítottam a különböző problémákra, és azok megoldásaira. Ezzel is gyakorlatiasabbá próbáltam tenni a szakdolgozatomat.

Próbáltam úgy fogalmazni, hogy az érthető és világos legyen mindenki számára. A megértés könnyítéstételére illusztrációkat és ábrákat helyeztem el. A nagyobb fejezeteket bevezetővel láttam el, ezzel próbáltam a fejezeteket egymással összehidalni. Törekedtem arra, hogy a nagyobb címek és alcímek egymásra épüljenek, és így egy logikus sorrend alakuljon ki.

            Szakdolgozatom utolsó része a sűrűség, és a réz-grafit arány meghatározásáról szólt. Itt is próbáltam az egyszerűségre törekedni, és a jobb átláthatóság érdekében a kiszámolt eredményeket táblázatokba foglaltam.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Köszönetnyilvánítás:

 

Szeretném köszönetemet kifejezni a Senkáriuk Bt. ügyvezetőjének, Senkáriuk Sándornak, aki mindig készen állt a segítségnyújtásra, és bármikor zavarhattam kérdéseimmel.

 

Továbbá szeretném köszönetemet kifejezni a Carbosin Kft. ügyvezető igazgatójának, Dr. Bujtás Lászlónak, aki rendelkezésemre bocsátotta a Carbosin Kft. és Ringsdorff katalógusokat.

 

Ezúton mondok köszönetet mindazoknak, akik munkám feltételeinek megteremtésében és a dolgozatom elkészítésében segítséget nyújtottak:

 

Konzulensemnek, Dr. Kisfaludy Antalnak kritikai munkájáért.

 

Anyag- és Alakítástechnológiai Tanszéken dolgozó Borossay Bélának önzetlen segítségét.

 

A Fizika tanszéknek, és a Hosszméréstechnikai és minőségügyi laboratóriumnak ahol a méréseket el tudtam végezni.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Irodalomjegyzék:

 

{1}      Fémtechnológia alapismeretek 1.

Adolf Frischherz – Paul Skop

B+V Lap-és Könyvkiadó, Budapest, 1997

 

{2}      Gépipari alapanyagok és félkész gyártmányok. Gyártásismeret.

            Dr. Bagyinszki Gyula – Dr. Kovács Mihály

            Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 2002

 

{3}      Elektronikai alapismeretek

            Klaus Beuth – Eugen Huber

            B+V Lap-és Könyvkiadó, Budapest, 1997

 

{4}      Élelmiszeripari Gépek Szerkezettana

            Bartucz György – Ligeti Istvánné

            Mezőgazdasági Szaktudás Kiadó, Budapest, 1993

 

{5}      Porkohászati úton előállított alkatrészek a gépiparban

            Dr. Welesz Rudolf – Nagy József

            A Gépipari Tudományos Egyesület jegyzete, Budapest, 1948

 

{6}      A szénkefék gyártása vizsgálata és üzeme

            Dr. Liska József

            A Magyar Elektronikai Egyesület Kiadása, Budapest, 1927

 

{7}      Ringsdorff Carbon Brushes (Katalógus)

            2004

 

{8}      Carbosint Kft. (Katalógus)

            2004