Uhlíkové kefy II. - Ich životnosť je najmä v našich rukách

Prax je taká, že uhlíkové kefy pre elektrické ručné náradia sú veľmi sporo označené, často vôbec. Máme šťastie, keď na nich nájdeme niečo, čo sa označeniu podobá. A keď aj nájdeme, nevieme sa dopátrať k parametrom. A keď nájdeme parametre, rozumieme im? Nie? Tak načo nám sú?

Osobne považujeme za prirodzené, že každý výrobca chce, aby sa v jeho motoroch používali ním navrhnuté uhlíkové kefy – a to zo zištných aj nezištných dôvodov. On je ten, kto si pre svoj motor vyberie optimálne kefy – alebo si ich dá na mieru, presne podľa svojich požiadaviek vyrobiť.

Užívateľ elektrického ručného náradia prirodzene očakáva dlhú, veľmi dlhú životnosť uhlíkovej kefy. A ešte lepšie by bolo, keby žiadna kefa nebola – vieme, že najmä v akumulátorových náradiach je to „trendy“ a BLDC motory majú svoje výhody a opodstatnenosť. My však dnes hovoríme o motoroch, ktoré uhlíkové kefy majú – teda o komutátorových motoroch elektrických náradí.

Hneď na úvod si povedzme pár slov napríklad o tvrdosti uhlíkových kief. Tie s vyššou tvrdosťou logicky vydržia dlhšie, avšak nadmerne obrusujú lamely komutátora. Môžu dokonca vytvoriť brázdu po obvode (obr. 1). Pritom sa často kefa javí takmer ako nová – komutátoru však už nepomôže nič.

Podrobnejšie si môžete prečítať o poruchách komutátorov tu. Cena opravy je násobne vyššia ako cena uhlíkových kief. Máme, čo sme chceli – dlhú, veľmi dlhú životnosť uhlíkovej kefy, však?

Asi sme to predsa len tak nemysleli. Chceme dlhú životnosť, ale nie na úkor poškodenia komutátora. Tak teda kompromisy?

Obr. 1. Brázda v komutátore

Graf. 1. Závislosť opotrebenia uhlíkov od obvodovej rýchlosti

Nemôžeme očakávať od AUDI S8 s výkonom viac ako 600 koní nízku spotrebu a musíme sa uspokojiť s prijateľnými 10l/100km. Alebo si kúpme Peugeot 208 so spotrebou 3l/100km – ale o výkone 600 koní môžeme iba snívať. Iste ste porozumeli, čo som tým chcel povedať. Život je plný každodenných kompromisov, nebojme sa ich, ale VY sa musíte rozhodnúť, čo je dôležité a čo dôležitejšie.

Alebo taká obvodová rýchlosť povrchu komutátora. Vplýva na opotrebenie uhlíkových kief približne podľa grafu 1 – teda kvadraticky. Vyjadruje závislosť opotrebenia kief Δ l (mm/100 hod.) od obvodovej rýchlosti (m/s). Keď obvodová rýchlosť narastie dvojnásobne, kefa sa opotrebuje približne štvornásobne. Z príkladu uvedeného v grafe môžeme vyčítať, že keď pri obvodovej rýchlosti komutátora 20m/s je opotrebenie uhlíkových kief 0,5mm/100 hodín (A), potom pri obvodovej rýchlosti 40m/s je opotrebenie tých istých kief 2mm/100 hodín (B).

A teraz mám pre vás niekoľko dobrých a jednu zlú správu.

Dobrou správou je, že keď budeme používať originálne uhlíkové kefy, môžeme zabudnúť nielen na ich tvrdosť a na obvodovú rýchlosť komutátora, o ktorých sme písali vyššie, ale aj na také parametre, akými sú objemová hustota, merný elektrický odpor, hustota činného prúdu, celkový úbytok napätia či súčiniteľ trenia. Môžeme zabudnúť na také požiadavky, ako sú komutačné schopnosti, minimálne straty na kefách, mechanická pevnosť, odolnosť voči iskreniu, veľkosť prechodového odporu, schopnosť znášať dlhodobé preťaženie či podťaženie (napr. dlhodobý chod naprázdno), požiadavka na rovnomerné rozloženie prúdu, dobrá leštiaca schopnosť atď.

Alebo mi chce niekto povedať, že všetky tieto požiadavky zohľadňuje pri výmene svojich uhlíkových kief? Nikomu nebránim, aby si uvedené parametre a požiadavky naštudoval a experimentoval s nimi – aj to je jedna z ciest.

Urobme to však jednoduchšie - spoľahnime sa na výrobcu elektrického náradia. Sústreďme sa na to, čo môžeme pre dlhú životnosť správnych uhlíkových kief urobiť my. A je toho dosť – treba to iba naozaj urobiť.

Zlou správou je, že niektoré faktory nevieme ovplyvniť. Určite tu patrí zloženie okolitej atmosféry, ktoré môže veľmi výrazne znížiť očakávanú životnosť uhlíkových kief.

Uhlíkové kefy a okolitá atmosféra? Aký súvis so životnosťou uhlíkovej kefy elektrického ručného náradia môže mať okolitá atmosféra? Musím však dodať, že až taký, že som nútený túto tému rozdeliť na dve časti: na vlhkosť vzduchu a na čistotu vzduchu.

Vlhkosť okolitej atmosféry je nevyhnutná pre tvorbu kvalitného filmu ¹) na povrchu komutátora. Vytvára sa z kyslíka a vody obsiahnutých vo vzduchu a je nutnou súčasťou klzného kontaktu. Problematika klzného kontaktu je tak rozsiahla, že ďaleko prevyšuje rámec tohto článku a podrobnejšie si o nej budete môcť prečítať v niektorom z nasledujúcich článkov.

Sú prípady, ktoré dokazujú, že vo veľkých nadmorských výškach, v príliš suchých alebo mrazivých oblastiach dochádza k výrazne väčšiemu opotrebeniu uhlíkových kief. V odbornej literatúre sa používa dokonca výraz „výškové opotrebenie kief“, kedy sa kefy kvôli nízkemu obsahu kyslíka a nepatrnej vlhkosti môžu doslova minúť pred očami. To vysvetľuje ich nízku životnosť pri použití v komutátorových motoroch v severských krajinách.

Keď budete vŕtať alebo brúsiť vo Vysokých Tatrách na Lomnickom štíte elektrickým náradím s komutátorovým motorom, hodilo by sa mať so sebou pár uhlíkov, pretože ich opotrebenie bude určite vyššie, ako pri vŕtaní alebo brúsení na Pražskom hrade alebo niekde pri Balatone. Poznáte to – je lepšie byť pripravený ako byť prekvapený. A ak náhodou neviete, aký motor je vo vašom náradí, nič sa nedeje – dozviete sa to tu.

Čistotou okolitej atmosféry sa vo všeobecnosti pri komutátorových motoroch myslí najmä chemické znečistenie atmosféry čpavkom, chlórom, sírovodíkom a pod., čo v prípade práce s elektrickým ručným náradím zohráva úlohu len veľmi zriedka. Tu máme na mysli skôr znečistenie spôsobené nasávaním vzduchu z okolia rezania, brúsenia, vŕtania a pod. Jedná sa teda skôr o znečistenie mechanickými časticami, ktoré prenikli cez vetracie štrbiny do tela náradia k uhlíkovým kefám (obr. 2).

Obr. 2. Znečistené uhlíkové kefy

Niekedy nerozumieme, ako mohol motor pri takom znečistení ešte pracovať. Bohužiaľ, jedná sa o častý jav, ktorý znižuje nielen životnosť uhlíkových kief, ale môže ľahko zničiť komutátor rotora.

A teraz až do konca nás čakajú iba dobré správy a máme aj dobré karty, ktorými môžeme životnosť uhlíkov pozitívne ovplyvniť.

Takou veľmi dobrou kartou je teplota komutátora. Jej vplyv na životnosť kief je totiž veľmi výrazný a jej „ustráženie“ je len a len v našich rukách, a to doslova: ručné náradie držíme pri práci väčšinou v rukách.

Vplyv teploty sa na životnosti prudko prejavuje pri teplotách nad 100 °C, kedy už záleží nielen na každom pribúdajúcom stupni, ale na každej jeho desatine. Napríklad pri teplote cca 110 °C môže byť opotrebenie až päťnásobné. Pri takýchto teplotách dochádza totiž k vysušovaniu nasávaného vzduchu (kvapalné skupenstvo vody sa mení na plynné) a chýba potrebná vlhkosť na vytvorenie spoľahlivého filmu na povrchu komutátora. Tým sa stráca prirodzená mazacia schopnosť kefy. A to nechcem ísť do detailov v súvislosti s odparovaním a nadmorskou výškou.

Dobre konštruované profesionálne náradie, s ktorým sa pracuje v oblasti menovitých otáčok a na ktorom je pravidelne vykonávaná údržba a čistenie, si túto teplotu ustráži samo.

Za teploty negatívne vplývajúce na životnosť považujeme aj teploty pod 60 °C. Je to ako pri motore automobilu – studený motor má výrazne vyššie opotrebovanie. Dochádza ku „klepaniu“ (hrkotaniu) kief a tým k znižovaniu ich životnosti. Toto nevieme ovplyvniť, faktom však je, že teploty pod 60 °C nemajú zďaleka tak negatívny dopad na životnosť ako teploty nad 100 °C.

Ďalšou dobrou kartou je závislosť životnosti od prúdového zaťaženia. Nie je však jednoznačne definovaná a krivka zachytávajúca túto závislosť má lineárny až kvadratický priebeh – dala by sa zostrojiť pre každé náradie samostatne meraním opotrebenia kief pri určitých zaťaženiach. Ak však náradie nebudeme preťažovať a bude stále pracovať v oblasti menovitých otáčok, nebudú v opotrebovanosti uhlíkov výrazné výkyvy. A bude to mať pozitívny vplyv aj na teplotu komutátora, o ktorej sa písalo vyššie. Stačí, keď si zapamätáme, že pri polovičnom zaťažení bude aj opotrebenie približne polovičné. Nevŕtajme preto veľké priemery otvorov kladivom SDS-plus, keď na veľké otvory je určené kladivo SDS-max.

Tlak na uhlíkovú kefu je karta, s ktorou sa dá pri troche pozornosti veľmi dobre hrať. Ustrážiť predpísaný tlak vôbec nie je ťažké a je to iba ďalší z dôležitých predpokladov, ktorý treba splniť pre dlhú životnosť uhlíkov. Pri elektrických ručných náradiach je riešený pružinami, ktoré nie je nutné meniť (ak nie sú mechanicky poškodené). Keď je pružina vyrobená z kvalitného materiálu, potom aj napriek tomu, že je "celý svoj život napnutá" a teda dochádza k určitej únave materiálu, je rozdiel v tlaku medzi novou a roky používanou pružinou obvykle iba 2-3%. Problém je tu skôr v tom, že sa založí pružina, ktoré je práve poruke a nič o nej nevieme.

Keď je tlak príliš veľký, kefa sa opotrebúva najmä mechanicky (a keď je zároveň aj príliš tvrdá, veľmi agresívne ničí komutátor – pozri obr. 1). Keď je tlak príliš malý, dochádza k nestabilnému kontaktu sprevádzaného elektrickými oblúkmi medzi kefou a komutátorom - opotrebenie je prevažne "elektrického" charakteru.

Obr. 3. Približný priebeh opotrebenia kefy v závislosti na tlaku

Ale pozor! Dôležité nie je len nastavenie správneho tlaku, ale aj nastavenie rovnakého tlaku na oboch kefách. Odchýlky v tlaku na kefy spôsobia nerovnomerné rozloženie prúdu, pritekajúceho do uhlíkových kief a to má ďalšie negatívne následky (predčasné opotrebenie kefy s väčším prítlakom, lebo cez ňu tečie väčší prúd, nerovnomernosť chodu motora atď...). Tento problém často nastáva vtedy, keď jeden uhlík pritlačíme novou a jeden starou pružinou.

Vplyv tlaku p na opotrebenie kief Δ l je zrejmý z obr. 3, kde bod M znázorňuje optimálny tlak. Oblasťou prevažne elektrického opotrebenia je oblasť A a oblasť B znázorňuje prevažne mechanické opotrebenie.

Poslednou kartou, s ktorou sa ešte oplatí hrať, je hádzavosť komutátora. Nie je to až tak dobrá karta, ale iba preto, lebo potrebujeme mať presné prístrojové vybavenie - meranie s presnosťou na mikrometre je nevyhnutnutné. Kontrolujme preto aspoň ložiská a pri akomkoľvek podozrení na ich prílišnú vôľu si dajme svoje elektrické náradie prekontrolovať - už len tento krok nám často ušetrí nákladné opravy.

Záver

Skúsenosti ukazujú, že užívateľ často šetrí na nesprávnom mieste – stačí mu, že si kúpil niečo čierne a to čierne je iste dobré, lebo rozmery sú v poriadku. A keď nie sú, tak sa zabrúsia. Predajcov uhlíkových kief do rôznych elektrických ručných náradí rôznych značiek nájdete na internete neúrekom. Čo myslíte, všetci predávajú originálne náhradné kefy? Alebo sú „akože originálne“ iba preto, lebo majú vhodné rozmery?

Poznámka:
¹) film sa vo väčšine jazykov (mimo SK a CZ) volá patina. Termín „film“ bol používaný v norme ČSN 35 0820.

Kľúčové slová: uhlíky, klzný kontakt, komutátorové motory, univerzálne motory, opravy elektrických náradí

Zdroje:
Interné technické a školiace materiály spoločnosti HERMAN
Ing. Luboš Kotnauer: Uhlíkové kartáče – černá magie kouzel zbavená (Časopis Elektrotechnik 1982)

Ing. Herman Nagypál

Vyštudoval som vojenskú školu, odbor letecká elektrotechnika. S náradím a nástrojmi som sa naučil pracovať už v detstve s otcom na stavbe rodinného domu. Každý náš nový produkt testujem aj osobne - vlastnými rukami vo svojej dobre vybavenej dielni. Vo voľnom čase sa rád preháňam na motorke po rumunských horských priesmykoch. Okrem toho študujem trendy v odbore a rád si vyskúšam aj konkurenčné produkty. Nad niektorými sa pousmejem, nad niektorými sa čudujem (že sa niekto dal nachytať a kúpil to) a niektoré sú fakt dobré. Skoro ako naše 😊.