Uhlíkové kartáče II. - Jejich životnost je zejména v našich rukou

Praxe je taková, že uhlíkové kartáče pro elektrická ruční nářadí jsou velmi spoře označeny, často vůbec. Máme štěstí, když na nich najdeme něco, co se označení podobá. A i když najdeme, neumíme se dopátrat k parametrům. A když najdeme parametry, rozumíme jim? Ne? Tak k čemu nám jsou?

Osobně považuji za přirozené, že každý výrobce chce, aby se v jeho motorech používaly jím navržené uhlíkové kartáče – a to ze zištných i nezištných důvodů. On je ten, kdo si pro svůj motor vybere optimální kartáče – nebo si je dá na míru, přesně podle svých požadavků vyrobit.

Uživatel elektrického ručního nářadí přirozeně očekává dlouhou, velmi dlouhou životnost uhlíkového kartáče. A ještě lepší by bylo, kdyby žádný kartáč nebyl – víme, že zejména v akumulátorových nářadích je to „trendy“ a BLDC motory mají své výhody a opodstatněnost. My však dnes mluvíme o motorech, které uhlíkové kartáče mají – tedy o komutátorových motorech elektrických nářadí.

Hned na úvod si řekněme pár slov například o tvrdosti uhlíkových kartáčů. Ty s vyšší tvrdostí logicky vydrží déle, avšak nadměrně obrušují lamely komutátoru. Mohou dokonce vytvořit brázdu po obvodu (obr. 1). Přitom se často kartáč jeví téměř jako nový – komutátoru však už nepomůže nic.

Podrobněji si můžete přečíst o poruchách komutátorů zde. Cena opravy je násobně vyšší než cena uhlíkových kartáčů. Máme, co jsme chtěli – dlouhou, velmi dlouhou životnost uhlíkového kartáče, že?

Asi jsme to přece jen tak nemysleli. Chceme dlouhou životnost, ale ne na úkor poškození komutátoru. Tak tedy kompromisy?

Obr. 1. Brázda v komutátoru

Graf. 1. Závislost opotřebení uhlíků na obvodové rychlosti

Nemůžeme očekávat od AUDI S8 s výkonem více než 600 koní nízkou spotřebu a musíme se spokojit s přijatelnými 10l/100km. Nebo si kupme Peugeot 208 se spotřebou 3l/100km – ale o výkonu 600 koní si můžeme jen nechat zdát. Jistě jste porozuměli, co jsem tím chtěl říct. Život je plný každodenních kompromisů, nebojme se jich, ale VY se musíte rozhodnout, co je důležité a co důležitější.

Nebo taková obvodová rychlost povrchu komutátoru. Má vliv na opotřebení uhlíkových kartáčů přibližně podle grafu 1 – tedy kvadraticky. Vyjadřuje závislost opotřebení kartáčů Δ l (mm/100 hod.) na obvodové rychlosti (m/s). Když obvodová rychlost naroste dvojnásobně, kartáč se opotřebuje přibližně čtyřnásobně. Z příkladu uvedeného v grafu můžeme vyčíst, že když při obvodové rychlosti komutátoru 20m/s je opotřebení uhlíkových kartáčů 0,5mm/100 hodin (A) , pak při obvodové rychlosti 40m/s je opotřebení stejných kartáčů 2mm/100 hodin (B).

A teď mám pro vás několik dobrých a jednu špatnou zprávu.

Dobrou zprávou je, že když budeme používat originální uhlíkové kartáče, můžeme zapomenout nejen na jejich tvrdost a na obvodovou rychlost komutátoru, o kterých jsme psali výše, ale také na takové parametry, jako jsou objemová hustota, měrný elektrický odpor, hustota činného proudu, celkový úbytek napětí či součinitel tření. Můžeme zapomenout na takové požadavky, jako jsou komutační schopnosti, minimální ztráty na kartáčích, mechanická pevnost, odolnost vůči jiskření, velikost přechodového odporu, schopnost snášet dlouhodobé přetížení či podtížení (např. dlouhodobý chod naprázdno), požadavek na rovnoměrné rozložení proudu, dobrá leštící schopnost atd.

Nebo mi chce někdo říci, že všechny tyto požadavky zohledňuje při výměně svých uhlíkových kartáčů? Nikomu nebráním, aby si uvedené parametry a požadavky nastudoval a experimentoval s nimi – i to je jedna z cest.

Udělejme to však jednodušší - spolehněme se na výrobce elektrického nářadí. Soustřeďme se na to, co můžeme pro dlouhou životnost správných uhlíkových kartáčů udělat my. A je toho dost - je třeba to opravdu jen udělat.

Špatnou zprávou je, že některé faktory neumíme ovlivnit. Určitě zde patří složení okolní atmosféry, které může velmi výrazně snížit očekávanou životnost uhlíkových kartáčů.

Uhlíkové kartáče a okolní atmosféra? Jaký souvis s životností uhlíkového kartáče elektrického ručního nářadí může mít okolní atmosféra? Musím však dodat, že až takový, že jsem nucen toto téma rozdělit na dvě části: na vlhkost vzduchu a na čistotu vzduchu.

Vlhkost okolní atmosféry je nezbytná pro tvorbu kvalitního filmu¹) na povrchu komutátoru. Vytváří se z kyslíku a vody obsažených ve vzduchu a je nutnou součástí kluzného kontaktu. Problematika kluzného kontaktu je tak rozsáhlá, že daleko převyšuje rámec tohoto článku a podrobněji si o ní budete moci přečíst v některém z následujících článků.

Jsou případy, které dokazují, že ve velkých nadmořských výškách, v příliš suchých nebo mrazivých oblastech dochází k výrazně většímu opotřebení uhlíkových kartáčů. V odborné literatuře se používá dokonce výraz „výškové opotřebení kartáčů“, kdy se kartáče kvůli nízkému obsahu kyslíku a nepatrné vlhkosti mohou doslova minout před očima. To vysvětluje jejich nízkou životnost při použití v komutátorových motorech v severských zemích.

Když budete vrtat nebo brousit ve Vysokých Tatrách na Lomnickém štítu elektrickým nářadím s komutátorovým motorem, hodilo by se mít s sebou pár uhlíků, protože jejich opotřebení bude určitě vyšší, než při vrtání nebo broušení na Pražském hradě nebo někde u Balatonu. Znáte to – je lepší být připraven než být překvapen. A pokud náhodou nevíte, jaký motor je ve vašem nářadí, nic se neděje – dozvíte se to tady.

Čistotou okolní atmosféry se obecně u komutátorových motorů myslí zejména chemické znečištění atmosféry čpavkem, chlorem, sirovodíkem apod., což v případě práce s elektrickým ručním nářadím hraje roli jen velmi zřídka. Zde máme na mysli spíše znečištění způsobené nasáváním vzduchu z okolí řezání, broušení, vrtání a pod. Jedná se tedy spíše o znečištění mechanickými částicemi, které pronikly přes větrací štěrbiny do těla nářadí k uhlíkovým kartáčům (obr. 2).

Obr. 2. Znečištěné uhlíkové kartáče

Někdy nerozumíme, jak mohl motor při takovém znečištění ještě pracovat. Bohužel, jedná se o častý jev, který snižuje nejen životnost uhlíkových kartáčů, ale může snadno zničit komutátor rotoru.

A teď až do konce nás čekají jen dobré zprávy a máme také dobré karty, kterými můžeme životnost uhlíků pozitivně ovlivnit.

Takovou velmi dobrou kartou je teplota komutátoru. Její vliv na životnost kartáčů je totiž velice výrazný a její „uhlídání“ je jen a jen v našich rukou, a to doslova: ruční nářadí držíme při práci většinou v rukou.

Vliv teploty se na životnosti prudce projevuje při teplotách nad 100°C, kdy už záleží nejen na každém přibývajícím stupni, ale na každé jeho desetině. Například při teplotě cca 110°C může být opotřebení až pětinásobné. Při takových teplotách dochází totiž k vysušování nasávaného vzduchu (kapalné skupenství vody se mění na plynné) a chybí potřebná vlhkost pro vytvoření spolehlivého filmu na povrchu komutátoru. Tím se ztrácí přirozená mazací schopnost kartáče. A to nechci jít do detailů v souvislosti s odpařováním a nadmořskou výškou.

Dobře konstruované profesionální nářadí, se kterým se pracuje v oblasti jmenovitých otáček a na kterém je pravidelně prováděna údržba a čištění, si tuto teplotu uhlídá samo.

Za teploty negativně ovlivňující životnost považujeme i teploty pod 60°C. Je to jako u motoru automobilu – studený motor má výrazně vyšší opotřebení. Dochází ke „klepání“ (chrastění) kartáčů a tím ke snižování jejich životnosti. Toto neumíme ovlivnit, faktem však je, že teploty pod 60°C nemají zdaleka tak negativní dopad na životnost jako teploty nad 100°C.

Další dobrou kartou je závislost životnosti na proudovém zatížení. Není však jednoznačně definována a křivka zachycující tuto závislost má lineární až kvadratický průběh – dala by se sestrojit pro každé nářadí samostatně měřením opotřebení kartáčů při určitých zatíženích. Pokud však nářadí nebudeme přetěžovat a bude stále pracovat v oblasti jmenovitých otáček, nebudou v opotřebovanosti uhlíků výrazné výkyvy. A bude to mít pozitivní vliv i na teplotu komutátoru, o které se psalo výše. Stačí, když si zapamatujeme, že při polovičním zatížení bude i opotřebení přibližně poloviční. Nevrtejme proto velké průměry otvorů kladivem SDS-plus, když pro velké otvory je určeno kladivo SDS-max.

Tlak na uhlíkový kartáč je karta, se kterou lze při troše pozornosti velmi dobře hrát. Uhlídat předepsaný tlak vůbec není obtížné a je to jen další z důležitých předpokladů, který je třeba splnit pro dlouhou životnost uhlíků. U elektrických ručních nářadí je řešen pružinami, které není nutné měnit (pokud nejsou mechanicky poškozeny). Když je pružina vyrobena z kvalitního materiálu, pak i přesto, že je „celý svůj život napnutá“ a tudíž dochází k určité únavě materiálu, je rozdíl v tlaku mezi novou a léta používanou pružinou obvykle pouze 2-3%. Problém je zde spíše v tom, že se založí pružina, která je právě po ruce a nic o ní nevíme.

Když je tlak příliš velký, kartáč se opotřebovává zejména mechanicky (a když je zároveň i příliš tvrdý, velmi agresivně ničí komutátor – viz obr. 1). Když je tlak příliš malý, dochází k nestabilnímu kontaktu doprovázeného elektrickými oblouky mezi kartáčem a komutátorem – opotřebení je převážně „elektrického“ charakteru.

Obr. 3. Přibližný průběh opotřebení kartáče v závislosti na tlaku

Ale pozor! Důležité není jen nastavení správného tlaku, ale také nastavení stejného tlaku na obou kartáčích. Odchylky v tlaku na kartáče způsobí nerovnoměrné rozložení proudu, přitékajícího do uhlíkových kartáčů a to má další negativní následky (předčasné opotřebení kartáče s větším přítlakem, neboť přes něj teče větší proud, nerovnoměrnost chodu motoru atd...). Tento problém často nastává tehdy, když jeden uhlík přitiskneme novou a jeden starou pružinou.

Vliv tlaku p na opotřebení kartáčů Δ l je patrný z obr. 3, kde bod M znázorňuje optimální tlak. Oblastí převážně elektrického opotřebení je oblast A a oblast B znázorňuje převážně mechanické opotřebení.

Poslední kartou, se kterou se ještě vyplatí hrát, je házivost komutátoru. Není to až tak dobrá karta, ale jen proto, že potřebujeme mít přesné přístrojové vybavení – měření s přesností na mikrometry je nevyhnutelné. Kontrolujme proto alespoň ložiska a při jakémkoli podezření na jejich přílišnou vůli si dejme své elektrické nářadí překontrolovat – už jen tento krok nám často ušetří nákladné opravy.

Závěr

Zkušenosti ukazují, že uživatel často šetří na nesprávném místě - stačí mu, že si koupil něco černého a to černé je jistě dobré, neboť rozměry jsou v pořádku. A když nejsou, tak se zabrousí. Prodejce uhlíkových kartáčů do různých elektrických ručních nářadí různých značek naleznete na internetu nepočítaně. Co myslíte, všichni prodávají originální náhradní kartáče? Nebo jsou „jako originální“ jen proto, že mají vhodné rozměry?

Poznámka:
¹) film se ve většině jazyků (mimo SK a CZ) jmenuje patina. Termín „film“ byl používán v normě ČSN 35 0820.

Klíčová slova: uhlíky, uhlíkové kartáče, kluzný kontakt, komutátorové motory, univerzální motory, opravy elektrických nářadí

Zdroje:
Interní technické a školicí materiály společnosti HERMAN
Ing. Luboš Kotnauer: Uhlíkové kartáče – černá magie kouzel zbavená (Časopis Elektrotechnik 1982)

Ing. Herman Nagypál

Vystudoval jsem vojenskou školu, obor letecká elektrotechnika. S nářadím a nástroji jsem se naučil pracovat už v dětství s tátou na stavbě rodinného domu. Každý náš nový produkt testuji i osobně - vlastníma rukama ve své dobře vybavené dílně. Ve volném čase se rád proháním na motorce po rumunských horských průsmycích. Kromě toho studuji trendy v oboru a rád si vyzkouším i konkurenční produkty. Nad některými se pousměju, nad některými se divím (že se někdo dal nachytat a koupil to) a některé jsou fakt dobré. Skoro jako naše 😊.