Як виготовляють колектор для двигуна постійного струму?

Кожне проточування знімає частину міді, і в конструкторській документації завжди закладений граничний припуск на знос — мінімальна товщина ламелі, нижче якої вона втрачає механічну міцність під відцентровою силою й перестає надійно утримуватися в пазі стяжної конструкції. Якщо колектор уже пройшов кілька ремонтних проточувань і залишкова товщина ламелі наближається до цієї межі, подальше проточування небезпечне, і єдиний коректний вихід — новий комплект ламелей, тобто фактично новий колектор.

Круговий вогонь залишає на робочій поверхні оплавлені ділянки, а міжламельну ізоляцію — навуглені й частково зруйновані; тривалий локальний перегрів через ослаблений петушок чи блукаючі струми підшипників може підпалити ізоляційну втулку між пакетом і маточиною. У таких випадках пошкодження зазвичай поширюється на значну частину ламелей одразу, точкова заміна не покриває весь обсяг дефекту, а спроба проточити оплавлену поверхню часто виявляє, що глибина пошкодження перевищує допустимий припуск.

Для типових серійних двигунів колектор можна замовити як запасну частину. Але для одиничної, спеціально спроєктованої чи знятої з виробництва машини — прокатного двигуна, тягового двигуна старого типу, генератора власного виготовлення заводу — готового колектора на ринку просто не існує, і час очікування виготовлення за індивідуальним замовленням будь-де перевищує допустимий простій обладнання.

Значна частина промислового парку в експлуатації — це машини десятків років випуску, вітчизняного чи імпортного походження, виробника яких давно не існує або який ніколи не постачав запчастини на цей ринок. Для такого обладнання виготовлення нового колектора власними силами — за кресленням із заводського паспорта чи за зворотним проєктуванням наявного вузла — єдиний спосіб підтримувати машину в роботі, а не списувати її через відсутність одного вузла.

Вихідний матеріал — твердотягнутий мідний пруток клиноподібного (ластівчин хвіст) перерізу, підібраний за маркою відповідно до навантаження машини: електролітична мідь М1 для колекторів загальнопромислового призначення або мідь з домішкою срібла, кадмію чи хрому для тягових, прокатних і кранових двигунів, де важлива підвищена температура розм’якшення й стійкість до наклепу під щіткою. Профіль перерізу — асиметрична трапеція — або постачається вже прокатаним у прутку відповідного профілю, або профілюється фрезеруванням чи протягуванням із прямокутної заготовки. Пруток розрізають на окремі заготовки-ламелі потрібної довжини з невеликим припуском на торцеве вирівнювання, а їхню кількість визначає число робочих секцій обмотки якоря (для деяких схем обмотки — кратне йому).

Із листового ізоляційного матеріалу вирубують чи вирізають пластини того самого профілю, що й ламелі, і точно тієї товщини, яку передбачає креслення. Традиційний матеріал — міканіт, спресований з пластинок природної слюди на шелаковому чи епоксидному зв’язуючому; для нових колекторів дедалі частіше застосовують армовану синтетичну слюдяну стрічку чи скловолокнисто-слюдяний матеріал зі стабільнішими й більш передбачуваними властивостями. Товщину й твердість ізоляції підбирають так, щоб вона зношувалася приблизно з тією самою швидкістю, що й обрана марка міді, — це рішення приймають ще на цьому етапі, оскільки виправити невдалий підбір після складання пакета вже неможливо.

Ламелі та ізоляційні пластини укладають по колу навколо тимчасової робочої втулки чи розсувної оправки, суворо чергуючи один шар міді з одним шаром ізоляції, доки не сформується повне циліндричне кільце. Під час набору контролюють однаковий крок розташування петушків по всьому колу та відсутність перекосу окремих ламелей відносно осі — будь-яке відхилення на цьому етапі перетвориться на биття робочої поверхні після обточування, яке вже неможливо усунути без розбирання пакета.

Зібране кільце затискають в осьовому напрямку в гідравлічному пресі з контрольованим за манометром зусиллям, розрахованим під конкретний діаметр і кількість ламелей. Тиск нарощують поступово, часто в кілька етапів з короткою витримкою, — це дозволяє матеріалу пакета осісти рівномірно, видаляє повітряні порожнини між шарами й забезпечує однакове щільне прилягання кожної ламелі до сусідньої ізоляційної пластини. Недостатній тиск залишає пакет пухким і схильним до подальшого осідання під час експлуатації; надмірний — може деформувати чи розтріскати крихку слюдяну ізоляцію.

Спресований пакет фіксують у постійній конструкції одним з двох способів. У стяжній (конусно-бандажній) конструкції на обидва торці пакета насаджують ізольовані конусні кільця, які своїм клином стягують ластівчин хвіст ламелей до осі, а натяг утримує стяжна гайка, затягнута нормованим моментом, або напресований нагрітий стяжний бандаж — ця конструкція залишається придатною до подальшого розбирання й повторного стягування під час ремонту. У формованій (пресово-литій) конструкції пакет заливають термореактивною смолою під тиском у прес-формі, отримуючи монолітний барабан без металевого стяжного кільця, або стягують ізольованими шпильками крізь отвори в ламелях, — це компактніше рішення, поширене на серійних машинах середньої потужності, але практично не ремонтопридатне при внутрішньому пошкодженні пакета.

Перш ніж вузол потрапить у токарний верстат, його витримують у термошафі за температурою й тривалістю, що відповідають зв’язуючому ізоляції, — це полімеризує шелак чи довиковує епоксидну смолу та знімає внутрішні напруження, що виникли під час пресування. Охолодження після витримки виконують повільно й контрольовано, а не на відкритому повітрі, — нерівномірне охолодження створює нові внутрішні напруження замість того, щоб зняти старі. Цей крок часто недооцінюють, але саме він визначає, чи збереже колектор стабільну геометрію після того, як тимчасові технологічні затискачі знімуть для механічної обробки: пропущена чи скорочена термообробка проявляється не одразу, а через кілька місяців експлуатації як повільне зміщення ламелей і зростання биття.

Стабілізований барабан встановлюють у токарний верстат — на оправку чи в патрон за посадковим отвором під вал — і знімають основний шар металу, усуваючи неминучу ексцентричність, що накопичилася під час набору й пресування пакета. На цьому проході свідомо залишають технологічний припуск на подальшу чистову обробку — саме він дозволяє прибрати залишкові похибки без ризику вийти за проєктний діаметр.

Фінішним проходом з малою подачею та гострим різцем виводять поверхню на проєктний діаметр із заданою шорсткістю, необхідною для якісного прилягання щіток, і забезпечують концентричність робочої поверхні відносно посадкового отвору під вал у межах допуску, зазначеного в кресленні. Саме на цьому кроці перевіряють отриманий діаметр і биття індикатором годинникового типу, перш ніж переходити до подальшої обробки петушків та ізоляції.

Коли зовнішня поверхня вже вивірена, у петушках прорізають чи фрезерують пази під виводи секцій обмотки якоря, індексуючи інструмент за кроком ламелей, і знімають задирки. Точність цієї операції прямо визначає надійність подальшого паяного чи зварного з’єднання: занадто вузький паз не приймає вивід секції без деформації проводу, надто широкий залишає люфт, у якому з’єднання розхитується від вібрації та з часом розтріскується.

Одразу після обточування слюда між ламелями знаходиться врівень з міддю — обидва матеріали пройшли одну й ту саму різцеву обробку. Тонким дисковим фрезером чи спеціальним інструментом для продорожування слюду вибирають на проєктну глибину нижче рівня міді по всьому колу, слідуючи кривизні робочої поверхні, щоб глибина канавки залишалася однаковою в кожній точці. Це попереджає передчасне виступання ізоляції в перші місяці роботи, коли робоча поверхня ще прироблюється до щіток, і закладає запас на майбутні ремонтні проточування — після кожної з них слюду доведеться заглиблювати повторно.

Продорожування залишає на краях кожної ламелі гострі кромки міді, які без обробки сколюються під щіткою вже в перші години роботи й дряпають робочу поверхню сусідніх ламелей. Дрібним надфілем чи спеціальним пристроєм ці кромки скошують на невеликий кут і невелику глибину, зберігаючи чіткий контур канавки навколо слюди, — це фінальна операція, яка робить колектор готовим до встановлення на якір.