Графит контактный

Графит контактный — общее наименование углеродных материалов, применяемых в узлах скользящего токосъёма электрических машин и электроподвижного состава. Материал обеспечивает передачу тока между неподвижными и вращающимися (или перемещающимися) частями оборудования, одновременно выполняя функцию сухой смазки контактной пары. К этой категории относятся электрощётки электродвигателей и генераторов, контактные вставки пантографов и токосъёмников трамваев, троллейбусов, электровозов и электропоездов.

Почему графит используется в контактных узлах

Кристаллическая структура графита обусловливает сочетание свойств, критически важных для скользящего электрического контакта. Атомы углерода расположены в параллельных слоях (графеновых плоскостях), связанных между собой слабыми межслоевыми силами Ван-дер-Ваальса. Внутри каждого слоя делокализованные π-электроны обеспечивают высокую электропроводность вдоль базисных плоскостей. Слабая межслоевая связь придаёт материалу антифрикционные свойства — слои легко скользят друг относительно друга, что снижает коэффициент трения и износ ответных металлических поверхностей.

Помимо электропроводности и низкого трения, графит обладает рядом дополнительных преимуществ в контактных узлах: химическая инертность на воздухе при рабочих температурах, способность формировать на поверхности коллектора или контактного провода защитную плёнку (политуру), которая стабилизирует условия токосъёма и дополнительно снижает износ. Графитовые контактные элементы не свариваются с металлическими поверхностями при прохождении тока, устойчивы к кратковременным дуговым разрядам и не требуют внешней смазки.

Классификация контактных графитовых изделий

Согласно ГОСТ Р 52157-2003 «Щётки электрических машин. Общие технические условия», электрощётки подразделяются на четыре группы по составу материала и технологии изготовления.

Графитные щётки (группа Г)

Изготавливаются из натурального (природного) графита и связующих веществ. Рассчитаны на невысокие токовые нагрузки и умеренные окружные скорости. Применяются в электрических машинах малой мощности, контактных кольцах синхронных машин.

Углеграфитные щётки (группа УГ)

Наполнителем служат натуральный и (или) искусственный графит, технический углерод (сажа), коксы различных марок в определённых пропорциях. Термическая обработка проводится при температуре до 1200 °C. Углеграфитные щётки применяются при низких плотностях тока и невысоких окружных скоростях.

Электрографитные щётки (группа ЭГ)

Основное отличие от углеграфитных — прохождение стадии графитации при температуре 2600–3000 °C. В процессе графитации происходит перестройка кристаллической структуры углеродного материала, что повышает его электропроводность, химическую стойкость и стабильность характеристик. Электрографитные щётки — наиболее массовая группа, используемая в промышленных электродвигателях и генераторах. Удельное электрическое сопротивление качественных электрографитных щёток находится в диапазоне 20–38 мкОм·м. Допустимая плотность тока — до 10–12 А/см², допустимая окружная скорость коллектора — до 40–45 м/с. Основные марки: ЭГ-4, ЭГ-8, ЭГ-14, ЭГ-2А, ЭГ-71, ЭГ-74, ЭГ-61А, ЭГ-841.

Металлографитные щётки (группа МГ)

Содержат от 40 до 90 % металлических порошков (медь, олово, свинец, никель и их комбинации) и натуральный графит. Могут изготавливаться с применением связующих веществ или без них (методом порошковой металлургии). За счёт высокого содержания металла обладают наименьшим электрическим сопротивлением и минимальным падением напряжения в контакте. Металлографитные щётки используются при высоких плотностях тока и относительно невысоких окружных скоростях: стартёры, тяговые двигатели тяжёлых самосвалов, генераторы автотракторного оборудования, крановые электродвигатели. Основные марки: МГ, МГ4, МГСО, МГС5, М1, М1А. Предельная рабочая температура металлографитных щёток — 120 °C (для остальных групп — до 180 °C) в соответствии с ГОСТ Р 52157-2003.

Сырьё для производства контактного графита

Основным сырьём для изготовления электрощёток и контактных вставок служит электроугольный графит, получаемый обогащением графитовых руд по ГОСТ 10274-79 «Графит для производства электроугольных изделий». Стандарт нормирует ключевые показатели качества графитового порошка, от которых напрямую зависят характеристики готовых контактных изделий.

Марки графита по ГОСТ 10274-79 зависят от месторождения: ЭУТ (Тайгинское месторождение, Челябинская область), ЭУЗ (Завальевское месторождение), ЭУН (Ногинское месторождение). Каждая марка имеет несколько сортов, отличающихся допустимым уровнем зольности. В таблице приведены нормируемые показатели для наиболее распространённых марок и сортов.

Показатель	ЭУЗ-М (малозольный)	ЭУТ-I	ЭУТ-II	ЭУТ-III
Зольность, %, не более	0,5	2	5	7
Массовая доля серы, %, не более	0,1	0,2	0,2	0,2
Массовая доля железа, %, не более	0,15	0,5	1,0	1,0
Влажность, %, не более	0,5	0,5	0,5	0,5
Остаток на сите № 0071, %, не более	5	3	3	3
Проход через сито № 0045, %	75–90	75–90	75–90	75–90

Зольность определяет содержание минеральных примесей (оксиды кремния, алюминия, железа и др.) и напрямую влияет на электрическое сопротивление и износостойкость готовых контактных изделий. Чем ниже зольность, тем выше качество контакта. Сера при повышенных температурах эксплуатации выделяет газообразные продукты, ухудшающие структуру изделия. Избыток железа вызывает неравномерный износ щёток и локальное повышение электрического сопротивления. Тонкий помол обеспечивает однородную микроструктуру готовых электроугольных изделий.

Электрощётки — основной вид контактных графитовых изделий

Электрощётки — это прямоугольные бруски из электропроводящего углеродного материала, устанавливаемые в щёткодержатели электрических машин. Они обеспечивают скользящий контакт с коллектором или контактными кольцами. При работе щётка изнашивается под действием двух факторов: механического трения и электрической эрозии (искрение в зоне контакта). Изношенная щётка подлежит замене, при этом дорогостоящие узлы машины (коллектор, контактные кольца) остаются целыми — графит, как более мягкий материал, принимает износ на себя.

Размеры щёток стандартизованы по ГОСТ 12232-89. Конструкция может включать токоведущий провод (неизолированный, марки ПЩ), наконечник для крепления к щёткодержателю и защитную накладку. Маркировка щётки содержит марку материала, размеры (ширина × длина × высота), тип конструкции и параметры токоведущего провода.

Подбор марки щётки для электрической машины

Выбор марки определяется тремя основными параметрами: окружной скоростью коллектора, плотностью тока в контакте и давлением нажатия на щётку. Для электрографитных щёток удельное нажатие обычно составляет 35–50 кПа. Также учитываются условия эксплуатации: вибрация, температура окружающей среды, влажность, наличие агрессивных газов.

Щётки марки ЭГ-4 отличаются мягкостью и применяются в двигателях городского электротранспорта, судовых электромоторах, крановых механизмах. Щётки ЭГ-14 — универсальная марка средней твёрдости, разработанная для возможности замены щёток других марок. Щётки ЭГ-8 и ЭГ-74 — твёрдые, предназначены для машин постоянного тока с трудными условиями коммутации и высокооборотных электродвигателей. Щётки ЭГ-14 и ЭГ-74 используются в электрических машинах с неравномерной нагрузкой, включая сварочные генераторы постоянного тока.

Контактные вставки для электротранспорта

Вторая крупная область применения контактного графита — токосъёмные вставки пантографов и токоприёмников электроподвижного состава. Вставка закрепляется в головке токоприёмника и непосредственно скользит по контактному проводу, обеспечивая передачу тока от контактной сети к электрооборудованию транспортного средства.

Углеграфитовые контактные вставки изготавливаются прессованием шихты из искусственного и природного графита, обожжённого углеродного материала, кокса и синтетического связующего с последующим обжигом. Для повышения износостойкости и снижения электрического сопротивления вставки могут пропитываться расплавом меди (металлопропитанные вставки). Контактные вставки типа ВКТ используются в троллейбусах, вставки для пантографов трамваев и электровозов имеют иную конфигурацию и габариты в зависимости от конструкции токоприёмника.

Самосмазывающие свойства графита обеспечивают минимальный износ контактного провода по сравнению с металлическими и металлокерамическими вставками. Материал химически инертен, не окисляется в нормальных условиях эксплуатации и работоспособен во всех климатических зонах.

Факторы, влияющие на ресурс контактных графитовых изделий

Срок службы графитовых щёток и контактных вставок определяется совокупностью условий эксплуатации. К основным факторам относятся: плотность тока, окружная скорость, давление нажатия, состояние рабочей поверхности коллектора или контактного провода, вибрация, температура и влажность окружающей среды, наличие пыли и агрессивных газов.

Важную роль играет состояние политуры — тонкой плёнки на поверхности коллектора, формируемой продуктами износа графита. Стабильная политура снижает коэффициент трения, уменьшает искрение и защищает поверхность коллектора от эрозии. Нарушение политуры (например, при попадании масла, пыли или при работе в среде с пониженной влажностью) ведёт к резкому увеличению износа как щёток, так и коллектора.

Неправильный подбор марки щётки, избыточное или недостаточное нажатие, перекос щётки в щёткодержателе, биение коллектора — все эти факторы сокращают ресурс контактных элементов и ухудшают коммутацию.

Формы поставки контактного графита

Контактный графит поставляется в виде готовых электрощёток различных типоразмеров по ГОСТ 12232-89 (с токоведущим проводом или без него), контактных вставок для токосъёмников электротранспорта, а также в виде графитового порошка (электроугольный графит по ГОСТ 10274-79) для производства электроугольных изделий. Для восстановления токопроводящих покрытий и обеспечения контакта в стыковых соединениях применяется графитовый лак — суспензия графитового порошка в связующем, образующая после высыхания электропроводящую плёнку.

Нормативные документы

Основные стандарты, регламентирующие производство и контроль качества контактных графитовых изделий:

Стандарт	Наименование
ГОСТ 10274-79	Графит для производства электроугольных изделий. Технические условия
ГОСТ Р 52157-2003	Щётки электрических машин. Общие технические условия
ГОСТ 12232-89	Щётки электрических машин. Размеры
ГОСТ 21888-82	Щётки электрических машин. Термины и определения
ГОСТ 17022-81	Графит. Типы, марки и общие технические требования
ГОСТ 32680-2014	Вставки угольные контактные для электроподвижного состава