Проектирование токоведущего контура пневматического контактора

Тоха Контактор 12.cdw

Тоха Контактор (вид сверху) 12.cdw

Пневматический контактор

Литовченко курсовой - Якимов.docx

Проектирование токоведущего контура контактора . .4
1 Расчет токоведущих частей 4
2 Расчет коммутационных контактов ..6
2.1 Определение ширины контакта ..8
2.2 Определение расчетной силы нажатия контактов 8
2.3 Определение величины предельного тока .9
2.4 Выбор унифицированной контактной накладки .11
2.5 Определение износостойкости контактов .. .11
3 Проектирование контактных соединений . .13
3.1 Неразборные контактные соединения .14
3.2 Разборные контактные соединения . .14
4 Разработка эскиза контакта . .14
Расчет дугогасительного устройства 15
1 Выбор системы дугогашения 15
2 Расчет дугогасительных рогов и деионной решетки ..16
3 Выбор конструкции размеров дугогасительной камеры и расчет электромагнитной дугогасительной системы 17
4 Расчет параметров дугогасительной катушки .. .19
5 Расчет параметров стального сердечника .. 20
Разработка кинематической схемы аппарата определение угловых и
линейных перемещений .. 22
Механические характеристики электрических аппаратов .24
1 Определение сил действующих на притирающую пружину . .24
2 Расчет приведенных сил параметров выключающей пружины и построение механической характеристики контактора с пневматическим приводом .26
Разработка чертежа общего вида и описание конструкции аппарата .. .33
Список используемой литературы .35
Среди тяговых электрических аппаратов контактные коммутационные аппараты – контакторы – являются наиболее сложными и ответственными аппаратами электроподвижного состава (ЭПС). Контакторы предназначены для коммутации электрических цепей и служат для управления и регулирования режимами работы тягового электрооборудования ЭПС.
В данном курсовом проекте производим расчет электропневматического контактора.
Конструкции электропневматических контакторов различных типов во многом подобны. Различаются они наличием или отсутствием дугогашения конструктивным исполнением дугогасительных камер блокировок и включающих вентилей.
Несмотря на большое разнообразие конструкций электрических аппаратов проектирование электропневматического контактора будет производится в следующем порядке:
– изучение существующих конструкций тяговых аппаратов. Выбор конструктивной схемы. Компоновка конструкции. Выбор и расчет общей электрической изоляции аппарата. Разработка эскиза общего вида аппарата и определение его основных размеров;
– расчет и проектирование токоведущего контура: проводников; контактных соединений; коммутирующих контактов;
– расчет и проектирование дугогасительных устройств;
– расчет и проектирование механизма в том числе заданного типа пневматического привода;
– конструктивная разработка деталей и узлов аппарата с соответствующими расчетами;
– оформление графической части проекта: чертеж общего вида контактора не менее чем в двух проекциях схемы и графики иллюстрирующие расчеты и исследования;
– составление расчетно-пояснительной записки.
При проектировании электропневматического контактора широко используем метод последовательных приближений принцип преемственности конструкции отдельных элементов сравнение расчетных вариантов.
Проектирование токоведущего контура контактора
Токоведущий контур контактора обычно содержит:
- подвижный и неподвижный контакты;
- контактные накладки;
- катушку дугогашения;
- дугогасительные рога;
- гибкие соединения.
При проектировании токоведущего контура рассчитываем параметры его элементов так чтобы при протекании по ним тока температура их нагрева не превышала предельно-допустимую [1. 1. прилож.3 табл.П.3.1].
1 Расчет токоведущих частей
Величина номинального тока у контакторов устанавливается для продолжительного (длительного) режима т.е. Iном=I=600 A.
Определение размеров поперечного сечения токоведущих частей производится из условия что в установившемся режиме температура их нагрева к не превысит допустимой доп.
Для шины прямоугольного сечения с размерами a – b (а – толщина b – ширина) можно определить:
где окр = 40 ºС – расчетная температура окружающей среды;
ρо – удельное электрическое сопротивление материала токовода при температуре 0°С Ом·м [1. прилож.1 табл. П.1]; ρо=175·10-8 Ом·м;
α - температурный коэффициент сопротивления материала токовода 1°С [1. прилож.1 табл. П.1]; α=0004 1°С;
αто - коэффициент теплоотдачи плоской шины Вт(м2·°С); αто=7 Вт(м2·°С);
доп - допустимое превышения температуры над температурой окружающей среды°С [1. прилож.3 табл.П.3.2];
доп= окр+ доп=40+75=115 °С - предельно допустимая температура нагрева для меди.
Задавшись отношением аb=14 определяем толщину - а и ширину - b токоведущего элемента:
А также площадь поперечного сечения токовода:
При конструктивной разработке конкретных токоведущих частей форма поперечного сечения и размеры могут быть изменены но во всех случаях площадь поперечного сечения и периметр не должны быть меньше найденных по формулам (1.2) и (1.3).
2 Расчет коммутационных контактов
В зависимости от типа контактора назначения токоведущего контура (силовая цепь цепь управления) конструктивная форма коммутационных контактов может быть различна. В силовых цепях тяговых аппаратов наибольшее распространение получили линейные коммутационные контакты "грибкового" типа.
В цепях управления блокировочные коммутационные контакты контакты реле – обычно выполняют в форме точечных стыковых контактов с серебряными или металлокерамическими наделками мостикового типа либо в форме пальцевых контактов скользящего типа.
Во всех случаях при протекании через контакты длительного тока температура перегрева контакта не должна превышать предельно допустимого значения доп.
Тепловую постоянную контакта Ак А2(Н·мм) и определяют как произведение двух величин: плотности тока по нажатию jн АН и линейной плотности jл Амм:
Рекомендуемые значения удельных плотностей тока jн АН и тепловой постоянной Ак А2(Н·мм) для контактов тяговых аппаратов изготовленных из меди приведены в [1. 1. прилож.3 табл.П.3.5].
Для номинального тока Iном=I=600 A определяем расчетную величину тепловой постоянной контакта Акрасч по формуле:
где Акmin Акmax и Imax Imin - наименьшие и наибольшие значения соответственно тепловых постоянных контактов и токов протекающих через контакты.
Тогда тепловая постоянная контакта Акрасч:
Аналогичным образом определяем расчетные значения плотности тока по нажатию jнрасч:
где jнmin jнmax и Imax Imin - наименьшие и наибольшие значения соответственно плотностей токов по нажатию и токов протекающих через контакты.
и линейную плотность jлрасч:
где jлmin jлmax и Imax Imin - наименьшие и наибольшие значения соответственно плотностей токов по нажатию и токов протекающих через контакты.
2.1 Определение ширины контакта
По найденному расчетному значению линейной плотности тока определяем расчетную ширину контакта bрасч мм
Используя данные приведенные в (1. прилож.3 табл. П.3.6) выбираем ближайшее большее значение величины b; b=32 мм.
После этого уточняем фактическое значение линейной плотности:
2.2 Определение расчетной силы нажатия контактов
Расчетную силу нажатия контактов согласно (1.5) определяем из выражения:
Таким образом в результате расчета определены предварительные параметры контакта: ширина b=32 мм и сила нажатия Fкрасч=88 Н.
2.3 Определение величины предельного тока
Рассчитанное значение силы нажатия контактов Fкрасч нужно проверить на обеспечение надежной работы контактов при перегрузках. Предельный ток Iпр не должен приводить к структурным изменениям (размягчению) материала контактов и должен быть не менее тока рабочей перегрузки.
Так как температура размягчения материала контактов связана с падением напряжения на контактах то предварительно определяем расчетное значение переходного сопротивления:
где ρк – коэффициент контактного сопротивления Ом·Н [1. прилож.3 табл.П3.3] для металлокерамики ρк=0003 Ом·Н;
Fкрасч – расчетная сила нажатия контактов Fкрасч=88 Н;
m – показатель определяющий степень зависимости контактного сопротивления от силы нажатия контактов для различных форм контактирующих деталей [1. прилож.3 табл.П.3.4]; m=08 так как линейные контакты.
Затем расчетное значение предельного тока не превышающего пластической деформации
Iпррасч=(056065)ΔUр (1.13)
где (056065) - коэффициент запаса;
ΔUр - падение напряжения соответствующее размягчению материала контактов В [1. прилож.1 табл. П. 1]; ΔUр=012 В;
Iпррасч=(065·012) 0000083=93976 А
Полученный в (1.13) ток должен удовлетворять условию
Iпррасч≥Iпр=2I(1.14)
При аварийных перегрузках которые возникают при коротких замыканиях в электрической цепи должно исключаться расплавление материала контактов. Температура плавления также связана с падением напряжения на контактах что позволяет определить ток плавления
Iплрасч=(09ΔUпл)(1.15)
где ΔUпл – падение напряжения при котором достигается температура плавления материала контактов В [прилож.1 табл. П.1]; ΔUпл=043 В;
Iплрасч=(09·043)0000083 =466265 А
Полученное расчетное значение тока плавления должно удовлетворять условию
Поскольку оба условия (1.14) и (1.16) не выполняются то определим величину переходного сопротивления при котором
Величину рабочего усилия определим из (1.12) в виде
Дополнительно следует проверить что при коротком замыкании в результате действия электродинамических сил не возможен отброс контактов с последующим их свариванием.
Электродинамические силы отталкивания определяют по формуле:
где S – поперечное сечение токоведущих частей контакта;
So – сечение площади сжатия в контакте.
Обычно задаются отношением SSo10.
В качестве силы рабочего нажатия контактов принимаем FКР=133 Н.
2.4 Выбор унифицированной контактной накладки
Размеры унифицированной прямоугольной контактной накладки выбираем согласно табл. П.3.6.: а=16 мм и b=32 мм; тогда h=3 мм. При этом необходимо соблюдать соотношение ah=5÷10.
По выбранным размерам накладки определяем ее объем Qн мм3:
где b – длина накладки равная ширине контакта мм ;
а и h- соответственно ширина и высота накладки мм .
Qн=32·16·3 = 1536 мм3.
2.5 Определение износостойкости контактов
Износостойкость контактов оценивают их ресурсом который зависит от числа коммутаций Npn до того как контактные детали износятся до 055÷075 от их первоначальной толщины.
В свою очередь объем материала контактов изношенный при одном размыкании и замыкании определяют из выражений:
Qp=Qтр+Qрэ; Qз=Qтр+Qзэ(1.17)
где Qтр – объем материала изношенного механическим трением;
Qрэ Qзэ – объем электроэрозионного износа.
Объем материала контакта изношенного трением при размыкании или замыкании см3
Qтр=2·10-7Δ FкрHB(1.18)
где Δ - величина притирания проскальзывания контактов Δ=03÷05 см; Δ=05 см;
НВ – твердость материала по Бринеллю [1. прилож. 1 табл. П.1.]; для меди НВ=35.
Qтр=2·10-7·05·13335=038·10-6 см3.
Объемы электроэрозионного износа.см3
Qрэ=(γкр+γар)·qр(1.20)
где qз qр - заряд (количество электричества) прошедшее через контакт при одном замыкании или размыкании соответственно Кл;
γаз γкр γар - удельные износы см3Кл: анода – при замыкании и размыкании катода – при размыкании (1. прилож.3 табл. П 3.7).
для медной металлокерамики
qз=05·Iн·tд; qр=Iн·tд;(1.21)
где tд=01с – время горения дуги при размыкании.
Тогда объемы электроэрозионного износа:
Qзэ=08·10-6·30=24·10-6 см3;
Qрэ=(06·10-6+0)·60=36·10-6 см3.
Общий износ контактов за один цикл Qц составит:
Qц=Qрэ+Qзэ+2Qтр(1.22)
Qц=36·10-6+24·10-6+2038·10-6=6076·10-6 см3.
Число полных циклов работы контактов Ц определяют по формуле:
где 2 – коэффициент учитывает износ двух металлокерамических накладок.
3 Проектирование контактных соединений
В конструкции проектируемых токоведущих контуров контакторов следует выделить две группы контактных соединений: разборные и неразборные.
Неразборные контактные соединения дугогасительной катушки с кронштейном неподвижного контакта; контактных накладок с подвижным и неподвижным контактами выполняют посредством сварки.
Разборные соединения представляют собой болтовые или винтовые соединения неподвижного контакта с кронштейном подвижного контакта с контактодержателем гибких шунтов с контактодержателем и токоподводами.
3.1 Неразборные контактные соединения
Неразборные контактные соединения проверяют на соотношение величины перекрытия l и толщины t свариваемых деталей которые должны соответствовать данным приведенным в [1. прилож.3 табл. П.3.8].
По найденной в пункте 1.1 толщине токоведущих шин определяют величину перекрытия
где с – размер перекрытия с=5;
t = а = 76 мм– толщина токоведущей шины.
3.2 Разборные контактные соединения
Расчет разборного контактного соединения выполняют подбором размера болта или винта в зависимости от силы тока (1. прилож.3 табл. П.3.9). Для крепления контакта выбираем болт М16.
4 Разработка эскиза контакта
По результатам расчета в масштабе составляем эскиз контакта со всеми конструктивными размерами. Радиус окружности которым описывают поверхность контакта (рисунок 1.1) принимаем 100 мм. Недостающие размеры берем из альбома чертежей или натурного образца рекомендованного типа контактора.
Расчет дугогасительного устройства
1 Выбор системы дугогашения
Дугогасительные устройства предусматривают в коммутационных аппаратах предназначенных для размыкания электрических цепей под током. Можно не предусматривать дугогашения в случаях если токи в цепи ограничены величиной 2÷4 А и при любых токах если напряжение размыкаемой цепи постоянного тока Uн≤50 В и переменного – Uн≤110 В.
В тяговых аппаратах применяют следующие виды дугогашения:
а) деионные решетки как основное дутогасительное устройство применяют при постоянном и пульсирующем токах до 100÷120 А и напряжении до 380 В. При переменном токе того же напряжения величина тока не ограничена. В дополнение к системам магнитного дугогашения деионные решетки используют для ограничения выброса дуги из дугогасительной камеры;
б) электромагнитное дугогашение имеет наиболее широкое распространение во всех тяговых аппаратах. Его можно применять практически при любых токах и напряжениях;
в) воздушное дугогашение применяют обычно для главных выключателей локомотивов переменного тока с разрывными мощностями порядка (1÷2)·105 кВА.
Для гашения дуги необходимо чтобы напряжение электрической цепи в которой размыкаются контакты было меньше падения напряжения на дуге.
С этой целью применяют следующие меры: – увеличивают длину дуги; – разделяют дугу на ряд коротких дуг; - увеличивают теплоотвод от дуги и т.д.
Для выполнения этих условий в практике тягового аппаратостроения получили распространение дугогасительные системы с магнитным дугогашением.
Такие системы как правило содержат: дугогасительные рога; магнитную систему для воздействия на дугу магнитным полем; дугогасительную катушку для создания магнитного поля; дугогасительные (деионные) решетки.
2 Расчет дугогасительных рогов
Обычно дугогасительные рога выполняют расходящимися. Верхний рог является частью кронштейна неподвижного контакта. Нижний рог имеет шарнирное и контактно-разъемное соединение с кронштейном подвижного контакта являясь как бы частью дугогасительной камеры. В этом случае оба рога неподвижны что позволяет выполнить их в виде массивных латунных отливок.
Применяют дугогасительные рога и облегченной конструкции. Их выполняют в виде прямых стержней имеющих П-образное сечение.
Развернутая длина дугогасительных рогов зависит от номинального напряжения аппарата площадь их поперечного сечения (средняя) от номинального тока.
По рогам перемещаются опорные точки дуги отдавая часть тепловой энергии телу рогов. При этом поверхность рогов в условиях эксплуатации оплавляется что приводит к необходимости периодически их зачищать или восстанавливать.
На концах рогов опорные точки дуги занимают стабильное положение. Для предотвращения сильного плавления концов увеличивают их массу придавая им такую форму чтобы расплавленный металл не повреждал поверхность рогов и дугогасительную камеру. С той же целью на концах штампованных рогов часто устанавливают накладки из дугопрочной металлокерамики.
Конструкцию дугогасительных рогов принимаем по опыту уже выполненных образцов.
В [1. прилож.4 рис. П.4.1а и б] приведена зависимость развернутой длины дугогасительного рога от номинального напряжения и площади сечения от тока.
Для Uн=3000 В длина дугогасительного рога Lp=100 мм и для Iн=600 А выбираем Sp=270 мм2.
3 Выбор конструкции размеров дугогасительной камеры и расчет электромагнитной дугогасительной системы
Дугогасительные камеры предназначаются для того чтобы обеспечить электрическую и тепловую изоляцию дуги от элементов конструкции.
В дугогасительных камерах особенно тяговых аппаратов имеющих жесткие габаритные ограничения стремятся разместить дугу возможно большей длины в ограниченном пространстве.
Камеры служат также приемниками тепловой энергии рассеиваемой дугой а иногда усиливают теплоотдачу от ствола дуги в окружающее пространство. Эффективность дугогасительных камер в сильной степени зависит от изоляционных материалов применяемых для их внутренней облицовки. Для изготовления камер используют электротехнический асбестоцемент АЦЭИД и специальные дугостойкие пластмассы.
В тяговых коммутационных аппаратах применяют однощелевые и многощелевые лабиринтовые и радиального типа дугогасителыные камера.
Выбираем щелевую камеру. Коэффициент использования пространства в этих камерах Кип=08.
Расчетную критическую длину дуги 1дк мм для камеры без деионной решетки определяем по формуле
где Uн - номинальное напряжение Uн=3000 В;
Iр - разрываемый ток А:
Тогда длина дуги 1дк:
По найденной величине критической длины дуги определяют линейные размеры для радиальной камеры
При круглой форме камеры площадь Sк определяем по формуле:
Площадь полюса Sпол мм2 через которую в камере проходит магнитный поток рассчитываем по формуле:
Sпол=(05÷06)·Sк (2.4)
Sпол=06·Sк=06·43200=25920 мм2
Воздушный зазор в магнитной системе камеры равный расстоянию между полюсами lв мм зависит от ширины контакта b и рассчитываем как
где дк=12 мм толщина стенки камеры;
Δм=3 мм-величина монтажного зазора.
lв=32+212+2·3=62 мм.
4 Расчет параметров дугогасительной катушки
Расчет параметров дугогасительной катушки ведут исходя из заданной средней индукции в зоне дугогашения Вср при разрыве длительного тока I. Чем больше величина Вср тем больше электромагнитная сила действующая на дугу. Таким образом дуга быстрее растянется до критической длины и погаснет. Однако при этом увеличивается как износ контактов в момент их расхождения так и перенапряжения при отключении аппарата.
Для аппаратов оперативной коммутации рекомендуемые значения Вср=001÷0025 Тл. Принимаем Вср=002 Тл. Магнитное сопротивление стали магнитопровода значительно меньше подобной величины воздушного зазора между полюсами. В этом случае м. д. с. дугогасительной катушки Fд А определяют как
где 0=4·10--7 Гнм - магнитная проницаемость воздуха;
=l8 - коэффициент рассеяния рассматриваемой магнитной системы.
По полученной в (2.6) величине м.д.с. определяем число витков дугогасительной катушки wдк;
В (2.7) коэффициент 05 учитывает тот факт что средняя индукция Вср должна обеспечиваться при среднем значении тока изменяющемся в пределах от I до нуля. Полученное значение wдк округляем до большего ближайшего целого числа. Принимаем число витков дугогасительной катушки wдк=8.
Так как число витков wдк≤10 то дугогасительную катушку выполняем из шинной меди прямоугольного сечения с намоткой на узкое ребро. Так как падение напряжения в этих катушках невелико её выполняем без изоляции витков.
Толщину шины определяем из выражения:
где - изоляционный промежуток между витками мм =1 мм.
a = (62 8) – 1 = 675 мм
Принимаем а = 675 мм.
Высоту шины h определяем из выражения (1.3).
5 Расчет параметров стального сердечника
Для определения параметров стального сердечника дугогасительной катушки вычисляют магнитный поток Фв в зазоре между полюсами:
Фв=Вср·Sпол=002525920=648 Тл·мм2(2.9)
а также магнитный поток Фк в стальном сердечнике с учетом рассеяния магнитной системы
Фк= Фв· = 648·18=11664 Тл·мм2(2.10)
Площадь поперечного сечения сердечника Sc должна быть достаточной для исключения насыщения стали при разрываемом токе Iр. Поэтому индукцию в сердечнике стали Вст принимаем равной 025 Тл.
Таким образом имеем:
Из (2.11) определяем диаметр сердечника что позволяет определить внутренний диаметр дугогасительной катушки:
Эскиз дугогасительной камеры представлен в приложении 1 а эскиз дугогасительной катушки представлен на рисунке 2.1. 3. Разработка кинематической схемы аппарата определение угловых и линейных перемещений
Кинематическая схема коммутационного аппарата представляет взаимодействие всех частей (звеньев) его механизма и дает наглядное и точное представление о передаче и преобразовании движения звеньями механизма независимо от действующих на них сил. Она позволяет также рассчитать необходимые силы привода параметры и характеристики пружин статические тяговые характеристики притирание и провал контактов.
Принимаем ту же кинематическую схему что и у рекомендованного образца аппарата.
При расчетах принимаются следующие основные допущения:
– звенья выполненные из твердых материалов абсолютно жесткие - не деформируются;
– в кинематических парах отсутствуют зазоры.
Кинематическая схема строится для наиболее характерных положений цикла движения механизма в том числе для двух крайних включенного и выключенного положений аппарата и момента касания коммутирующих контактов.
Кинематическую схему аппарата вычерчиваем на миллиметровой бумаге с соблюдением всех размеров углов поворота и других величин. Чертеж выполняют в масштабе 1:1.
Все коммутационные контакты силовых цепей тяговых аппаратов должны иметь притирание контактных поверхностей и удаление точки первоначального контакта (точки размыкания) 1=15 мм от точки рабочего контакта. Величина притирания Δ1=0.21=3 мм.
Радиус цилиндрической поверхности контакта принимают равным r=100 мм.
Изучив конструкцию рекомендованного образца определяем размеры кинематических звеньев и их взаимное расположение.
Расстояние L от точки поворота подвижной системы О1 до оси неподвижного контакта принимаем таким же как у рекомендованного образца – 180 мм.
Расстояния О1О4=135 мм О1х2=140 мм и О4x2=100 мм полностью определяют кинематическое звено – поворотный рычаг и принимаем такими же как и у образца.
Выбрав положение точки окончательного замыкания контактов А проводим прямую Ц1Ц4 Точки Ц1 и Ц4 являются центрами из которых радиусом r очерчены цилиндрические поверхности неподвижного и подвижного контактов. Соединив точки Ц4 и О4 определяем второе кинематическое звено – контактодержатель и кинематическую схему механизма во включенном положении контактора.
Точку размыкания В можно определить отложив от точки А величину АВ=1=15 мм. Положение контакта при размыкании можно получить графическим построением. Для этого прямую Ц1В продолжаем за точку В и отложив на этом продолжении расстояние r определяют центр Ц3 цилиндрической поверхности подвижного контакта. Обычно оба контакта одинаковы и контактную поверхность подвижного контакта при размыкании описывают радиусом r из точки Ц3. Весь подвижный контакт можно вычертить определив положение точки А1 соответствующей его касанию в рабочем состоянии. Для этого на поверхности подвижного контакта откладываем отрезок А1В:
А1В=l+Δ1=15+3=18 мм.(3.1)
Положение точки О3 рычага определяется пересечением двух дуг проведенных - одной из центра О1 радиусом О1О4 и второй радиусом О4Ц4 из центра Ц3. Определив положение точки О3 определяем точку x1.
Положение подвижного контакта в состоянии окончательного размыкания определится переходом точки В в В2 при ее повороте радиусом O1B из центра О1. Величина ВВ2=h1=30 мм соответствует раствору контактов. Точка Ц3 одновременно переместится в Ц2 поворотом радиусом O1Ц3 из центра О1 а точки О3 и x1 - соответственно в O2 и х0 .
Вычерчиваем подвижный контакт и кинематические звенья для всех трех положений аппарата.
Кинематическая схема шарнирно - рычажного механизма контактора представлена в Приложении 2.
Механические характеристики электрических аппаратов
Механической характеристикой электрического аппарата называется зависимость всех механических сил или моментов приведенных обычно к оси действия привода аппарата (к оси действия движущей силы) от величины хода х или от угла поворота α привода.
В электрических аппаратах с электромагнитным приводом за величину хода обычно принимается величина рабочего воздушного зазора магнитной системы в аппаратах с пневматическим приводом – ход поршня привода.
Расчет механических характеристик производится для статического состояния т. е. принимается что в любом промежуточном положении можно пренебречь силами инерции подвижных частей аппарата. Тогда под действием реальных механических сил и суммарной силы приведенной к оси действия привода подвижные части должны находиться в равновесии.
Основными расчетными уравнениями для определения сил действующих на отдельные звенья и построения механической характеристики являются статические уравнения равновесия механизма:
– сумма проекций всех сил на координатные оси равна нулю;
– сумма моментов всех сил относительно какой-либо точки системы (обычно берется ось вращения подвижной детали) равна нулю.
1. Определение сил действующих на притирающую пружину
Большое влияние на процессы притирания и износа контактов оказывают характеристики притирающих пружин. Для сохранения профиля контактов необходимо чтобы нажатие Fк оставалось постоянным в процессе взаимного перемещения контактов.
Исходными данными для определения сил действующих на притирающую пружину являются:
– кинематическая схема шарнирно - рычажного механизма контактора
– силы рабочего Fкр и начального Fкн нажатия контактов.
Из кинематической схемы выбираем два положения соответствующие моменту касания и полного замыкания контактов и вычерчиваем на миллиметровой бумаге неподвижный и подвижный контакты и кинематическое звено "держатель" отмечая точки О3 и О4. На этой же схеме показываем силы Fкн и Fкр направления которых совпадают с линиями Ц1Ц3 и Ц1Ц4 соответственно а также линии действия сил Fпн и Fпр притирающей пружины на расстоянии d от точек Оз и О4 соответственно.
Для составления уравнений равновесия звена - "держатель и подвижный контакт" из построенной схемы определяют:
–Rкн - плечо действия силы Fкн равное расстоянию от точки О3 до линии Ц1Ц3 Rкн=52 мм;
– Rкр - плечо действия силы Fкр равное расстоянию от точки О4 до линии Ц1Ц4 Rкр=25 мм;
- d- плечо действия сил Fпн и Fпр d=25 мм..
Силу начального нажатия контактов принимаем:
Fкн=04·Fкр=04·133=532 Н.(4.1)
Из условия равновесия рассматриваемого звена определяют силу начального нажатия притирающей пружины Fпн Н:
Усилие притирающей пружины при рабочем нажатии контактов Fпр Н:
Жесткость притирающей пружины Жп Нмм определяют как
Жп=(Fпр – Fпн)Δlп=(133-11066)125=18 Нмм.(4.4)
где Δlп - деформация пружины мм:
Δlп=d·sin=25·sin30°=125 мм(4.5)
Величины Fпн Fпp и Жп позволяют выполнить конструктивный расчет притирающей пружины и определить ее размеры.
2 Расчет приведенных сил параметров выключающей пружины и построение механической характеристики контактора с пневматическим приводом
Для пневматических контакторов обычно все силы и моменты приводят к точке сочленения штока поршня с рычагом подвижной части аппарата.
В дальнейшем все приведенные силы имеют в обозначении штрих. Так приведенная сила притирающей пружины F'пр равна:
где Rпр расстояние от линии приложенной силы Fпp до центра поворота подвижной системы О1 Rпр=135 мм.
Силы трения ΣFтp в коммутационных аппаратах имеют случайный характер и при проектировании эти силы в различных частях подвижной системы обычно считаем постоянными.
На первом этапе проектирования силы трения ΣFтp обычно объединяют с приведенным весом подвижной системы G' и ориентировочно принимают
ΣFтp+ G'=(008÷011) F'кp=const(4.6)
где F'кp - приведенная сила рабочего нажатия контактов которая определяется из выражения:
где Rкр расстояние от линии приложенной силы Fкp до центра поворота подвижной системы О1 Rкр=160 мм.
ΣFтp+ G'=01·1576=158 Н
Приведенная сила начального нажатия контактов F'кн определяем из выражения:
где Rкн расстояние от линии приложенной силы Fкн до центра поворота подвижной системы О1 Rкн=184 мм а Rпр=135 мм.
Приведенная сила трения в цилиндре для кинематической схемы совпадает с фактической т. е. F'тв=Fтв. Поскольку сила трения в цилиндре зависит от диаметра цилиндра который неизвестен то для предварительных расчетов принимаем Fтв=120 Н.
Приведенная сила отключающей пружины также совпадает с фактической т. е. F'o=Fo. По условиям размыкания электропневматического аппарата сила начального сжатия выключающей пружины Fон определяем из выражения:
Fон≥Fтв+ΣFтp+G'(4.9)
По условиям размыкания сварившихся контактов сила рабочего сжатия выключающей пружины Fop должна как минимум в 2 раза превышать силу рабочего нажатия контактов F'кр
Fор≥2F'кр+Fтв–F'пр+ΣFтp+G'(4.10)
Fор≥2·1576+120–246+158=426.4 Н.
Принимаем Fор=426 Н.
Необходимую жесткость выключающей пружины Жо Нмм рассчитываем как:
Жо=(Fор–Fон)Δlo=(426-136)43=67 Нмм(4.11)
где Δlo – деформация пружины мм:
Δlo=x2–xo=43 мм.(4.12)
Величины Жо Fор и Fон позволяют выполнить конструктивный расчет выключающей пружины и определить ее размеры.
При включении пневматических контакторов от момента начала перемещения поршня до соприкосновения контактов то есть на участке перемещения x1–x0 приведенная сила действующая на шток поршня с учетом отключающей пружины определяется выражениями: для точки x1:
Fш1=ΣFтp+G'+F'кн+Жо((4.13)
Fш1=158+725+67·25+136=3918 Н
Fш2=ΣFтp+G'+F'кр+Жо(x2–xo)+Fон(4.14)
Fш2=158+1576+67·43+136=5975 Н.
Наиболее часто в пневматических приводах применяется сжатый воздух с номинальным давлением р=0.5 МПа; при этом привод должен быть выбран таким образом чтобы аппарат работал и при минимальном давлении сжатого воздуха рmin=035 МПа.
Диаметр поршня D определяем из выражения:
рmin · · D24 – f · рmin · · D · b=Fш2(4.15)
где f=02 – коэффициент трения кожи по стали;
b=8·10-3 – ширина уплотнения м;
5·106·314·D24-02·035·106·314·8·10-3D=5975.
Решая это квадратное уравнение получим диаметр поршня D:
Сила трения скольжения кожаного уплотнения по стальному цилиндру:
Fтв=f·p··D·b=02·05·106·314·0056·8·10-3120 H.(4.16)
Статическая сила давления развиваемая пневматическим приводом Н
Fв=p··D24=05·106·314·005624981 H.(4.17)
Сила действующая на шток поршня равна:
Fш= Fв-Fтв=981-120=861 H.(4.18)
На основании выполненных расчетов на миллиметровой бумаге в принятом масштабе строим механическую характеристику контактора с пневматическим приводом.
Механическая характеристика контактора с механическим приводом представлена на рисунке 4.1.
Основными элементами кинематической схемы электрического аппарата создающими различные механические усилия необходимые для работы аппарата являются пружины. Наибольшее распространение в тяговых аппаратах получили цилиндрические винтовые пружины сжатия и растяжения. К ним относятся притирающие и выключающие пружины.
Цилиндрическая винтовая пружина сжатия изготавливается из круглой проволоки диаметром d и имеет линейную характеристику.
Материал применяемый для изготовления винтовых пружин — по большей части стальная реже бронзовая круглая проволока в основном работает на кручение вне зависимости от того работает ли пружина на сжатие или на растяжение.
Исходными величинами для определение размеров и числа витков выключающей пружины являются: необходимая сила Fmax которую должна развивать пружина и ее жесткость Ж. Кроме того надо выбрать материал в [1. прилож.7 табл. П.7.1] определив его модуль сдвига и допустимое напряжение при кручении. Выбираем стальную проволоку G=78500Нмм:
доп=[]n=80015=5333 Нмм2.(5.1)
где n=15 - коэффициент запаса прочности материала пружины;
[] – предел прочности на срез (при кручении) []=800 Нмм2
Выбираем индекс пружины с=10 и определяем диаметр проволоки d мм
Средний диаметр пружины определяем по формуле:
D=c·d=10·5=50 мм.(5.3)
Число витков пружины участвующих в создании усилия (так называемых активных витков) определяем по формуле:
где Жо=67 Нмм – жесткость выключающей пружины.
Принимаем n=8 витков.
Концы цилиндрических пружин сжатия выполняются за счет подгибки крайних витков а при большом диаметре проволоки – их шлифовки таким образом чтобы образовавшаяся плоскость была перпендикулярна оси пружины. Крайние подогнутые витки рабочими не считаются и полное число витков пружины сжатия в этом случае:
N=n+2=8+2=10 витков.(5.5)
При определении диаметра пружины следим за тем чтобы наружный диаметр пружины
Dн=D+d=50+5=55 мм.(5.6)
не превышал диаметр цилиндра Dц=56 мм .
Шаг пружины с расчетом на прогиб:
Свободная длина пружины:
Lсв=t·n+15·d=13·8+15·5112мм.(5.8)
Существенным недостатком пружин сжатия является потеря ими устойчивости при большой длине: под действием нагрузки длинная пружина сжатия может выгибаться. Для обеспечения достаточной устойчивости пружин сжатия рекомендуются чтобы отношение свободной длины пружины к диаметру:
Для притирающей пружины выбираем стальную проволоку. G=78500Нмм; доп=[]n=80015=5333 Нмм2. Выбираем индекс для пружины с1=10 и определяем диаметр проволоки d1 мм
где Fma Fmax1=133 Н.
D1=c1·d1=10·28=28 мм.(5.11)
где Жп=18 Нмм – жесткость выключающей пружины.
Принимаем n1=17 витков.
N1=n1+2=17+2=19 витков.(5.13)
Dн1=D1+d1=28+28=308 мм.(5.14)
не превышал ширины контактов b=32 мм.
Lсв1=t1·n1+15·d1=73 ·17+15·28129 мм.(5.16)
РАЗРАБОТКА ЧЕРТЕЖА ОБЩЕГО ВИДА И ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ АППАРАТА
Конструктивная разработка тягового аппарата выполняем после того когда выбраны конструктивные формы аппарата и его основных узлов. Корпусные детали соединяют между собой все узлы аппарата. Поэтому одновременно с разработкой корпусных деталей выполняем окончательную разработку конструкции аппарата его узлов и деталей. Основные конструктивно-технологические требования к корпусным деталям и деталям механизмов состоят в том чтобы обеспечить надлежащую механической прочность жесткость и износостойкости аппарата.
При разработке конструкции аппарата учитываем накопленный опыт используя конструктивные решения применяемые на рекомендованных образцах. При разработке чертежа общего вида аппарата соблюдаем размеры основных деталей найденные при расчете параметров токоведущего контура системы дугогашения привода тягового аппарата а также электроизоляционные расстояния. В резьбовых соединениях предусматриваем устройства исключающие самопроизвольное развинчивание.
В данном курсовом проекте был рассчитан электропневматический контактор с током в исполнительной цепи 600 А и номинальным напряжением 3000
При проектировании токоведущего контура была выбрана медная шина. Проектируя коммутационные контакты выбрали линейные коммутационные контакты “грибкового” типа с металлокерамическими накладками на основе меди при этом ширина контактов была выбрана 32 мм. А также по износостойкости контактов число полных циклов работы 67000 циклов.
В результате расчетов было выбрано электромагнитное дугогашение с камерой щелевого типа расчетная длина дуги в камере 1дк=478 мм.
При разработке кинематической схемы аппарата за основу была взята схема ПК 41-46. В дальнейшем были рассчитаны характеристики притирающей и выключающей пружины и построена тяговая диаграмма. В результате были определены параметры пружин.
Список использованной литературы:
В.В. Литовченко А.И. Чумоватов – «Тяговые электрические аппараты» методические указания.
Д.Д. Захарченко – «Тяговые электрические аппараты».