Расчет индивидуального электропневматического контрактора Автор: alan11111 • Май 17, 2019 • Курсовая работа • 2,105 Слов (. Н. О. Фролов расчет индивидуального электропневматического контактора
 Скачать 344.18 Kb.
|
|
2 Расчёт параметров контактного соединения 2.1 Порядок выполнения расчётов Работоспособность контактных соединений в сильноточных элек- трических цепях определяется, прежде всего, тепловыми процессами в них. Решающее значение при этом имеет соотношение между мощностью электрических потерь на контактном сопротивлении в функционирующей контактной паре и мощностью теплорассеяния в окружающее пространст- во. Эскиз линейного контактного соединения приведен на рисунке 2.1.  Рисунок 2.1 – Эскиз пары линейных Г-образных контакт-деталей Уравнение баланса электрической и тепловой мощности, выделяе- мой и рассеиваемой в установившемся режиме, имеет вид PДЛ=I2ДЛ· rК =α·S·К, (2.1) где PДЛ – длительная мощность в установившемся режиме; IДЛ – ток нагрузки контактного соединения; rК – электрическое переходное сопротивление контакта; – коэффициент теплорассеяния контактной пары; S – площадь поверхности теплорассеяния; К– превышение температуры контактов над температурой окру- жающего воздуха. 8 В реальных условиях эксплуатации некоторые из указанных физиче- ских величин нестабильны. Так, например, значение rК имеет тенденцию к повышению с течением времени с возрастанием температуры контакти- рующих деталей и более интенсивным окислением соприкасающихся по- верхностей. Кроме того, неодинаковы условия теплорассеяния с разных поверх- ностей контактов, что обусловливает непостоянство значений коэффици- ента . Однако, в целях упрощения расчетов принимают значения сомно- жителей приведенного выше уравнения постоянными. Величина электрического сопротивления контакта rК определяется силой нажатия контактов FК и зависит также от материала контакт- деталей. Из теории электроаппаратостроения известна следующая формула для определения величины rК: К rК Fm ,  К (2.2) где ρК – коэффициент контактного сопротивления, зависящий от материала контактной пары; m– показатель степени, определяющий зависимость контактного со- противления от силы FК. В настоящей работе выбирается значение ρКдля пары медь – медь луженая (см. подраздел 1.1). Величина показателя m зависит от геометрической формы рабочих поверхностей контактов и принимает значения m = 1 для поверхностных (плоскостных) контактов, m = 0,7…0,8 для линейных и m = 0,5 для точеч- ных. При определении площади теплорассеивающей поверхности S сле- дует учитывать особенности расположения контактной пары в конструк- ции аппарата. Торцевые поверхности контакт-деталей воздухом почти не обдуваются, так как они расположены с небольшими монтажными зазора- ми между изоляционными пластинами либо стенками дугогасительной ка- меры, обладающими низкой теплопроводностью. 9 Щель между контактными поверхностями в замкнутом состоянии контактора очень узка, и отвод тепла от этих поверхностей незначителен. Поэтому в расчетах обычно учитывают лишь площадь боковых поверхно- стей контакт-деталей, пропорциональную их ширине b, являющейся дли- ной линии контакта. В расчетах принимаем S = k1 · b, (2.3) где k1 – коэффициент пропорциональности, зависящий от формы контакт- деталей. Исходя из этих соображений, преобразуем уравнение баланса мощ- ностей следующим образом:  ДЛ k b F 2 I К m (2.4) Далее делим обе части равенства на произведение ρК · b 1 К. К 2 ДЛ I k 1 К .   F b m (2.5) К К Анализ величин, входящих в правую часть равенства, показал, что при определенной токовой нагрузке они постоянны и характеризуют про- текание теплового процесса. Это выражение принято считать тепловой по- стоянной контакта АК. Она оценивает мощность потерь, которые контакты аппарата могут рассеивать в продолжительном режиме работы. Постоянная АК может быть выражена произведением плотности тока по нажатию  I ДЛ Н (2.6) j К Fm и линейной плотности тока Л ДЛ , b I j (2.7) причем показатель m принимают равным единице. 2 ДЛ К b j j I A m I I ДЛ ДЛ Л Н F b F К К , А2/Н·мм. (2.8) 10 Величины АК,jЛ,jН нормируются для различных коммутирующих аппаратов, применяемых на электроподвижном составе (см. подраздел 1.1). Основываясь на заданном токе контактора IДЛ и выбранных значени- ях jЛ, jН и АК, рассчитываем значения b, а затем FК.  ДЛ . К m I   j F (2.9) Н Далее производим расчет номинального значения сопротивления контакта rК по известным величинам ρК, FК. Рассчитанное значение FК следует проверить на обеспечение надеж- ной работы контакта при токовых перегрузках. Для этого определяют ток, проходящий через контакты IР, при котором происходит размягчение ма- териала, начинается структурное изменение поверхностного слоя контакт- деталей, а также ток плавления материала контактов IПЛ: I U Р (2.10) 0,9 , К Р r 0,7 , К I U ПЛ ПЛ r (2.11) где ΔUР – падение напряжения, при котором достигается температура раз- мягчения материала; ΔUПЛ – падение напряжения, при котором достигается температура плавления. Данные по ΔUР,ΔUПЛ и соответствующим температурам представ- лены в общих исходных данных к контрольной работе. При рабочих перегрузках ток через контактную пару может дости- гать 2 IДЛ, а при аварийных перегрузках – 10 IДЛ. В соответствии с этим должны выполняться условия температурной устойчивости: IР ≥ 2 IДЛ, (2.12) IПЛ ≥ 10 IДЛ. (2.13) При несоблюдении этих условий нажатие контактов следует увели- чить. 11 В заключении рассчитывают величину мощности, рассеиваемой на контактах при протекании через них тока IДЛ (см. выражение 2.1). 2.2 Требования к содержанию раздела Раздел «Расчёт параметров контактного соединения» должен содер- жать: 1) эскиз пары линейных Г-образных контакт-деталей; 2) расчет ширины контактов b. Полученное значение (в мм) следует округлить до ближайшего большего целого числа; 3) расчет контактного нажатия FК; 4) расчет электрического сопротивления контактов rК; 5) расчет токов IР и IПЛ и проверка их по условиям термической ус- тойчивости; 6) расчет электрической мощности, рассеиваемой на контактах при протекании тока, равного IДЛ. 2.3 Контрольные вопросы 1 Что изменится в расчетах, определяемых в данном разделе пара- метров при замене материала контакт-деталей на серебро? На металлоке- рамику? 2 Что такое длительный ток контактора? 3 С какими упрощающими допущениями составлено уравнение ба- ланса тепловой и электрической энергии, выделяемой и рассеиваемой в зоне контакта? 12 3 Расчет пневматического привода 3.1 Порядок выполнения расчетов Целью расчета является определение основных параметров исполни- тельного органа пневмопривода, который срабатывает под воздействием распорядительного органа по сигналам электрической цепи управления, осуществляя рабочие перемещения подвижной системы. В качестве распо- рядительного органа обычно принимают электропневматические вентили включающего и выключающего типов. Вывод расчетных соотношений базируется на кинематической схеме контактора (рисунок 3.1).  Рисунок 3.1 – Кинематическая схема электропневматического контактора Определяющими состояния подвижной системы усилиями являются: FВ – сила движения сжатого воздуха, поступающего в цилиндр ап- парата; QВ = FП1 – сила отключающей пружины, размещенной в цилиндре; 13 QТ – сила трения поршня о внутренние стенки цилиндра; FК – сила реакции в точке касания силовых контактов, равная силе нажатия контактов; QП = FП2 – сила притирающей пружины; G – вес подвижных частей контактора, приложенный в центре тяже- сти системы. В процессе включения контактора вследствие притирания его кон- тактов сила FК не сразу достигает рабочей величины. Процесс притирания контактов проходит три этапа (рисунок 3.2). На первом этапе (рисунок 3.2, б) точка контактного соприкосновения сначала занимает начальное поло- жение (точка Б, сила FК определяется усилием предварительного сжатия притирающей пружины), на втором этапе – перемещается по зоне переката (сила FК возрастает), на третьем этапе (рисунок 3.2,в) – занимает рабочее положение (точка А, сила FК достигает расчетного значения).  Рисунок 3.2 – Притирание линейных контактов в процессе работы: 1 – подвижный контакт; 2 – неподвижный контакт; 3 – контактодержатель; 4 – притирающая пружина; 5 – упор Рассматриваем кинематическую схему контактора в статическом по- ложении, в замкнутом состоянии контактов, когда процесс их притирания завершен. Из расчета силу сжатия притирающей пружины FП2 исключаем, так как при окончательном замыкании контактов положение контактодер- жателя фиксируется упором 5 (см. рисунки 3.2, а, 3.2, в), и сила FП2 стано- вится внутренней силой рычага. В целях упрощения не учитываем влияние сил трения в шарнирах контактора ввиду незначительной величины. 14 Величина силы FШ, передающейся в процессе перемещения со штока поршня на подвижный рычаг, может быть определена как разность между силой давления воздуха FВ и противодействующими ей FП1 и QТ. FШ = FВ – FП1 – QТ. (3.1) Из условия равновесия подвижной системы сумма моментов сил от- носительно общего шарнира должна быть равна нулю: FШ· lП – G·lЦ – FК· lК = 0. (3.2) Здесь lП, lЦ и lК – расстояния от шарнира до линии действия соответ- ствующей силы (см. рисунок 2.1). Разделив обе части равенства на плечо силы FШ, равное lП, получим   G l F (3.3) Таким образом, осуществляется приведение сил и моментов к линии действия некоторой базовой силы, в данном случае FШ, совпадающей с осью пневматического цилиндра. Произведения G F l Ц Ш К К l l 0. П П l  l К К l F' G П Ц и К П l F называются приведенными значениями веса и нажатия контактов, причем коэффициент приведения, на который должна умножаться величина приводимой силы, равен отно- шению ее плеча к плечу базовой силы. Отсюда FШ – G' – F'К = 0. (3.4) Подставив в это равенство выражение для величины FШ, получим FВ – FП1 – QТ – G' – F'К = 0. (3.5) Вес подвижных частей контактораG зависит от его габаритов, кото- рые непосредственно связаны с рабочим током, а следовательно, с кон- тактным нажатием FК. Для расчета приведенного веса подвижных частей рекомендуется принять значение G' = 0,1· FК. (3.6) Сила отключающей пружины FП1 в сжатом состоянии должна обес- печить быстрое, за время 0,03...0,06 с, отключение контактора. Кроме того, при аварийных режимах, например при протекании токов короткого замы- 15 кания, должно быть обеспечено размыкание взаимно приварившихся кон- такт-деталей. Это условие является определяющим при расчете FП1. Для его реализации сила, разрывающая приварившиеся между собой контакты, должна как минимум вдвое превышать силу их нажатия при включенном контакторе F'К. Также должна быть преодолена сила трения покоя поршня о стенки цилиндра, превышающая примерно в 1,5 раза силу QТ при движе- нии. Способствует размыканию контактов однонаправленная с силой FП1 сила тяжести G'. Следовательно, расчетное значение силы FП1 может быть выражено равенством FП1 = 2 F'К +1,5 QТ – G'. (3.7) Отсюда FВ= FП1 + QТ + G' + F'К = 2 F'К +1,5 QТ – G' + F'К + QТ + G' = = 3· F'К + 2,5 QТ. (3.8) Силу давления сжатого воздуха на поршень FВ рассчитывают по ми- нимально допустимому рабочему давлению воздуха в пневматической це- пи Рmin , составляющему 75 % номинального давления РН = 5 кгс/см2 = = 5·105 Па, используя соотношение F P S (3.9) где SВ и dВ – площадь и диаметр поршня воздушного цилиндра соответст- венно. Сила трения поршня о стенки цилиндра QТ линейно зависит от его диаметра dВ. Ее величину определяют по эмпирической формуле QТ = 5·103 dВ. (3.10) Если dВ выразить в м, то QТ получится в Н. Для определения приведенной силы нажатия контактов F'К можно принять типичное для контакторов соотношение плеч lК /lП = 1,2. F'К =1,2 FК. (3.11) Далее на основе выражения для FВ, приведенного выше, составляем квадратное уравнение относительно неизвестного dВ вида ax2 + bx+ с = 0. Его решение с учетом ранее рассчитанного значения FК дает возможность 0,75 ( ) P d 2 , Н В 4 В min В 16 определить диаметр поршня dВ, а затем силу давления воздуха, как при ми- нимальном, так и при номинальном давлении сжатого воздуха в магистрали. Ход поршня в процессе включения контактора hХ зависит от зазора контактов hР и величины провала hП. Провал hП равен расстоянию, на ко- торое перемещается подвижный контакт при устранении неподвижного в их замкнутом состоянии, и характеризует дополнительное перемещение рычажной системы контактора после первоначального касания контакт- деталей между собой. Контактный зазор однозначно определяется номинальным рабочим напряжением контактора hР = 10-5· UН. (3.12) Если UН выражено в вольтах, то hР получается в метрах. Величина провала контактов hП может быть принята усредненной для электропневматических контакторов и равной 10-2 м. Тогда с учетом принятого ранее соотношения между lП и lК ход поршня hХ приближенно можно рассчитать по формуле ( П Р) h h . Х 1,2 h (3.13) В выключенном состоянии контактора отключающая пружина имеет начальное натяжение F'П1 за счет ее сжатия при сборке аппарата на вели- чину h0. Количественно F'П1 = h0 ·Ж, (3.14) где Ж – жесткость пружины, определяемая усилием, требующимся для ее сжатия на единицу длины. Обычно значения h0 и hХ близки между собой и могут быть прирав- нены в расчете, тогда П1 h Ж 2 0 . F  (3.15) Максимальная величина силы FШ, создающей напряжение сжатия в материале штока, может быть установлена при условии Р = 1,5РН и на- чальном натяжении отключающей пружины F'П1 17 (FШ)MAX = 1,5РН d 2 ( В) 4 – F'П1 – QТ. (3.16) 3.2 Требования к содержанию раздела Раздел «Расчет пневматического привода индивидуального элек- тропневматического контактора» должен содержать: 1) кинематическую схему электропневматического контактора с обо- значением действующих сил во включенном состоянии и соответствую- щим им плеч; 2) вывод расчетного уравнения и определение диаметра поршня dВ; 3) расчет приведенной силы контактного нажатия F'К; 4) расчет приведенного веса подвижных частей G'; 5) расчет силы давления воздуха на поршень FВ при минимальном и номинальном давлении сжатого воздуха; 6) расчет силы трения поршня QТ; 7) расчет силы отключающей пружины FП1 в конечном (сжатом) со- стоянии; 8) расчет зазора контакторов hР; 9) расчет хода поршня при включении аппарата hХ; 10) расчет жесткости отключающей пружины Ж; 11) расчет начального натяжения отключающей пружины F'П1; 12) расчет максимального значения силы сжатия штока (FШ)MAX. 3.3 Контрольные вопросы 1 Каково соотношение действующих и противодействующих усилий в подвижной системе контактора при его включении? Составьте соответ- ствующее уравнение сил. 2 Какие факторы влияют на быстродействие электропневматическо- го контактора? 3 В чем состоит назначение притирающего механизма и его конст- руктивное исполнение? 18 |