РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Одобрено кафедрой «Автомати-
ка и телемеханика на железнодо-
рожном транспорте»
________________Горелик А.В.
«___» ________________ 2005г.
УТВЕРЖДЕНО
Деканом факультета «Управ-
ление процессами перевозок»
Биленко Г.М.
«___» ______________2005г.
Задание на
контрольную работу с методическими указаниями для студентов VI курса
специальности 210700 Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном
транспорте (АТС), 210701 специализации Автоматика, телемеханика и связь на
железнодорожном транспорте (АТ)
РГОТУПС, Москва 2005
Составили:
Рецензент:
к.т.н., доцент Минаков Е.Ю.,
к.т.н., старший преподаватель Шуваев В.В.
д.т.н., профессор Дмитренко И.Е.
© РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОТКРЫТЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ, 2005г.
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
ВВЕДЕНИЕ
Главной задачей совершенствования управления перевозочным процес-
сом является удовлетворение требований качества, надежности и безопасности
функционирования железнодорожного транспорта при достижении высоких
технических и экономических результатов.
Для обеспечения безопасности движения поездов актуальной является
задача создание новых технических средств автоматики и телемеханики, на ос-
нове передовых технологий производства и обслуживания, которые соответ-
ствовали бы возросшей динамичности транспортных связей.
Кроме того, значительные резервы повышения качества и безопасности
перевозочного процесса заложены в совершенствовании существующих техни-
ческих средств железнодорожной автоматики и телемеханики, в частности, в
совершенствовании стрелочных электроприводов, технологии и методов их со-
держания в исправном и работоспособном состоянии.
В настоящее время на железных дорогах России эксплуатируется более
130 тысяч стрелочных приводов, управляемых при помощи средств автоматики
и телемеханики, более 13,5 тысяч железнодорожных переездов оборудовано ав-
томатическими шлагбаумами, более 2500 железнодорожных переездов оснаще-
но заградительными устройствами типа УЗП, более 1500 станций оборудовано
устройствами закрепления составов и т.д. В качестве исполнительного органа в
этих устройствах используются электромеханические устройства – электропри-
воды.
На рисунке 1 приведена классификация электроприводов железнодорож-
ной автоматики, используемых на Российских железных дорогах.
Настоящая контрольная работа направлена на выполнение студентом са-
мостоятельной работы по изучению основ построения электроприводов желез-
нодорожной автоматики, практического и комплексного применения знаний,
приобретенных при подготовке специалиста железнодорожного транспорта в
заочном ВУЗе, развития творческих основ инженера.
В контрольной работе студенты должны познакомиться с конструкцией и
функционированием отечественных электроприводов, применяемых в структу-
ре железнодорожного транспорта РФ.
Студентам перед выполнением контрольного задания рекомендуется по-
знакомиться с конструкциями, техническими характеристиками и схемами
управления электроприводов [1, 2, 3].
Целью выполнения настоящей контрольной работы является изучение
классификации и конструкций электроприводов, схем управления электропри-
водами, основ теории их конструирования.
Ι. ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ
из таблицы 2 по предпоследней цифре шифра студента выбирается тип электро-
двигателя и вариант прочностного расчёта.
ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ
Рис.1 Классификация электроприводов железнодорожной автоматики и телемеханики
5
Таблица 1
|
№ |
Наименование |
Последняя цифра шифра | |||||||||
|
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 | ||
|
1 |
Кинематическая |
ПС-236К |
ПАШ-1 (3) |
ЭП-УЗПБ |
СПМ-150 |
СП-6К (2) |
ВСП-150 |
ПСГ-132 (2) |
ПС-236Н |
ВСП-2х150Д (6) |
СПГБ-4М |
|
2 |
Время перевода, с |
7 |
10 |
6 |
4 |
5 |
5 |
0,5 |
7 |
5 |
0,6 |
|
3 |
Номинальное/ |
3500/ 6000 |
175/ 550 |
2000/ 4000 |
3500/ 6000 |
3500/ 6000 |
3500/ 6000 |
2000/ 4000 |
3500/ 6000 |
3500/ 6000 |
2000/ 4000 |
|
4 |
Ход шибера, мм |
236 |
- |
156 |
150 |
154 |
150 |
132 |
236 |
150 |
154 |
|
5 |
Угол подъема за- |
- |
90 |
90 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
Таблица 2
Наименование показателя исходных | Предпоследняя цифра шифра | ||||||||||
0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | ||
Тип электродвигателя | |||||||||||
А | Постоянный | + | - | - | + | - | - | + | - | - | - |
Б | Переменный трехфазный | - | + | - | - | + | - | - | + | - | + |
В | Переменный однофазный | - | - | + | - | - | + | - | - | + | - |
Расчет на прочность | |||||||||||
А | на изгиб | + | - | - | + | - | - | + | - | - | - |
Б | на срез | - | + | - | - | + | - | - | + | - | + |
В | на контактную прочность | - | - | + | - | - | + | - | - | + | - |
Рисунок 2. Кинематическая схема силового механизма стрелочных
электроприводов серии СП
Таблица 3
Параметр кинематической | Обозначение | Значение параметра кинематической цепи для ступени | Рейка | |||||||
1 | 2 | 3 | 4 | |||||||
Электропривод СПГБ 4М, СПГБ 4Б, ПСГ 132 | ||||||||||
Модуль зацепления | W | 1,5 | 1 | 1,5/2 | 1/1,25 | 2/3 | 1,25/2 | 3/7 | 7(9) | 7(9) |
Число зубьев | Z/Zj | /21 | 21 | 61/16 | 61/16 | 58/15 | 58/15 | 51/7 | 7 | 5 (+2) |
6 | 4 (+2) | |||||||||
Диаметр делительной | do, | /31,5 | 21 | 91,5/24 | 61/20 | 116/45 | 72,5/30 | 153/70 | 102/70 | |
Диаметр окружности | d <& ММ | 34,5 | 23 | 94,5/28 | 78,75/22,5 | 120/51 | 75/34 | 159/84 | 104/ 77,875 | |
Передаточное число | i | 7,9 | 2,9 | 3,675 | 3,675 | 3,4 | 3,4 | 1,0 | 1,0 | 138,5 |
Электропривод СП-12У, СП-12Н, СП-12К, ПС-236Н. ПС-236К | ||||||||||
Модуль зацепления | т | 1,25 | 1 | 1,25/2 | 1/1,25 | 2/3 | 1,25/2 | 3/5 | 2/5 | 5(7) |
Число зубьев | Z/Zj | /12 | 12 | 86/14 | 86/14 | 60/15 | 60/15 | 51/9 | 9 (+2) | Ю (+2) |
51/10 ПС-2 | Ю (+2) | П (+2) -236К | ||||||||
Диаметр делительной | do, мм | /15 | 12 | 107,5/28 | 86/17,5 | 120/45 | 75/30 | 153/100 | 102/100 | |
Диаметр окружности | da | 17.5 | 14 | 110/32 | 88/20 | 124/51 | 77,5/34 | 159/84 | 104/110 | |
Передаточное число | 1 | 7.167 | 7,167 | 4.29 | 4,29 | 3,4 | 3,4 | 1,0 | 1,0 | V 104.4 |
Электропривод СП-6М, СП-6К, СП-7К | ||||||||||
Модуль зацепления | т | 1,5 | 1 | 1,5/2 | 1/Ц5 | 2/3 | 1,25/2 | 3/7 | 7(9) | 7(9) |
Число зубьев | z^ | /14 | 14 | 68/14 | 68/14 | 60/15 | 60/15 | 51/7 | 7 | 5 (+2) |
Диаметр делительной | do, | /21 | 14 | 102/28 | 68/17,5 | 120/45 | 75/30 | 153/70 | 102/70 | |
Диаметр окружности | da ММ | /24 | 16 | 105/32 | 70/20 | 124/51 | 77,5/34 | 159/84 | 104/ 77,875 | |
Передаточное число | i | 4,86 | 4,86 | 4,29 | 4,29 | 3,4 | 3.4 | 1.0 | 1,0 | 170.89 |
Рисунок 3. Автошлагбаум типа ПАШ-1
1- электродвигатель, 2 - муфта, 3 - червячный редуктор, 4 - червячное коле-
со, 5 - шестерня цилиндрического редуктора, 6 - эубчатое колесо электромаг-
нитной муфты, 7 - вал зубчатого колеса, 8 - гидрогаситель, 9 - выход-
ной фланец, 10 - заградительный брус, 11 - противовес, 12 - корпус, 13 -
крышка, 14 - клеммная колодка, 15 - ввод кабеля, 16 - устройство ручного пе-
ревода, 17 – автопереключатель
Рисунок 4. Привод модульного типа (привод-шпала)
1 - электродвигатель, 2 - электромагнитная муфта-тормоз, 3, 4 - редуктор,
5 - фрикционная муфта, 6, 8 - упругие муфты, 7 - торсионный вал, 9 - винт
ШВП, 10 - гайка ШВП, 11 - механизм замыкания шибера, 12, 13 - шибер, 14,
15 - остряки, 16 - межостряковая соединительная тяга, 17, 18, 19, 20, 21, 22 -
шаровые шарнирные соединения рабочих тяг, 23 - корпус, 24 - ввод кабеля,
25 - курбельный ввод, 26 - курбельная заслонка, 27 - контакты безопасности
Рисунок 5. Электропривод стрелочный ВСП-150
1- электродвигатель, 2- кулачковая муфта, 3- 1-я ступень редуктора,
4- фрикционная муфта, 5- 2-я ступень редуктора, 6- гайка шарико-винтовой
пары, 7- винт шарико-винтовой пары, 8, 9- демпфирующее устройство,
10- механизм запирания, 11- шибер, 12, 13- контрольные линейки, 14- кон-
трольная планка, 15- автопереключатель, 16- корпус, 17, 18- курбельная
заслонка, 19- клеммная колодка, 20- контакты безопасности
Рисунок 6. Электропривод стрелочный ВСП-2х150
1 - электродвигатель, 2 - кулачковая муфта, 3 - 1-я ступень редуктора,
4 - фрикционная муфта, 5 - 2-я ступень редуктора, 6 - гайка шарико-винтовой
пары, 7 - винт шарико-винтовой пары, 8, 9 - демпфирующие устройства,
10 - механизм запирания, 11, 12, 13, 14 - шиберы, 15, 16 - контрольные ли-
нейки, 17 - автопереключатель, 18 - корпус, 19 - контакты безопасности, 20,
21 - курбельные заслонки, 22 - клеммная колодка.
ΙΙ. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЗАДАНИЯ
. d 2
d
где: d1 – диаметр делительной окружности ведущего колеса;
d2 – диаметр делительной окружности ведомого колеса.
Диаметр делительной окружности находится по формуле:
d = m ⋅ Z(2)
где: m – модуль зацепления;
Z – число зубьев колеса.
P = m ⋅ π(3)
M = d ⋅ Fш ,(4)
2η
где: Fш – усиление на шибере;
F⋅∆S
М=
2π⋅η
вп
(5)
где: F – осевое усилие на винте ШВП;
∆S – шаг винта;
ηвп – КПД винтовой пары.
М2 = М1 ⋅ i ⋅η , (6)
где: М1 – момент на ведущем валу передачи;
η = η3 ⋅ ηп – КПД звена,
(7)
где: η3 – КПД зубчатого зацепления, для цилиндрической
зубчатой передачи η3 =0,84;
ηпк = 0,98 – КПД опор подшипников качения;
ηпс = 0,96 – КПД опор подшипников скольжения.
(8)
(9)
t = Sш ,
V
где: Sш – величина хода шибера;
где: nэд – частота вращения электродвигателя;
dгв – диаметр делительной окружности шестерни главного вала;
∑i - общее передаточное число редуктора определяется
следующим соотношением:
∑i = i1⋅i,…⋅in,
i1,⋅i2,…⋅in - передаточное число каждой ступени редуктора.
∆S ⋅ nэд
∑i⋅60,
(10)
где: ∆S – шаг винта винтовой передачи.
Для осуществления перемещения главного исполнительного элемента на вели-
чину Sш или угол α за время t, необходимо получить из сети электроэнергию мощ-
ностью Р1, величина которой из-за различных потерь несколько больше мощности,
затраченной на перемещение главного исполнительного элемента Рш.
Отношение Рш/Р1 представляет собой коэффициент полезного действия (ηэп)
электропривода.
На рисунке 10 представлена энергетическая диаграмма для определения по-
требляемой мощности из сети Р1 с учетом различных потерь в электроприводе. Для ее
определения необходимо суммировать все энергетические потери, возникающие в
электроприводе с энергией, затраченной на перемещение главного исполнительного
элемента Рш.
Рис.10 Энергетическая диаграмма определения потребляемой мощности из сети
Согласно выбранной по варианту кинематической схемы электропривода опре-
деляется состав потерь и определяемых мощностей соответственно.
Р1 = 3 ⋅ U ⋅ I ⋅ cos ϕ (11)
Р1 = U ⋅ I ⋅ cos ϕ(12)
Р1 = U ⋅ I(13)
∆РД = Р1 - Р2(14)
где: Р2 - полезная мощность на валу электродвигателя.
где: Р2 - полезная мощность на валу электродвигателя;
ηД = 0,66 - КПД трехфазного электродвигателя переменного тока;
ηД = 0,46 - КПД однофазного электродвигателя переменного тока;
ηД = 0,85 - КПД электродвигателя постоянного тока;
М2 = момент на выходном валу электродвигателя.
∆Рn = Р2 - Р3 (16)
где: Р3 - мощность, переданная на винт ШВП;
ηп = КПД подшипниковых опор;
∆Рвп = Р3 – Р4, (17)
где: Р4 = Р3·ηвп - мощность, переданная на шибер;
ηвп - КПД винтовой передачи качения, ηвп = 0,85÷0,95
Для расчетов принимаем КПД винтовой пары качения ηв = 0,9.
Р4 = Рш + ∆Рс + ∆Рдоб , (18)
где: ∆Рс - мощность потерь на трение скольжения шибера при
движении по направляющим;
∆Рдоб - дополнительные потери мощности электропривода;
Рш - полезная мощность на шибере,
Р
F »S
шш
t
(19)
определяется соотношением:
∆Pc =
G -g-w S
ш g ψш
,
t
(20)
где: Gш =12 кг - масса подвижной части механизма запирания;
ψш = 0,05÷0,15 – коэффициент трения скольжения чугун-сталь.
Для расчета принимается значение коэффициент трения
скольжения ψш = 0,15.
∆Рдоб – дополнительные потери мощности электропривода.
Эти потери по опытным оценкам не превышают 2% от
значения полезной мощности на шибере.
p
зб
0,25⋅Мзб⋅60
9,55t
(21)
где: Мзб – момент на выходном валу заградительного бруса;
0,25 – сектор работы ЗБ от полного оборота;
60 и 9,55 – переводные коэффициенты.
P
ηэп =ηд⋅ηп ⋅ηв ⋅ηс ⋅ηg = ш ,(22)
Р1
Р1=F⋅S ,(23)
t ⋅ ηэп
P
ηM =ηд⋅ηп ⋅ηв ⋅ηс ⋅ηg = ш ,(24)
Р2
Определив конкретные значения F, S, t и ∆S, легко определить исход-
ные данные для выбора электродвигателя привода из рекомендуемой литера-
туры [1, 6, 7, 8].
По условию исходного контура, зубья колеса имеют меньшую прочность на
изгиб (зуб шестерни имеет поперечное сечение из-за эвольвентности рабочей по-
верхности), поэтому расчет проводится по зубу колеса.
В процессе зацепления, точка приложения силы взаимодействия между зубья-
ми перемещается по рабочей части профиля. Считаем, что силы трения малы. Тогда
силу взаимодействия можно считать направленной по нормали к профилям, т.е. по
линии зацепления (рис.11) сила взаимодействия зубьев в пределах одного зацепления
при передаче постоянного момента остается неизменной.
Рассмотрим случай, когда сила приложена к вершине зуба и плечо (hр) - мак-
симально. Рассматриваемый случай, при условии, что работает одна пара зубьев,
является основным для расчета.
За расчетную схему принимаем консольную балку. Опасное сечение распо-
ложено у корня зуба в зоне наибольшей концентрации напряжений. Опасное сече-
ние находится на расстоянии (0,1÷0,15) h от основания зуба.
Так, как усталостные трещины и разрушения начинаются на растянутой стороне
зубьев, то расчет ведем для этой поверхности.
Расчетное напряжение в опасном сечении:
qn • cos ahp qn • sin a
SP = W ~ ’
S2
где: W = — - момент сопротивления на изгиб опасного сечения;
6
S1 - толщина зуба в опасном сечении, мм2;
F - площадь опасного сечения, мм;
(25)
(26)
hp - расчетное плечо силы, мм.
Подставив выражение для qn, [4] и умножив W и F на m, получим выражение
для расчетного напряжения в опасном сечении дР:
qn
q
,
cos a
(27)
3
qYFn
m
(28)
где: Y
n
1 ( 6m • hp • cos a
cos a ^ S2
—
m • sin a
Si >
- номинальный коэффициент прочности
зубьев. (39)
При расчете зубьев на изгиб пользуемся номинальным YFn и местным
YF - коэффициентами прочности зубьев, а также теоретическим коэффициен-
том концентрации напряжений
кт = Yf , (30)
Y
n
Для зубчатых передач с исходным контуром коэффициенты определе-
ны ГОСТ 13755.
Рис.11 Диаграмма действия сил и изгибающих моментов при
расчете зубьев цилиндрической передачи на изгиб
Расчет сводится к обеспечению условия, по которому контактные
напряжения зубьев не должны превышать допустимые значения [12]. Расчет
ведется по формуле Герца для зуба шестерни, как имеющий наибольшую
концентрацию напряжений. Исходные данные:
Расчетное напряжение в опасном сечении:
δp
Eqn
] 2π(1 -ν2)Pnp
〈[δT],
(31)
где: Е = 2,15 ⋅ 106 – модуль упругости материала;
ν - коэффициент поперечного сжатия;
рпр – приведенный радиус кривизны.
δ =z ⋅z
p нм
⋅ zε
q i+1
⋅⋅
\ di
(32)
где: zн - коэффициент, учитывающий форму сопрягающихся поверхностей;
2
sin 2α
zм =86,6 ½/мм - коэффициент, учитывающий механические
свойства материала;
zε =0,9 – коэффициент, учитывающий влияние коэффициента
торцевого перекрытия ε.
4-ε
3,
(33)
(34)
Вал шестерня выходного звена масленого редуктора работает в слож-
нонагрузочном режиме при переменной нагрузке. Основными видами нагру-
зок являются – пружинный изгиб и кручение.
За расчетную схему вала (математическая модель показана на рис.12)
принимаем балку, лежащую на опорах согласно рисунку 12а. Тогда рисунок
1,б представляет собой эпюру крутящих моментов (Мк), рисунок 12в - эпюру
изгибающих моментов (Ми), рисунок 12г – эпюра суммарного (эквивалентно-
го) момента, действующего в расчетной модели. На рисунках 12д и 12е пред-
ставлены варианты конструкций в опасном сечении.
Рис.12 Эпюры моментов вал-шестерни выходного звена редуктора
Крутящий момент Мк для вал-шестерни определен при проведении ки-
нематического расчета. Изгибающий момент Ми определяется из условия
равновесия систем
[Z F. = 0
Z Fy = 0
ZMA = 0 .
EMb = 0
(35)
Для рассматриваемого случая достаточно составить и решить систему
2-х последних уравнений, т.к. число неизвестных равно двум – RА и RВ.
P = M
d,
(36)
' ^MA = -R ■ 81 + P ■ 47,5 + P • 34,5 = 0
4 Vmb =-P■ 115,5-R • 81 - P • 33,5 = 0,
B A2
(37)
Решением системы является определение реакции опор.
Основные расчетные формулы к разделу 3:
Ми = Р ■ l - изгибающий момент,
где: Р – изгибающая сила;
l - плечо.
(38)
M, =, 1М2 + М2 - эквивалентный момент
э ик
(39)
Основным сечением вал-шестерни считается сечение, определенное за-
данием контрольной работы.
Эквивалентное напряжение в опасном сечении определяется соотно-
шением:
§ = МЭКК Кд
э W,
(40)
nd3
где: W = - момент сопротивления в опасном сечении;
Кн=1,2 – коэффициент, учитывающий характер нагрузки;
Кд = 1,3 – коэффициент перегрузки;
Kg - коэффициент концентрации напряжений:
- для первого варианта Кд = 1,3;
- для второго варианта Кд = 1,1.
Коэффициент запаса прочности находится по формуле:
n = Ш
g
.
(41)
Шибер электропривода работает в основном на сжатие и растяжение,
причем усилия сжатия и растяжения одинаковые, вид нагрузки – знакопере-
менная (симметричная). Поэтому расчет ведем по опасному сечению I - I
(рис.13).
Рис.13 Схема к расчету запаса прочности шибера
С учетом требований надежности, предъявляемых к приводам, они
должны выдерживать усилие на шибере F=90 000 Н, которое и является рас-
четным. Материал – сталь марки 45 ГОСТ 1054.
Площадь опасного сечения:
S = S1 + S2,
(42)
S1 = S2
a0 ■n•r2 1 CT
-------0---by 22
3600 2
b2
4
+1 b (c - d 1),
~ . a
a = 2arcsin —,
2
. a b
sin — =---,
2 2r ,
c = J d2 - b2 ,
(43)
(44)
(45)
(46)
Допустимые напряжения при растяжении ар = 160,0 МПа.
Предел прочности при растяжении ав = 900 МПа.
Напряжение в опасном сечении:
F
а = —,
S
Запас прочности:
n = —,
ар
(47)
(48)
По условиям конструкции валик работает на срез. Исходные данные к
заданию:
Напряжение среза:
2F
При максимальном усилии на шибере:
2Fmax
ср nd2 ’
(49)
(50)
При рабочем усилии на шибере (взрез):
т
ср
2F
вз
nd2
(51)
Отвечая на этот вопрос, необходимо показать типовую схему управле-
ния электроприводом, дать описание ее работы, а также определить даль-
ность установки электропривода в зависимости от потребляемого тока по
дублированным жилам кабеля.
Электропривод ЭЦ, как правило, удалены от источника электропитания
на расстоянии 20÷1500 м. Для нормальной работы электропривода важен во-
прос определения максимального радиуса управления без дублирования жил
кабеля.
Расчетная формула длины кабеля без дублирования жил кабеля
L = ■ U ),
2 Ir
(52)
где: Uи - напряжение источника;
Ug – напряжение на зажимах электродвигателя;
r1 = 0,0234 Ом/м – сопротивление медной жилы кабеля диаметром 1 мм;
I – рабочий ток электродвигателя.
Рабочая емкость конденсатора определяется по следующей формуле:
3 • 10-6h
ф
p 4nfUlp л/з(cos^ + sin^) ,
(53)
где: Iф - номинальный фазный ток;
Uф - номинальное фазное напряжение;
cosp - коэффициент мощности.
Учитывая, что работа электродвигателя происходит под нагрузкой,
необходимо увеличить рабочую емкость, но двигатель в таком режиме дли-
тельное время работать не может. Электродвигатель шлагбаума работает
10÷12 секунд при мощности, превосходящей расчетную на 35%. Поэтому
рабочую емкость следует увеличить на 50÷70%. Тогда:
Сn = 1,5·Cp (54)
Результаты расчетов показать в контрольной работе.
Основная:
Дополнительная:
телемеханики. – М.: Транспорт, 1989.
Комментарии (0)