МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)»
(РУТ (МИИТ)
Одобрено кафедрой
«ТЯГОВЫЙ ПОДВИЖНОЙ СОСТАВ»
Протокол № от 201 г.
Автор:
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВОЙ ПРОЕКТ С МЕТОДИЧЕСКИМИ
УКАЗАНИЯМИ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ
Уровень ВО: Специалитет
Форма обучения: Заочная
Курс:
6
Специальность/Направление: 23.05.03 Подвижной состав железных дорог
(ПСс)
Специализация/Профиль/Магистерская программа: (ПЭ) Электрический
транспорт железных дорог
Москва
Составитель: канд. техн. наук доц. Е.П. Капустина
© Московский государственный университет путей сообщения, 2015
В данных методических указаниях даются рекомендации к
проектированию коммутационных аппаратов, а именно, контакторов, реле
систем защиты и оперативной коммутации, а также других
электромеханических коммутационных аппаратов.
Исходные данные для проектирования
а) функциональное назначение аппарата;
б) род тока и частота в исполнительной (силовой) цепи;
в) номинальное напряжение и ток в этой цепи;
г) необходимость дугогашения в исполнительной цепи;
д) для аппаратов с дугогашением — индуктивность и разрывная
мощность;
е) род тока и номинальное напряжение в распорядительных цепях;
ж) число включающих и выключающих блокировок;
з) вид привода аппарата, а для контакторных элементов — их тип;
и) для аппаратов защиты — пределы уставок;
к) условия исполнения и установки аппарата;
л) рекомендуемый образец выполненного аппарата;
м) особые условия и требования: например, показатели быстродействия
или величина выдержки времени, наличие и характер подпитки и др.
В зависимости от назначения аппарата некоторые исходные данные могут
отсутствовать. Так, для реле не нужны данные по дугогасительным
устройствам, а для контакторов может не задаваться быстродействие аппарата.
В некоторых случаях задание может иметь специальный характер. Так, может
задаваться модернизация существующих аппаратов, выполнение
самостоятельных исследовательских разработок и др. Во всех этих случаях
исходные данные могут существенно отличаться от приведенных выше. В
процессе выполнения задания руководитель может внести уточнения в некото-
рые исходные данные.
В состав курсового проекта должны входить:
1. Чертеж общего вида аппарата, не менее чем в двух проекциях.
2. Необходимые графики, которые можно выполнять как на отдельных
листах, так и в составе расчетно-пояснительной записки.
3. Расчетно-пояснительная записка, в состав которой
должны входить:
расчет или выбор контактов аппарата при номинальной нагрузке и в
предельных режимах;
разработка кинематической схемы аппарата и выбор основных
кинематических звеньев, определение угловых и линейных перемещений;
расчет притирающего механизма контактов и их провала;
выбор системы дугогашения, типа и размеров дугогасительной камеры;
расчет дугогасительной системы;
выбор типа привода; расчет сопротивлений движению, характеристики
параметров выключающих пружин, построение тяговой диаграммы;
определение основных параметров привода и его расчет;
определение времени включения аппарата;
обоснование и описание конструкции аппарата.
При проектировании аппаратов широко используют метод
последовательных приближений, принцип преемственности конструкции
отдельных элементов, сравнение расчетных вариантов. При этом приходится
возвращаться к расчетам и разработкам, уже выполненным ранее, внося в них
отдельные изменения и улучшения. При проектировании студент должен
хорошо знать принципы физических процессов, возникающих при работе
аппарата. Надо понимать физическую сущность используемых математических
зависимостей, связь между ними и взаимное влияние различных параметров.
Необходимо тщательно изучить конструкцию рекомендованного образца
аппарата и учитывать технологичность принимаемых конструкций. При
выполнении расчетов надо сравнивать их результаты с данными выполненных
аппаратов или данными, приведенными в соответствующей литературе. Их
совпадение не обязательно, но позволяет объективно оценивать полученные
результаты.
3. РАСЧЕТ КОНТАКТОВ АППАРАТОВ
3.1. Коммутационные контакты силовых цепей
В тяговых аппаратах коммутационные медные контакты выполняют
точечными для номинальных токов 1н < 15 - 20 А и контакты с серебряными
или металлокерамическими серебряными накладками для токов 1н < 80-100 А.
Размеры таких накладок приведены в табл. 4.
Параметры линейных контактов, которые обычно применяют в силовых
цепях (длина контактной линии b и сила рабочего нажатия FK), определяют из
выражения для тепловой постоянной контакта Ак (в А2/мм-Н).
Ак = jл jн , (3.1)
где jл , jн — линейная плотность тока (в А/мм) и плотность тока но нажатию (в
А/Н). Рекомендуемые значения jл , jн и Ак для медных контактов тяговых
контакторов приведены в табл. 1.
Таблица 1
|
Вид аппарата |
jл , |
jн , |
Ак, |
|
Индивидуальные электропневматические |
18 - 22 |
6,1 - 6,5 |
112 - 1133 |
|
Электромагнитные контакторы с Г-образным |
14-17 |
3,1 - 6,2 |
71 - 100 |
|
Электромагнитные контакторы с обычным якорем |
3-6 |
3,1-5,1 |
8-21 |
|
То же — при Ix > 100 А |
3 - 8 |
5,14-6,2 |
31-41 |
|
Контакторные элементы при А <400 А |
15-40 |
3,1-4,1 |
51-72 |
|
То же — при I, > 400 А |
20-26 |
3,1- 4,1 |
82 - 102 |
Здесь большие значения jл, jн и Ак относятся к аппаратам, рассчитанным
на большие токи.
Удобно совместить расчет по тепловым постоянным с принципом
конструктивного подобия. При одном и том же материале контактов имеем
формулу
B Fк = bo Fко Iн2 / Iно2, (3.2)
где b, Fк, Iн — ширина контакта (длина контактной линии) (в мм), сила нажатия
(в Н), номинальный ток проектируемого аппарата (в А) соответственно;
bo, , Fко , Iно — те же величины для исходного образца контакта.
При контактах не из меди, а из других материалов, значения Ак в
сравнении с Ако для меди определяются по формуле
Ако τд / τдо ,
(3.3)
гдет τд, τдо — допустимые превышения температуры контакта для
рассматриваемого материала и меди в продолжительном режиме, значения
которых при температуре воздуха не более 40°С приведены в табл. 2.
Таблица 2
|
Вид контакта |
Исполнение |
τд , °С |
|
Непружинящие |
Массивные (медь, серебро). |
75 |
|
Пружинящие |
Коммутационные стыковые (медь, серебро) |
50 |
|
То же |
То же — из металлокерамики |
70 |
|
» |
Клиновые рубильников, разъединителей (медь) |
50 |
|
» |
Штепсельные медные |
35 |
|
Клеммовых зажимов |
Медь с полудой или кадмированием |
60 |
|
» |
То же — с серебряным покрытием |
80 |
|
Пайки |
Оловянистым припоем |
80 |
|
» |
Твердые (серебро, латунь, бронза) |
250 |
В табл. 3 приведены размеры унифицированных прямоугольных
контактных наделок (рис. 1), которые обязательны при проектировании. При
расчете линейных контактов надо выбрать их тип, материал, величины b и Fк.
Эти данные корректируют при необходимости по данным проверки на
нагревание и износостойкость (ресурс).
Надо по возможности избегать применения поверхностных
коммутационных контактов с высокой повторяемостью коммутаций из-за
трудности их самозачистки притиранием в условиях тяговых аппаратов. Если
Таблица 3
|
b, мм |
а, мм |
h, мм |
|
4; 5 |
3; 4; 5 |
0,8; 1,0 ; 1; 6 |
|
6; 8; 10 |
3; 4; 6; 8; 10 |
1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,2 |
|
12; 14 |
6; 8; 10; 12; 14 |
1,0; 1,4; 1,6; 2,2 2,5 |
|
16; 20 |
8;10; 14; 16; 20 |
1,6; 2,0; 2,2; 2,5; 3,0 |
|
25; 3.2 |
12; 32; 16; 20; 25 |
3,0; 3,5; 5,0 |
|
40; 50 |
14 40; 20;25; 32 |
2,5; 3,0; 3,5; 5,0 |
Рис.
1. Размеры прямоугольных
контактов
их все же приходится применять при токах более Iн > 1500-1700 А, то для них
желательно применять дополнительные дугоразмыкающие контакты.
В тяговых аппаратах применяют преимущественно два вида
коммутационных контактов цепей управления:
а) точечные с серебряными или металлокерамическими наделками;
б) скользящие линейные контакты из стальной ленты, контактирующие с
медными пластинами.
Размеры накладок (рис. 2) .исполнения а) приведены в табл. 4, а их
наименьшие силы нажатия в табл. 5.
Таблица 4 63-100116-220 11,6-23,0 |
|
Iн, А |
D, мм |
h. мм |
|
до 2 |
1-22 |
0,3-21,0 |
|
2-5 |
2-24 |
0,6-21,2 |
|
5-10 |
3-25 |
0,8-21,6 |
|
10-20 |
5-28 |
1,0-22,0 |
|
20-40 |
8-12 |
1.2-22,2 |
|
40-63 |
12-16 |
1,4-22,5 |
Рис. 2. Размеры цилиндрических
контактов
Реле повышенной чувствительности требуют применения лепкой
уравновешенной контактной системы, амортизированной установки,
защищенного исполнения контактной группы.
Таблица 5
|
Вид контакта |
FKM; H |
|
Стыковые контакты кулачковых коммутирующих устройств |
2-5 |
|
Контакты электрических блокировок |
1,5-3 |
|
Контакты реле обычного исполнения |
1-2 |
|
Контакты реле повышенной чувствительности |
0,5-1 |
Для контактов цепей управления сначала выбирают контактные накладки
и силы нажатия, а затем проверяют их на нагревание. Данные пальцевых
контактов цепей управления (рис. 3) приведены в табл. 6.
Таблица 6
|
Тип пальца |
а |
b |
c |
d |
r |
I . А |
Fк, Н |
|
ПБ-1 |
98 |
83 |
7 |
1,3 |
3 |
5 |
10 - 25 |
|
ПБ-2 |
68 |
50 |
7 |
1,05 |
1,5 |
5 |
20 |
/тгв^ечксея
Рис. 3. Размеры пальцевого контакта
Материал — лента стальная У10А. Закалка в масле — при 7804700°С,
отпуск — при 380°С — 1ч. Твердость после отпуска Rc = 45 4 47.
Проскальзывание пальца по медному контакту равно ~ 2,5 4- 3,0 мм.
Переходное сопротивление контактов всех типов (в Ом) определяется
формулой
r = kK/Fm , (3.4)
к кк
где т—показатель степени: т =0,5 — для точечных контактов, т = 0,5 4
0,8 — для линейных и т = 0,9 4 1,0—для поверхностных контактов;
kK —коэффициент переходного сопротивления.
Значения kK приведены в табл. 7.
Таблица 7
|
Материал контактов |
кк ■ 10-3, Ом^Н |
|
Серебро — серебро |
0,6 |
|
Медь — медь (плоский контакт) |
0,9 41,4 |
|
Медь — медь (точечный и линейный контакт) |
1,4 4 1,8 |
|
Медь — медь (луженые поверхности) |
0,7 4 1,0 |
|
Медь — латунь |
3,8 |
|
Латунь — латунь |
6,7 |
|
Медь — сталь |
3,1 |
|
Металлокерамика— металлокерамика |
2,0 4 3,0 |
Предельный ток Iпр контакта, соответствующий структурному
изменению материала (размягчению), при превышении температуры
размягчения ©стр зависит от падения напряжения Дистр (в мВ).
1Пр = (0,5 4 0,8) 10-3 Дистр / rK . (3.5)
Также определяют ток расплавления контакта Iпл,
1пл = 0,9 • 10-3 Дипл / г. .
Данные о падениях напряжения Ди стр и Дипл, а также о температурах
размягчения ©стр и плавления 0пл, приведены в табл. 8.
Таблица 8
Материал контактов
|
Ди стр , мВ |
©стр, оС |
Дипл, мВ |
о
пл,
|
Серебро — серебр. металлокерамика |
90 |
180 |
370 |
960 |
|
Медь — медная металлокерамика |
90 v 130 |
190 |
430 v450 |
1083 |
По величине Iпр определяют коэффициент рабочего запаса kзp
кзр Inp / IH.
(3.7)
Обычно k3p > 2 v 2,5.
Для цепей тяговых двигателей должно выполняться неравенство
Inp > I6 = Ih Кпер , (3.8)
где Iб — наибольший ток тягового двигателя, А;
Кпер —коэффициент конструктивной перегрузки тягового двигателя.
Ток Iпл определяет коэффициент аварийной перегрузки kза
кза = Im / Ih, (3.9)
Величина тока плавления Iпл должна быть
Inл > (1,5 v 2)/ Ih Z, (3.10)
где Z — кратность защитного ограничения, то есть отношение предельного тока
при срабатывании защиты к номинальному.
Если контактные детали не удовлетворяют условиям нагревания, то
выбирают контакты с повышенной тепловой постоянной.
3.4. Определение износостойкости контактов
Износостойкость контактов оценивают их ресурсом Wpп, который зависит
от числа коммутаций Npп, до того, как контактные детали износятся до 0,55 v
0,75 от их первоначальной толщины. Величина Npп
Npп = Qд / (QP+ Qз) , (3.11)
где Qд — зависящий от конструкции допустимый объем изнашиваемого
материала контакта, см3;
Qp, Q3 —объем материала контакта, изношенного при одном размыкании и
замыкании, соответственно, см3.
В свою очередь
Qр = Qтр + Qрэ ; Q3 = QTP + Qзэ , (3.12)
где Qтр —объем материала, изношенного механическим трением;
Qpз , Qзэ —объемы электроэрозионного износа, см3
Op = zFk A ■ 10-4 /Нв , (3.13)
где A — величина притирания (проскальзывания) контакта, см;
Нв — твердость контактной детали по Бринелю;
z = 0,1 v 0,4—(показатель состояния поверхности контакта.
Объемы электроэрозионного износа (в см3)
Озэ = Уаз qз , (3.14)
°рэ = (Ук + Уар) Ор , (3.15)
где q3, qp —заряд (количество электричества) при одном замыкании или
размыкании соответственно, Кл. Принимают
q3 - 0,5 1н tд ; qp - IHtд , (3.16)
где tд = 0,1 с — время горения дуги при размыкании;
Уаз, Уар , Ук —удельные износы: анода — при замыкании и размыкании,
катода — при размыкании, см3/Кл, которые приведены в табл. 9.
Для тяговых аппаратов ресурс удобнее выражать в пробеге Wрп (в км)
Wpn = N^ з T^QLr- ■ (3.17)
mK (QP + Q3 )mK
где тк — предполагаемое среднее число коммутаций проектируемого аппарата
за период прохождения ЭПС эквивалентного перегона Lэ
Таблица 9
|
Материал контактов |
Уаз |
Уар |
Ук |
|
X 10-6 |
см3/Кл | ||
|
Серебро |
0,34 v1,6 |
0,54 v 1,8 |
0,2 4 v 0,4 |
|
Металлокерамика серебряная |
0,18 v 0,7 |
0,2 v0,9 |
0,14 v 0,3 |
|
Медь |
1,5 |
- |
1,3 |
|
Металлокерамика медная |
0,8 |
- |
0,6 |
Для аппаратов оперативной коммутации Wpп должен быть не меньше
пробега между заводскими ремонтами ЭПС. Для аппаратов защиты должно
быть Nрп > 104 циклов.
3.5. Разработка постоянных контактов аппаратов
К постоянным (неразъемным) контактам тяговых аппаратов относят
клеммовые соединения и пайки. Каждый выводной клеммовый зажим должен
быть рассчитан на закрепление не менее 3 наконечников с
предохранительными шайбами на ток Iн. Такие зажимы выполняют:
а) с токоведущим болтом или шпилькой;
б) без токопрохождения через скрепляющие детали.
Исполнение п. б позволяет применять стальные крепежные детали, что
предпочтительнее. Все основные размеры клеммового зажима и величина
допустимого номинального тока Iн зависят, как это видно из табл. 10, от
размеров резьбы крепежной детали.
Внутренние соединения частей аппарата оловянистым припоем
разгружают, например, дополнительным скреплением заклепками.
Оловянистый припой применяют также для пайки наконечников к проводам. В
остальных случаях применяют твердую пайку медно-фосфористым припоем
(ПМФ), латунью (Л-62), серебром (ПСр45). Перекрытия проводников (рис. 4)
при пайке в тяговых аппаратах приведены в табл. 11.
Таблица 10
|
Размер резьбы |
Допустимый продолжительный ток Iн, А | ||
|
Зажим с токоведущим болтом |
Нетоковедущий зажим | ||
|
латунь |
медь |
сталь | |
|
М4 |
10 -15 |
^^^^^^^^^^~ |
10 - 15 |
|
М5 |
25 - 40 |
— |
25 - 4,0 |
|
Мб |
46 - 63 |
— |
60 - 100 |
|
М8 |
90 - 110 |
110 - 200 |
150 - 230 |
|
М10 |
— |
150 - 250 |
250 - 360 |
|
М12 |
— |
210 - 320 |
360 - 480 |
|
Ml 6 |
— |
330 - 470 |
600 - 760 |
|
М20 |
— |
480 - 650 |
910 - 1100 |
|
М24 |
— |
650 - 830 |
1300 - 1600 |
|
М30 |
- |
900 - 1100 |
2000 - 2500 |
Таблица 11
|
Соединение |
Материал |
Припой |
С (не менее) |
|
Шины |
Медь, латунь, бронза |
ПМФ |
5 |
|
Шины |
То же |
ПСр45 |
4 |
|
Шины с заклепками |
« |
ПОС30 |
4 |
|
Провод в наконечнике |
Медь, латунь |
ПОС30 |
1,5 |
|
Вывод резистора |
Медь, фехраль |
Л-62 |
12 |
Рис. 4. Размеры перекрытия
4. КИНЕМАТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ И ПРОВЕРКА ПРИТИРАНИЯ
КОНТАКТОВ
4.1. Построение кинематических схем коммутационных аппаратов
Кинематическая схема коммутационного аппарата представляет
взаимодействие всех частей (звеньев) его механизма. Она позволяет рассчитать
необходимые силы привода, параметры и характеристики пружин, статические
тяговые характеристики, притирание и провал контактов. Кинематические
схемы аппаратов строят также, как подобные схемы других механизмов,
рассматриваемые в теории машин и механизмов. Пример такой схемы для
электропневматического индивидуального контактора приведен на рис. 5.
При курсовом проектировании не рассматривают несколько возможных
вариантов .кинематики аппарата, как это делают при рабочем проектировании.
Обычно принимают ту же кинематическую схему, что и у рекомендованного
образца аппарата. В ней уже обобщен опыт изготовления и эксплуатации
аппаратов определенного класса. Надо составить кинематическую схему
рекомендованного образца, проанализировать ее пригодность для заданного
аппарата и при необходимости внести некоторые изменения в схему. Так,
например, заранее можно учесть изменение числа и вида блокировочных
контактов, и в зависимости от характеристики и параметров притирающей
пружины изменить ее расположение в кинематической схеме при последующих
этапах проектирования.
Первоначальные растворы контактов, необходимые при составлении
кинематических схем, приведены в табл. 12.
Кинематическую схему аппарата рекомендуется вычерчивать на
миллиметровой бумаге с соблюдением всех размеров, углов поворота и других
величин. Для мелких аппаратов масштабы схемы желательно увеличивать.
Рис. 5. Кинематическая схема электропневматического контактора
Таблица 12
|
Напряжение Uн, В |
Раствор контактов, мм Минимальный h1,м Рекомендуемый ht |
|
До 110 550 - 750 1500 3000 |
2 2,5 т 4 7 т 10 12 т 18 12 т16 18 т 25 15 т2 0 25 т 40 |
Все коммутационные контакты силовых цепей тяговых аппаратов
должны иметь притирание контактных поверхностей и удаление точки
первоначального контакта (точки размыкания) l = 10 т 25 мм от точки рабочего
контакта. Величина притирания должна быть Л l = (0,1 т 0,3) l. Меньшие
величины l и Δ l —для металлокерамических контактов и малых токов. При
больших токах и медных контактах обе величины ближе к верхним пределам.
Обычно размерами (профилем) стыковых грибковых контактов задаются
в зависимости от величины l, а величину Δ l определяют поверочным
графическим построением, принцип которого ясен из рис. 6.
Чертеж рекомендуется выполнять в масштабе 2:1 или 5:1. Обычно
расстояние L от точки поворота подвижной системы О1 до неподвижного
контакта принимают таким же, как у рекомендованного конструктивного
образца. Точка окончательного замыкания А также, как и центр Ци из которого
радиусом r очерчена цилиндрическая поверхность контакта, должна быть на
расстоянии b/2 от его привалочной поверхности.
Точку размыкания В можно определить, отложив от точки А величину АВ
= l. Положение контакта при размыкании можно получить графическим
построением. Для этого радиус Ц1B = r продолжают за точку В и, отложив на
Рис. 6. Определение перемещений подвижной системы контактора
этом продолжении r, определяют центр Ц2 цилиндрической поверхности
подвижного контакта. Обычно оба контакта одинаковы, и контактную
поверхность подвижного контакта при размыкании описывают радиусом r из
точки Ц2. Весь подвижный контакт можно вычертить, определив положение
точки А1, соответствующей его касанию в рабочем состоянии. Для этого на
поверхности подвижного контакта откладывают отрезок А1В
А1В = l + Δ l или А1В = l - Δ l . (4.1)
Положение (подвижного контакта в состоянии окончательного
размыкания определится переходом точки В ,в В1 при ее повороте радиусом Rн
из центра О1. Величина ВВ1 = h1, соответствует раствору контактов по табл. 4.1.
Точка Ц2 одновременно переместится в Ц3 поворотам радиусом Rц из центра О1.
Желательно вычертить подвижный контакт в этом положении, определив точку
А2 из условия А2В1 = А1В, и исходя из положений точек Ц3, А2, В1. Его также
вычерчивают при окончательном замыкании контактов. При этом точки А
обоих контактов совмещаются, а центр цилиндрической поверхности
подвижного контакта Ц4 определяют, продолжив радиус Ц1А и отложив на его
продолжении АЦ4 = r.
Величину Rп определяют из следующих приближенных зависимостей:
Rп ≅ rα / β, (4.2)
где β, α — углы поворота контакта и рычага подвижной системы при
притирании контакта;
Rп ≅ Δ l (1 — cos α). (4.3)
С учетом размещения подвижной системы выбирают наиболее выгодный
вариант системы, включая и величину Rп. При курсовом проектировании
можно использовать соотношения конструктивного образца. После
определения положения точки О2 определяют положение точек О3 и О4. При
исходном состоянии определяют расстояние ρ = О2Ц2. Точки Оз, О4 в
разомкнутом и замкнутом состояниях получим, засекая траекторию шарнира
радиусом ρ из точек Ц3 и Ц4. Величину Rп приходится изменять, когда угол α >
20° ÷ 30° или когда траектория шарнира не пересекается дугами радиусом ρ из
центров Ц3 и Ц4.
Если параметры притирающего механизма известны, достаточно лишь
проверить величину проскальзывания (притирания) контактов. На рис. 7 такая
проверка приведена для случая, когда неподвижный контакт — грибкового
типа, а подвижный — пластинчатый. Они первоначально соприкасаются
(размыкаются) в точке В, а окончательно замыкаются (рабочий контакт) в точке
А.
Рис. 7. Определение притирания контактов
Траекторию опорного (шарнирного) конца подвижного контакта
O2O'4 получают, перекатывая этот контакт без скольжения по цилиндрической
поверхности неподвижного— грибкового. Разбив участок АВ на несколько
равных отрезков, определяют их протяженность, исходя из угла Δα (в
радианах) между смежными точками. Так, например
ВС = r Δα . (4.4)
При чистом перекатывании В'С' = ВС, что определяет положение точки
О3. Для этого в точке С проводят касательную к цилиндрической поверхности и
от точки С по длине касательной откладывают отрезок
СО3' = ВО2 — В'С'. (4.5)
Доводя построение до точки А, получим положение точки О'4. Поворот
шарнира О2 относительно точки О1 определит положение точки О4 и величину
Δl, как видно из рис. 7.
В соответствии с рис. 8, сжатие притирающей пружины Fпн при
начальном касании контактов Fкн должно быть
FПH ≅ FКН RH / d. (4.6)
При полном замыкании контактов силой Fкp сила пружины Fпр
Рис. 8. Определение сил, действующих на притирающую пружину
FПР ≅ Fкp RР / d. (4.7)
Жесткость пружины Жп должна быть равна
Жп ≅ (Fпp – Fпн) : (Δlпр - Δlпн). (4.8)
где Δlпн, Δlпр — предварительное сжатие пружины и ее сжатие при рабочем
давлении соответственно.
Δlпр — Δlпн ≅ d sin β, (4.9)
где β — предельный угол поворота подвижного контакта (рис. 6).
Величины Fпв , Fnp, Жп позволяют выполнить конструктивный
расчет пружины и определить ее размеры. Для исключения искривления оси
пружины надо предусматривать ножевые опары или другие подобные
устройства.
Притирание точечных контактов силовых цепей при Iн ≥ 40 ÷ 50 А
рассчитывают также, как и линейных. Притирание точечных серебряных
контактов цепей управления осуществляется за счет свободных зазоров в их
шарнирных и направляющих устройствах и в расчете не нуждается.
В этой части работы надо также уточнить и, если нужно, скорректировать
кинематическую схему аппарата, выявить условия размещения притирающей
пружины, получить исходные данные для расчета тяговой характеристики. Для
аппаратов без дугогашения после этого можно переходить к работам разд. 5.
Если имеется магнитное дугогашение, то рекомендуется предварительно
провести его расчет и конструктивную компоновку. Иногда конструкцию
притирающего механизма приходится корректировать по условиям размещения
дугогасительной системы.
5.1. Исходные данные
Диаграммы сопротивлений движению (перемещению) EFC(х) и сил,
развиваемых приводом Fп(x), составляют тяговую диаграмму и должны
выполняться по возможности более точно. Исходными данными для них
являются: кинематическая схема с предельными положениями звеньев, силы
нажатия контактов FKН и FKP, характеристика притирающей пружины,
характеристики контактов цепей управления, фиксирующих, индикаторных и
других устройств, характеристики сил трения, характеристики пневматического
привода или электромагнита. Получение ряда исходных данных ранее
рассмотрено. Некоторые из них уточняются последующими расчетами.
5.2. Приведенные силы и характеристики пружин
Для электропневматических индивидуальных коммутационных аппаратов
все силы обычно приводят к шарнирному соединению штока поршня с рычагом
подвижной системы. В электромагнитных аппаратах — это точка на якоре по
оси полюса магнитопровода.
В общем случае любая сила Fi , создающая в системе момент Mi ,
соответствует приведенной силе F’i
F\ = Mt /Rпр, (5.1)
где Rпр — расстояние от точки приложения силы F'i до центра поворота О1
(рис. 5^8).
Далее все приведенные силы отмечены штрихом. Так, приведенная сила
притирающей пружины F'п по рис. 8 равна
F'н = F'tt d/R пр.
(5.2)
Силы трения EF’t в коммутационных аппаратах имеют случайный
характер и при проектировании эти силы в различных частях подвижной
системы, а также FTВ — в пневматическом приводе обычно считают
постоянными. На рис. 9 приведена зависимость расчетных сил трения FTВ от
диаметра цилиндра dB для поршневых приводов.
На первом этапе проектирования силы трения EF’t обычно объединяют с
приведенным весом подвижной системы G', который еще также неизвестен
точно. Ориентировочно принимают
ZF’t + G’ = (0,08 + 0,11) F’kp s const. (5.3)
При расчете реле эти силы из-за их малости во внимание не принимают,
учитывая лишь силы контактов и пружин. По условиям размыкания
электропневматического аппарата сила начального сжатия выключающей
пружины FB0
FB > Ftb + SF’t — G’ (5.4)
соответствующая приведенная сила при электромагнитном приводе
FBo > SF’t — G’ (5.5)
По условиям размыкания сварившихся контактов наибольшая сила
выключающей пружины для электропневматических аппаратов
FB(i = 2 F’kp + SF’t - Ft.- G’- F’пб (5.6.)
Рис. 9. Зависимость Fтв (dв)
и для электромагнитных аппаратов
F’b6 s 2 F’kp + XFt' - G' - F^6, (5.7)
где Fп6 —наибольшая приведенная сила притирающей пружины.
Необходимая жесткость выключающей пружины Жв
Жв ≅ (Fвб — Fво)/X , (5.8)
где X — полный ход привода в точке приведения до полного замыкания
контактов.
акже обычно определяют характеристики выключающей пружины и для
реле оперативной коммутации, у которых не нужно знать величину
срабатывания при точных значениях входного сигнала. Если привод реле
выполняет роль чувствительного элемента (реле защиты), то выключающая
пружина служит также органом регулирования. Ее жесткость выбирают так,
чтобы можно было регулировать уставку аппарата в заданных пределах и с
нужной точностью. Коэффициент регулирования Ср
Ср= (Ууб – Уум) /Уум ,
где Уу6, Уум — соответственно наибольшая
определяется по формуле
(5.9)
и наименьшая величины
уставки (тока, напряжения и др.).
У реле с малым диапазоном регулирования — Ср = 0,2, а при большом
диапазоне — Ср ≅ 0,5. Наименьшую силу выключающей пружины F’вo
определяют по кинематической схеме аппарата и величине нажатия контактов.
Сила, развиваемая выключающей пружиной, обычно пропорциональна
показателю уставки реле (FB ≅ Уу) и наибольшее ее значение определяется по
формуле
Fвб = Fвм (1 + Cр) (5.10)
Точность регулирования (εр → 0) определяют относительным
приращением показателя уставки между смежными фиксированными
состояниями механизма регулирования ΔУУ, а именно
εр =
ΔУу / (Ууб - Уум).
(5.11)
Обычно задаются величиной 0,01 < εр < 0,1 в зависимости от назначения
реле. Для регулирования обычно попользуют регулировочный винт пружины с
фиксацией положений гаек или других устройств в m = 1, 2, 3, положениях на
один ее оборот. При этом жесткость пружины
Жв = mEp(Fe6 - Рам) / tp = mEp FbmCp / tp, (5.12)
где tp — шаг резьбы регулировочного винта.
Выключающие (регулировочные) пружины реле выполняют из
(калиброванной пружинной проволоки с жесткостью Жв — 2,5 ^ 7,0 Н/мм. Силы
нажатия контактов цепей управления учитывают при расчете реле и не
учитывают при предварительном расчете контакторов. Для мостиковых
контактов открытого исполнения обычно Ркр = 8 v 10 Н на один контактный
мостик при жесткости мостиковых пружин Жп — 5:6 Н/мм. При их
защищенном (кожухом) исполнении Ркр — 6 : 8 H и Жп — 2,5 : 3 Н/мм.
Для восстановления состояния блока мостиковых контактов
предусматривают специальную пружину восстановления, общую для всех
контактов с силой Рблб = 8 : 10 Н с жесткостью Жбл = 0,4 : 0,6 Н/мм. Между
включающими и выключающими контактами предусматривают зазор Лбл = 2,5
: 3,0 мм. Если реле имеет фиксирующие устройства и им подобные,
определяют создаваемые ими силы сопротивления и добавляют к остальным.
5.3. Построение статических тяговых диаграмм
Тяговые характеристики электропневматических аппаратов представляют
собой зависимости F(x), где х — перемещение привода из исходного
(предельного положения. Для электромагнитных аппаратов более удобны
характеристики F(5), где 5 — зазор между якорем и полюсом сердечника.
Тяговые диаграммы F(x) и F (5) подобны, но повернуты одна относительно
другой на угол 180° от оси ординат.
При пневматическом приводе из тяговой диаграммы (рис. 10) можно
определить полную необходимую силу сжатого воздуха Fnpo
Fnpo > Ftb + ZF’t + G’ + Рвб + Р’кр. (5.13)
Соответственно необходимый диаметр цилиндра (в м)
dB — 2 VFnpo /(ЛрМ ), (5.14)
где рм — 3 -105 Па — наименьшее давление сжатого воздуха,
при котором аппарат должен сработать.
Рис. 10. Статическая тяговая диаграмма
электропневматического контактора
Рис. 11. Тяговая диаграмма:
а) электромагнитного реле,
б) сопротивлений перемещениям
По расчетным значениям dB и X стараются подобрать привод из числа
существующих или нормированных. Затем проводится поверочный расчет
привода и аппарата. В курсовом проекте такой расчет можно не делать.
Характеристики электромагнитного привода нелинейны (рис. 11) и
поэтому их нельзя определить какой-то одной точкой. При полном притяжении
якоря к сердечнику во избежание его прилипания предусмотрен зазор δ0. При
проектировании электромагнитных аппаратов часто подбирают
электромагниты из числа существующих и ограничиваются лишь проверкой
его пригодности для аппарата. Расчет электромагнита по принципу
конструктивного подобия или методом проверки производят лишь тогда, когда
не удается подобрать готовый электромагнит. В курсовом проекте такой расчет
обязателен.
При выборе электромагнита для аппарата защиты должно выполняться
условие
Fэ(Ум) ≥ Fc (δб) ,
(5.15)
где Fэ(Ум) — сила электромагнита при минимальной уставке реле;
Fc (Зб) — силы сопротивления при наибольшем зазоре между якорем и
сердечником.
Для электромагнитных аппаратов оперативной коммутации, катушки
которых питаются током цепей управления, принимают
Fэ(Ум) = Рэ(им) > Fc (Зб) , (5.16)
где Fэ (uм) — сила магнита при минимальном напряжении (uм = 0,6uн от
номинального напряжения цепей управления).
6. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
6.1. Выбор системы дугогашения
Разработка системы дугогашения следует за разработкой контактных
устройств. При этом часто разрабатывают несколько вариантов
дугагасительных систем с последующим испытанием образцов и выбором
наилучшего. В курсовом проекте можно ограничиться разработкой лишь
одного варианта, обосновав его выбор.
Дугогасительные устройства предусматривают в коммутационных
аппаратах, предназначенных для размыкания электрических цепей гари
токопрохождении в них. Можно не предусматривать дугогашения в случаях,
если токи в цепи ограничены величиной 2 v 4 А и при любых токах, если
напряжение размыкаемой цепи постоянного тока Uh < 50 В и переменного тока
— Uh < 110 В, а индуктивность цепей невелика.
Различные виды дугогашения принимают >в следующих случаях:
а) деионные решетки как основное дугагасительное устройство
применяют при постоянном и пульсирующем токах до 100 v120 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 дугагашение применяют обычно для главных
выключателей локомотивов переменного тока с разрывными мощностями
порядка (1 v 2) • 105 кВА. При 1н >1000А для деионизации предусматривают
продувку дугогасительной камеры сжатым воздухом.
Когда принцип дугогашения выбран, можно рекомендовать
следующую последовательность проектирования:
а) по заданным току и напряжению рассчитать размеры дугогасительных
рогов и выбрать их форму;
б) определяют критическую длину дуги и по ней выбирают тип и
размеры дугогасительной камеры с учетом ее конструкции;
в) определяют величину расчетного зазора lз в зоне дугогашения и
выбирают расчетную индукцию Вас;
г) определяют конструкцию, форму и размеры полюсов системы;
д) рассчитывают м.д.с. дугогасительной системы, элементы стальных
матнитопроводов и катушку;
е) разрабатывают окончательную конструкцию элементов дугогашения
и их компоновку в аппарате.
6.2. Расчет дугогасительных рогов и деионной решетки
Конструкцию дугогасительных рогов можно принять по опыту уже
выполненных образцов. Поперечное сечение литых рогов рекомендуется
принимать Т- или П-образной формы. На рис. 12 приведена зависимость
развернутой длины дугогасительного рога lр от номинального напряжения Uн, а
на рис. 13 — зависимость среднего поперечного сечения SР от номинального
тока аппарата Iн. Чаще всего рог неподвижного контакта служит держателем
этого контакта и дугогасительной катушки. Рог подвижного контакта обычно
закрепляют в съемной дупогасительной камере.
При расчете деионных решеток правде всего определяют число пластин
П > Uh / (Ua + U) , (6.1)
где Ua + UK =20 v 28 В— расчетные анодное и катодное падения напряжения в
дуге.
Рис. 1.2. Зависимость развернутой длины дугогасительного рога от напряжения
Рис. 13. Зависимость среднего поперечного сечения дугогасительного рога от
номинального тока
Толщина пластины решетки обычно 5\п = 2 ^ 3 мм (рис. 14).
Высоту пластины /, (в мм) можно приблизительно определить по
формуле
1п > 0,173^Пtг3ДН , (6.2)
где tг — время горения дуги в зоне денежной решетки (t г = 0,1 с).
Расстояние между пластинами должно быть Лп < 10 ^15 мм. При
использовании деионной решетки как дополнительного устройства принимают
lп <14 ^16 мм, а число пластин снижают в 1,6 ^ 2 раза по сравнению с
рассчитанным по формуле 6.1.
В тяговых коммутационных аппаратах (применяют следующие типы
дугогасителвных камер: однощелевые с широкой щелью, однощелевые с узкой
щелью, многощелевые, лабиринтовые. При выборе типа камеры учитывают и
некоторые конструктивно-технологические соображения. Монолитные
лабиринтовые камеры обычно применяют, если аппарат предназначен для
крупносерийного и массового производства. Эти камеры имеют
коэффициент использования пространства Кип = 2,5 ^ 4.
Менее эффективны щелевые камеры, у которых Кип = 0,8 ^ 0,9, но
технологически они более просты и не требуют сложной оснастки.
Однощелевые камеры с широкой щелью и деионной решеткой применяют в
низковольтных аппаратах переменного тока, многощелевые - в аппаратах
Рис. 14. Размеры деионной решетки
постоянного и пульсирующего тока при отсутствии жестких габаритных
ограничений в условиях мелкосерийного производства.
Размеры дугогасительной камеры определяют из условий размещения в
ней дуги критической длины lдк при заданной разрывной мощности Рр (кВА),
которой соответствует ток
Ip= Pp • 103 / Uh. (6.3.)
Расчетная критическая длина открытой дуги lдок (в мм)
. lдок = 0,13Vн31Р . (6.4)
Для дуги в камере с ограничивающей деиоиной решеткой
lДК = 0,067UнЗДР . (6.15)
Для щелевых камер основные размеры можно определить
а1 + а2 + b = lдr / Кип , (6.6)
где а1 и а2 — расстояния от концов соответственно верхнего и нижнего
дугогасительных рогов до кромки выхлопной щели, мм;
b — размер выхлопной щели, приблизительно равный расстоянию между
концами рогов, мм.
Если в принятом варианте размеры камеры приходится увеличивать, то в
первую очередь увеличивают размеры a1 и а2, а затем — 1р и b.
Для секторных лабиринтовых камер
b = aR = (1,2 т 1,3) lдк/ Кип, (6.7)
где b — развернутая длина выхлопной щели камеры;
a — ее дуга в радианах;
R — радиус выхлопной щели.
Если полученная величина b недостаточна, надо сначала увеличивать
значения R и lр, а затем и угол a. Надо вычертить в масштабе эскиз узла
дугогашения, который необходим для определения площади боковой
поверхности камеры SK и площади полюса Sп = (0,5 т 0,6) SK. В курсовом
проекте форму полюса можно принять как у рекомендованного образца
аппарата.
6.4. Расчет электромагнитной дугогасительной системы
При расчете систем магнитного дугогашения задаются средней расчетной
величиной индукции Вк. Их рекомендованные значения приведены в табл. 13.
Таблица 13
|
Род тока |
Вид аппарата |
Вдо, Т |
|
Постоянный |
Аппараты оперативной коммутации |
0,01 -0,025 |
|
и пульсирующий |
Аппараты прямой защиты |
0,05+0,10 0,08+0,15 |
|
Переменный |
Аппараты оперативной коммутации Аппараты прямой защиты |
0,006+0,009 0,008 + 0,03 |
Обычно при расчете дугогасительнык систем не учитывают падения
магнитного напряжения в стальных частях системы, а определяют
необходимую м.д.с. Fд только исходя из расчетного зазора lв,
lв = Ьк + 25дк + 2Дм , (6.8)
где bк — ширина контакта;
ЗдК = 8 ^ 12 мм — толщина стенки камеры;
Дм = 2 ^ 3 мм —.величина монтажного зазора.
М. д. с. дугогасительной системы
Fg = Fb = 0,8 Вдс l в а • 103, (6.9)
где а — коэффициент рассеяния, значения которого даны в табл. 14.
После определения величины м. д. с. определяют число витков дугогасительной
катушки
юд = (1.6 ^ 2.0) Бд /1н. (6.10) Далее рассчитывают стальной магнитопровод
системы, определяя расчетный магнитный поток (в Вб) в зазоре
Таблица 14
|
Типы систем |
Коэффициент а |
|
Разомкнутая нешихтованная |
4,0 ^ 6,0 |
|
Разомкнутая шихтованная |
2,8 ^ 4,6 |
|
П-образная » |
1,8 ^ 2,4 |
|
Тороидная » |
1,2 - 1,3 |
Фв = Вдс Sп. (6.11)
Магнитный поток в сердечнике катушки
Фк ^ Фв а = Вдс Sп а . (6.12)
В аппаратах постоянного тока оперативной коммутации элементы
магнитопроводов изготовляют массивными из конструкционной стали, в
аппаратах пульсирующего тока — шихтованными из электротехнической
стали, а в аппаратах переменного тока—шихтованными из трансформаторной
стали. Индукции Вст в магнитопроводах должны исключать их насыщение при
предельных токах — Вст = 0,1 ^ 0Ю15 Т. Дугогасительные катушки чаще всего
изготовляют из неизолированных медных шин с намоткой на узкое ребро,
сечения которых приведены в табл. 16. Расчет проволочных катушек для
систем дугогашения производят также, как и остальных аппаратных катушек
этого типа.
Таблица 15
|
Высота |
Продолжительный ток, А | ||||||||
|
при толщине |
ин, в мм | ||||||||
|
1 |
1,5 |
2 |
2,5 |
3 |
4 |
5 |
6 |
8 | |
|
10 |
62 |
122 |
144 |
166 |
184 |
220 |
254 |
- |
- |
|
12,5 |
121 |
150 |
175 |
200 |
223 |
271 |
306 |
- |
- |
|
16 |
153 |
188 |
223 |
254 |
280 |
330 |
380 |
425 |
515 |
|
20 |
190 |
235 |
275 |
310 |
345 |
405 |
460 |
515 |
620 |
|
25 |
235 |
290 |
340 |
380 |
420 |
500 |
565 |
630 |
750 |
|
30 |
283 |
350 |
405 |
456 |
505 |
590 |
670 |
745 |
885 |
|
35 |
325 |
405 |
470 |
530 |
580 |
680 |
770 |
860 |
1020 |
|
40 |
375 |
460 |
535 |
600 |
660 |
775 |
890 |
970 |
1140 |
|
45 |
420 |
520 |
600 |
680 |
750 |
870 |
980 |
1080 |
1270 |
|
50 |
465 |
575 |
665 |
750 |
825 |
965 |
1080 |
1.200 |
1400 |
В результате расчета и проектирования по этому разделу должна быть
разработана конструкция дугогасительных устройств аппарата.
7. РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ ПРИВОДОВ ТЯГОВЫХ АППАРАТОВ
7.1. Расчет методом конструктивного подобия
Метод конструктивного подобия обобщает опыт проектирования и
изготовления электромагнитов тяговых аппаратов, имеющих однотипные
приводы. Он обстоятельно отработан для электромагнитов клапанного типа
('рис. 15). Обобщенные размеры различных электромагнитов имеют вид
отношений действительных размеров к диаметрам их сердечников dc. Так,
любой обобщенный размер х0 для действительного х определяется формулой
х0 = х / dc. (7.1)
Перечень обобщенных размеров приведен в табл. 16.
Таблица 16
|
Размеры электромагнита Действительный размер |
Обобщенный размер |
|
Диаметр полюса..... dп Расстояние до скобы а Высота сердечника В Высота наконечника f Толщина магнитопровода t Ширина магнитопровода т Высота катушки..... H Диам. катушки внутр..... DВ Диам. катушки наруж. Dн |
dпo = dп / dc a0 = а / dc |
Пределы обобщенных размеров для электромагнитов приведены в табл.
17.
Принцип (конструктивного подобия дает возможность получить и
тяговые характеристики электромагнитов, если их конструктивные размеры
приблизительно соответствуют приведенным обобщенным размерам.
Воздушный зазор также рассматривают как обобщенный относительный
показатель.
|
§0 = 5 / dn = 5 / (dno dc) |
(7.2) |
Второй относительный условный показатель, характеризующий силу,
развиваемую электромагнитом Fe, можно выразить в виде формулы
Таблица 17
Размер Величина Размер Величина
аПО l,25 v 1,60 m0o 2,50 v3,75
ао 1,4 v 1,56 Ho 2,9v 3,4
bo 3,0 v 3,7 Ao 0,6v 1,0
fo 0,1 v 0,2 Deo 1,0v1,25
t0 0,25 v 0,3 Dho 2,3v 3,0
Рис. 15. Схема электромагнита клапанного типа
F0 ≅ 714 Fэ / Θм. (7.3)
где Fэ — сила электромагнита (в Н), необходимая для срабатывания
аппарата, т. е. в начале движения его подвижной части;
Θм — наименьшая м. д. с, при которой аппарат должен сработать, А.
Для аппаратов защиты Θм должна соответствовать показателю
минимальной уставки УУм, а для аппаратов оперативной коммутации —
наименьшему напряжению в цепи управления Θм ≅ 0,6 ⋅ uн.
Безразмерные тяговые характеристики для электромагнитов клапанного
типа приведены на рис. 16 в виде зависимости F0 (δ0) построенной по данным
многих электромагнитов отечественных тяговых аппаратов. Значение δ0 = 0,04
— минимальный зазор между якорем и сердечником, предотвращающий
прилипание якоря. Такие же характеристики для электромагнитов с Г-образным
якорем представлены на рис. 17.
При расчете электромагнита по уравнению Максвелла определяют
площадь полюсного наконечника Sп (в мм2)
Sп = Fэ /(k Bп2) , (7.4)
где Вп ≅ 0,04 ÷ 0,01 Т — индукция в полюсе при полностью притянутом якоре;
Fэ —сила притяжения, Н;
k —постоянная при принятой системе единиц; для магнитов постоянного тока
— k ≅ 3,98 и для переменного тока — k ≅ 1,99.
Для контакторов из условий полного притяжения якоря
Рис. 16. Зависимость Fo (δо)
Рис. 17. Зависимость Fo (δо) для
электромагнитов с Г-образным
якорем
Fэ = ∑F’т +G’ + F’в6 + F’кр (7.5)
и для реле
Fэ ≥ F’c6 + F’кр ,
(7.6)
где F’c6 —приведенная сила сопротивления перемещению при притянутом
якоре.
Индукцию Вп выбирают так, чтобы при наибольших возможных м. д. с.
катушки в сердечнике магнитопровода она не достигала колена насыщения.
Имея в виду, что
dП = 2VSП /п , (7.7)
диаметр сердечника можно определить по формуле
dc ≅ dп / dпо , (7.8)
или площадь его поперечного сечения
Sc ≅ Sп / dпо2 , (7.9)
где d0 принимают по табл. 17. Индукция в сердечнике
Bc ≅ Bп / dпо2 , (7.10)
Индукция в магнитопроводе прямоугольного сечения
Bпp ≅ Bп Sп / (m0 t0 dc2) . (7.11)
Исходя из величин Sп и dc, определяют размеры электромагнита одним
из двух возможных методов:
а) используя в качестве исходных данные конструктивного образца.
Методом, приведенным выше, определяют величину dc для рассчитываемого
электромагнита. Все значения относительных размеров х0 рассчитывают по
данным образца, а затем по найденным значениям х0 и величине dc определяют
размеры проектируемого электромагнита и его характеристики;
б) используя как исходные обобщенные относительные размеры.
После определения Sп и dп по формулам (7.4) и (7.7) в качестве исходных
попользуют обобщенные размеры по табл. 16 и табл. 17 и безразмерные
характеристики (см. рис. 16 и 17).
Метод а) предпочтительнее, когда разница в основных параметрах
образца и проектируемого аппарата невелика. Во всех остальных случаях
можно использовать метод б).
При предварительном расчете электромагнита в первую очередь надо
проверить исполнимость системы. Для этого по кинематической схеме
аппарата определяют величину δ0. По диаграммам рис. 16 или рис. 17
определяют значения Fo6 и F0M, соответствующие этой величине δ0, а по
формуле (7.3) находят величины Θм необходимые для каждого из этих
предельных значений F0.
.ΘM1=714 Fэ/Fоб ; ΘM2=714 Fэ/FОМ . (7.12)
Для проверки возможности реализации нужных м. д. с. электромагнита
определяют площадь его обмоточного пространства Q. По размерам,
полученным методом конструктивного подобия, выполняют в масштабе эскиз
магнитной системы, по которому и можно определить Q. При выполнении
эскиза надо проверить следующие соотношения: H < b; 1/2DH < a; A = 1/2 (DH —
DB). В случае необходимости соответствующие размеры корректируют. При
этом желательно, чтобы относительные значения размеров х0 не выходили за
пределы величин, указанных в табл. 17. По рис. 15
Q = НА = l/2 Н (DH - DB). (7.13)
Если в аппарате предусмотрена токовая катушка (например, катушка реле
перегрузки), то ее наибольшую м. д. с. из условий размещения этой катушки в
пределах пространства Q можно определить по формуле
©бо = Qk3 (1 + Ср) jд. (7.14)
где jg < 2 v 4 А/мм2 — удельная плотность тока при его значении 1м;
kз — коэффициент заполнения обмоточного пространства медью;
Ср— коэффициент регулирования (см. формулу (5,11).
Для шинных катушек, чаще всего применяемых в рассматриваемом
случае, величину k3 можно определить непосредственно конструктивной
разработкой катушки или принять ориентировочно такой же, как и для обмоток
тяговых электромашин. Можно воспользоваться кривыми рис. VI.24 из [8].
При минимальной уставке 1м величина м. д. с. ©М0, которая может быть
реализована в имеющемся обмоточном пространстве, определится по формуле
©мо = Q • кз jд . (7.15)
Приблизительно так же определяют значения ©О и при проволочной
токовой обмотке. В этом случае коэффициенты заполнения k3 надо принимать
по диаграммам, изображенным на рис. 18, где верхние пределы k3 —без
межрядовых прокладок, нижние — с межрядовыми прокладками по всем
рядам. Наиболее часто на тяговые аппараты распространяются данные кривых
2 и 3.
Сравнивая значения ©М, полученные по формуле (7.12), с величинами ©М0 (см.
формулу (7.15), определяют выполнимость электромагнита но условиям
размещения необходимой токовой катушки. Должно быть ©м0 > ©М. Если
окажется, что Θмо < Θм, то необходимо так корректировать размеры
электромагнита (желательно в пределах данных табл. 17), чтобы
соответственно увеличить в нужных пределах площадь обмоточного
пространства Q.
Иначе решают обычно вопрос проверки исполнимости при применении
потенциальных катушек в аппаратах оперативной коммутации и
потенциальных реле. В этом случае удобнее определить необходимую
величину площади обмоточного пространства Qo в следующей
последовательности.
Определяют поперечное сечение проводника q (в мм2)
q = Θм рт lср106 / uм,
(7.16)
где рг - сопротивление проводника в нагретом состоянии, в первом
приближении при температуре, соответствующей нормам выбранного класса
теплостойкости изоляции, Ом/м;
Рис. 18. Зависимость kз(d): 1 — для
эмалированного провода ПЭЛ, ПЭВ,
ПЭВА, ПЭТВ и др. 2 — для
эмалированного провода с однослойной
волокнистой изоляцией: ПЭЛШО, ПЭЛВО
и пр. 3 для провода с двухслойной во-
локнистой изоляцией: ПБД, АПБД, ПСД,
АПСАД, ПСКД и дp.
иы – наименьшее напряжение, при котором срабатывает электромагнит, для
аппаратов защиты соответствующее минимальной уставке, а для аппаратов
оперативной коммутации - uм = 0,6 uн;
lср — средняя длина витка обмотки, которую можно принять
lср = ½ π (Dн + Dв)... (7.17)
По полученному значению q определяют диаметр провода
d = 2^qn , (7.18)
В зависимости от величины d по рис. 18 определяют коэффициент
заполнения обмотки. Из полученных данных можно определить
необходимую площадь обмоточного пространства (в мм2)
Q0 = quм / (jk3 рт lcp), (7.19)
где j —удельная плотность тока, такая же, как и для токовых катушек с
учетом класса теплостойкости изоляции. Обмотка исполнима при Qв ≤ Q.
Если Qв > Q, нужна такая же корректировка размеров, как и для токовых
катушек.
Для аппаратов оперативной коммутации — контакторов и оперативных
реле — расчет электромагнита можно на этом закончить и нужно лишь
построить тяговые характеристики. Для аппаратов защиты и реле
повышенной точности (чувствительности) после уточнения конструкции
выполняют еще поверочный расчет электромагнита.
7.2. Построение тяговых характеристик по безразмерным
характеристикам
С помощью безразмерных характеристик F0 (δ0) можно получить
тяговые характеристики Fэ(δ) электромагнита.
Наиболее точно при этом получаются тяговые характеристики при Θ =
Θм = const. В соответствии с формулой (7.2)
δ = δ0 dн (7.20)
и по формуле (7.3)
Fэ = (f0 Θм / 714)2.
(7.21)
Если в основу определения зависимости F0(δ0) была положена
характеристика конструктивного образца, то при расчете по точкам
получается однозначная тяговая характеристика Fэ(δ) при Θм = const. На
базе характеристик, изображенных на рис. 16 и рис. 17, тяговые
характеристики неоднозначны. Каждому значению δ0 соответствуют
величины F0 B пределах от Foм до Foб, которые представляют собой граничные
значения силы тяги при рассматриваемом зазоре. В этом случае
рекомендуется построить обе граничные тяговые характеристики Fэ(δ) и
Fэм(δ). Наиболее благоприятную из них выбирают совмещением тяговой
характеристики с диаграммой сопротивления движению подвижной системы
аппарата (см. п. 5.3).
Для контакторов и других аппаратов оперативной коммутации обычно
достаточно построить тяговые характеристики при Θ = Θм = Θ(0,6uн).
Полученная тяговая диаграмма позволяет судить о достаточности силы,
развиваемой магнитом при минимальной м. д. с. его катушки. Она нигде не
должна пересекаться с диаграммой сопротивления движению. При любых δ
должно быть Fэ > Fc (δ). Если это условие не выполняется, то надо увеличить
силу электромагнита Fэ Для этого можно увеличить диаметр полюса dп с
последующим повторным расчетом системы.
Особенно в аппаратах, рассчитанных на большие токи (контакторы),
нежелательна большая разница между Fэ(δ) и Fc(δ), так как при этом сильно
возрастают ускоряющие силы
Fу(δ) = Fэ(δ) - Fc(δ), (7.22)
Это приводит к отскакиванию контакта в момент включения. Обычно
корректировка при этом нужна лишь тогда, когда
Fум (δ) ≥ 0,5 Fc (δ), (7.23)
где Fум (δ) — наименьшая величина ускоряющей силы.
В некоторых случаях необходимо построить не только зависимость
Fэ(8) при 0м = const, но и при других значениях м. д. с., например, при ее
номинальной 0н или наибольшей величине 0б. Эти характеристики также
можно получить из безразмерных, но с меньшей точностью из-за неполного
учета насыщенности электромагнита. При этом 5 определяют по формуле
(7.20).
Fэ = (Fo 0/714)2, (7.24)
где 0 — величина м.д. с., для которой строится характеристика.
7.3. Поверочный расчет электромагнита
Поверочному расчету подвергают электромагнит с уже ус-
тановленными размерами магнитопровода. Из большого числа различных
методик поверочных расчетов здесь приведен метод, наиболее широко
применяемый ВЭлНИИ. В качестве примера выбрана магнитная система,
представленная на рис. 19, несколько более совершенная, чем приведенная
на рис. 16. Она имеет магнитопровод П-образной формы без соединительных
стыков, изготовленный штамповкой из круглого прутка. Сердечник катушки
ее расплющен и имеет круглое сечение. По длине l3 —постепенный переход
от круглого к прямоугольному сечению, которое сохраняется и на участке lt.
Расчет начинают с определения магнитных проводимостей воздушного
зазора G5, которая складывается из проводимости G1 по площади полюса,
проводимостей распущения: G1 — по верхней кромке полюса и G2 — по его
нижней кромке:
G5 = G + G1 + G2. (7.25)
Соответственно величина G определится по формуле
2
G - ПП ^0 1 +
V
2
rK
4 G2 J
■10-4 ,
(7.26)
где р0 — магнитная проницаемость воздуха, Гн.
G1 = 0,58 po [5,14гп + 1,5765] 10-4, (7.27)
Рис. 19. Схема магнитной системы
G2 = 2f|M1 + 4rn / (f + 25)]10-4. (7.28)
Здесь все проводимости в Т/А и расчетные размеры в см. Значения Gs
определяют для нескольких воздушных зазоров в пределах от 5б до 5М.
Далее определяют удельную магнитную проводимость gs потоков рассеяния,
которая от величины воздушного зазора практически не зависит
22
-----П . (7.29)
rП
Средний коэффициент рассеяния определится по формуле
1x
аср = 7 ^xdXx, (7.30)
0
где ах —коэффициент магнитного рассеяния на расстоянии х от
поверхности полюса.
Если обозначить
а = gs /(2GS), (7.31)
то для рассматриваемой системы
x
<г = — j*[1 + 2ах - ах2/bXx . (7.32)
ср b0
После интегрирования
^р = ~(х + ах2 - 1/3ах3/b) . (7.33)
По всей длине b сердечника
σср = 1 + 2/Зαb. (7.34)
Величина α изменяется с изменением воздушного зазора и ее надо
подсчитать для 4÷5 значений δ в пределах от δ6 до δМ, а затем построить
график зависимости σср (δ). Задаваясь 4÷5 возможными величинами потока
Фδ в воздушном зазоре и используя зависимость σср (δ), определяют среднюю
величину магнитного потока в системе при различных зазорах
Фср = Фδσср. (7.35)
Для тех же условий средние потоки рассеяния Фsср
Фsср = Фср - Фδ = Фδ (σср - 1) . (7.36)
Затем определяют м. д. с,, необходимые для проведения магнитных
потоков принятых течений Фδ. Так, м. д. с. Θδ для приведения потока Фδ
зависит от величины зазора и определяется по формуле
Θδ = Фδ /Gδ. (7.37)
М. д. с, Θs на потоки рассеяния определяют
Θs = Фsср / (gsb) . (7.38)
М. д. с, компенсирующие падения магнитного напряжения на стальных
участках магнитной цепи, определяют по формуле
n
ΘCT = ∑ΘCTi , (7.39)
i=1
где п — число участков магнитной цепи;
ΘСТi—падение магнитного напряжения на любом участке i,
В рассматриваемой системе, как показано на рис. 19, можно выделить 4
участка: 1 —якорь, 2 — сердечник, 3 — ярмо, 4—стержень. Для каждого
участка определяют длину li и площадь поперечного сечения Si. Для
принятых потоков Фδ и Фср находят индукции на участках
Bi = Фcр / Si. (7.40)
По xapaктеристикам намагничивания стали находят напряженность
магнитного поля на каждом участке Hi и определяют величины ΘСТi
ΘСТi = Hi li.
(7.41)
Наиболее удобны табулированные значения кривых намагничивания.
Так, можно использовать таблицы прил. 2 книги «Проектирование тяговых
электрических машин». Под ред. М. Д. Находкина, М.: Транспорт, 1976.
По данным проделанных расчетов вычисляют полную м. д. с. системы
Θ = ∑Θi = Θδ + ΘСТ + Θs . (7.42)
Полученные данные позволяют определить силы тяги электромагнита
Fэ. Наиболее удобно их рассчитывать в виде зависимостей Fэ(Θ) при δ = δ1,
δ2,…= const. При этом Fэ (в Н) имеет вид
Fэ = 63Θ2 S k ⋅10-8/δ2 , (7.43)
где SП — площадь полюсного наконечника, ом2;
kф — коэффициент, учитывающий форму магнитопровода.
Для магнитопровода по рис. 19— kф = 1,03.
После построения зависимостей Fэ (Θ) для различных значений δ
имеется непосредственная возможность построить по ним любые
необходимые тяговые характеристики Fэ (δ) при Θ = const. Это дает
возможность еще раз проверить исполнимость системы и получить ее
тяговые диаграммы.
Основная литература
1. Плакс А.В. Системы управления электроподвижным составом.
«Маршрут», 2005.
Дополнительная литература
1. Тихменев Б.Н., Трахтман Л.М. Подвижной состав
электрифицированных железных дорог. - М.: Транспорт,1980.
2. Проектирование систем управления электроподвижным
составом/Н.А. Ротанов, Д.Д. Захарченко, А.В. Плакс, В.И. Некрасов,
Ю.М. Иньков. Под ред. Н.А. Ротанова – М.:Транспорт, 1986.
3. Электровоз ВЛ10. Руководство по эксплуатации. М.: Транспорт.
1975.
Комментарии (0)