Устройство и работа масляного выключателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Устройство и работа масляного выключателя

2. Приведение масс механизма в фазе отключения

3. Определение параметров отключающей и буферной пружин

4. Построение фазовой траектории контактных стержней

5. Определение времени отключения

6. Определение геометрических параметров привода

7. Определение кинематических параметров привода

8. Приведение сил сопротивления к штоку двигателя

9. Выбор силовой характеристики двигателя

10. Силовой расчет механизма привода

11. Расчет деталей механизма на прочность

11.1 Расчет шарнира на смятие

11.2 Расчет коромысла на изгиб

11.3 Расчет шатуна АВ на сжатие

Заключение

Список используемой литературы

1. Устройство и работа масляного выключателя

Фаза отключения

В положении «включено» (рис. 1) буферная пружина 5 сжата, а отключающая 4 - растянута. Они стремятся повернуть коромысло выключателя 3 по часовой стрелке. Тяга 7 растянута, а шатун 9 и кривошип 10 сжаты. Щека 11 опирается на фиксатор 13.

При повороте фиксатора 13 против часовой стрелки вокруг оси (вручную или с помощью электромагнита) щека 11 освобождается и под действием силы со стороны кривошипа 10 поворачивается вокруг оси , сжимая пружину 12. При этом шарнир А перемещается влево по торцу опорной скобы 15 до тех пор, пока не срывается с него и падает вниз. Коромысло 8 и коромысло 3 поворачиваются по часовой стрелке, поднимая подвижные контакты 2. После размыкания контактов пружина 5 садится на свои упоры, а механизм движется под действием пружины 4. В конце поворота коромысла 3 включается в работу демпфер 6, который останавливает разогнавшийся механизм, поглощая его кинетическую энергию.

После срыва шарнира А с торца скобы 15 щека 11 под действием пружины 12 возвращается в исходное положение. Фиксатор 13 под действием пружины 14 поворачивается по часовой стрелке и фиксирует щеку в исходном положении. Выключатель находится в положении «отключено» и готов к включению.

Фаза включения

Включение производится перемещением вверх штока 17 (рис. 1), приводимого в движение электромагнитным, пневматическим или гидравлическим двигателем. Поднимая вверх шарнир А, шток поворачивает кривошип 10 четырехзвенника вокруг временно неподвижной оси . При этом коромысло 8 и коромысло выключателя 3 поворачиваются против часовой стрелки, опуская стержни 2 до полного входа их в розеточные контакты 1. Правое плечо коромысла выключателя 3 натягивает отключающую пружину 4 и сжимает буферную пружину 5.

Рис. 1 - Схема масляного выключателя

Перемещаясь вверх, шарнир А отжимает вправо опорную скобу 15, сжимая пружину 16. При полном поднятии шарнира А скоба 15 под действием пружины 16 возвращается назад, запирая механизм в положении «включено». Шток 17 опускается вниз. Механизм готов к отключению.

При рассмотрении работы механизма видно, что привод выключателя необходим только в фазе включения и его назначение состоит в преодолении сил отключающей и буферной пружин, сил трения и сил инерции.

2. Приведение масс механизма в фазе отключения

В качестве точки приведения может быть использована любая точка механизма. В данном случае примем точкой приведения точку (рис. 1) крепления подвижного контакта, так как скорость подвижных контактов является определяющей при выборе параметров привода.

Масса механизма, приведенная к точке (рис. 1)

, (1)

где - вес одного контактного стержня

Н;

g - ускорение свободного падения

;

кг.

3. Определение параметров отключающей и буферной пружин

Искомыми параметрами являются жесткости пружин

Отключающую и буферную пружины должны удовлетворять трем условиям:

а) скорость разрыва контактов не должна превышать , т.е.

, (2)

где - жесткость отключающей пружины;

- ход контактных стержней в контактах;

- соотношение плеч и коромысла выключателя 3 (рис. 1).

Примем .

- коэффициент предварительного натяга отключающей пружины

,

- величина начального натяга отключающей пружины

,

- деформация отключающей пружины, соответствующая полному ходу контактных стержней;

- коэффициент предварительного натяга буферной пружины.

Примем .

и - соответственно сила трения в контакте и сила трения подвижного контакта в уплотнении.

Примем , .

- жесткость буферной пружины.

б) максимальная скорость движения контактных стержней не должна превосходить (участок АВ на рис. 2), т.е.

, (3)

в) отключающая пружина должна поддерживать скорость (участок ВС) с некоторым запасом

, (4)

где - коэффициент запаса ().

Одновременное выполнение условий (3), (4) возможно, если

, (5)

.

Примем .

Н.

Преобразуя (2) получим

.

.

двигатель пружина прочность

4. Построение фазовой траектории контактных стержней

Зависимость изменения скорости контактных стержней от их перемещения на участке АВ (рис. 2) от момента разрыва контактов до момента встречи коромысла со штоком демпфера

. (6)

Расчет по формуле (6) проведен в 10 точках. Результаты расчета сведены в таблицу 1.

Таблица 1 - Результаты расчета

	1,85	2,18	2,45	2,66	2,84	2,99	3,11	3,2	3,28	3,3	3,33
	0,04	0,059	0,078	0,097	0,116	0,135	0,154	0,173	0,192	0,211	0,23

Рис. 2 - График зависимости изменения скорости контактных стержней от их перемещения

5. Определение времени отключения

Время разгона контактных стержней (участок ОА на рис. 2)

с.

Время разгона контактных стержней от скорости до максимальной скорости (участок АВ на рис. 2)

,

где - длина интервала разбиения хода контактных стержней от момента достижения ими скорости до

,

- число разбиений;

- перемещение контактных стержней, соответствующее рабочему ходу штока демпфера ( м).

м;

- среднее значение скорости на k-том интервале

,

где , - скорости в начале и конце i-того интервала соответственно (см. табл. 1)

с.

Время торможения контактных стержней (участок ВС на рис. 2)

,

где - скорость стержней в конце хода демпфера

;

с.

Полное время отключения

с.

6. Определение геометрических параметров привода

Данные для расчета:

Длина кривошипа 10 (рис. 1)

м.

Длина шатуна 9 (рис. 1)

м.

Расстояние между осью поворота кривошипа 10 и осью поворота коромысла 8 (рис. 1)

м.

Длина плеча коромысла 8 (рис. 1)

м.

Длина плеча коромысла 8 (рис. 1)

,

где - угол между прямой и горизонталью (рис. 1, 3)

,

- углы начального и конечного положений кривошипа 10 (рис. 1, 3)

,

где - начальный и конечный углы между кривошипом 10 и шатуном 9 (рис. 1, 3)

,

- начальный и конечный углы между осью шатуна 9 и перпендикуляром к оси коромысла 8 в точке В (рис. 1, 3)

,

;

- углы начального и конечного положений кривошипа 10 (рис. 1, 3)

Примем , .

.

Примем , тогда

м.

Длина тяги 7 (рис. 1, 3) задаем конструктивно

м.

Длина коромысла выключателя 3

,

где - половина угла поворота коромысла выключателя

.

м.

м.

м.

7. Определение кинематических параметров привода

Цель данного этапа - определение отношений скоростей точек D, E, F коромысла выключателя 3 к скорости штока двигателя в зависимости от положения штока. В дальнейших расчетах эти безразмерные соотношения используются для приведения масс и сил сопротивления механизма в фазе включения к штоку.

Примем .

Расчет кинематических характеристик ведется по формулам (7)-(16) для семи положений механизма, результаты сведены в табл. 2.

Скорость движения т. А кривошипа 10 (рис. 1)

, (7)

где - половина угла поворота кривошипа 10 (рис. 1)

;

- шаг изменения угла поворота кривошипа 10 (рис. 1) в i-том положении

.

Угловая скорость вращения кривошипа 10 (рис. 1)

 (8)

Скорость движения т. В коромысла 8 (рис. 1) определяется из плана скоростей для текущего положения, построенных на чертеже.

Угловая скорость вращения коромысла 8 (рис. 1)

(9)

Скорость движения т. С коромысла 8 (рис. 1)

(10)

Вертикальная проекция скорости т. С

, (11)

- шаг изменения угла поворота коромысла 8 (рис. 1) в i-том положении

(по чертежу)

Примем, что вертикальная проекция скорости т. С равна вертикальной проекции скорости т. D ().

Скорость движения т. D

 , (12)

где - половина угла поворота коромысла выключателя 3 (рис. 1)

;

- угол поворота коромысла выключателя 3 (рис. 1) в i-том положении

, , , , , .

Угловая скорость вращения коромысла выключателя 3 (рис. 1)

(13)

Скорость движения т. Е

(14)

Скорость движения т. F

(15)

Координата i-того положений штока, отсчитываемого от положения «отключено»

(16)

По результатам расчета построены графики зависимостей (рис. 4), (рис. 5), (рис. 6).

Таблица 2 - Результаты расчеты

Положение
1	10	1,15	1,14	12,78	1,36	15,83	1,14	2,86	1,43	8,08
2	10	1,06	1,04	11,78	1,24	14,44	1,16	2,9	1,45	8,23
3	10	1,02	1,01	11,33	1,21	14,03	1,19	2,96	1,48	8,44
4	10	1	1,02	11,11	1,22	14,17	1,22	3,04	1,48	8,65
5	10	1,02	1,08	11,33	1,29	15	1,28	3,19	1,6	9,08
6	10	1,06	1,24	11,78	1,48	17,22	1,38	3,45	1,73	9,79
7	10	1,15	1,48	12,78	1,77	20,56	1,48	3,71	1,86	10,5

, м

Рис. 4 - График зависимости скорости движения точки D от хода штока двигателя , м

Рис. 5 - График зависимости точки Е от хода штока двигателя

, м

Рис. 6 - График зависимости точки F от хода штока двигателя

8. Приведение сил сопротивления к штоку двигателя

Мощность приведенной к штоку силы (подчеркнутые слагаемые учитываются только в положениях механизма, в которых контактные стержни вошли в розеточные контакты)

, (17)

где , - вертикальные проекции относительных скоростей движения

т. F и т. Е

(18)

(19)

где - угол поворота коромысла выключателя 3 (рис. 1) в i-том положении

(см. п. 7);

- величина начального натяга:

м.

- величина начального натяга буферной пружины:

,

где - ход буферной пружины, соответствующий ходу контактных стержней

в контактах

м.

м.

- деформация отключающей пружины, соответствующая полному

ходу контактных стержней

м

- КПД механизма

- вертикальное перемещение т. F коромысла в i-том положении, отсчитываемое от нижнего положения

(20)

Результаты расчета по формулам (17)-(20) сведены в табл. 3.

Рассчитаем приведенную силу непосредственно перед () и после () замыкания контактов по методике, изложенной выше. Угол поворота коромысла выключателя, необходимый для замыкания контактов определим графически с чертежа (), угол поворота кривошипа определим из графика зависимости (рис. 7) .

, град

, град

Рис. 7 - График зависимости угла поворота коромысла от угла поворота кривошипа

Расчет скоростей т. Е и т. F в момент входа стержней в контакты ведем по методике, изложенной в п. 10 (,). Результаты расчета сведены в табл. 3. По результатам расчета строим график (рис. 8)

Таблица 3 - Результаты расчета

Положение	1	2	3	4	5	6	7	До замыкания	После замыкания
	1,32	1,4	1,47	1,48	1,59	1,67	1,72	1,67	1,67
	2,64	2,8	2,93	3,04	3,16	3,33	3,43	3,33	3,33
, м	0	0,02	0,043	0,067	0,092	0,114	0,135	0,114	0,114
, Н	147	280	444	603	828	1380	1885	1032	1380

, Н

, м

Рис. 8 - График зависимости приведенной к штоку силы от хода штока двигателя

9. Выбор силовой характеристики двигателя

Характеристика движущих сил линейна

,

где - среднее значение движущей силы в интервале

- коэффициент запаса, гарантирующий включение механизма в случае непредвиденного возрастания сил сопротивления

- полный ход штока двигателя

м

- интеграл, численно равный площади под графиком зависимости (рис. 8)

Н

- крутизна характеристики движущей силы

, (21)

где - силы сопротивления в начальный момент включения ()

Н (см. п. 8)

По результатам расчета построен график зависимости (рис. 9).

, Н

, м

Рис. 9 - График зависимости силы, развиваемой двигателем от хода штока

Время включения должно удовлетворять следующему условию

,

где - время выключения

с (см. п. 5).

Время включения определяем, используя фазовую траекторию движения штока

, (22)

где - приведенная масса в i-том положении штока

, (23)

- горизонтальная составляющая скорости т. Е в i-том положении;

- интеграл, численно равный площади под графиком зависимости до положения

, (24)

где , - величина сил сопротивления в начале и конце i-того интервала соответственно.

- длина интервала разбиения ( м);

- интеграл, численно равный площади под графиком зависимости до положения

(25),

, - величина движущих сил в конце и начале i-того интервала соответственно.

Расчет по формулам (22)-(25) ведется для 11 положений механизма. График зависимости построен в п. 7 (рис. 4), зависимость получена на основе данных п. 7 (рис. 9), значение движущих сил , и сил сопротивления , находятся из графиков зависимости (рис. 9) и (рис. 8) соответственно. Результаты расчета по формулам (22)-(25) сведены в таблице 4. По результатам расчетов построены графики зависимости (рис. 10) и (рис. 11).

Таблица 4 - Результаты расчета

положение (интервал)	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	0	4,4	9,2	14	18,2	21,9	26,7	31,6	36	40,5
	2,86	2,9	2,94	2,96	3,01	3,03	3,12	3,26	3,35	3,58
	2,7	2,79	2,88	2,95	3,02	3,07	3,16	3,25	3,35	3,42
	43,7	46,7	49,8	52,2	54,7	56,6	59,9	63,4	67,3	70,2
	1,71	4,2	7,5	11,63	16,57	22,53	29,7	38	49,41	64,91
	2,21	5,66	10,35	16,26	23,42	31,84	41,5	52,4	64,57	77,96
	0,15	0,25	0,34	0,42	0,5	0,57	0,62	0,67	0,67	0,61

Время включения

с, что удовлетворительно.

,

, м

Рис. 10 - График зависимости скорости штока механизма от его хода , кг , м

Рис. 11 - График зависимости приведенной массы механизма от его хода

10. Силовой расчет механизма привода

Целью данного этапа расчетов является определение усилий в отдельных звеньях привода. Знание этих величин необходимо при прочностном расчете. Определение усилий выполняется в положении «включено».

Схема сил, действующих на коромысло выключателя (рис. 12)

Рис. 12 - Схема нагружения коромысла

Условие равновесия

Н.

Схема сил, действующих на коромысло (рис. 13)



Рис. 13 - Схема нагружения коромысла

Условие равновесия

; (с чертежа)

Н

Усилия, действующие на шарнир (рис. 13)

Условие равновесия

Н.

Условие равновесия

 Н.

Н.

11. Расчет деталей механизма на прочность

11.1. Расчет шарнира на смятие

Условие прочности

,

где - допускаемые напряжения смятия для материала шарнира, выбираемые из /1, таблица 5/. Примем материал трущихся деталей сталь-сталь, способ обработки - сверление без смазки.

- действительные напряжения смятия

,

Н (см. п. 10);

- площадь смятия

.

Примем , тогда

м.

Примем мм.

11.2 Расчет коромысла на изгиб

Условие прочности

,

- допускаемые напряжения смятия для материала коромысла.

Рис. 15 - Расчетная схема коромысла

Примем материал - сталь 40Х /2/

МПа.

- действительные напряжения изгиба

,

где - изгибающий момент в опасном сечении а-а (рис. 15)

- плечо действия силы

м;

 - момент инерции сечения а-а

,

где - толщина коромысла.

Примем м.

Из условия прочности, вынося искомый параметр в левую часть уравнения, получим

м.

11.3 Расчет шатуна АВ на сжатие

Рис. 16 - Расчетная схема шатуна

Условие прочности

,

где - допускаемые напряжения сжатия для материала шатуна.

Примем материал - сталь 40Х /2/

МПа.

- действительные напряжения сжатия

,

- площадь поперечного сечения шатуна (рис. 17)

,

где - диаметр шарниров А, В

м.

Примем мм.

Размеры и заданы конструктивно

, .

.

МПа, что удовлетворительно.

Заключение

В данной работе был изучен механизм и принцип работы привода масляного выключателя. Определена приведенная масса механизма, определены жесткости отключающей и буферной пружин, рассчитано время отключения механизма, определены геометрические параметры механизма, удовлетворяющие его кинематике, установлена линейная зависимость движущих сил, построен график изменения сил сопротивления, найдено время включения механизма. Проведены силовые и прочностные расчеты отдельных звеньев механизма.

При построение чертежа использовалась программа AutoCAD 2002, что позволило значительно увеличить точность определения геометрических и кинематических характеристик.

Список используемой литературы

1. Слива О.К., Ковадло А.

2. А. Проектирование привода масляного

выключателя: Учебное пособие. - Челябинск: ЧПИ, 1985.-43с.

3. Белявский Н.М. Сопротивление материалов. Учебник для ВУЗов.

Изд. 9-е, стереотипное. М., Гос. изд. технико - теор. литературы, 1954.

4. Орлов П.И. Основы конструирования, Т. 1. - М: Машиностроение, 1977.-623с.

Размещено на Allbest.ru