Спроектировать привод к масляному выключателю типа ВМГ-10, взяв за основу привод типа ПЭ-11. Определить время включения и время отключения выключателя со спроектированным приводом.

Исходные данные к проекту сведены в таблицу 1.1.

Таблица 1.1. Исходные данные

Цифра варианта 1

Цифра варианта 5

Цифра варианта

Ψ0

Vp, м/с

Vmax/Vp

H, мм

hk, мм

Gk, Н

1.45

3.4

1.7

280

где

р – отношение длин шатуна АВ и кривошипа О1А;

Vp – скорость контактных стержней в момент размыкания;

Vmax – максимально допустимая скорость контактных стержней;

Н – полный ход контактных стержней;

hk – ход в контактах контактных стержней;

Gk – вес одного контактного стержня.

2. Описание работы механизма

Схема выключателя ВМГ-10 и привода типа ПЭ-11:

Рисунок 2.1. Схема выключателя ВМГ-10 (позиции 1-6) с приводом типа ПЭ-11 (позиции 7-11): 1 – розеточный контакт (3 шт.); 2 – контактный стержень (3 шт.); 3 – коромысло выключателя (3 шт.); 4 – отключающая пружина; 5 – буферная пружина; 6 – демпфер; 7 – тяга; 8 – коромысло четырехзвенника; 9 – шатун; 10 – кривошип; 11 – щека запорного механизма; 12 – пружина запорного механизма; 13 – фиксатор; 14 – пружина фиксатора; 15 – опорная скоба; 16 – пружина опорной скобы; 17 – шток двигателя.

2.1 Фаза отключения

В положении «включено» (рис. 2.1) буферная пружина 5 сжата, а отключающая 4 – растянута. Они стремятся повернуть коромысло 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 О5 (вручную или с помощью электромагнита, который на схеме не показан) щека 11 освобождается и под действием силы со стороны кривошипа 10 поворачивается вокруг оси О4, сжимая пружину 12. При этом шарнир А перемещается влево по торцу опорной скобы 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 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 находиться в положении «отключено» и готов к включению.

2.2 Фаза включения

Включение производится перемещением вверх штока 17 (рис.2.1), приводимого в движение электромагнитным, пневматическим или гидравлическим двигателем. Поднимая вверх шарнир А, шток поворачивает кривошип 10 четырехзвенника О1АВО2 вокруг временно неподвижной оси О1. При этом коромысло 8 и коромысло 3 поворачиваются против часовой стрелки, опуская стержни 2 до полного входа их в розеточные контакты 1. Правое плечо коромысло 3 натягивает отключающую пружину 4 и сжимает буферную пружину 5.

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

Рассмотрев работу механизма, видим, что привод выключателя необходим только в фазе включения и его назначение состоит в преодолении сил отключающей и буферной пружин, сил трения и сил инерции. Поэтому рассчитать и спроектировать привод можно, не рассматривая фазу отключения, в которой движение всего механизма осуществляется за счет потенциальной энергии отключающей и буферной пружин.

3. Определение геометрических параметров привода

Целью данного раздела является определение геометрических параметров привода. При проектировании передаточных механизмов учитывают два основных фактора:

1. Проворачиваемость звеньев, т. е. возможность непрерывного перехода ведущего звена (кривошипа) из начального положения в конечное.

2. Углы давления, т. е. углы между направлением действия силы и вектором скорости соответствующей ведомой кинематической пары, за весь цикл работы механизма не должны превышать допускаемых значений. При увеличении этих углов в механизме возрастают нагрузки, увеличиваются потери энергии на трение (т. е. снижается КПД).

Механизм привода осуществляет преобразование прямолинейного движения штока двигателя во вращающее движение коромысла выключателя при включении, а также обеспечивает согласование силовых характеристик двигателя и потребления энергии. Для построения симметричного четырёхзвенника (рис. 3.1) рассчитаем необходимые параметры, зададим значения углов: При выборе углов ψ0,φ0 учитывается: что при увеличении этих углов возрастают силы сопротивления движению в начале и конце фазы включения, а при уменьшении этих углов растут габариты передачи.

Окончательное значение линейных размеров четырёхзвенника может быть установлено лишь после силового расчёта, когда из условий прочности будут найдены диаметры шарниров в точках А, В, О2 и оценка возможности конструктивного выполнения механизма в пределах найденных габаритов.

3.1 Проектирование шарнирного четырёхзвенника

Полный ход штока: hш=H/3 (3.1)

hш=280/3=93.33 (мм);

радиус кривошипа О1А: RA=hш/2*sin(φ0) (3.2)

Ra=93.33/2*sin(30)=93.33 (мм);

радиус кривошипа O2B: RB =RA*cos(φ0) (3.3)

RB=93.33*cos(30)=68,43 (мм);

длины апофем: аа=Ra*cos(φ0) (3.4)

aB=RB*cos(ψ0) (3.5)

aa=93.33*cos(30)=80.83 (мм);

aB=68.43*cos(43)=50 (мм);

длина шатуна: Lш=p*Ra (3.6)

Lш=1.45*93.33=135.28 (мм);

длина О1О2: (3.7)

где Lш –длина шатуна АВ;

аа, аВ- длины апофем;

l0=(мм);

Полученные размеры четырёхзвенника округляем по ГОСТу 66636-69 и строят в масштабе µL (рис 3.1).

Округлив по ГОСТу 66636 - 69 получим:

Ra=95 (мм), RB=67 (мм), Lш=140 (мм).

Масштаб µL определяется из соотношения:

Ra=µL*О1А (3.8)

где О1А- длина, выбирается произвольно тогда получим

µL=Ra/O1A (3.9)

µL=95/47.5=0.002 (м/мм);

Длины звеньев АВ, О2В, О1О2, для построения четырёхзвенника определяются из выражении:

AB=Lш/µL (3.10)

AB=140/0.002=70 (мм);

О2В=RB/µL (3.11)

O2B=67/0.002=33.5 (мм).

3.2 Проектирование кинематической схемы выключателя с приводом

Для построения кинематической схемы всего механизма масляного выключателя, четырёхзвенник О1А1В1О2 следует повернуть на (90+γ) градусов против часовой стрелки (рис 3.2), где

γ=arctg(r/Lш) (3.12)

где r- параметр, r=aa-aB=80-50=30 (мм),

γ=arctg(30/140)=12.5°.

Коромысло ВO2С будем проектировать т.о., чтобы в крайних положениях прямая O2С образовывала с горизонталью одинаковые углы ψ0=0.5*(ψ2-ψ1). Тогда зависимость между длиной второго плеча коромысла Rc и отношением длин плеч коромысла выключателя EO3M:

(3.13)

(мм);

где: l1- длина DО3, мм;

L – длина ЕО3 мм;

Rc- плечо коромысла, Rc=RB=67 (мм);

Длина тяги CD практически не влияет на кинематику системы, поэтому зададим её такой, чтобы схему механизма удобно было располагать на чертеже. При определении параметров отключающей и буферной пружин считалось, что скорость контактов стержня практически совпадает с вертикальной проекцией скорости шарнира Е. Это условие выполняется достаточно точно во всех точках траектории движения шарнира при малом угле полного поворота коромысла 2θ0. Однако очень малый угол приводит к значительному увеличению размера L и соответственно габаритов выключателя. Исходя из этих соображений, зададим 2θ0=45°, тогда можем найти L:

(3.14)

L=0.5*280/sin(22.5°)=360 (мм).

Длину рычага l2 определяют из соотношения =L/l2, где

α- коэффициент относительной длины рычага коромысла;

α=0.4;

l2=0.4*360=150 (мм).

4. Кинематический анализ механизма

Основной задачей кинематики механизма является изучение движения его звеньев; при этом действующие на звенья силы не учитываются.

Определим отношение скоростей точек C,D, E, М, К коромысла выключателя к скорости штока двигателя в зависимости от положения штока.

Разделим дугу, описываемую точкой А кривошипа О1А при переходе механизма из положения «отключено» в положение «включено» на шесть равных частей (рис. 4.1). Вычертим механизм в крайних и пяти промежуточных положениях, соответствующих семи положениям точки А. Дополнительное восьмое положение механизма получаем, когда подвижные контакты касаются неподвижных контактов(номер этого положения 6к). Для нахождения этого положения механизма, от нижнего (включённого) положения (точка Е2, рис. 4.1) откладываем перемещение подвижного контакта равное hk.

Для решения задачи скоростей, пронумеровываются звенья механизма, начиная с кривошипа О1А. Определяется вид их мгновенного движения.

Затем в каждом из положений механизма определяем линейные скорости точек A, B, C, D, E, М, а также угловые скорости звеньев. Линейную скорость ведущего звена (шток двигателя) будем задавать постоянной и равной единице, поскольку необходимые в дальнейшем передаточные функции представляют отношения соответствующих линейных скоростей к линейной скорости ведущего звена. Таким образом полученные скорости смаштабированными в Vш раз:

Ṽi=Vi/Vш, где i- соответствующая точка механизма. При этом вертикальная проекция скорости точки А, равная скорости штока двигателя. Считается также, что вертикальные проекции скоростей точек C и D одинаковы (VCY=VDY). Расчет скоростей ведется методом мгновенного центра скоростей (МЦС). Рассмотрим положение 1 (рис. 4.1).

ṼA1=Vш/cos(φ0-φi), (4.1)

где φ0=30°; φi- угол отсчитывается от положения «отключено» (φi меняется от 0° до 60°).

VA1=1/cos(30°-0°)=1.15.

Линейная скорость точки В для 1-го положения механизма определяется с помощью МЦС. Для звена АВ МЦС точка Рк лежит на пересечении перпендикуляров к скоростям точек А и В. Зная положение МЦС находим угловую скорость:

ω21=VA1/(A1PK1*µL), (4.2)

где А1Рк1- расстояние от точки А1 до Рк1 в мм;

µL-масштаб чертежа;

ω21=1.15/230*0.002=2.5.

Скорость точки В: VB1= ω21*B1PK1*µL, (4.3)

где B1PK1- расстояние от точки В1 до МЦС в мм;

VB1=2.5*272*0.002=1.36

Коромысло ВО2С совершает вращательное движение, определим его угловую скорость:

ω31=VB1/RB (4.4)

ω31=1.36/67=0.02.

Линейная скорость точки С:

VC1=ω31*Rc (4.5)

VC1=0.02*6.7=1.36.

При принятых допущениях (вертикальные проекции скоростей точек C и D одинаковы VCY=VDY), определяем линейную скорость точки D:

VD1=VC1*cos(ψ0-ψ1)/cos(θ0-θ1), (4.6)

Углы ψ1,θ1- отсчитываются от положения «отключено»;

VD1=1.36*cos(43°-0°)/cos(22.5°-0°)=1.08.

Коромысло выключателя ЕО3М совершает вращательное движение, его угловая скорость:

ωо3=VD1/l1, (4.7)

где l1-длина DO3 в мм;

ωо3= 1.08/120=0.009.

Линейные скорости точек Е и M:

VE1=VD1*L/l1, (4.8)

VM1=VD1*l2/l1, (4.9)

где l2 – длина рычага О3М в мм;

VE1=1.08*360/120=3.24,

VM1=1.08*150/120=1.35.

Скорость точки К определим, приняв, что вертикальная проекция скорости точки Е равна скорости подвижного контакта: VK1=VE1*cos(θ0-θ1) (4.10)

VK1=3.24*cos(22.5°- 0°)=2.99.

Координаты i - ых положений штока отсчитываемые от положения «отключено» вычисляются:

Sш1=Ra*[sin(φ0)-sin(φ0-φ1)] (4.11)

Sш1=95*[sin(30°)-sin(30°-0°)=0.

Координаты Ski положений подвижного контакта методом непосредственных измерений.

Результаты занесены в таблицу 4.1, и по ним построены графики VC(Sш), VD(Sш), VE(Sш), VK(Sш), VM(Sш), Sk(Sш) (рисунки 4.2, 4.3).

Таблица 4.1. Значение передаточных функций

№ пп	ji	ψi	θi	Sшi,мм	Ski мм	Ṽ̃Ai	ṼBi	ṼCi	ṼDi	ṼEi	ṼKi	ṼMi
1	0	0	0	0	0	1.15	1.36	1.36	1.08	3.24	3.12	1.35
2	10	14.3	7.5	15	42	1.06	1.17	1.17	1.06	3.18	3.07	1.33
3	20	28.6	15	31	90	1.02	1.09	1.09	1.05	3.15	3.04	1.31
4	30	42.9	22.5	47.5	140	1	1	1	1	3	3	1.25
5	40	57.2	30	64	180	1.02	1.07	1.07	1.05	3.15	3.04	1.31
6k	47.5	69	37	76	228	1.05	1.11	1.11	1.055	3.165	3.06	1.32
6	50	71.5	37.5	80	232	1.06	1.13	1.13	1.06	3.18	3.07	1.33
7	60	86	45	95	280	1.15	1.36	1.36	1.08	3.24	3.12	1.35

5. Динамический анализ механизма

Задача динамики - анализ загруженности реального механизма. Для упрощения её решения, механизм с одной степенью свободы с совокупностью всех звеньев и усилий заменяют эквивалентной с точки зрения загруженности привода динамической моделью.

Динамическая модель представляет собой одно звено – звено приведения, совершающая простое движение, с переменной массой mпр, с действующим на него усилием двигателя FДВ, приложенного со стороны привода и силами полезных и вредных сопротивлений FСТ.

Определение параметров mПР(Sш) – приведённой массы при поступательном движении звена приведения, называется приведением масс механизма. Основной этап построения динамической модели – приведение статических сил и статических моментов пар сил.

5.1 Приведение масс механизма в фазе отключения

В этом разделе строится приведенная динамическая схема механизма, рассмотрение движения которой позволяет выбрать параметры отключающей и буферной пружин. Этот этап работы называется приведением масс механизма [1].

Выражение для определения приведенной масс:

(5.1) где:

Vпр – скорость точки приведения, м/с;

mj – масса j-ого звена механизма, кг;

Jj – момент инерции j-ого звена относительно центра тяжести, кг/м2;

Vj – скорость центра тяжести j-ого звена, м/с;

ωj – угловая скорость j-ого звена, рад/с;

n – число Скорости Vj и ωj, входящие в формулу (5.1), должны быть выражены через скорость Vпр, однако так как на стадии проектирования неизвестны массы mj и моменты инерции Jj большинства звеньев механизма, то непосредственно формулой (5.1) воспользоваться нельзя. В данном случае прибегнем к различным упрощениям. Одно из них – пренебрежение в сумме (5.1) большинством малых слагаемых.

В качестве точки приведения может быть использована любая точка механизма. В данном случае возьмем точку Е1 крепления подвижного контакта, т.к. скорость подвижных контактов является определяющей при выборе параметров привода. Поскольку в рассматриваемой конструкции основной вклад в mпр вносят контактные стержни, с достаточной степенью точности можно принять

(5.2) где

Gk – вес одного контактного стержня, Н;

g – ускорение свободного падения, м/с2.

5.2 Определение параметров отключающей и буферной пружин

Оптимальные характеристики механизма при отключении достигаются в том случае, если зависимость скорости контактных стержней от их перемещения V(S) (фазовая траектория) имеет вид, показанный на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1. Фазовая траектория контактных стержней

Здесь обозначено: Vp - скорость контактных стержней в момент размыкания; hk - ход в контактах; Vmax - максимально допустимая скорость контактных стержней; H - полный ход контактных стержней.

На первом участке ОА механизм быстро разгоняется до заданной скорости Vp, затем с малым ускорением проходит основной участок пути АВ, и наконец, быстро тормозится на участке ВС. Быстрый разгон механизма на участке ОА обеспечивается параллельной работой отключающей и буферной пружин, а быстрое торможение в конце хода контактов – установкой демпфера.

Страницы: 1, 2