Проектирование привода масляного выключателя

Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации

Кафедра «Прикладная механика, динамика и прочность машин»

Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе

«Проектирование привода масляного выключателя»

Руководитель

«____» __________ 200 г.

Автор работы

Студент Вариант 253

«____» ___________ 200 г.

Работа защищена с оценкой

________________________

________________________

«____» ___________ 200 г.

Челябинск

200

Содержание

Реферат

1. Задание на курсовое проектирование

2. Описание работы механизма

2.1 Схема масляного выключателя ВМГ-10 и привода типа ПЭ-11

2.2 Фаза отключения

2.3 Фаза включения

3. Приведение масс механизма в фазе отключения

4. Определение параметров отключающей и буферной пружин

5. Конструктивный расчет пружин

6. Построение фазовой траектории контактных стержней

7. Определение времени отключения

8. Определение геометрических параметров привода

9. Расчет кинематических характеристик механизма

10. Приведение сил сопротивления к штоку двигателя

11. Выбор силовой характеристики двигателя

12. Силовой расчет механизма привода

13. Расчет деталей механизма на прочность

Заключение

Список использованной литературы

Реферат

Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе «Привод масляного выключателя» объемом 34 листа содержит 21 рисунок, 9 таблиц, библиография включает 3 наименования.

Ключевые слова: масляный выключатель, проектирование привода, приведение силы, отключающая и буферная пружины, выбор привода, расчет на прочность элементов привода.

Данная курсовая работа посвящена проектированию привода масляного выключателя, используемого для включения и отключения трехфазного тока до 110 кВ. На основе заданных геометрических, массовых и эксплуатационных параметров выполнен кинематический и динамический анализ механизма, в результате которого получены зависимости приведенной массы, статических сил сопротивления от смещения точки крепления отключающей пружины (фаза отключения) и от смещения штока привода (фаза включения). В соответствии с этими данными выбраны характеристики пружинного привода (жесткости отключающей и буферной пружин) для фазы отключения и выбраны параметры привода для фазы включения. Построены фазовые траектории контактных стержней в фазах включения и отключения. Выполнены расчеты на прочность элементов привода: осей шарниров (кинематических пар), коромысло четырехзвенника, вал привода, отключающей и буферной пружин.

1. Задание на курсовой проект

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

Цифра варианта 2	Цифра варианта 5	Цифра варианта 3
о	р	Vp, м/с	Vmax/Vp	H, мм	hk, мм	Gk, Н
1.1	0.95	2	1.7	280	45	22

Где о - показатель, характеризующий рост или убывание передаточной функции;

р - отношение длин шатуна АВ и кривошипа О₁А (см. рис. 2.1);

V_p - скорость контактных стержней в момент размыкания, м/с;

V_max - максимально допустимая скорость контактных стержней, м/с;

Н - полный ход контактных стержней, м;

h_k - ход в контактах контактных стержней, м;

G_k - вес одного контактного стержня, Н.

2. Описание работы механизма

2.1 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.

2.2 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.

2.3 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. 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:

(3.1) где

V_пр - скорость точки приведения, м/с;

m_j - масса j-ого звена механизма, кг;

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

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

щ_j - угловая скорость j-ого звена, рад/с;

n - число подвижных звеньев механизма.

Скорости Vj и щj, входящие в формулу (3.1), должны быть выражены через скорость V_пр, однако так как на стадии проектирования неизвестны массы m_j и моменты инерции J_j большинства звеньев механизма, то непосредственно формулой (3.1) воспользоваться нельзя. В данном случае прибегнем к различным упрощениям. Одно из них - пренебрежение в сумме (3.1) 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 m_пр вносят контактные стержни, с достаточной степенью точности можно принять

(кг), (3.2) где

G_k - вес одного контактного стержня, Н;

g - ускорение свободного падения, м/с².

4. 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 4.1.

Рисунок 4.1 - фазовая траектория контактных стержней

Здесь обозначено: V_p - скорость контактных стержней в момент размыкания; h_k - ход в контактах; V_max - максимально допустимая скорость контактных стержней; H - полный ход контактных стержней.

На первом участке ОА механизм быстро разгоняется до заданной скорости V_p, 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.

Подобная фазовая траектория может быть получена за счет соответствующего выбора жесткостей С_от, С_б и предварительных натягов л_о0 и л_б0 отключающей и буферной пружин, обеспечивающего выполнение следующих трех условий:

Скорость разрыва контактов (точка А) должна быть равна заданной величине V_p;

Максимальная скорость контактов (точка В) не должна превосходить V_max;

Отключающая пружина должна удерживать подвижные контакты в верхнем положении (точка С), преодолевая силу их веса с некоторым коэффициентом запаса k_1.

Примем отношение длин O₃F к O₃E (рис. 2.1) равным б, и согласно заданию, выберем из конструктивных соображений б=0.5. Тогда

(м), (4.1)

(м), (4.2) где

л_h - ход отключающей и буферной пружин, соответствующий ходу стержней в контактах, м;

л_оН - рабочий ход отключающей пружины, соответствующий полному ходу контактных стержней Н, м.

Выберем коэффициент предварительного натяга буферной пружины

. (4.3)

Тогда величина предварительного натяга буферной пружины л_бо определяется как

(м). (4.4)

Задав коэффициент запаса k₁, силу трения в контакте F_k и силу трения подвижного контакта в уплотнении F_y

,

(Н), (4.5)

(Н), (4.6)

вычислим минимально допустимую величину предварительного натяга отключающей пружины

(4.7)

Выберем в_о=0.4. Аналогично параметру в_б определим величину предварительного натяга отключающей пружины л_о0

(м). (4.8)

Находим максимальное и минимально допустимое значение для жесткости отключающей пружины С_от, Н/м:

, (4.9)

. (4.10)

Подставим в (4.9) и (4.10) численные значения:

(Н/м),

(Н/м).

Примем С_от=2850 Н/м. Тогда жесткость буферной пружины С_б, определяется из условия

, (4.11)

(Н/м).

Примем С_б=10200 Н/м.

На рисунке 4.2 изображены зависимости усилий, развиваемых отключающей и буферной пружинами, от вертикальной проекции л перемещения точки F коромысла (рис. 2.1), приближенно совпадающей с изменением длины пружин.

Рисунок 4.2 - Характеристики отключающей (1) и буферной (2) пружин: л_k - ход отключающей и буферной пружин, соответствующий ходу стержней в контактах; л_од - ход отключающей пружины, соответствующий рабочему ходу штока демпфера; л_он - деформация отключающей пружины, соответствующая полному ходу контактных стержней Н. отсчет координаты л ведется от верхнего положения точки F

5. Конструктивный расчет пружин

Целью этого расчета является определение диаметра проволоки d, из которой изготавливается пружина, диаметра проволоки D, числа ее витков n и длины. Последовательность расчета дана в работе [2]:

Выбираем материал пружины и назначаем допускаемое напряжение. Обычно при малых диаметрах проволоки (d?8 мм) берут углеродистую сталь нормальной прочности (Н). При больших диаметрах d следует применять марганцовистые и кремнистые стали. Допускаемое касательное напряжение в пружине назначается в соответствие с формулой (5.1)

, (5.1)

где у_вр - временное сопротивление при растяжении, Па; выбирается из таблицы 5.1 в зависимости от диаметра d, мм.

Таблица 5.1

d, мм	3	3.5	4	4.5	5	6	7	8
увр, МПа	1200	1200	1100	1100	1000	1000	950	950

Выбираем индекс пружины . Для отключающей пружины, работающей на растяжение, примем н_от=8. для буферной пружины, работающей на сжатие, н_б=6.

Из условия прочности пружины определяем диаметр проволоки:

, (5.2) где

, (5.3)

. (5.4)

Здесь л_max - наибольшая деформация пружины, м.

Для отключающей пружины:

(м),

(Н),

.

Предположив d_o=6 мм, выберем из таблицы у_вр=1000МПа.

(мм).

Примем d_o=6 мм. Тогда диаметр отключающей пружины

(м).

Для буферной пружины:

(м),

(Н),

.

Предположив d_б=4 мм, выберем из таблицы у_вр,б=1100МПа.

(м).

Примем d_б=6 мм.

Тогда диаметр буферной пружины

(м).

Число витков пружины

, (5.5)

где G - модуль упругости при сдвиге, Па. Для большинства конструкционных сталей G=8.0*10¹⁰ (Па).

Число витков отключающей пружины

.

Примем n_о=39.

Число витков буферной пружины

.

Примем n_б=21.

Длина отключающей в ненагруженном состоянии Н_о, м

, (5.6)

где h_пр - длина одного прицепа, м. Примем h_пр=0.5D.

(м).

Длина отключающей пружины в нагруженном состоянии Н_от, м

(м). (5.7)

Длина буферной пружины в ненагруженном состоянии Н_б, м

(м). (5.8)

6. Построение фазовой траектории контактных стержней

В этом разделе строится зависимость скорости контактных стержней V от их перемещения S (рис. 4.1) на участке АВ от момента разрыва контактов до момента встречи коромысла со штоком демпфера. Для этого разбиваем ход контактов на участке АВ на n=10 частей и вычисляем скорости контактов в конце каждого из участков.

Координата точки А

(м). (6.1)

Координата точки В

(м). (6.2)

Длина участка АВ

(м). (6.3)

Длина участка разбиения

(м). (6.4)

На основании теоремы об изменении кинетической энергии получаем

, (6.5)

где V_i - скорость контактов (м/с) на участке S_i; здесь S_i, м определяется по формуле

. (6.6)

Подставляем численные значения в (6.5)

.

Результаты расчета сводим в таблицу 6.1. Для построения графика фазовой траектории контактных стержней, согласно заданию зададим скорость стержней в конце хода демпфера V_c=0.4 м/с, также примем перемещение контактных стержней соответствующее ходу демпфера равным h_д=h_k=0.045 м.На основе этих данных и значений из таблицы 6.1 строим соответствующий график (рис. 6.1).

Таблица 6.1

i	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Si, м	0.045	0.066	0.087	0.108	0.129	0.15	0.171	0.192	0.213	0.234
Vi, м/с	2	2.22	2.398	2.547	2.669	2.770	2.851	2.914	2.960	2.988

Полученная зависимость V(S) вплоть до точки В является возрастающей, а скорость контактных стержней в точке В не превышает значения V_max:

V(S_B)=2.988 (м/с);

V_max=3.4 (м/с).

Выполнение этих двух условий означает, что величины С_от и л_о0 были найдены верно, и расчет по формуле (6.5) проделан верно.

7. Определение времени отключения

Время отключения является одной из важнейших характеристик выключателя. Полное время отключения Т, с складывается из времени отключения на трех участках: ОА, АВ и ВС (см. рис. 7.1)

T=t₁+t₂+t₃, (7.1) где

t₁ - время разгона контактных стержней от нулевой скорости до V_р (участок ОА), с;

t₂ - время разгона от момента разрыва контактов до момента встречи коромысла со штоком демпфера (участок АВ), с;

t₃ - время торможения (участок ВС), с.

Время разгона контактных стержней от нулевой скорости до V_р с достаточной степенью точности может быть получено при условии, что ускорение стержней а_ст, м/с² здесь считается постоянным. Это допущение обусловлено тем, что сила действия буферной и отключающей пружин на участке ОА изменяется незначительно. Тогда, получим

(с). (7.2)

Время разгона t₂ находим пользуясь соответствующими точками фазовой траектории, как площадь под графиком V(S). Для этого график V(S) на участке АВ разбивается на n=10 частей.

(c), (7.3) где

?S_k - длина интервала разбиения, м;

V_i - среднее значение скорости на i-ом участке, м/с; значения берутся из табл. 6.1.

Рисунок 7.1 - определение времени отключения

Найдем t₃, с - время торможения до достижения контактными стержнями в конце хода демпфера скорости V_с. Тогда получим

(с). (7.4)

Сложив t₁, t₂, t₃ получим полное время отключения

T=t₁+t₂+t₃=0.045+0.076+0.032=0.153 (с).

8. Определение геометрических параметров привода

Механизм привода осуществляет преобразование прямолинейного движения штока 17 (рис. 2.1) двигателя во вращательное движение коромысла выключателя 3 при включении, а также обеспечивает согласование силовых характеристик двигателя и потребителя энергии.

Для построения четырехзвенника (рис. 8.2) рассчитаем необходимые параметры.

Зададим следующие значения углов:

ц₁=60°, ?ц=60°, ?ш=90°, б?120°.

Рисунок 8.1 - схема четырехзвенника в положении «включено» (О₁АВО₂) и «выключено» (О₁А^/В^/О₂).

Определим радиус кривошипа О₁А:

(мм). (9.1)

Определим длину шатуна:

(мм). (8.2)

Определим радиус кривошипа О₂В:

; (8.3)

(мм).

Коромысло ВО₂С будем проектировать таким образом, чтобы в крайних положениях прямая О₂С образовывала с горизонталью одинаковые углы ш₀=0.5(ш₂ - ш₁) (рис. 8.3). Тогда из условия равенства хорд СС^/ и DD^/ получим зависимость между длиной второго плеча коромысла R_с и отношением длин плеч коромысла выключателя EO₃F:

, (8.4) где

l₁ - длина DO₃;

L - длина EO₃ (рис. 9.3).

Зададим , тогда:

(мм).

Очень малый угол поворота коромысла 2и₀ приводит к заметному увеличению размера L и соответственно габаритов выключателя. Исходя из этих соображений, зададим 2и₀=45⁰, тогда зная Н, можно найти:

(мм). (8.5)

Из соотношений l₁/L=0.4 и l₂/L=б находим l₁ и l₂:

l₁=0.4*L=146.4 (мм);

l₂=0.5*L=183 (мм).

Рисунок 8.2 - схема симметричного четырехзвенника.

9. Расчет кинематических характеристик механизма

Определим отношение скоростей точек D, E, F 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. 8.3). Вычертим механизм в крайних и пяти промежуточных положениях, соответствующих семи положениям точки А. Затем в каждом из положений механизма определяем линейные скорости точек A, B, C, D, E, F, а также угловые скорости звеньев O₁A, BC, EF. При этом вертикальная проекция скорости точки А, равная скорости штока двигателя, принимается равной единице (V_AY=1). Считается также, что вертикальные проекции скоростей точек C и D одинаковы (V_CY=V_DY). Расчет скоростей ведется графоаналитическим способом (рис. 9.1).

;

; ; ; ; ; ;

; ; .

Результаты расчета представлены в таблице 9.1, и по ним построены графики V_D(V_ш), V_E(V_ш), V_F(V_ш) (рис.9.2). Координаты i-х положений штока, отсчитываемые от положения «отключено», вычисляются по формуле:

, (9.1)

полученные значения Sш_i также представлены в таблице 9.1.

Таблица 9.1

											Sш, м
1	0°	1.15	1.35	12.23	1.61	20.15	1.33	3.33	1.66	8.44	0
2	10°	1.05	1.15	11.17	1.37	17.16	1.25	3.13	1.56	8.31	0.015
3	20°	1.01	1.05	10.74	1.25	15.67	1.204	3.01	1.505	8.17	0.031
4	30°	1	1	10.63	1.19	14.93	1.18	2.94	1.47	8.04	0.047
5	40°	1.01	1.05	10.74	1.25	15.67	1.204	3.01	1.505	8.17	0.0629
6	50°	1.05	1.15	11.17	1.37	17.16	1.25	3.13	1.56	8.31	0.0789
7	60°	1.15	1.35	12.23	1.61	20.15	1.33	3.33	1.66	8.44	0.094

10. Приведение сил сопротивления к штоку двигателя

Условие равенства мощности приведенной к штоку силы Q сумме мощностей всех сил сопротивления выключателя запишем следующим уравнением:

, (10.1) где

F_j - активные силы и силы трения, приложенные в j-х точках механизма; V_j - скорости j-х точек вдоль направления сил F_j;

M_k - момент сил трения в k-х шарнирах;

щ_k - взаимные угловые скорости элементов, сопрягаемых в k-х шарнирах.

Разделив формулу (10.1) на V_ш получим:

, (10.2)

отбросив в формуле (10.2) слагаемые, выражающие работу сил трения, и разделив оставшееся на з, для каждого из семи положений механизма получим:

, (10.3) где

i - номер текущего положения штока;

Q_i - приведенная сила сопротивления, Н;

з_i - коэффициент полезного действия.

Вертикальные проекции скоростей определим по формулам:

; (10.4)

, (10.5) где

и₀ - угол поворота коромысла;

иi - текущее значение угла поворота коромысла, отсчитываемое от положения «отключено».

Перемещение л_i определяется выражением:

, (10.6)

где l₂ - длина коромысла O₃F.

Коэффициент з для всех положений можно считать одинаковым. Выберем з=0.85.

В соответствии с выражениями (10.4), (10.5) и (10.6) найдем значения вертикальных проекций скоростей точек E и F, а также перемещения л, и занесем их в таблицу 10.1

Таблица 10.1

i	1	2	3	4	5	6	7
иi ,°	0	7.5	15	22.5	30	37.5	45
VFY	1.534	1.507	1.49	1.47	1.49	1.507	1.534
VEY	3.08	3.03	2.99	2.94	2.99	3.03	3.08
лi	0	0.0227	0.0461	0.07	0.0939	0.117	0.1599

Кроме выбранных семи положений также выполним расчет приведенной силы Q(S_ш) в положениях механизма непосредственно перед замыканием и сразу же после него, то есть при ц_-=ц_б-0 и ц₊=ц_б+0. Здесь ц_б - угол поворота звена О₁А, соответствующий моменту замыкания контактов.

В момент замыкания контактов угол и_б определим из условия

(10.7)

Найдем силы сопротивления. Подчеркнутые в (10.3) слагаемые включаются в сумму только в тех положениях механизма, в которых контактные стержни вошли в розеточные контакты, а точка F коромысла соприкоснулась с буферной пружиной, то есть когда выполняется условие

ц?ц_б. (10.8)

Величину угла ц_б определяем из графика и=и(ц) (рис. 10.1)

ц_б=50.5⁰.

Для упрощения расчета примем с большой степенью точности, что замыкание контактов происходит в шестом положении коромысла EF.

л_б=0.119 (м);

Q_б=1310.88 (Н);

S_шб=0.0799 (м).

Произведя расчет Q(S_ш), сведем полученные данные в таблицу 10.2 и построим график функции Q(S_ш) (рис. 10.2 (1)).

Таблица 10.2

i	1	2	3	4	5	6	7
Sш, м	0	0.015	0.031	0.047	0.0629	0.0789	0.094
Q, Н	431.5	538.8	649.4	758	888.2	1015.3	1350.9

11. Выбор силовой характеристики двигателя

Очевидно, что включение выключателя произойдет лишь в том случае, если работа двигателя на участке пути от начала движения до любого промежуточного положения будет не меньше работы сил сопротивления на этом же участке пути. В начальной фазе движения для того, чтобы механизм тронулся с места и разогнался до некоторой скорости, движущие силы должны быть больше сил сопротивления. В дальнейшем для того, чтобы обеспечить безударное торможение, большими должны стать силы сопротивления. Запишем это соотношение для случая S_ш= S_ш0:

, (11.1)

где k₃ - коэффициент запаса, гарантирующий включение механизма в случае непредвиденного увеличения сил сопротивления или уменьшения движущих сил по сравнению с номинальными. Зададим k₃=1.2. Тогда работа сил сопротивления A_Q, Дж находится из условия (11.1), где интеграл будем считать как площадь под графиком функции Q(S) (рис. 10.2(1)), что приближенно равно

, (11.2) где

m - номер участка разбиения;

S_Qm - площадь соответствующей трапеции, находится по формуле:

, (11.3)

Результаты расчета площадей по формуле (11.3) сведены в таблицу 11.1.

Таблица 11.1

m	1	2	3	4	5	6
SQm, Дж	7.277	9.505	11.259	13.087	15.228	20.096

Подставив в (11.2) численные значения, получим

A_Q=76.452 (Дж).

Представим линейную характеристику движущих сил в виде

, (11.4)

где Р_ср - среднее значение силы в интервале 0?S_ш?S_ш0. подставив (11.4) в (11.1) и проинтегрировав левую часть равенства (11.1), получим выражение для определения Р_ср

(Н). (11.5)

Найдем максимально допустимое значение крутизны характеристики движущих сил

(Н/м). (11.6)

Примем k=3500 (H/м).

Подставив численные значения в формулу (11.4) найдем значение силы, развиваемой двигателем и используя данные таблицы 10.2, построим таблицу значений для силы, развиваемой двигателем (табл. 11.2), и график зависимости Р(S_ш) (рис. 10.2(2)).

Таблица11.2

Sш, м	0	0.015	0.031	0.047	0.0629	0.0789	0.094
Р, Н	811.5	864	920	976	1031.6	1087.6	1140.5

Как и в фазе отключения, при определении m_пр, кг можно пренебречь всеми слагаемыми, входящими в правую часть выражения (3.1), кроме слагаемого, содержащего массу контактных стержней. Используя подобное допущение, получим

. (11.7)

Здесь - вертикальная составляющая относительной скорости точки Е коромысла выключателя (табл. 10.1). Результаты расчета сведены в таблицу 11.3 и по ним построен график приведенной массы механизма в фазе отключения (рис. 11.1).

Время включения будем находить на основе фазовой траектории штока.

Фазовую траекторию штока будем строить, используя теорему об изменении кинетической энергии системы

, (11.8)

где Vш_i - скорость штока, соответствующая i-ому перемещению штока из семи положений механизма, м/с.

Здесь интегралы в правой части выражения - работы сил двигателя и сил трения на участке, соответствующего i-ому перемещению штока, численно равные площадям соответствующих криволинейных трапеций (см. рис. 10.2). Для удобства расчета обозначим:

, (11.9)

. (11.10) Тогда

. (11.11)

Также найдем значения скоростей контактных стержней V_стi, м/с используя формулу

, (11.12)

и соответствующее им значения перемещений контактных стержней

. (11.13)

Результаты расчетов сведены в таблицу 11.3 и по ним построены графики фазовых траекторий штока (рис. 11.2) и стержней (рис. 11.3).

Таблица 11.3

i	1	2	3	4	5	6	7
mпрi, кг	63.88	61.83	60.2	58.21	60.2	61.83	63.88
I1(i)	0	12.57	26.84	42	57.97	74.92	91.744
I2(i)	0	7.27	16.75	27.95	41.5	57.08	77.176
Vшi, м/с	0	0.474	0.579	0.695	0.739	0.761	0.675
Vстi, м/с	0	1.436	1.731	2.043	2.209	2.305	2.079
Sстi, м	0	0.0453	0.0922	0.14	0.1878	0.2348	0.28

Время включения будем определять, используя фазовую траекторию движения штока V_ш(S_ш), аналогично тому, как это было сделано в разделе 8 при определении времени прохождения контактными стержнями участка АВ. Разбив весь ход штока на 6 равных частей и выбрав значения перемещений из таблицы 11.2, а значения скоростей из таблицы 11.3, вычислим время включения Т* по формуле

(с). (11.14)

Проверим полученное значение на вхождение в заданный интервал (Т - время отключения, с)

0.8Т?Т*?1.2Т. (11.15)

Подставим численные значения в формулу (11.15)

0.124с?0.182с?0.184с

Неравенство верно, следовательно время включения определено правильно.

12. Силовой расчет механизма привода

Целью данного этапа расчетов является определение усилий во всех звеньях привода. Знание этих усилий необходимо при проектном прочностном расчете. Определение усилий выполняется лишь в одном положении механизма, характеризуемом наибольшей нагруженностью привода. Таковым является положение «включено».

После полной остановки контактных стержней их сила инерции перестает действовать на коромысло EF и последнее удерживается в положении «включено» лишь за счет силы N₁, Н со стороны тяги CD (рис. 12.1) и веса контактных стержней 3G_k.

Рисунок 12.1 - схема сил, действующих на коромысло выключателя в положении«включено» Рисунок 12.2 - схема сил, действующих на коромысло привода в положении «включено»

Поскольку механизм находится в покое, силы трения отсутствуют. Составим уравнение равновесия моментов всех сил относительно оси О₃

, (12.1) из которого найдем

, (12.2)

где Р_от и Р_б - силы отключающей и буферной пружин соответственно.

(Н), (12.3)

(Н). (12.4)

N₁=1416.1 (Н).

Для нахождения силы N₂, Н сжимающей шатун АВ, и реакции R_2X, Н, R_2Y, Н в шарнире О₂ рассмотрим равновесие коромысла привода ВО₂С (рис. 12.2), где h_В, м и h_С, м - плечи сил N₂ и N₁ соответственно, могут быть найдены по формулам:

(м), (12.5)

(м). (12.6)

Записав уравнение равновесия для моментов всех сил относительно оси О₃

, (12.7)

найдем из него силу N₂

N₂=1740.88 (Н).

Реакции R_2X, R_2Y найдем из условия равенства нулю суммы проекций всех сил на соответствующие оси

R_2X=0 (Н), (12.8)

R₂= R_2Y= N₁+ N₂=3156.98 (Н). (12.9)

Сжимающее усилие в кривошипе АО₁, достаточное для опрокидывания щеки 11 (рис 2.1)

N₃=0.2 N₂=348.18 (Н). (12.10)

Положение шарнира О₄ можно найти следующим образом. Отложим от точки А силу N₂, действующую на шарнир со стороны шатуна АВ, а из конца вектора N₂ отложим вектор N₃, параллельный АО₁. Вектор N₄ является равнодействующей сил N₂ и N₃. он уравновешивается реакцией опорной скобы R, которая вследствие действия сил трения при соскальзывании оси А по опорной поверхности скобы влево отклонена от нормали к этой поверхности на угол с.

tgс=f,

где f=0.15 - коэффициент трения.

с=arctg0.15=8°.

Определяем силу N₄. Строим схему сил, приложенных к опорной скобе (рис. 12.3). Окончательное положение оси О₄ также может быть установлено лишь после выполнения прочностного расчета. Оно должно быть выбрано таким образом, чтобы шток двигателя при работе не задевал ось О₄.

Рисунок 12.3 - схема сил, приложенных к опорной скобе

N₄²= N₃²+ N₂²-2 N₃ N₂cos60 (12.11)

N₄=1595.54 (Н).

13. Расчет деталей механизма на прочность

В этом разделе производится расчет на прочность наиболее нагруженных элементов привода - осей шарниров, коромысла четырехзвенника.

Из условия прочности шарнира на смятие найдем минимальное значение диаметра шарнира d_ш, м:

, (13.1) где

N_max - максимальное усилие воспринимаемое шарниром, Н;

[у]_см - допускаемое напряжение на смятие, выбираемое из условия невыдавливания смазки, Па. Выберем [у]_см=10 (МПа).

Тогда по формуле (13.1) найдем значения диаметров шарниров В, О₂, С. На каждый из них действует сила N₂, R , N₁ соответственно, достигающая своего максимального значения в фазе включения. Значения этих сил были найдены в разделе 12. подставив численные данные в (13.1), имеем:

(м),

(м),

(м).

Полученные по формуле диаметры переведем в миллиметры и увеличим до ближайшего числа из ряда Rа20:

d_В=14 (мм),

d_О2=18 (мм),

d_С=12 (мм).

Рисунок 13.1 - эскиз коромысла четырехзвенника к его расчету на прочность при изгибе.

Расчет коромысла ВО₃С может быть выполнен как проектировочный. Толщина b_k, м коромысла (рис. 13.1) принимается следующей: b_k= d_О2=0.02 (м). Тогда высота Н_к, м сечения а-а определяется из условия прочности на изгиб

, (13.2) где

у_max - максимальное напряжение в сечении а-а, Па;

[у] - допускаемое напряжение на изгиб, Па; согласно заданию [у]=100МПа;

М_АА - момент сил в сечении, Н*м;

J_АА - момент инерции в сечении, м³.

Здесь

(Н*м), (13.3)

. (13.4)

Величина d_О2 известна из расчета шарнира на смятие. Сила N₂ и плечо h_В были определены в разделе 12. Подставив (13.3) и (13.4) в (13.2) получим неравенство относительно Н_к:

.

Решив это неравенство получим минимально допустимое значение Н_к = 0.023 (м). согласна ряду Rа20 примем примем Н_к=0.025 (м).

Шатун АВ конструктивно выполняется в виде двух параллельно расположенных пластин. Они работают на сжатие и должны быть рассчитаны на устойчивость в плоскости минимальной жесткости. К каждой из пластин прикладывается половина продольной силы N₂. Пластины можно считать шарнирно закрепленными по краям. Размеры b_ш и h_ш зададим конструктивно

b_ш =0.5d_В =7 (мм), (13.5)

h_ш = 2d_В =28 (мм). (13.6)

Заключение

1. В пункте 1 данной курсовой работы сформулирована задача курсового проектирования: спроектировать привод масляного выключателя, и приведены необходимые для этого данные, согласно варианту.

2. Пункт 2 содержит описание работы масляного выключателя ВМГ-10, в дух его фазах: включения и отключения.

3. В пункте 3 произведен расчет приведенной массы m_пр=6.72 кг.

4. В пункте 4 произведены расчеты: хода отключающей пружины л_h =0.0225м, и ее рабочий ход л_оН=0.14м; предварительный натяг буферной л_б0=0.0338м, и отключающей пружин л_о0=0.056м; минимально возможная жесткость отключающей и буферной пружин С_от=2850Н/м и С_б=10200Н/м соответственно.

5. В пункте 5 проведен конструктивный расчет пружин: вычислены диаметры отключающей D_о=0.045м и буферной пружин D_б=0.027м, и найдено количество их витков n_о=39 и n_б=21 соответственно.

6. В пункте 6 рассчитана зависимость скорости контактных стержней от их перемещения, построена кривая фазовой траектории контактных стержней.

7. Пункты 7 и 11 содержат расчеты времени отключения и включения соответственно Т=0.153 и Т*=0.182, с. В пункте 11 также рассчитаны зависимости работы силы двигателя и сопротивления (п.10), скорости штока, скорости и перемещения контактных стержней от положения механизма.

8. В пункте 8 произведены расчеты для определения геометрических размеров привода:

R_А=0.094м;

L_ш=0.103м;

R_В=0.067м;

R_С=0.080м;

l₁=0.146м;

l₂=0.183м.

9. В пункте 9 произведен расчет относительных скоростей всей крайних точек привода в семи положениях.

10. В пункте 12 выполнен силовой расчет механизма, определены силы, действующие на шатун АВ: N₁=1416.1 Н, N₂=1740.88 Н, N₃=348.18 Н, N₄=1595.54 (Н).

11. В пункте 13 произведен расчет деталей механизма на прочность, определены диаметры осей: d_В=14 мм, d_О2=18 мм, d_С=12 мм.

Список используемой литературы

1. Слива О.К., Ковадло А.А. Проектирование привода масляного выключателя: Учебное пособие. - Челябинск: ЧПИ. 1985. - 43

2. Степин П.А. Сопротивление материалов. - И.: Высшая школа. 1983. - 303 с.

3. Стандарт предприятия: СТП ЧГТУ 04-96: Курсовые и дипломные проекты. Общие требования к оформлению. - Челябинск: ЧГТУ. 1996. - 37 с.