Кинематика коммутирующих контактов

При включении коммутационных аппаратов поверхности их контактов должны самозачищаться, взаимно перемещаясь. Это воз­можно, если контактные поверхности при включении под давлением проскальзывают друг относительно друга, стирая поверхностную пленку и возможные загрязнители. Такой процесс часто называют притиранием контактов. Его можно осуществлять, придавая спе­циальные формы контактным деталям и траектории их перемеще­ния. Как правило, в коммутационных аппаратах перемещается толь­ко один контакт из контактной пары, а другой остается неподвиж­ным. Аппараты, в которых перемещаются оба контакта сравнитель­но редки, так как имеют более сложную конструкцию.

У контактов, размыкающих цепи под током, место продолжи­тельного рабочего соприкосновения контактных поверхностей долж­но быть удалено от места их первоначального соприкосновения при замыкании цепи и конечного соприкосновения при ее размыкании. Это необходимо для того, чтобы электрическая дуга, образующаяся при размыкании цепи и оплавляющая контакты, не повреждала их рабочие поверхности.

Первоначально в электрических аппаратах применяли исклю­чительно скользящие поверхностные контакты (см. рис. 2.15). Их неподвижные пружинящие контакты — пальцы — замыкаются (раз­мыкаются) подвижными контактами, обычно поворачивающимися. Пластины из меди или латуни в виде изолированных разрезных колец на валу или сегментов на изоляционном барабане либо сек­торе при коммутациях проскальзывают под пальцами, осуществляяпереключения в нужной последовательности. В силовых цепях кон­цы пальцев имеют сменные изнашивающиеся части — сухари, соз­дающие поверхностные контакты между ними и сегментами. Такие конструкции ненадежны, так как загрязнения поверхностными контактами удаляются плохо, а при попадании между контактными поверхностями крупных загрязнителей (например, песчинок) или при местном оплавлении поверхностей вообще может нарушиться нормальное прохождение тока. От поверхностных контактов пере­шли к линейным, придавая соответствующую форму профилю пальца или его сухаря.

Однако основным недостатком скользящих контактов оказалась трудность осуществления дугогашения. Создать для этих кон­тактов эффективные дугогасительные системы достаточно труд­но, и длительное время на базе этих контактов выполняли такие аппараты силовых цепей, как реверсоры, тормозные переключате­ли, в которых дугогашение не требуется. Однако и в этом случае скользящие контакты применяют все реже, так как они мало при­способлены для крупносерийного и массового производства. По­этому их во все меньших количествах применяют только в цепях управления. В тяговых аппаратах основной вид коммутирующих контактов силовых цепей — линейные стыковые контакты, в це­пях управления — точечные.

Притирание (самозачистка) точечных контактов осуществляет­ся вследствие деформации упругих конструктивных элементов их крепления. В простейшем мостиковом контакте (рис. 2.23, а) це­пей управления роль упругого элемента выполняет пружинная тра­верса мостика; к ней припаяны или приварены подвижные контакты.

Рис. 2.23. Схемы, поясняющие притирание точечных контактов

1. При включении они перемещаются в направлении, указан­ном на рис. 2.23, а стрелкой до соприкосновения с плоскими непо­движными контактами 2, После соприкосновения в точках сила 2 , приложенная к середине траверсы, изгибает ее. Одновремен­но контакты 1 поворачиваются на угол, рад,

(2.41)

где Е — модуль упругости материала траверсы, Па; I — расстояние между осями контактов, м; J - момент инерции сечения траверсы, м4: J = b .

В результате поворота подвижных контактов на угол а точка соприкосновения переместится из положения в (рис. 2.23, б) по неподвижному контакту на расстояние sin .

Соответственно по поверхности контакта 1 точка соприкоснове­ния переместится на расстояние sin

Взаимное проскальзывание одного контакта по другому

(h-r) sin . (2.42)

Обычно для точечных контактов достаточно проскальзывание 0,3 1,0мм. Для серебряных контактов и для контактов из металлокерамики на основе серебра значение Дск может быть снижено и получено лишь за счет небольших зазоров в подвижных частях аппарата. Для сравнения следует отметить, что скользящие контакты цепей управления выполняют с пальцами в виде стальных контактных пружин, при этом необходимо иметь проскальзывание 4 8 мм.

Для стыковых коммутирующих контактов существенное'значе­ние имеет начальный раствор, т. е. минимальное расстояние меж­ду неизолированными токоведущими частями, находящимися под противоположным потенциалом. Начальный раствор зависит от степени возможной ионизации и загрязнения окружающего про­странства и в первую очередь от номинального напряжения на разомкнутых контактах (рис. 2.24).

У стыковых линейных контактов необходимо удалять на 10— 25 мм линию первичного соприкосновения от линии рабочего, ко­торая проходит примерно посередине (по толщине) привалочной полки грибкового контакта (рис. 2.25). На рис. 2.25 верхний кон­такт неподвижный, нижний — подвижной, представленный в двух предельных положениях: при первоначальном соприкосновении (сплошные линии) и в рабочем положении (штриховые). Переход из одного состояния в другое происходит путем без разрывного пере­катывания контактной поверхности подвижного контакта по по­верхности неподвижного с одновременным его поворотом на угол .

Для самозачищения контактных поверхностей необходимо, что­бы траектории соприкосновения при включении или выключении на неподвижном и на подвижном контактах были неравны. Как правило, должно выполняться условие

= - (0,10 0,25) (2.43)

При меньших значениях поверхности зачищаются недоста­точно, при больших происходит их слишком быстрое изнашивание. Для металлокерамических накладок значения можно умень­шать на 25—30%.

Рис. 2.24.Раствор коммутирующих контактов тяговых аппаратов в зависимости от : 1 - при слабом загрязнении камеры и малой ионизации; 2 - при интенсивном загрязне­нии и сильной ионизации.

Рис. 2.25. Предельные положения грибковых стыковых контактов

Рассмотрим узел подвижной части контактора с грибковыми стыковыми контактами (рис. 2.26). Рычаг 1 может поворачиваться относительно закрепленной оси под воздействием силы привода , приложенной к шарниру . Рычаг 2 держателя подвижного контакта 4 поворачивается на оси относительно рычага 1, До тех пор, пока контакт 4 не соприкоснется с неподвижным контактом 3, рычаг 2 отжимается притирающей пружиной 7, находящейся между упором 8 рычага / и упорным кронштейном 6 рычага 2 в крайнее положение. При этом кронштейн 6 упирается в упор 5 ры­чага 1. В таком состоянии вся подвижная система может переме­щаться, поворачиваясь относительно точки до тех пор, пока пос­ле соприкосновения контактов между ними не возникнет сила – контактное нажатие.

Рис. 2.26. Подвижная часть контактора (а) и ее кинематическая схема (6)

Под действием контактного нажатия , преодолевая момент, создаваемый пружиной 7, рычаг 2 поворачивается, обеспечивая по­ворот контакта 4 и перемещение его поверхности по поверхности контакта 3. Для изучения происходящих процессов удобно поль­зоваться кинематической схемой (рис. 2.26, б), в которой отдель­ные элементы представлены линейными звеньями, разделенными точками сочленения. Например, рычагу 1 соответствует звено .

При рассмотрении процессов взаимного перемещения контак­тов точки их закрепления целесообразно располагать в центрах Ц, из которых контактные поверхности описаны радиусами R. Обычно точки Ц лежат на осевой линии привалочной полки грибкового контакта толщиной Ь, т. е. на расстоянии b/2 от привалочной плос­кости. В кинематической схеме можно не изображать все детали упоров, ограничивающих повороты звеньев, а лишь учитывать уг­ловые ограничения поворотов. В рассматриваемом случае угол ограничивает поворот рычага 2 относительно рычага 1.

Определим перемещение подвижной системы контактора с по­мощью кинематической схемы (рис. 2.27). Известно расстояние L от точки до привалочной плоскости неподвижного контакта, а также тип грибкового контакта. По соображениям, приведенным ранее, известна и точка А рабочего соприкосновения контактов. Точку В начального соприкосновения для неподвижного контак­та находят, отложив по его поверхности расстояние /н, определен­ное ло формуле (2.43). Положение подвижного контакта устанав­ливают, найдя для него положение точки , которая должна быть на продолжении прямой, соединяющей точки и В, на расстоянии R от точки В. Кроме того, для этого контакта в соответствии с урав­нением (2.43) точка рабочего соприкосновения должна находить­ся от точки В на расстоянии В≅ = + ≅(1,1÷1,25)

Положение точки , соответствующей полностью разомкнуто­му состоянию аппарата, определяют исходя из принятых данных звеньев , а также угла . От них зависит радиус окружности, по которой перемещается точка Ц при разомк­нутых контактах. Расстояние между точками и на окружно­сти этого радиуса должно быть равно раствору контактов (см. рис. 2.24). Положению контакта при полном размыкании соответ­ствует точка , которая должна быть на расстоянии R от точки . Положение прямой определяется постоянством угла α между осевой линией контакта и рычага контактодержателя. Этими данными положение подвижного контакта определяется полностью. На рис, 2.27 дан только участок его контактной поверхности .

Точку для проверки можно определить по окружности радуиса , равного отрезку В, на расстоянии от точки В.

Правильность выбора звеньев отрезков , , углов α и проверяют построением кинематической схемы для положе­ния рабочего включения. Точка подвижного контакта лежит на осевой линии неподвижного контакта. Положение шарнирной точки между обоими рычагами определяется радиусами и ρ, соответ­ствующими их базовым (между осевыми линиями шарниров) дли­нам. Угол между прямой , и осевой линией контактов должен оставаться хотя бы примерно равным а. Неравенство этих углов показывает, что при рассматриваемых данных осевые линии контактов в рабочем положении не совпадут и необходимо изменять или исходные углы, или базовые размеры.

Построение и анализ кинематических схем позволяют решать и другие задачи, например определять действительное значение Дск, параметры притирающих пружин и др.

Рис. 2.27. Расчетная схема определения перемещения подвижной системы кон­тактора

Рис.2.28. Расчетная схема определение притирания контактов.

В качестве примера рассмотрим определение действительного значения для контактора, у которого один из контактов (не­подвижный) грибковый, а другой плоский (рис. 2.28).

Первоначально контакты замыкаются в точке В, рабочее замы­кание их происходит в точке А. Для определения суммарного про­скальзывания сравнивают действительную траекторию опорного (шарнирного) конца подвижного контакта с его траекторией при чистом, без скольжения, перекатывании по неподвижному кон­такту. Разбив участок АВ на несколько равных отрезков между смежными точками, определяют их длину исходя из угла ∆α, рад. Так, например, ВС = R∆α.

При отсутствии проскальзывания длины отрезков на обоих кон­тактах одинаковы (В'С' = ВС), чем определяется положение точки . Для определения ее в точке С проводят касательную к цилинд­рической поверхности неподвижного контакта, по длине которой от точки С откладывают отрезок С — — В'С'.

Полному замыканию, т. е. контакту в точке A, соответствует точ­ка на траектории конца подвижного контакта, которая опреде­ляется так же, как и предыдущие. Положение шарнира рычага фиксируется его поворотом по окружности радиусом от­носительно точки до пересечения с касательной в точке А к по­верхности неподвижного контакта. Отрезок представляет собой . Аналогично эта задача решается и в случае, когда оба контакта грибковые.

Большое влияние на процессы притирания и износа контактов оказывают характеристики притирающих пружин. Для сохранения профиля контактов необходимо, чтобы нажатие оставалось по­стоянным в процессе взаимного перемещения контактов. При метал­локерамических контактах нажатие должно значительно воз­растать в момент перехода от меди к металлокерамике. Обычный притирающий механизм позволяет получить следующее соотноше­ние между — нажатием в начальный момент и - рабочим нажатием (рис. 2.29): ≅(0,6÷0,8) - Соответствующие силы, создаваемые пружиной:

Рис.2.29.Расчетная схема определения жесткости притирающей пружины

(2.44)

где , — радиусы, определяемые из кинематической схемы; d — см. рис. 2.29.

Основной параметр пружины — необходимая жесткость, Н/мм,

. (2.45)

где — сжатие пружины длиной соответственно предваритель­ное и в рабочем состоянии; разница между этими сжатиями зависит от угла поворота подвижного контакта β:

. (2.46)

Размеры притирающей пружины определяют исходя из получен­ного значения необходимой жесткости. Меньшая жесткость допус­кает меньшую разницу между и , но для этого необходимо увеличить диаметр и длину пружины, а пространство для ее разме­щения крайне ограничено.

Износ коммутирующих контактов зависит от многих факторов и имеет случайный характер. Основные виды износа: механический, возникающий в результате взаимного истирания контактов, и элект- роэрозионный, обусловленный переносом металла дуговым или искровым разрядом. Обычно говорят о цикловом износе, оценивае­мом объемом Q металла из расхода за одно включение и одно вы­ключение аппарата: Q = где , - объем металла соответственно при механическом и электроэрозионном износе.

Ориентировочно для коммутирующих контактов всех видов, ,

, (2.47)

гд — проскальзывание контактов, мм; — нажатие, Н; НВ — твердость по Бринеллю.

Цикловой эрозионный износ, , определяют для контактов си­ловых цепей по эмпирической формуле

, (2.48)

где — плотность металла контактов, г/с ; — коэффициент, завися­щий от материала контактов; для меди = 0,6÷2,0, для серебра ≅0,5, для металлокерамики СОК (серебро — окись кадмия) = 0,08÷0,36.

Для слаботочных контактов цепей управления, ,

(2.49)

где — количество электричества соответственно при выключении и включении в стадии газового разряда, Кл; , — коэффициенты элек- троэрозионного износа соответственно при выключении и включении, мм3/Кл. Для контактов цепей управления ≅0,01÷0,2 Кл; ≅0,007÷0,02 Кл. При серебряных контактах (0,3÷1,6) /Кл; (0,5÷3,6)∙ /Кл; при медных ≅5∙ /Кл; = 0.

Ожидаемый ресурс контактных деталей W определяют в циклах исходя из допустимого предельного износа , который соответ­ствует износу, , по толщине рабочей части контакта на 50—60%,

W = , (2.50)

где Q — объем изнашивающейся части контакта.

В зависимости от условий работы установлены следующие зна­чения W: для аппаратов, срабатывающих не менее четырех раз в период от пуска до торможения, W = 1∙ циклов, то же при срабатывании 2—3 раза — 0,5∙ циклов, один раз — 0,2∙1 циклов; для реверсоров — 0,1∙ циклов; для аппаратов вспомогательных цепей (0,2÷0,5) циклов; для аппаратов защи­ты (0,02÷0,05) циклов.

В тяговых коммутационных аппаратах стремятся для непосред­ственного переключения цепей под током предусмотреть специаль­ные ду го гасительные контакты, а продолжительное соединение це­пей производят другими, главными контактами, которые включают­ся и выключаются в обесточенном состоянии. Это предотвращает повреждение последних под действием дуги, уменьшает их взаимное перемещение до величины .

Дата добавления: 2015-07-12