Виды приводов, их статика и динамика

Классификация приводов. Большая часть тяговых коммутацион­ных аппаратов — электромеханические; они осуществляют комму­тации цепей в результате перемещения контактов. Устройства, вы­полняющие такие перемещения, называют приводами аппаратов. Тяговые аппараты — часть системы управления э. п. с., и их при­воды выполняют не только чисто исполнительные функции (замыка­ние и размыкание контактов), но и часть распорядительно-информа­тивных функций в системе управления. Так, приводы большинства реле — часть чувствительных элементов, выдающих дискретную информацию о показателях процессов в различных электрических цепях.

Приводы аппаратов выполняют также порядково-временное авто­матическое связывание отдельных элементов сложной системы уп­равления, т. е. обеспечивают правильную последовательность сра­батывания различных элементов оборудования. Они же осуществля­ют функции ограничения свободных процессов — защиты в аварий­ных и экстремальных режимах. Некоторые приводы аппаратов вы­полняют логические операции (например, приводы дифференциаль­ных реле), осуществляют регулирование отдельных процессов.

Так как тяговые аппараты работают в условиях действия мно­гочисленных возмущений, к их приводам предъявляют повышенные требования в отношении стабильности характеристик, высокой по­мехоустойчивости и надежности. К этому добавляются требования эргономики, охраны труда, особенно электробезопасности, безопас­ности движения поездов.

Разнообразие условий работы, функций, особенностей эксплу­атационного использования и условий производства приводит к многообразию разновидностей, типов и конструкций приводов ап­паратов.

По условиям электробезопасности на э. п. с. непосредственный привод, т. е. привод, при котором аппарат приводится в действие непосредственно вручную, применяют преимущественно только для аппаратов цепей управления, осуществляющих распорядительно­информативные функции, а также различных разъединителей, пе­реключаемых в обесточенном состоянии. Последние необходимо пе­реключать вручную по условиям безопасности для того, чтобы машинист убедился в том, что произведенное им переключение дей­ствительно состоялось.Все исполнительные аппараты, осуществляющие переключения в высоковольтных цепях, выполняют с дистанционными приводами (приводы с дистанционным управлением), срабатывающими по сиг­налам цепей управления. В эти же цепи включены приводы комму­тационных датчиков различных показателей (реле и др.). По прин­ципу действия приводы с дистанционным управлением могут быть электромагнитными, электропневматическими, двигательными и даже гидравлическими.

Различают приводы и по их быстродействию. Быстродействую­щие приводы имеют минимально возможное время срабатывания. Для аппаратов оперативной коммутации время срабатывания при­водов не имеет существенного значения. У приводов с выдержкой вре­мени срабатывание искусственно задерживается.

Приводы аппаратов бывают индивидуальные (отдельный привод на одно контактное соединение коммутируемой цепи) и групповые (один привод к нескольким контактным соединениям коммутируе­мых цепей). Различают приводы и по числу фиксированных пози­ций. Для индивидуального привода возможны только две позиции (состояния): включено и выключено. У групповых приводов число позиций может быть различным: от 2 до 30—40. Многопозиционные приводы имеют или одну так называемую прямую последователь­ность переключений, или же две: прямую и обратную.

Силы, действующие на привод. Свойства привода определяют­ся статикой и динамикой аппарата. Изменения соответствующих характеристик при поступательном движении рассматривают в за­висимости от перемещения х, а при вращении — в зависимости от угла поворота а.

Статические характеристики предполагают рассмотрение сил и моментов при различных фиксированных (статических) состояниях или при очень медленном движении, когда dx/dt→0; , и при вращении, когда dα/dt→0; .

Рассматривают соотношения сил и моментов. В общем случае силы можно разделить на те, которые вызывают движение и те, что препятствуют ему, т. е. силы сопротивления движению . Аналогично для вращения это соответственно моменты и . Так, при включении простейшего контактора или другого подобного аппарата:

где — соответственно сила и момент пружины; , — соответственно силы трения и создаваемые ими моменты.

В зависимости от конструкции и расположения подвижных ча­стей аппарата к значению может добавиться еще и вес подвиж­ной части аппарата . При включении аппарата = , где — единственная сила, развиваемая приводом аппарата. Это же относится и к вращающим моментам = . При = или =

Рис. 4.1. Статические характеристики выключения электроаппарата

подвижная система может находиться в состоя­нии равновесия, быть неподвиж­ной или, что маловероятно, двигаться с постоянной ско­ростью. Для включения аппара­та необходимо, чтобы

α,

И - = ,

где , — соответственно приведенная масса и приведенный момент инерции подвижной части аппарата; α, g — соответственно ее поступательное и угловое ускорение.

Рассмотрим статическую характеристику выключения электро­аппарата (рис. 4.1). Движущей является сила пружины = . При этом

(x)= (x)- .

Ускоряющая сила (x) по мере выключения аппарата (увели­чение перемещения х) снижается и при полном размыкании становит­ся равной нулю. (Гашение кинетической энергии, накопленной под­вижной системой при движении, не учитывается; оно может быть оценено при анализе динамики системы.)

Решая задачи динамики тяговых аппаратов, прежде всего опре­деляются в том, какими считать перемещения — поступательными или угловыми. При углах поворота до 20° (иногда 30°) обычно дви­жение считают поступательным. Это распространяется на большин­ство коммутационных тяговых аппаратов с индивидуальным приво­дом. В аппаратах с групповым приводом углы поворота значитель­ны, поэтому для них указанное допущение неприемлемо.

Принцип расчета приводов. Для решения как задач статики, так и особенно динамики очень важно выбрать точку, относительно ко­торой рассматриваются все перемещения. Обычно за нее принимают точку приложения силы привода к подвижной системе. К этой точке приводятся все силы, вращающие моменты, массы, моменты инерции.

Приведение основных показателей к ис­ходной точке. Для безударных механизмов с этой целью ис­пользуют уравнения кинетической энергии . Так, для приве­дения массы можно записать

(4.1)

Отсюда

= .

где n — общее число элементов подвижной системы; — масса каждого элемента; , — скорость соответственно в точке приведения и в центре массы каждого элемента.

Исходя из кинематической схемы рассматриваемого аппарата отношение скоростей обычно можно заменить отношением геоме­трических размеров. Например, при повороте системы относитель­но какой-либо общей точки скорость пропорциональна т.е. расстоянию от этой точки до i -го центра массы. При этом

≅

Если неизвестно положение центра массы i -го элемента относи­тельно любой точки в трехмерном пространстве (например, точки О), его можно найти, разбив элемент на простейшие геометрические со­ставляющие, для которых центры массы определяются по законам симметрии, а сами массы , где — объем соответствую­щего элемента; — его плотность.

При этом mt = 2<7уг7г, а координаты , , центра массы от­носительно точки О в трехмерном пространстве:

=(; )/ )/ .

Чаще задачу удается решать в двухмерном пространстве благо­даря симметрии деталей. Тогда

.

Значение определяют при различных перемещениях под­вижной системы, так как отдельные элементы взаимно смещаются. По точкам строят зависимость (х) (например, представленную на рис. 4.1). При вращении момент инерции относительно оси вра­щения

J = ,

где m — масса всей системы; , — радиус соответственно центра мас­сы элемента и инерции всей системы.

По аналогии с приведенной массой приведенный момент инерции

= (4.2)

Значение J также определяют для различных значений α.

Решение основной задачи динамики. Та­кой задачей является определение скоростей и ускорений движения подвижной системы аппарата и собственного времени его срабатывания. Будем использовать основной закон изменения кинетиче­ской энергии — равенство ее изменений сумме работы всех сил, приложенных к механизму,

(4.3)

где — работа (энергия) соответственно силы привода, сил сопротивления движению и ускоряющей.

При этом уравнение движения имеет вид

0,5()= , (4.4)

где = .

Аналогично при вращении

аг

0,5()= (4.5)

Дальнейшее рассмотрение ведется применительно к поступатель­ному перемещению, так как все, относящееся к вращательному, ана­логично. Если принять = 0 и = 0, то для любого значения из уравнения (4.4)

. (4.6)

Ускорение в точке

Время достижения системой перемещения

=

Обычно зависимости (х) и (х) не имеют точного матема­тического выражения и представляются графически. Поэтому уравнения, приведенные выше, решают чаще всего графоаналити­ческим методом (рис. 4.2), применяя планиметрирование диаграмм. В качестве исходных служат приведенные на рис. 4.2, а зависимо­сти (х) и (х), получение которых описано ранее. Для боль­шей наглядности эти зависимости представлены применительно к простейшему аппарату импульсного действия (регулятора давле­ния). Уравнение (4.6) для любой точки

,

где — площадь диаграммы (х) в пределах от нуля до , — масштабы соответственно ускоряющих сил и перемещений.

Рис. 4.2. К расчету движения системы

Среднее значение приведен­ной массы можно опреде­лять планиметрированием диа­граммы (х) в пределах от нуля до

где — площадь диаграммы в отмеченных пределах; — мас­штаб диаграммы (х).

Так как (х)изменяется сравнительно мало, то не будет большой ошибкой принимать значение , например, как среднее из двух крайних зна­чений в принятом интервале .

Задаваясь дискретными по­следовательными приращения­ми ,

можно по точкам полу­чить всю зависимость v (х), представленную на

рис. 4.2, б. Она тем точнее, чем больше то­чек перемещения рассмотрено. Для определения показателей времени удобнее предваритель­но построить кривую обратной скорости (1/ v) (х) (рис. 4.2, б). Время перемещений (рис. 4.2, г) можно определять также пла­ниметрированием диаграммы (1/ v) (х)

≅ .

— площадь, ограниченная кривой (1/ v) (х)в пределах от нуля до ;

масштаб величины (1/ v).

Так как при v →0 величина 1/ v→∞, то выделяют участки в пределах 0 < х< 0,05Х — начальный и 0,95Х <х <. X — конечный и определяют приращения времени на них:

∆ ;

где — скорость при х = 0,05 Х; — скорость при х = 0,95Х. Таким образом, полное время срабатывания аппарата

∆ + =∆ + .

При более сложных исходных зависимостях, когда резко изме­няются значения надо выбирать расчетные точки так, чтобы резкие изменения величин не находились между ними. Рассмотренная методика позволяет также изучать процессы накопления и га­шения кинетической энергии в системе, решать другие задачи.

Упрощенный метод расчета. Для расчета ди­намики привода применяется упрощенный метод конечных прира­щений. Порядок расчета следующий:

1)выделение приращений:

∆

2)определение ускорений и скоростей:

=

3)определение времени движения:

≅∆ / +0,5∆ ); =

Для приводов распорядительных аппаратов (реле и др.) боль­шое значение имеет стабильность характеристик, зависящая как от отклонений конструктивных параметров, так и от износов, осо­бенно контактов. По технологическим причинам большие отклонения характеристик могут быть из-за отклонений характеристик пружин.

В тяговых аппаратах применяют преимущественно цилиндриче­ские пружины, имеющие линейные характеристики. Сила, развивае­мая такой пружиной,

=π /(8

где d — диаметр проволоки; — механическое напряжение в витках пружин; — средний диаметр витка; К≅1,1÷1,4 — коэффициент фор­мы, учитывающий кривизну витков.

Наибольшее влияние на характеристики пружины может ока­зать диаметр проволоки. При установленных допусках на диаметр проволоки коэффициент вариации распределения жесткостей пру­жин v может достигать 0,05—0,07. В этом случае амплитуда откло­нений жесткости от расчетной

∆Ж=±3v .

Такие пределы отклонений обусловливают большие пределы ре­гулирования исходной установки пружин, а применять их без регу­лирования с такими отклонениями нельзя не только в распоряди­тельных, но и в исполнительных

аппаратах. При калибровке пру­жинной проволоки обычно холодной протяжкой непосредственно на заводах-изготовителях удается получить v ≅0,03 ÷0,04, что уже приемлемо для исполнительных аппаратов и некоторых распо­рядительных. И лишь при индивидуальной тарировке пружин или их индивидуальном подборе удается достичь ∆Ж = ± (0,05 ÷ 0,06) . Поэтому при расчете аппаратов желательно проверять их характе­ристики при предельных отклонениях жесткости пружин

Дата добавления: 2015-07-12