Групповыеэлектропневматические приводы

Кулачковые элементы. Тяговые аппараты с групповым приводом (групповые аппараты) имеют большое распространение, так как они обеспечивают порядково-временное связывание работы отдельных элементов системы управления э. п. с., т.е. четкую последователь­ность переключений в отдельных цепях. При них значительно проще цепи управления и, что особенно важно, сокращается число недостаточно надежных электрических блокировок. Однако время их срабатывания больше, чем у аппаратов с индивидуальным приводом.

Современные групповые аппараты выполняют только с поворотными переключающими механизмами. Ранее широко применяли ап­параты барабанного типа, у которых на поворотном валу был укреплен изоляционный барабан с подвижными контактами в виде секторов, соединяющих друг с другом неподвижные пальцевые кон­такты. Однако такая конструкция мало приспособлена к условиям крупносерийного и массового производства, а также к применению эффективных дугогасительных устройств.

В групповых аппаратах кулачкового типа на поворотном валу укреплены кулачковые фасонные шайбы, воздействующие на подвижные части отдельных контакторов (контакторных элементов), за­мыкающих и размыкающих электрические цепи. У таких аппаратов большая часть основных элементов легко унифицируется, их крупносерийное или массовое производство не вызывает принципиаль­ных трудностей.

Контакторные элементы по принципу действия подразделяют на следующие:

включающего типа (рис. 4.21, а) с принудительным включением контактов нажатием кулачка; выключение их происходит под действием выключающей пружины;

выключающего типа (рис. 4.21, б), у которых включение и нажатие контактов осуществляются включающей пружиной, а выключение — кулачком;

переключающие (рис. 4.21, в), у которых под действием кулачков происходит включение одного из двух контактных соединений при одновременном выключении другого.

В коммутационных аппаратах из-за возможности сваривания контактов наиболее ответственна операция выключения. Пружина выполняет эту операцию менее надежно, чем кулачок, так как она деформируется значительно сильнее кулачка. Поэтому даже в элементах включающего типа часто применяют механизм принудительного выключения, срабатывающий, если пружина не смогла разомкнуть контакты. Обычно этот механизм состоит из специального про­фильного кронштейна, а на поворотном рычаге подвижной части контакторного элемента и размыкающего пальца 7 на боковой поверхности кулачковой шайбы. Если контакты не разомкнулись, то при повороте кулачкового вала палец упирается в кронштейн и прину­дительно размыкает контакты.

Взаимодействие контакторного элемента с кулачковой шайбой. Обычно силы от кулачковой шайбы к подвижной части контакторного элемента передаются через ролик (часто шариковый подшипник), укрепленный на подвижной части аппарата, в результате чего снижается сила трения при взаимном перемещении кулачка и кон­такторного элемента. Рассмотрим эти процессы на примере элемента включающего типа.

Рис. 4.21 Контакторные элементы включающий (а), выключающий (б), переключающий (в):

1 - контакты; 2 - контактодержатель; 3 – рычаг; 4 – ролик; 5 – кулачковая шайба; 6 – кроиштейн; 7 - палец

Поверхность кулачковой шайбы (рис. 4.22, а) можно разделить на несколько однородных участков, которым соответствуют углы , и т.д. На участке с ролик перекатывается во впадине кулачковой шайбы по поверхности профиля, представляющего собой дугу радиуса . На этом участке момент, приложенный к ку­лачковому валу,

(4.18)

где f — коэффициент трения качения ролика по кулачковой шайбе (включая и его подшипники); — минимальная сила нажатия ролика.

Рис. 4.22 Профиль кулачковой шайбы (а), силы действующие на выступе шайбы (б), и моменты на кулачковом валу

Обычно величины и постоянны, т. е. и момент в пределах постоянен. Участок охватывает переходную выкружку радиусом . Для того чтобы избежать резких изменений момента, желательно, чтобы . был несколько больше радиуса ролика . Момент и постепенно нарастает к концу уча­стка . Его значения зависят от соотношений между , и .

Участок соответствует перемещению ролика по наклонной поверхности кулачковой шайбы. Силы, действующие на этом участке, представлены на рис. 4.22,б. Момент от упора ролика в кулач­ковую шайбу

, (4.19)

где — текущее значение радиуса для точки касания ролика с кулачком; — текущее значение угла между направлением силы и нормалью к боковой образующей кулачка.

При движении ролика возникает также сила трения о поверх­ность кулачка и соответствующий момент

и .

Полный момент

(4.20)

Обычно и момент от силы трения не учитывают, считая . По мере поворота кулачковой шайбы значение нарастает, так как увеличивается радиус , сила , а в большинст­ве случаев и угол . При 90° момент . Это свойство кулачкового механизма используют для фиксации позиций с помо­щью защелок. Обычно принимают .

На участке — верхняя переходная выкружка радиусом — из-за резкого снижения угла происходит резкое падение момента . В конце участка он снижается до значения на участке .

Участок для контакторного элемента включающего типа соответствует полному замыканию контактов, при котором сила достигает своего наибольшего значения . Момент опре­деляется только силой трения при перекатывании ролика по по­верхности выступа кулачковой шайбы:

(4.21)

Момент так как и Дальнейший поворот кулачкового вала может происходить как в прежнем направлении, так и в обратном. В обоих случаях процесс имеет одинаковый характер: обратное перемещение по тому же про­филю кулачковой шайбы или перемещение по подобному профилю обратной стороны выступа. Моменты, вызванные силами трения, сохраняют свое направление, моменты, обусловленные взаимодействиями контакторного элемента с кулачковой шайбой, изменяют его.

На участке включения (рис.. 4.22, в), т. е. это часть сопротивления движению. На участке выключения , т. е. момент добавляется к ускоряющему. Небольшие значения момента возникают сравнительно кратковременно .

Параметры привода группового аппарата устанавливают исходя из момента сопротивления движению

(4.22)

где — суммарный момент переключаемых контакторных элемен­тов; — суммарный момент элементов фиксации позиций (пружинных, пневматических, электромагнитных защелок и других подобных им), которые помогают остановить кулачковый вал в точно заданных положениях, соот­ветствующих включению и выключению необходимых контакторных элемен­тов; — результирующий момент от сил трения в аппарате, исключая силы трения в контакторных элементах, так как они входят в моменты .

Для групповых приводов зависимость зачастую опре­деляет работоспособность аппарата. Ее характер связан с последовательностью включения и выключения контакторов. На рис. 4.23, а приведено условное обозначение процессов замыкания, как их обыч­но изображают в диаграммах замыканий контактов (например, см. рис. 4.31). На рис. 4.23, б показано синхронное замыкание и размыкание двух контакторных элементов и соответствующее изменение моментов в промежутке между двумя смежными позициями.

Предельные значения для элементов при замыкании и при размыкании в случае синхронного срабатывания:

и

Рис. 4.23 Условное обозначение, принятые в диаграммах замыкания контактов групповых приводов (а), фрагменты диаграмм при синхронном (б) и несинхронном (в) переключении и соответствующие им вращающиеся моменты: n, n+1 номер позицій; 1, 2 – номера контакторных элементов

Так как составляет большую часть момента, развивае­мого приводом, то для привода эти моменты имеют решающее значение. При увеличении возрастают также ускоряющие моменты . При этом к моменту остановки на очередной позиции должна быть погашена накопленная кинетическая энергия

(4.23)

где — время трогания кулачкового вала при переключении с позиции на позицию; — время остановки на позиции.

Если эта энергия будет гаситься только в контакторных элементах, то неизбежно или жесткое соударение контактов и их вибрация, или неточность фиксации позиций. Поэтому кинетическая энергия должна гаситься в приводе.

Снижение кратности одновременно замыкающихся и размы­кающихся элементов существенно снижает и . Ни рис. 4.23. в показано смещение переключений для двух контакторных элементов, снизившее наибольший момент почти вдвое при соответствующем снижении ускоряющих сил. Опыт работы показал, что четкую работу групповых приводов тяговых аппаратов можно обеспечить не применением каких-либо специальных фиксирующих защелок или других устройств, а только если сама конструкция привода обеспечивает гашение энергии при фиксации позиций.

Групповые приводы подразделяют на двух-, трех-, четырех- и многопозиционные. Двух- и трехпозиционные аппараты почти всегда выполняют с электропневматическим приводом.

В качестве примера рассмотрим конструкцию электропневматического двухпозиционного привода (рис. 4.24), применяемого для реверсоров, тормозных переключателей и других тяговых аппаратов. Привод состоит из цилиндра 1 с двумя поршнями 2, соединенными зубчатой рейкой 4, которая сцеплена с зубчатым сектором 5, насаженным на кулачковый вал 7. Ход поршней ограничен упором 3; торцы цилиндра закрыты крышками 6, через вводные отверстия которых подается сжатый воздух от электромагнитных вентилей В обычно включающего типа. Полный ход поршней , где — радиус сектора по делительной окружности зубьев; — предельный угол поворота кулачкового вала, град.

Диаметр цилиндра

, (4.24)

где — силы трения в пневматическом цилиндре; — сила трения в передаче к кулачковому валу.

Точная фиксация позиций обеспечивается наличием упора для поршней и давлением сжатого воздуха, прижимающего поршень к упору 3. Кинетическая энергия гасится силами трения в приводе и торможения сжатым воздухом, выпускаемым через узкие проходные отверстия. Иногда применяют более простую, но менее совершенную конструкцию такого привода (см. рис. 4.3, а): поршни упи­раются непосредственно в крышки цилиндра, вместо зубчатой передачи к кулачковому валу применяют поводковую.

В трехпозиционном электропневматическом приводе (рис. 4.25), используемом для аппаратов, например переключающих тяговые двигатели с последовательного (С), на последовательно-параллельное (СП) и параллельное (П) соединения, применены вентиль ВКВ, выключающий для камеры А, и вентили ВВ1, ВВ2, включающие для камер соответственно Б и В. Вентили обеспечивают автоматический переход на исходную позицию (соединение С) при потере питания в цепях управления.

Рис. 4.24 Электропневматический двухпозиционный привод реверсона

Это исключает толчки тока при восстановле­нии напряжения и фиксации привода в других положениях. В двух крайних позициях привод фиксируется концевыми упорами, в средней - штоком цилиндра большего диаметра. Гашение кинетической энергии происходит так же, как в двухпозиционных приводах. Принцип действия четырехпозиционного привода может быть тем же, что и у трехпозиционного, но добавляется еще один пор­шень большего диаметра для создания дополнительного смещающегося упора.

Рис. 4.25 Схема трехпозиционного электропневматического привода: на позиции С заполнена камера А, все вентили выключены; на позиции СП заполнены камеры А и В, включен вентили ВВ2, на позиции П – камеры Б и В, включены вентили ВКВ, ВВ1, ВВ2

Многопозиционными называют приводы с числом позиций аппарата от 4 до 36—40. При большем числе позиций угол поворота кулачкового вала настолько уменьшается, что необходимую кинемати­ку переключений уже не удается обеспечить при приемлемом диаметре кулачковых шайб. Продолжительное время многопозиционные приводы выполняли, добавляя к двухпозиционному электропневматическому приводу дополнительные фиксированные позиции. В многочисленных вариантах таких приводов не удавалось обеспечить четкую фиксацию позиций, уверенное гашение кинетической энергии. Не удается выполнить это и с помощью различных фиксирующих устройств: защелок, гидравлических звеньев и пр.

Примером успешного осуществления четкой фиксации может служить привод Л. И. Решетова (рис. 4.26, а), в котором использован механизм с насаженной на вал 3 трехлучевой фасонной шайбой 4 (называемой морской звездой); асимметричные лучи шайбы расположены под углами 120°. На них попеременно действуют силы нажатия одного из двух роликов 6 в виде игольчатых подшипников, установленных на объединенном штоке 5 поршней 2.

Рис. 4.26 Многопозиционный привод Л.Н. Решетова

Между осями роликов должно выдерживаться расстояние (рис. 4.26, б)

,

где — диаметр ролика; — соответственно радиусы впадин и концов лучей звезды; мм — зазор, определяемый кинематикой привода.

Звезда поворачивается на угол 60° при впуске включающими вен­тилями сжатого воздуха в цилиндр 1 с одной стороны привода и при его выпуске с другой. При этом вращающий момент привода без учета сил трения (см. рис. 4.22, б)

,

где — угол между касательной к профилю звезды в точке ее соприкосновения с роликом и направлением силы ; — значение радиуса точки соприкосновения.

Для получения позиций кулачкового вала аппарата необходимо предусмотреть между валом 3 и кулачковым валом редуктор с передаточным отношением .

На зафиксированной позиции ролик находится во впадине между двумя лучами и, нажимая с силой , фиксирует положение звезды. Обязательная асимметрия лучей допускает поворот звезды только в одном направлении, т. е. переключение контакторов только в одной (прямой) последовательности. Для возврата на какую-либо низшую ступень необходимо выключить ток в силовой цепи и продолжать переход в том же направлении до нужной позиции в обесточенном состоянии.

Это допустимо только для электропоездов и исключает возможность применения такого привода в системах управления электровозов.

Привод Л.Н. Решетова использован, например, в реостатном контроллере КСП-1А электропоезда ЭР2 (рис. 4.27). Контроллер имеет следующие основные технические данные: напряжение в силовых цепях 3 кВ, в цепях управления — БОВ; число позиций главного кулачкового вала 18; время свободного вращения главного кулачкового вала при проходе всех позиций 6—7 с; диаметр поршня 58 мм, его ход 56 мм.

Рис. 4.27 Контроллер КПС-1А электропоезда:

1 – воздухопровод; 2- привод; 3 – переключатель вситилей: 4, 8,10 поперечные рамы; 5 – перегородка; 6 – силовой контактор; 7 – рейка; 9 – уголок; 10 – механический фиксатор; 11 – контакторы; 12 – рейка; 13 – зубчатая передача; 15 - вентиль

Дата добавления: 2015-07-12