Двигательные приводы тяговых аппаратов

Двигатели, развивающие вращающий момент, находят все более широкое применение в качестве групповых приводов тяговых аппаратов, особенно при большом числе позиций. Используются электродвигательные приводы и приводы с пневматическими двигателями.

Электродвигательные приводы по сравнению с электропневматическими многопозиционными обладают рядом существенных преимуществ: имеют более стабильные характеристики, менее подвержены воздействиям возмущений, допускают как одностороннюю, так и двустороннюю последовательность переключений. Вместе с тем при таком приводе необходимы очень высокие передаточные отношения между двигателем и кулачковым валом µ. Обычно частота вращения двигателя об/мин, тогда как частота вращения кулачкового вала

,

где — угол между смежными позициями на кулачковом валу, град: ; — время переключения с позиции на позицию, с.

Частота вращения кулачкового вала и передаточное отношение соответственно:

;

При этом передаточное отношение µ может доходить до 60—120, что требует применения многоступенчатых редукторов. Неизбежны свободные угловые зазоры , на разных ступенях редуктора, ко­торые приведут к свободному (мертвому) ходу передачи

Рис. 4.28. Схема поясняющая принцип действия механизма мальтийского креста (а), и зависимости и (б)

Значения па входе редуктора могут достигать нескольких оборотов, нарушая точность срабатывания системы. Их можно нейтрализовать при прерывистом вращении кулачкового вала, вводя в редуктор элементы прерывистого вращения: создавая перерывы в движении они могут компенсировать свободные перемещения зве­ньев редуктора. К таким элементам относятся так называемый мальтийский крест (рис. 4.28, а), анкерные механизмы, различные механизмы с прерывистым цевочным зацеплением. Наибольшее распространение в тяговых аппаратах получил мальтийский крест.

Простейший мальтийский крест является четырехлучевым, имеет одноцикловое зацепление. Он состоит из двух параллельных валов: ведущего, который вращается с постоянной угловой скоростью , (на нем насажен поводок с роликом на конце), и ведомого, вра­щающегося с переменной скоростью в период прохождения ролика по пазам фасонной шайбы мальтийского креста. При числе пазов угловая продолжительность зацепления .

Для этого механизма характерны зависимости (рис. 4.28, б) ; , благоприятные для точной фиксации позиций и гашения кинетической энергии. Передаточное отношение элемента прерывистого вращения

,

где Ц — число циклов зацепления на одни оборот ведущего вала.

Полное передаточное отношение системы

=

где передаточные отношения соответственно зубчатых передач и механизмов прерывистого вращения.

Момент сопротивления аппарата, отнесенный к валу двигателя,

,

где — момент сопротивления i -гo элемента, приведенный к валу двигателя; — действительный момент i -гo элемента; — передаточное отношение от i -го элемента к валу двигателя.

Движение привода описывается уравнением

,

где — вращающий момент двигателя; — момент инерции системы, приведенный к валу двигателя; (здесь — момент инерции любого i -го звена).

Номинальный момент , , и номинальную мощность , Вт, двигателя привода определяют исходя из коэффициента запаса по моменту (таким большим запасом задаются, учитывая экстремальные условия, например сваривание контактов) соответственно:

,

для , — момент сопротивления движению при наибольшем числе переключаемых контакторных элементов, ; — номинальная частота вращения двигателя, об/мин.

По данным выбранного двигателя привода можно проверить время переключения для тех позиций, на которых включается наибольшее число контакторных элементов. Задачу обычно приходится решать методом конечных приращений. При этом в пределах углового перемещения между позициями задаются конечными приращениями , для которых приращения времени

= (4 25)

Средняя угловая скорость на участке

(4.26)

где , — угловая скорость в конце участка, предшествующего рассматриваемому, — приращение скорости на участке .

Среднее угловое ускорение на участке

, (4.27)

где — средние для участка моменты соответственно двигателя и сопротивления; — средний приведенный момент инерции.

Из уравнений (4.25) — (4.27)

.

Откуда

. (4.28)

Величины , определяют суммированием их приращений в пределах , a — суммированием приращений от нуля до .

Управление аппаратом с групповым электродвигательным приводом сводится в основном к управлению двигателем. Для электропоездов, работающих с частыми пусками и торможениями, применяют систему с непрерывно вращающимся двигателем. Позиции ку­лачкового вала устанавливаются включением и выключением муфт (преимущественно электромагнитных), расположенных между двигателем и кулачковым валом. Часто используют одностороннее вращение кулачкового вала, что значительно упрощает устройство привода и элементов управления им.

Другая система управления, не рассчитанная на частые переключения, предусматривает включения и выключения двигателя на каждой позиции. Она больше подходит для аппаратов электровозов. На систему управления приводом оказывают влияние особенности локомотива: его назначение, степень автоматизации управ­ления, сочленение секций, работа по системе нескольких единиц.

  Рис. 4.29 Схема системы управления двигателем привода

Рассмотрим обобщенную схему системы управления двигателем привода (рис. 4.29), учитывающую основное требование к подобным системам - их быстродействие. Обычно применяют двигатели по­стоянного тока с независимым возбуждением. Обмотка возбуждения ОВ включена контактом SА6, как правило, в течение всего времени регулирования процесса пуска или торможения. Иногда в ее цепь последовательно включают резистор , шунтированный контактором SA5, при размыкании которого ослабляется возбуждение, что увеличивает частоту вращения двигателя. Цепь якоря Я замыкает контакт контактора (или реле) SQ1 Одновременно его размыкающий контакт SQ2 выключает тормозную цепь якоря. Если разомкнется контакт SQ2, якорь замкнется накоротко. Так как поле, создаваемое обмоткой возбуждения, неизменно, то происходит интенсивное динамическое торможение. В некоторых системах тормозной ток все же ограничивают, вводя в его цепь тормозные резисторы . Изменяя направление вращения кулачкового вала (набор или сброс позиций), осуществляют реверсирование якоря переключе­нием контактов SA1—SA4. Питание осуществляют током цепей управления через контроллер машиниста, а также промежуточные контакторы или реле.

Повысить быстродействие электродвигательного привода можно, увеличив нарастание угловой скорости двигателя в режимах как пуска, так и особенно торможения. Этому способствует постоянное независимое питание обмотки возбуждения, обеспечивающее постоянство магнитного потока. Электромагнитный процесс при пуске можно описать уравнением

(4.29)

и для режима динамического торможения

(4.30)

где С — машинная постоянная двигателя; — соответственно активное сопротивление и индуктивность цепи якоря.

Соответственно при пуске

, (4.31)

при торможении

, (4.32)

В обоих режимах возрастает при снижении двух постоянных времени: электромагнитной (в результате малой индуктивности ) и механической (вследствие уменьшения момента инерции ). Значение снижается при увеличении передаточного отношения .

Примером тягового аппарата с групповым электродвигательным приводом служит групповой контроллер ЭКГ-8 электровозов переменного тока (рис. 4.30).

Рис. 4.30. Групповой контроллер ЭКГ-8:

1 – контакторный элемент без дугогашения; 2 – элемент с дугогашением; 3 – вентили продувки дугогасительных камер; 4 – двигатель; 5 – контакторы управления; 6 – каркас;

7 – продольные трубчатые рейки

Аппарат предназначен для регулирования напряжения на вторичной стороне трансформатора. Из 34 контакторных элементов только четыре выполнены с дугогашением.

Кинематическую схему аппарата (рис. 4.31) удобно рассматри­вать совместно с диаграммой замыкания контакторов (рис. 4.32). Переключения в силовых цепях производят три кулачковых вала кинематически связанные: 6 — вал переключения обмоток, 8 — вал переключения ступеней и 9 — вал контакторов с дугогашением. Эти валы имеют различные частоты вращения, что сокращает число ' необходимых контакторов и упрощает систему управления.

Двигатель привода через промежуточное зубчатое колесо и: фрикционную муфту 1 защиты от перегрузок соединен с входным валом червячной передачи 13. Выходной вал червячной передачи служит ведущим для первого механизма мальтийского креста 3 и одновременно через зубчатую передачу соединен с валом блокировок привода 2. Через зубчатую передачу с передаточным числом 1: 1,5 он соединен с ведущим валом мальтийского креста 4. Оба механизма 3 и 4 имеют шестипазовые ведомые шайбы, но механизм 3 двухцикловый, а 4 одноцикловый.

При каждом повороте вала червяка на 180° ведомый вал меха­низма 3 поворачивается на 60°; через связанную с ним зубчатую передачу с он соединен с кулачковым валом 9, поворачивающимся при этом на 30°. В то же время ведомый вал механизма 4 поворачивается на 60°, а соединенный с ним через передачу 10 с кулачковый вал 8 поворачивается на 18°, что соответствует переходу этого вала на следующую позицию. Соединенный с ним через промежуточный вал 5 и передачи 7 с общим передаточным отношением кулачковый вал 6 поворачивается на угол 9°. Соответствующие переключения контакторов ясны из рис. 4.32.

Рис. 4.31 Кинематическая схема контроллера ЭКГ-8

1 – муфта; 2 – блокировочный вал; 3, 4 – механизмы мальтийского креста; 5 – промежуточный вал; 6 – вал переключателя обмоток; 7, 10 – зубчатые передачи; 8 – вал переключателя ступеней; 9- вал контакторов с дугогашением; 11 – вал главной блокировки; 12 – сельсин; 13 – передача червячная; 14 – ручной привод; 15 – двигатель

Рис. 4.33 Контакторные элементы без дугогашения (а) и с дугогашением (б):

1 – хомут; 2 - держатель; 3 – включающая пружина; 4, 18 – гибкие шунты; 5 - боковина; 7 – контактная пластина; 8 – якорь компенсатора; 9 – контактодержатель; 10 – наделки контактов; 11 – регулировочные прокладки; 12 – ярмо компенсатора; 13 – втулка резиновая; 14 – винт; 15 – зажим; 16 – ось; 17 – пружина резинового контакта; 19 – кулачковая шайба; 20 – полюс; 21 – фланец полюсов; 22 – катушка дугогашения; 23 – дугогасительная камера; 24 – контакты разрывные; 25 – рычаг контактодержатель

Контроллер рассчитан на значительные напряжения и токи. Напряжение токоведущих частей относительно корпуса 3100 В, напряжение между контактами контакторов с дугогашением 1100 В, без дугогашения — 260 В, номинальный ток 1300 А. В контактор­ных элементах на болыниетоки и напряжения (рис. 4.33) применены устройства компенсации электродинамических сил, резиновые втулки 13 для гашения кинетической энергии при включении. В контак­торах с дугогашением (рис. 4.33, б), кроме того, осуществляется продувка сжатым воздухом дугогасительных камер для ускорения восстановления электрической прочности в них, а также применены разрывные (дугогасительные) контакты 24. Контакторы обо­их типов выключающие; они замыкаются включающими пружинами 3 и размыкаются кулачковыми шайбами 19.

Главные контакты 10 с металлокерамическими наделками СОК-15 (85 % серебра и 15 % окиси кадмия) припаяны: не подвижный к контактодержателю 9, подвижной к контактной пластине 7. Разрывные контакты 24 с припаянными наделками из металлокерамики МВ-70 (67 % вольфрама, 30 % меди и 3 % никеля) расположены: неподвижный на контактодержателе 9, подвижной на рычаге-контактодержателе 25, поворачивающемся относительно рычага 5. Предусмотрена регулируемая притирающая пружина 17.

Механизм компенсации воздействия электродинамических сил состоит из ярма 12, охватывающего рычаг 5, и якоря 8, установленного на контактодержателе 9. При замкнутых контактах ток, проте­кающий в цепи контактной пластины 7, намагничивает магнитную систему компенсатора и в зазоре между ярмом и якорем создается сила магнитного притяжения, компенсирующая электродинамические силы.

Кулачковый контакторный элемент представляет собой комплексный аппарат; он расположен между боковинами 6 и укреплен на трубчатых рейках каркаса хомутом 1 и зажимом 15.

Дугогасительная система содержит катушку 22, полюсы 20 с фланцами 21 и дугогасительную камеру 23. Камера продувается сжатым воздухом и имеет дугогасительную решетку из медных и стальных пластин.

Групповые приводы с пневматическими двигателями получили довольно широкое распространение. Этому способствуют такие их свойства, как точная фиксация позиций самим приводом и возмож­ность интенсивного гашения кинетической энергии включения. Имеет значение и хорошо отработанная технология изготовления поршневых машин.

По принципу работы привод представляет собой четырехцилиндровый поршневой двигатель, клапанная система которого управ­ляется электромагнитными вентилями. Двигатели обычно четырех­цилиндровые с V-образным расположением цилиндров (рис. 4.34, а). Диаграмма заполнения цилиндров сжатым воздухом и включения вентилей в пределах одного оборота коленчатого вала при пуске представлена на рис. 4.34, б.

При возврате в нулевую позицию все процессы протекают в обратной последовательности. Для фиксации позиций привода должны взаимно компенсироваться тангенциальные составляющие сил, действующие на шатуны двух смежных поршней, а радиальные составляющие должны быть направлены по прямой, соединяющей ось коленчатого вала и центр кривошипов (рис. 4.35). Тангенциальные составляющие:

где — сила, передаваемая шатуном; — угол между шатунами, фик­сирующими положение привода.

Рис. 4.34 Схема (а) пневматического двигателя и диаграмма переключения его цилиндров (б)

1, 6 – блоки сдвоенных цилиндров Ц1 – Ц4; 2 – поршни цилиндров; 3 – шатуны; 4 – коленчатый вал; 5 – подшипники; 7 – кривошип; 8 – крышка цилиндра; 9 -воздухораспределитель; 10 – вентили включающие

В пределах одного оборота вала привод имеет четыре позиции; поэтому необходимо применение редуктора между коленчатым валом и кулачковым валом аппарата. Передаточное отношение .

Рис. 4.35. Фиксация положений 1—4 двигателя

Рассмотренные условия фиксации положений привода не учитывают динамических процессов и особенно кинематическую энергию при остановке привода. При ускорении перехода привода из одного положения в другое возникает опасность нарушения точности фиксации и даже проскакивания позиций. Время перехода должно

Рис. 4.36. Групповой переключатель 1K.HD1

быть не менее 90—100 мс, время прохождения всех 32 позиций группового контроллера составляет (17 ± 2) с. Время перехода можно регулировать, изменяя проходное отверстие в прокладке между крышкой и цилиндром. В некоторых конструкциях для уточнения фиксации положений привода предусматривают в основных цилиндрах еще и вспомогательные, гасящие кинетическую энергию дополнитель­ным трением и компрессией сжатого в них воздуха.

В качестве примера рассмотрим групповой переключатель 1KHD1 (рис. 4.36) электровоза ЧС2Т. Аппарат имеет следующие основные показатели: напряжение 3 кВ, номинальный ток 500 А, число пози­ций 6. Основное назначение аппарата — переключение тяговых двигателей на различные соединения в режимах тяги и торможения.

Аппарат собран на несущей конструкции, состоящей из трех каркасов 3, 5, 6, скрепленных стальными соединительными трубами 4. Между каркасами 3 и 5 установлены 10 контакторных элементов с дугогашением 2, имеющих общий блок 14 дугогасительных ка­мер 1. Для закрепления блока предназначен запирающий рычаг 15. Между каркасами 5 и 6 установлены 24 контактора 13 без дугогашения, закрепленные на установочных рейках 12.

Каркас 6 имеет кронштейны 10 для установки пневматического двигательного привода 7 вместе с редуктором 11. На торце привода установлен блок 9 кулачковых контактов блокировки привода, а конец его вала 8 предназначен для установки съемного ручного при­вода вала. Все контакторные элементы выключающего типа, т. е. замыкаются пружинами и размыкаются кулачковыми шайбами.

Контакторный элемент с дугогашением (см. рис. 3.21) состоит из двух отдельных узлов: неподвижного и подвижного. В неподвижный узел входит контактодержатель 2 с парой контактов 6. Через дугогасительную катушку контактов держатель 2 электрически соединен с пластиной, к которой подключаются провода или шины. Пластины с помощью изолированных болтов кренят неподвижную часть контактора к установочным рейкам 1. В цепи между соединительной пластиной и контактодержателем 2 внутренний вывод катушки 4 припаян к сердечнику 3, а его полюсы 7 привернуты к держателю 2.

В подвижную часть входит контактодержатель 8 с парой подвижных контактов 6, поворачивающихся на валике 9. Оба контактодержателя 2 и 8 выполняют одновременно функции дугогасительных рогов. На верхнее плечо держателя 8 давит пружина. Контактодержатель 8 валиком соединен с нажимным рычагом 11, который роликом 12 опирается на профильную поверхность кулачковой шайбы 13. Контакты замыкаются под давлением пружины, когда ролик попадает во впадину кулачковой шайбы. Притирание и нажатие контактов 6 обеспечивает пружина. Ток от контактодержателя 8 к соединительной пластине проходит через гибкий шунт 10.

Для рассматриваемого контакторного элемента предусмотрена возможность применения дугогасительных камер как радиального, гак и щелевого типа. В последнем случае камеры выполняют с эффективными дугогасительными решетками.

При большом числе позиций вследствие малого угла поворота кулачковых валов не удается выполнять непосредственно переклю­чения в силовых цепях такими аппаратами. В этом случае (например, на электровозе ЧС7) выполняют групповой аппарат для коммутации не силовых цепей, а цепей управления. При этом нет не­обходимости в больших углах поворота, так как притирание контактов в цепях управления может быть минимальным. Непосредст­венные переключения в силовых цепях осуществляют индивидуальные (обычно электропневматические) контакторы по сигналам группового переключателя, выполняющего лишь распорядительные функции.

Дата добавления: 2015-07-12