Заключение 42
Список литературы 43
1 Работа механизма.
1.1 Фаза отключения.
В положении «включено» (рисунок1) 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 находится в положении «отключено» и готов к включению.
1.2 Фаза включения.
Включение производится штока (рисунок1) 17. При перемещении штока вверх он упирается в шарнир А четырехзвенника О1АВО2 и поворачивает кривошип 10 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 коромысла 3 натягивает отключающую пружину 4 и сжимает буферную пружину 5.
П еремещаясь вверх, шарнир А отжимает вправо опорную скобу 15, сжимая пружину 16. При полном поднятии шарнира А скоба 15 под действием пружины 16 возвращается назад, запирая механизм в положении «включено». Шток 17 опускается вниз. Механизм готов к отключению.
2 Определение геометрических параметров привода.
Механизм привода осуществляет преобразование прямолинейного движения штока 17 (рисунок 1) во вращательное движение коромысла выключателя 3 при включении, а также обеспечивает согласование силовых характеристик двигателя и потребителя энергии.
2.1 Процесс оптимизации параметров четырехзвенника.
О пределяемые параметры: Lш, d, RВ, угол γ (рисунок 2). В качестве варьируемых примем четыре параметра:
; ; γ ; , (p-исходные данные)
где R-длина кривошипа O1A, d-расстояние между точками O1 и O2, RВ-длина O2B, Lш- длина шатуна AB, γ-угол между вертикалью и отрезком O1 O2.
Величина R не влияет на кинематические характеристики четырехзвенника и может быть выбрана из конструктивных соображений. Углы φ1 и φ2 примем равными соответственно 60º и 120º. Зададим область определения параметров q, γ, r:
1,1 ≤ q ≤ 1,5; 5º ≤ γ ≤ 30º; 0,6 ≤ r ≤1,0
Оптимальные параметры четырехзвенника будем искать из зависимости углов θBi (рисунок 2) от варьируемых параметров.
Геометрический анализ четырехзвенника дает следующие выражение для определения искомой функции:
(1 )
где
(2)
i=1;2 соответственно для углов и .
Рисунок 2. Четырехзвенник.
Находим q*-оптимальный параметр четырехзвенника.
П римем: p=1.0(исходные данные)
rcр=
γср=
Зададим q1=1.1
Подставляя в (1) и (2), находим в1, в2 при φ1 = 60, φ 2 = 120
Результаты сведены в таблицу 2.
Таблица 2.
Углы давления вi , в градусах |
|||||
Принятые параметры |
rср =0.8 ; γср = 17.50 ; р = 1.25 |
||||
|
φ i , град. |
q1 =1.3 |
q2 =1.35 |
q3 =1.45 |
q4 =1.5 |
|
60 |
31.676 |
37.027 |
49.804 |
58.039 |
|
120 |
45.619 |
43.261 |
38.247 |
35.603 |
По данным таблицы 2 построим график зависимости i от q(рисунок 3).
Из рисунка 3 видим, что графики зависимостей в1 и в2 пересекаются в точке q*. Примем q*=1.388.
Аналогично методу изложенному выше рассчитаем углы в1 и в2 при изменении параметра r. При этом примем q*=1.388, γср = 17.50 и p=1.
П олученные результаты сведём в таблицу 3.
Таблица 3.
Углы давления вi , в градусах |
||||||
Принятые параметры |
q*=1.388 ; γср = 17.50 ; р = 1.25 |
|||||
|
φ i , град. |
r1 =0.65 |
r2 =0.7 |
r3 =0.75 |
r4 =0.85 |
r5 =0.9 |
|
60 |
71.651 |
57.436 |
48.412 |
35.778 |
30.883 |
|
120 |
42.85 |
42.073 |
41.611 |
41.395 |
41.559 |
По данным таблицы 3 построим график зависимости от r (рисунок 4).
Графики зависимостей в1 и в2 пересекаются при r=0.801 , поэтому примем r*=0.801.
Аналогично методу изложенному выше рассчитаем углы в1 и в2 при изменении γ. При этом приняли q*=1.388 , r*=0.801 и р=1.25.
Полученные результаты сведём в таблицу 4.
Т аблица 4.
Углы давления вi , в градусах |
||||||
Принятые параметры |
q*=1.388; r*=0.801; р = 1.25 |
|||||
|
φ i , град. |
γ1 =100 |
γ2 =150 |
γ3 =200 |
γ4 =250 |
γ 5 =300 |
|
60 |
56.606 |
46.018 |
36.977 |
28.789 |
21.148 |
|
120 |
32.026 |
38.277 |
44.521 |
50.786 |
57.116 |
По данным таблицы 4 построим графики зависимости от γ(рисунок 5).
Графики зависимостей в1 и в2 пересекаются при γ=17,4880 поэтому примем γ *=17,4880.
Зная параметры r*, q*, γ*, можем рассчитать оптимальные параметры четырехзвенника. Длину кривошипа R выберем из конструктивных соображений: R=H/3 (H - исходные данные). Остальные параметры: d=q**R ; RB=r**R ; Lш=p*R .
Тогда:
R (мм);
RB (мм);
d (мм);
Lш= (мм);
Полученные величины округлим по ГОСТ 6636-69 Ra40:
R=105(мм);
R B=85(мм);
d=150(мм);
Lш=130(мм);
Примем масштаб μL=1 и построим в этом масштабе схему четырехзвенника (рисунок 6).
3 Построение схемы механизма выключателя.
Коромысло ВО2С будем проектировать таким образом, чтобы в крайних положениях прямая О2С образовывала с горизонталью одинаковые углы
;
из схемы четырехзвенника (рисунок 6).
Считаем, что скорость контактного стержня практически совпадает с вертикальной проекцией скорости шарнира Е. Это условие выполняется достаточно точно во всех точках траектории движения шарнира Е при малом угле полного поворота коромысла . Однако очень малый угол приводит к значительному увеличению размера L и соответственно габаритов выключателя.
Исходя из этих соображений, зададим . Тогда зная Н, можно найти
(мм)
Полученное значение L округлим по ГОСТ 6636-69 по Ra40 и получим : L=420 (мм).
Исходя из соотношений и , где из конструктивных соображений определим размеры l1, l2. В данном случае примем ; тогда
(мм);
(мм);
Тогда из условия равенства хорд и получим зависимость между длиной второго плеча коромысла Rc и отношением длин плеч коромысла выключателя EO3F.
(мм)
Найдем hК-ход в контактах:
hK (мм);
Полученные значения округлим по ГОСТ 6636-69 по Ra40 и занесем в таблицу 5.
Таблица 5.
L, мм |
l1, мм |
l2, мм |
Rc,мм |
hk, мм |
ψ0, град |
θ0, град |
320 |
150 |
180 |
85 |
65 |
38.5 |
22,5 |
Д лина тяги CD практически не влияет на кинематику системы, поэтому зададим ее такой, чтобы схему механизма удобно было расположить на чертеже.
Поданным таблицы 5, параметрам четырехзвенника построим в масштабе μL=2,5 схему привода масляного выключателя (рисунок 7)
4 Расчет кинематических характеристик механизма.
Определим отношение скоростей точек D, E, F коромысла выключателя скорости штока двигателя в зависимости от положения штока . Разделим дугу, описываемую точкой A кривошипа O1A при переходе механизма из положения «отключено» в положение «включено» на шесть равных частей. Вычертим механизм в крайних и пяти промежуточных положениях, соответствующих семи положениям точки A. Восьмое положение (точка A8) соответствует моменту вхождения стержней в контакты (рисунок 1). Восемь положений механизма показаны на рисунке 7.
В каждом из положений механизма определим линейные скорости точек A, B, C, D,E, F и угловые скорости звеньев O1A, BC, EF. При этом вертикальная проекция скорости точки A, равная скорости штока двигателя, принимается равной единице (VAY). Примем также, что вертикальные проекции скоростей точек C и D одинаковы (VСY= VDY).
Скорость точки А в каждом из восьми положений направлена по перпендикуляру к звену О1А, а скорость штока направлена вертикально вверх и равна 1 м/с . Спроектируем вектор скорости точки А на вектор скорости штока:
где φi-угол между горизонтом и звеном O1Ai(рисунок 7).
Например
Шатун АВ совершает плоскопараллельное движение:
; ┴ АВ
Для нахождения скорости точки В VB , воспользуемся мгновенным центром скоростей. Для этого восстанавливаем перпендикуляры к скоростям VBi и VAi в точках Аi Bi до точки Pi(мцс) измеряем по чертежу (рисунок 7).
A iPi(мцс), определяем графическим методом (рисунок 7), замеряя расстояние от точки Аi до пересечения с прямой, выходящей из соответствующего положения точки Вi.
Скорость т.В для 3-го положения:
Для определения BiPi(мцс) поступаем точно также как и для определения AiPi (мцс). Скорость т.В для 3-го положения:
VBi=VAi*(BiPi/AiPi)
VB3=VA3*(B3P3/A3P3)=1.015*(11.7/8.2)=1.448
Скорость точки С:
VCi=VBi * (Rc/RB)
RB =RC
Скорость т.С для 3-го положения:
VC3=VB3i =1.448
Определим скорость точки D: звено CD совершает плоскопараллельное движение, которое можно описать уравнением :
Для нахождения скорости точки D можно принять, что вертикальные проекции скоростей точек С и D равны, найдем скорость точки D:
где ψi и θi –углы соответственно между горизонтом и звеном О2Сi и между горизонтом и звеном О3Di (рисунок 7).
Скорость т.D для 3-го положения:
О пределим скорость точек Е, F: звено О3Есовершает вращательное движение, следовательно, скорость точки Е можно рассчитать по формуле:
VFi=VDi*(l2/l1) ; VF3=1.425*(180/150)=1.187
VEi=VDi*(L /l1) ; VE3=1.425*(418/150)=3.972
Для определения скорости VLi воспользуемся формулой:
; VL3=3.972*cos5=3.957.
Рассчитаем остальные скорости точек и звеньев по приведенным выше формулам.
Результаты вычислений сведены в таблицу 6.
Таблица 6
i |
i |
i |
Sш,i |
Sст,i |
υAi |
υBi,
|
υCi |
υDi |
υEi
|
υFi |
υLi |
30 |
22.5 |
38.5 |
0 |
0 |
1.155 |
1.647 |
1.647 |
1.395 |
3.888 |
1.162 |
3.592 |
20 |
15 |
26 |
0.017 |
0.052 |
1.064 |
1.518 |
1.518 |
1.413 |
3.937 |
1.177 |
3.803 |
10 |
8 |
13 |
0.034 |
0.105 |
1.015 |
1.448 |
1.448 |
1.425 |
3.972 |
1.187 |
3.957 |
0 |
0 |
0 |
0.053 |
0.16 |
1.000 |
1.427 |
1.427 |
1.427 |
3.977 |
1.189 |
3.977 |
-10 |
-8 |
-13 |
0.071 |
0..215 |
1.015 |
1.448 |
1.448 |
1.425 |
3.972 |
1.187 |
3.957 |
-20 |
-15 |
-26 |
0.088 |
0..268 |
1.064 |
1.518 |
1.518 |
1.413 |
3.937 |
1.177 |
3.803 |
-30 |
-22.5 |
-38.5 |
0.105 |
0.32 |
1.155 |
1.647 |
1.647 |
1.395 |
3.888 |
1.162 |
3.592 |
-17 |
-13 |
-22 |
0.083 |
0..254 |
1.046 |
1.492 |
1.492 |
1.42 |
3.957 |
1.183 |
3.856 |
Координаты i - тых положений штока:
S Шi = R(sin φ0 – sin(φ0 – φi))
где R – длина кривошипа О1А
В таблице 6 Sшi-смещение штока двигателя, Sстi-смещение стержней, соответствующие i-тому положению, взяты непосредственно со схемы (рисунок 7).По данным таблицы 6 строятся графики зависимостей скоростей точек A, B, C, D, E и F,L от Sшi, а также зависимость Sст от Sш (рисунок 8, 9, 10).
5 Приведение сил сопротивления к штоку двигателя.
Условия равенства мощности приведенной к штоку силы Q сумме мощностей всех сил сопротивления выключателя запишем следующим образом
, (3) где Fj - активные силы трения, приложенные в j-х точках механизма;
vj - скорости j-х точек вдоль направления сил Fj;
Mk - моменты сил трения в k-х шарнирах;
- взаимные угловые скорости элементов, сопрягаемых в k-х шарнирах.
Разделив (3) на vm, получим
или в подробной записи
. (4)
Здесь - вертикальное перемещение точки F коромысла, отсчитываемое от ее нижнего положения.
При вычислении разности угловых скоростей в выражении (4) следует учитывать знак каждой из них. Подчеркнутое слагаемое включается в сумму только в тех положениях механизма, в которых контактные стержни вошли в розеточные контакты, а точка F коромысла соприкоснулась с буферной пружиной. На стадии проектирования моменты сил трения в шарнирах неизвестны, так что непосредственно использовать выражение (4) для определения величины Q невозможно. Однако мощность сил трения относительно невелика, что позволяет учесть ее, воспользовавшись понятием коэффициента полезного действия , который можно оценить на основании опыта создания
аналогичных конструкций. Отбросив в (4) слагаемые, выражающие работу сил трения, и разделив оставшиеся на , получим для каждого из восьми положений механизма
. (5)
Здесь и - вертикальные проекции относительных скоростей и , определяемые на основании данных из таблицы 6. Коэффициент полезного действия i для всех положений можно считать одинаковым. Принимаем
0,9,
где - КПД i-той пары.
Перемещение i определится выражением
.
Здесь i - текущее значение угла поворота коромысла, отсчитываемое от положения «отключено».
Подчеркнутые в (5) слагаемые учитываются лишь для положений механизма после замыкания контактных стержней.
Д евятое положение механизма возникает в результате расчета силы Q два раза для восьмого положения, то есть один раз без учета сил сопротивления, возникающих в месте соприкосновения контактных стержней с розеточными контактами, второй раз с учетом сил сопротивления.
Р езультаты вычислений сведены в таблицу 7 и по данным таблицы 7 построен график зависимости FCti отSШi (рисунок 11) .
Таблица 7
λi, мм |
0 |
22 |
44 |
69 |
96 |
115 |
138 |
109 |
|
Sшi,мм |
0 |
17 |
34 |
53 |
71 |
88 |
105 |
83 |
|
F Cti, Н
|
59.67 |
575.086 |
1113 |
1758 |
2459 |
13810 |
17410 |
2811 17410 |