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: L_ш, d, R_В, 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, R_В-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 θ_Bi (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)

r_cр=

γ_ср=

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, γ_ср = 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 ; R_B=r_**R ; L_ш=p*R .

Тогда:

R (мм);

R_B (мм);

d (мм);

L_ш= (мм);

Полученные величины округлим по ГОСТ 6636-69 Ra40:

R=105(мм);

R _B=85(мм);

d=150(мм);

L_ш=130(мм);

Примем масштаб μ_L=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, l_2. В данном случае примем ; тогда

(мм);

(мм);

Тогда из условия равенства хорд и получим зависимость между длиной второго плеча коромысла R_c и отношением длин плеч коромысла выключателя EO₃F.

(мм)

Найдем h_К-ход в контактах:

h_K (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 μ_L=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 (V_AY). Примем также, что вертикальные проекции скоростей точек C и D одинаковы (V_СY= V_DY).

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 φ_i-угол между горизонтом и звеном O­₁A_i(рисунок 7).

Например

Шатун АВ совершает плоскопараллельное движение:

; _┴ АВ

Для нахождения скорости точки В V_B , воспользуемся мгновенным центром скоростей. Для этого восстанавливаем перпендикуляры к скоростям V_Bi и V_Ai в точках А_i B_i до точки P_i(мцс) измеряем по чертежу (рисунок 7).

A _iP_i(мцс), определяем графическим методом (рисунок 7), замеряя расстояние от точки А_i до пересечения с прямой, выходящей из соответствующего положения точки В_i.

Скорость т.В для 3-го положения:

Для определения B_iP_i(мцс) поступаем точно также как и для определения A_iP_i (мцс). Скорость т.В для 3-го положения:

V_Bi=V_Ai*(BiPi/AiPi)

V_B3=V_A3*(B₃P₃/A₃P₃)=1.015*(11.7/8.2)=1.448

Скорость точки С:

V_Ci=V_{Bi *} (Rc/R_B)

R_B =R_C

Скорость т.С для 3-го положения:

V_C3=V_B3i =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 ψ_i и θ_i –углы соответственно между горизонтом и звеном О₂С_i и между горизонтом и звеном О₃D_i (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:

V_Fi=V_Di*(l₂/l₁) ; V_F3=1.425*(180/150)=1.187

V_Ei=V_Di*(L /l₁) ; V_E3=1.425*(418/150)=3.972

Для определения скорости V_Li воспользуемся формулой:

; V_L3=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 – φ_i))

где R – длина кривошипа О₁А

В таблице 6 S­_шi-смещение штока двигателя, S_стi-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 S_шi, а также зависимость S_ст от S_ш (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 F_j - активные силы трения, приложенные в j-х точках механизма;

v_j - скорости j-х точек вдоль направления сил F_j;

M_k - моменты сил трения в k-х шарнирах;

 - взаимные угловые скорости элементов, сопрягаемых в k-х шарнирах.

Разделив (3) на v_m, 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 F_Cti отS_Шi (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