Разработка аппарата и обоснование принятой кинематической схемы

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО  ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Чувашский государственный университет им. И.Н.Ульянова»

 

Электротехнический  факультет

 

Кафедра электрических  и электронных аппаратов

 

 

 

 

 

Курсовая работа

 

по дисциплине:

«Инженерное конструирование»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент группы ЭТ-22-05                                               Иванова Л. В.

 

Руководитель                                                                                  Максимов В.М.

 

доцент кафедры ЭиЭА                                                                                                          

 

 

 

 

 

 

Чебоксары 2009 г.

 

Содержание

 

 

Введение

Электрический аппарат (ЭА) – это электротехническое устройство, которое используется для включения, отключения электрических цепей, контроля, измерения, защиты и управления установок, предназначенных для передачи, преобразования, распределения и потребления энергии.

Под ЭА понимается круг всевозможных устройств, применяемых в промышленности, энергетике и быту.  Наибольшее распространение  получили ЭА для управления потоками электрической энергии для изменения режимов работы, регулирования параметров, контроля и защиты электротехнических систем и составных частей. Как правило, функции таких ЭА осуществляются посредством коммутации электрических цепей с различной частотой, начиная от относительно редких нерегулярных значений до частых.

Одним из основных признаков  классификации ЭА является напряжение. По этому принципу различают аппараты низкого напряжения с напряжением  до 1000В, и аппараты высокого напряжения с напряжением свыше 1000В. Аппараты низкого напряжения классифицируются иногда по величине коммутируемого тока:

слаботочные – до 10А;

сильноточные – свыше 10А.

ЭА, как низкого, так  и высокого напряжения, обычно являются конструктивно законченными техническими устройствами, реализующими определенные функции и рассчитанные на определенные условия эксплуатации. В основе большинства электромеханических ЭА лежит контактная система с различным типом приводов (ручным, электромагнитным, механическим и т.д.).

Электротехническое производство отличается многообразием и сложностью техпроцессов, применяемых при изготовлении деталей и узлов ЭА. При разработке конструкции необходимо ориентироваться на технологию изготовления с использованием базовых (наиболее рентабельных) техпроцессов:

- холодная штамповка;

- изготовление деталей методом формования из полимерных материалов;

- механическая обработка,  в меньшей степени. 

В курсовой работе была поставлена задача: разработать конструкцию кнопочного выключателя (КВ) на ток 50А. Конструкция должна обеспечивать подсоединение со стороны основания. Корпус – прямоугольный, закрытый. При разработке конструкции необходимо обеспечить следующие требования:

- изделие должно быть  минимальных габаритов;

- минимальное количество  крепежных деталей;

- обеспечение технологичности  деталей.

Окончательным этапом разработки конструкции является определение влияния конструктивно-технологических факторов на точность величины переходного сопротивления, которое характеризует надежность работы контактной системы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Выбор направления разработки аппарата  и обоснование принятой кинематической схемы.

При разработке конструкции  основное внимание необходимо уделять  технологичности деталей и узлов, достижению точности наиболее важных размеров деталей, определяющих заданные параметры конструкции. Наиболее важными параметрами для КВ являются раствор (d_раст) и провал (d_пр) контактов; ход траверсы.

За основу была принята кинематическая схема (рис. 1) с прямоходовым движением траверсы. Основным элементом является траверса 1, которая служит для установки подвижных контактов 2. Неподвижные контакты 3 устанавливаются в основание 4. Кинематическая схема обеспечивает два положения траверсы:

• поверхность Б траверсы 1 находится на одном уровне с поверхностью А ограничителя.
• траверса, отжатая возвратной пружиной 5 до замыкания контактов.

Выбранная кинематическая схема обеспечивает реализацию довольно простой конструкции КВ. Проведенный этап конструирования позволяет перейти к разработке конструктивной компоновки  изделия.

 

 

 

 

 

 

2. Конструктивный расчет  контактной системы

2.1 Расчет токоведущих частей  конструкции

Размеры находят на основе формулы Ньютона-Рихмана:

 (2.1)

где   – номинальный ток длительного режима, А;

R – сопротивление токоведущих частей, Ом;

К_Т – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²·°С)

S_Б – боковая поверхность токоведущих частей, м²;

q_ДОП – допустимая температура нагрева, °С;

q₀ – температура окружающей среды, нагрева, °С;

Материал токоведущего контура выбираем – латунь. Подставим в выражение 2.1 выражения для сопротивления и площадей, получаем:

 (2.2)

где  а – толщина проводника, м;

b – ширина проводника, м;

r₀ – удельное сопротивление для латуни, Ом•м;

α – температурный коэффициент сопротивления, 1/°С;

Параметры материала токоведущего контура [1]:

удельное сопротивление латуни - ;

температурный коэффициент  сопротивления - ;

коэффициент теплоотдачи  для горизонтальных шин находится  в пределах

К_Т=(6...9)10^-4 (Вт/см²°С). Принимаем К_Т=9•10^-4 (Вт/см²°С);

температура окружающей среды – 40°С.

Для выбора размеров прямоугольного сечения детали принято задаваться соотношением (стр.6 [2]): b=(3..6)a. Принимаем b=6a.

Вычисляем значение правой части 2.1:

 

Отсюда: , следовательно _, . Из конструктивных соображений принимаем . Тогда .

Контакты прямоугольной формы (линейные ). Длина и ширина накладки – 5  мм, высота накладки – 1 мм. [2]

2.2 Выбор коммутирующих контактов и расчет переходного сопротивления

Система коммутирующих  контактов является основным узлом, ради функционирования которого проектируется аппарат. Поэтому конструкция и параметры контактной системы определяют основные параметры всего аппарата и, следовательно, его конструкцию, габариты и массу. В процессе проектирования коммутирующих контактов необходимо решить ряд задач:

• установить конструктивную форму контактов;
• выбрать материал и основные размеры контактов;
• определить основные параметры контактных узлов (контактные нажатия,раствор, провал контактов);
• рассчитать контактные пружины.

2.2.1 Выбор материала коммутирующих контактов

Основные требования, которые предъявляются к свойствам  материала коммутирующих контактов, следующие: низкое удельное и контактное переходное электрическое сопротивление, высокие теплопроводность, теплоемкость и температура плавления, высокая стойкость против коррозии, эрозии и сваривания, высокая твердость, хорошие технологические свойства и невысокая стоимость. Материалов, которые полностью удовлетворяют всем требованиям, нет.

Для контактов  контакторов, автоматов, реле управления наиболее часто используют серебро, медь, вольфрам и металлокерамические материалы.

Серебро (марки  Ср - 999, ГОСТ 6836 – 54) применяется для контактов реле блок-контактов, а также для главных и разрывных контактов контакторов и автоматов при номинальных токах не более 20А, при больших токах – только для главных контактов. Используется серебро в основном в виде накладок, привариваемых или припаиваемых к медным, латунным или бронзовым деталям.

Медь (марки М1-ТВ, ГОСТ 859 – 66 или МК - ТВ) применяется в  главных и дугогасительных контактах при значительных нажатиях (больше 3 Н) и относительно больших отключаемых токах (более 100А), когда тепловое воздействие дуги способствует очищению контактной поверхности от окисных пленок. При этом в конструкциях контактных узлов необходимо предусмотреть также и другие возможности разрушения плёнок, например, проскальзывание контактов. Для работы в продолжительном режиме медные контакты использовать не рекомендуется

Вольфрам и его сплавы применяются при частых коммутациях  небольших токов, например, в вибрационных регуляторах. При средних и больших токах они используются для дугогасительных контактов на отключаемые токи до 100кА и более. Вольфрамовые контакты требуют значительных контактных нажатий.

Из металлокерамических  материалов (ГОСТ 3884 - 67) наибольшее распространение в аппаратах низкого напряжения получили КМК-А10 (серебро –окись кадмия), КМК-А20 (серебро – окись меди), КМК-А30 (серебро – никель), КМК-А40 (серебро - графит), КМК-Б10 (медь – графит). Контакты из КМК-А10 – КМК-АЗО используются для работы практически в любых режимах в качестве главных и дугогасительных. Серебряно-графитовые и медно-графитовые контакты применяются обычно как дугогасительные.

В качестве материала для контактов  выбирается серебро марки Ср-999, ГОСТ 6836 - 54.

 

 

2.2.2 Определение конечного и начального контактного нажатия

По заданию ток Следовательно, по  практическим рекомендациям [1] найдем конечную силу Т.к. эта сила для одного контакта, то для пружин мостикового контакта

Усилие  начального контактного нажатия рассчитывается исходя из условия снижения суммарного времени вибрации контактов примерно до 0,3×10^-3 с. Расчёт процесса вибрации весьма сложен, поэтому значение целесообразно выбрать в соответствии с рекомендациями в [2]  .

2.2.3 Определение переходного сопротивления контактов

Значение переходного  сопротивления контактов аппарата должно обеспечиваться силой  и определяется по формуле:

,

где ε – коэффициент, Н·Ом. Для серебра ε = 0,6·10^-3 Н·Ом, учитывая коэффициент запаса для никеля ε = 1.3·0,6·10^-3 =0.78·10^-3 Н·Ом

m – коэффициент зависящий от геометрии контакта: для точечного контакта он равен 0,5; для линейного – 0,7; для плоского – 1.

Подставив все коэффициенты получим:

2.2.4 Определение падения напряжения на контактах

Это напряжение должно быть меньше, чем допустимое напряжение на контактах  . Оно составляет 50-80% от напряжения рекристаллизации ,  которое для серебра равно 90 мВ. В нашем случае это условие выполняется.

 

2.2.5 Определение раствора и провала контактов

При размыкании контактов  подавляющего большинства аппаратов  управления появляется электрическая дуга, поэтому раствор выбирается из условия надежного гашения критических токов, когда механическое растяжение играет определяющую роль в гашении дуги.

В контакторах общепромышленного  применения раствор составляет обычно               5–20 мм, в малогабаритных контакторах и реле управления – 2–10 мм. Величина раствора (не менее 2 мм) ограничивается необходимостью предотвращения повторного замыкания контактов из-за отброса от упора, возможностью образования металлического мостика при отключении, допусками на изготовление.

Установлено, что в контакторах различных серий соотношение между раствором и провалом меняется незначительно. Поэтому в случае необходимости приближённой оценки величины раствора (d_раст) можно (при известном значении провала d_пр) воспользоваться зависимостью:

 (2.3)

Раствор контактов выбирается по формуле [1]:

 (2.4)

По этим рекомендации для проектируемого выключателя принимаем мм. Погрешность ± 0,45 мм выбираем из практических соображений. А провал находится из соотношения (2.3) .

 

3.  Конструктивный расчет  силовых элементов

Любой электрический  аппарат в составе своей конструкции  имеет одну или несколько пружин. Значительное число пружин электрических  аппаратов, выполняя ответственную роль, определяют основные характеристики аппаратов, поэтому их расчет имеет большое значение.

3.1 Расчет контактной пружины

Наибольшее распространение  в электроаппаратостроении получили винтовые цилиндрические и плоские (пластинчатые) пружины. Форма пружины и ее материал определяются схемой и конструкцией механизма. При относительно небольшой деформации цилиндрических пружин можно получать большие усилия. Эти пружины в зависимости от их размеров могут развивать усилия, измеряемые от долей до тысяч ньютонов (от граммов до тонн).