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

(4.20)

Обычно и момент от силы трения не учитывают, считая.

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,

где 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.