Исследование механических напряжений в приводном валу вакуумного выключателя средних напряжений

В статье исследуются процессы, которые определяют механические напряжения в приводном вале вакуумного выключателя в статическом и динамическом режимах работы. Показано, что механическая деформация вала вызывает уменьшение провала контактов на величину до 30% и сил контактного нажатия на (10-11)%, эт...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2017
Hauptverfasser:	Байда, Е.И., Клименко, Б.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України 2017
Schriftenreihe:	Електротехніка і електромеханіка
Schlagworte:	Електричні машини та апарати
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147540
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Исследование механических напряжений в приводном валу вакуумного выключателя средних напряжений / Е.И. Байда, Б.В. Клименко // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 1. — С. 10-15. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-147540
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1475402019-02-16T01:23:11Z Исследование механических напряжений в приводном валу вакуумного выключателя средних напряжений Байда, Е.И. Клименко, Б.В. Електричні машини та апарати В статье исследуются процессы, которые определяют механические напряжения в приводном вале вакуумного выключателя в статическом и динамическом режимах работы. Показано, что механическая деформация вала вызывает уменьшение провала контактов на величину до 30% и сил контактного нажатия на (10-11)%, эти значения не критичны и мало влияют на работу выключателя. Получены значения сил, действующих на опоры вала. Показано, что динамические усилия в опорах на (19-38)% больше статических. Полученные значения усилий позволяют выбрать материал вала и подшипники. У статті досліджуються процеси, що визначають механічні напруги в приводному валу вакуумного відмикача в статичному та динамічному режимах роботи. Показано, що механічна деформація вала обумовлює зменшення провалу контактів до 30% і сил контактного натискання на (10-11)%, однак ці значення не є критичними та мало впливають на роботу вимикача. Отримано значення сил, що діють на опори вала. Показано, що динамічні сили в опорах на (19-38)% більше, ніж статичні. Отримані значення зусиль дозволяють вибрати матеріал вала та підшипники. Introduction. In the last 10-15 years a dominant position in the market of medium voltage circuit breakers, vacuum circuit breakers have taken in which as an actuator mono- or bistable actuators with permanent magnets are used. Such circuit breakers are characterized by simplicity of design, high reliability, require preventive maintenance for many years. Development, research and improvement of vacuum circuit breakers are carried out at the Department for Electrical Apparatus, National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute». While working on the circuit breakers, developers have to deal with two related objectives – electrical and mechanical. This paper considers the solution of one of these problems – calculation of mechanical forces in the drive shaft of the vacuum circuit breaker in static and dynamic modes. This work was preceded by the failure of the results of measurements of the prototype circuit breakers’ contacts. Measurements have shown that these values do not match the expected values (there were less than the value of 0.8 to 1 mm). The assumption about the reasons for this discrepancy needed to be detailed checked. The results of the work done are presented in this paper. Purpose. Investigation of static and dynamic mechanical stresses and strains in the drive shaft of the vacuum circuit breaker mechanism to determine its characteristics and material selection. Methods. The investigation of mechanical processes is performed by the finite element method in the COMSOL software package. Results. We obtain the static and dynamic characteristics of the circuit breaker drive shaft: deformations, reaction forces, stresses. These characteristics made it possible to determine the actual course of the contacts, select shaft material and calculate the forces acting on the bearings. Conclusions. It is shown that the contact velocity and contact pressure are different from the theoretical value due to the deformation of the shaft. The forces acting on the thrust bearings dynamically are by 16-39% higher than the static ones. It is assumed that further refinement of the mathematical model takes into account the traction insulators and housing, as well as dynamics of the circuit. 2017 Article Исследование механических напряжений в приводном валу вакуумного выключателя средних напряжений / Е.И. Байда, Б.В. Клименко // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 1. — С. 10-15. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 2074-272X DOI: https://doi.org/10.20998/2074-272X.2017.1.02 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147540 621.3.04: 621.316 ru Електротехніка і електромеханіка Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати
spellingShingle	Електричні машини та апарати Електричні машини та апарати Байда, Е.И. Клименко, Б.В. Исследование механических напряжений в приводном валу вакуумного выключателя средних напряжений Електротехніка і електромеханіка
description	В статье исследуются процессы, которые определяют механические напряжения в приводном вале вакуумного выключателя в статическом и динамическом режимах работы. Показано, что механическая деформация вала вызывает уменьшение провала контактов на величину до 30% и сил контактного нажатия на (10-11)%, эти значения не критичны и мало влияют на работу выключателя. Получены значения сил, действующих на опоры вала. Показано, что динамические усилия в опорах на (19-38)% больше статических. Полученные значения усилий позволяют выбрать материал вала и подшипники.
format	Article
author	Байда, Е.И. Клименко, Б.В.
author_facet	Байда, Е.И. Клименко, Б.В.
author_sort	Байда, Е.И.
title	Исследование механических напряжений в приводном валу вакуумного выключателя средних напряжений
title_short	Исследование механических напряжений в приводном валу вакуумного выключателя средних напряжений
title_full	Исследование механических напряжений в приводном валу вакуумного выключателя средних напряжений
title_fullStr	Исследование механических напряжений в приводном валу вакуумного выключателя средних напряжений
title_full_unstemmed	Исследование механических напряжений в приводном валу вакуумного выключателя средних напряжений
title_sort	исследование механических напряжений в приводном валу вакуумного выключателя средних напряжений
publisher	Інститут технічних проблем магнетизму НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Електричні машини та апарати
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/147540
citation_txt	Исследование механических напряжений в приводном валу вакуумного выключателя средних напряжений / Е.И. Байда, Б.В. Клименко // Електротехніка і електромеханіка. — 2017. — № 1. — С. 10-15. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.
series	Електротехніка і електромеханіка
work_keys_str_mv	AT bajdaei issledovaniemehaničeskihnaprâženijvprivodnomvaluvakuumnogovyklûčatelâsrednihnaprâženij AT klimenkobv issledovaniemehaničeskihnaprâženijvprivodnomvaluvakuumnogovyklûčatelâsrednihnaprâženij
first_indexed	2025-07-11T02:10:54Z
last_indexed	2025-07-11T02:10:54Z
_version_	1837314735419162624
fulltext	Електричні машини та апарати 10 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №1 © Е.И. Байда, Б.В. Клименко УДК 621.3.04: 621.316 doi: 10.20998/2074-272X.2017.1.02 Е.И. Байда, Б.В. Клименко ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПРИВОДНОМ ВАЛУ ВАКУУМНОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ СРЕДНИХ НАПРЯЖЕНИЙ У статті досліджуються процеси, що визначають механічні напруги в приводному валу вакуумного відмикача в стати- чному та динамічному режимах роботи. Показано, що механічна деформація вала обумовлює зменшення провалу конта- ктів до 30% і сил контактного натискання на (10-11)%, однак ці значення не є критичними та мало впливають на ро- боту вимикача. Отримано значення сил, що діють на опори вала. Показано, що динамічні сили в опорах на (19-38)% більше, ніж статичні. Отримані значення зусиль дозволяють вибрати матеріал вала та підшипники. Бібл. 19, рис. 12. Ключові слова: вакуумні відмикачі, механічні напруги, деформація вала. В статье исследуются процессы, которые определяют механические напряжения в приводном вале вакуумного вы- ключателя в статическом и динамическом режимах работы. Показано, что механическая деформация вала вызыва- ет уменьшение провала контактов на величину до 30% и сил контактного нажатия на (10-11)%, эти значения не критичны и мало влияют на работу выключателя. Получены значения сил, действующих на опоры вала. Показано, что динамические усилия в опорах на (19-38)% больше статических. Полученные значения усилий позволяют вы- брать материал вала и подшипники. Библ. 19, рис. 12. Ключевые слова: вакуумные выключатели, механические напряжения, деформация вала. Введение. В последние 10 – 15 лет доминирующее положение на рынке выключателей средних напряже- ний заняли вакуумные выключатели, у которых в каче- стве привода используются бистабильные электромаг- нитные актуаторы с высококоэрцитивными постоянны- ми магнитами. Лидером в этой области является кон- церн АВВ, первым представивший такой выключатель (VM1) в 1990 г. [1]. В Украине подобные выключатели производят компании ЗАО «Высоковольтный союз» и «АВМ АМПЕР» [2]. В выключателях BB-TEL («Таври- да электрик» [3]) применяются электромагнитные актуа- торы с низкокоэрцитивными постоянными магнитами. Вакуумные выключатели с электромагнитными актуа- торами характеризуются простотой конструкции, высо- кой надежностью и в течение многих лет не требуют профилактического обслуживания. На кафедре электрических аппаратов НТУ «ХПИ» уже более 10 лет ведутся работы, связанные с исследованиями, усовершенствованием и разработкой новых конфигураций вакуумных выключателей и контакторов средних напряжений [4 – 7]. Одним из направлений таких работ является исследование ме- ханических процессов в выключателях с вертикаль- ным (относительно приводного модуля) полюсов с вакуумными прерывателями. Конструкция таких вы- ключателей предусматривает передачу движения от актуатора к подвижным контактам через приводной вал (рис. 1) – актуатор через ось 3 приводит во вра- щение вал, оси 4 которого связанны с подвижными контактами через тяговые изоляторы. 1 3 4 2 2 4′ 4 1z x y Рис. 1. Приводной вал выключателя, где 1 – оси крепления вала в подшипниках; 2 – плоскости приложения сил отключающих пружин; 3 – ось крепления тяги электромагнитного актуатора; 4, 4′ – оси крепления тяг подвижных контактов в крайних и среднем полюсах; x, y, z – оси системы координат Постановка проблемы. В процессе исследова- ния работы привода выключателя на макетных образ- цах было установлено: - на вал, который крепится в двух подшипниках без промежуточных опор, действуют значительные усилия, вследствие чего вал деформируется, а провал контак- тов и усилия их поджатия уменьшаются (относительно сил, рассчитанных для абсолютно жесткого вала); - деформации вала носят сложный характер (изгиб и кручение), вследствие чего в подшипниках возни- кают не только радиальные, но и осевые силы; - крутильные колебания вала, возникающие в дина- мических режимах, влияют на ход и поджатие контактов. В связи с этим, был определен круг вопросов, отве- ты на которые приводят к пониманию направлений про- ектирования таких аппаратов, а именно: 1) является ли критичным уменьшения сил контактного нажатия вследствие деформации вала? 2) возможны ли отскоки контактов при колебаниях вала? 3) насколько критичны осевые усилия в подшипниках? 4) как изменяется ход и поджатие контактов по мере их износа? Задачи и цель. Задачей работы было создание ма- тематической модели для расчета усилий и деформаций приводного вала в статическом и динамическом режимах с целью определения влияния этих параметров на работу вакуумного выключателя рассматриваемой конфигура- ции, что может послужить основой выработки рекомен- даций к проектированию аппаратов подобного типа. Несмотря на то, что в литературе расчет валов представлен достаточно обширно (в [8 – 11] приведены наиболее фундаментальные исследования), проблема заключается в том, что расчеты вала такой конструк- ции при таких условиях крепления (рис. 1) отсутствуют. Как показано в [12], расчеты сложных конструкций могут быть проведены только численными методами, поэтому все расчеты в данной работе проводились в пакете COMSOL методом конечных элементов. Трехмерная модель вала (рис. 1) была создана в среде AutoCAD, а затем экспортирована в среду COMSOL. ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №1 11 Расчет вала выключателя для приятой модели. В качестве примера приведен расчет вала опытного об- разца вакуумного выключателя средних напряжений. Исходные данные: длина стального вала – 574 мм; форма сечения – шестигранная с диаметром вписанной окруж- ности 32 мм); соотношение хода оси актуатора и осей тяговых изоляторов – 1,5; суммарная сила отключающих пружин (действующих на поверхности 2 рис. 1) – 1000 Н; суммарная сила начального поджатия контактных пру- жин, (приложенная к осям 4 рис. 1) – 6600 Н (по 2200 Н на полюс); ход оси 3 (рис. 1) актуатора после касания контактов – 6 мм; теоретический ход осей тяговых изо- ляторов после касания контактов (провал контактов при абсолютно жестком вале, оси 4 на рис. 1) – 3,92 мм, по дальней точке диаметра осей – 4,3 мм; жесткость кон- тактной пружины – 280 кН/м; суммарная противодейст- вующая сила контактных пружин при абсолютно жест- ком вале (приложенная к осям 4 рис. 1) в конечном положении вала – 9900 Н (по 3300 Н на полюс). Допущения, принимаемые при расчете: опоры крепления вала жесткие; торцы вала упираются в не- деформируемые подшипники; жесткость отключаю- щих пружин не учитывается (на порядок меньше жест- кости контактных пружин). Граничные условия: задано перемещение оси 3 в направлении минус y (рис. 1) в пределах 0 мм ... 6 мм; на плоскостях 2 (рис. 1) заданы удельные значения сил отключающих пружин; на осях 4 заданы удельные значения сил контактных пружин с учетом их поджатия; на поверхностях 1 и торцах вала заданы условия 0 n  (где   – вектор перемещений, n  – нормаль к поверхности). Последнее условие обес- печивает вращение вала вокруг его продольной оси x без трения и отсутствие осевого перемещения. Результаты расчета в статике. Вследствие деформации вала (рис. 2) изменяются значения хода тяг контактов, а также силы контактного нажатия по сравнению с результатами расчетов при абсолютно жестком вале. Соответствующие расчетные зависимо- сти показаны на рис. 3. Рис. 2. Картина деформации вала при 20-кратном увеличении Как следует из рис. 3,а, в конечном положении значение хода меньше, чем при абсолютно жестком вале на 1,05 мм для среднего полюса и на 1,3 мм для крайних полюсов. Такое уменьшение хода вызывает уменьшение сил контактного нажатия (рис. 3,б). В ча- стности, начальное нажатие уменьшается по сравнению с нажатием для недеформируемого вала на 140 Н, конеч- ное для крайнего полюса – на 340 Н, для среднего – на 280 Н, что составляет 10% … 11% от контактного нажатия и мало влияет на работу выключателя. 1 2 3 4 1 2 3 4 2200 2400 3400 2400 2400 3000 3200 ко нт ак тн ы е на ж ат ия , Н  0 2000 60 6 3 ход актуатора, мм ход актуатора, мм  хо д тя г ко нт ак то в, м м  -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 3 3 а) б) Рис. 3. Зависимости хода тяг контактов (а) и контактного нажатия (б) в функции хода актуатора: 1 – начальное значение для абсолютно жесткого вала (касание контактов); 2 – конечное значение при абсолютно жестком вале; 3 – расчетное значение в крайнем полюсе; 4 – расчетное значение в среднем полюсе Одним из важных расчетных параметров явля- ются значения сил, действующих на вал со стороны корпуса выключателя или силы, действующие на под- шипники (приводятся конечные значения сил при максимальном ходе). В результате расчетов получены значения сил по координатам (рис. 1): Rx = 3428 Н, Ry = 5275 Н, Rz = 4969 Н. Продольная сила Rx возникает в результате упора торцов вала в подшипники и изгиба вала. При этом радиальная сила будет равна: Н. 724522  yzr RRF (1) Полученные значения позволяют оценить усло- вия работы подшипников и выбрать их размеры. Рас- четным нагрузкам соответствует, например, подшип- ник 6304-2RSH-SKF (Швеция) с размерами 205215 с допустимыми усилиями: динамическим – 15,9 кН, и статическим – 7,8 кН. Считается, что допустимое осевое усилие достигает 70% от неиспользованной радиальной нагрузки. Следовательно, допустимая осевая нагрузка равна (15900 – 7245)  0,7 = 8655 Н. Таким образом, и радиальная и осевая нагрузка меньше найденного допустимого значения. Результаты расчета в динамике. Статический расчет не дает полной информации о напряжениях, перемещениях и действующих силах. Это связано со значительными силами, скоростями и движущимися массами в процессе работы выключателя. Поэтому необходимо учесть динамику работы выключателя. Учет масс тяговых изоляторов. Массы подвиж- ных тяговых изоляторов, прикрепленных к осям 4 (рис. 1), учитывались увеличением плотности мате- риала осей по формуле: Vm   , (2) где m – известная масса тягового изолятора равная 0,725 кг;  - искомая плотность материала; V – из- вестный объем одной оси 4. В рассматриваемом примере значение плотности получилось равным 2,56 105 кг/м3. 12 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №1 Определение коэффициентов демпфирования. При анализе переходных процессов необходимо учитывать параметры демпфирования, которые определяют потери энергии в системе (затухание колебаний системы). Демпфирование по Релею [13] предполагает спо- соб учета параметров затухания в зависимости от массы движущихся тел и жесткости системы и подра- зумевает определение параметров диагональной мат- рицы жесткости или демпфирования: 2)()( ii KMC   , (3) где Ci – матрица жесткости; (М) – коэффициент зату- хания, зависящий от массы M тела; (К) – коэффициент затухания, зависящий от жесткости системы K; i = = 2    fi – круговая частота колебаний i-й моды; fi – соответствующая частота i-й моды. Жесткость i-й моды можно представить iiiC   2 , (4) где i – коэффициент вязкого демпфирования. Если известны коэффициенты демпфирования для i-й и j-й моды, то коэффициенты )(M и )(K определяются из выражения: j i j j i i K M          )( )( 1 1 2 1 . (5) Для сталей известен фактор потерь  = 0,2 [14]. Тогда приняв, что i = j и учитывая, что  =  / 2, получим 1,0 ji  , и соответствующие значения )(M и )(K . Расчеты частот собственных колебаний были проведены в специальном режиме программы COMSOL. На рис. 4 показаны формы вала для первой и второй моды (в увеличенном масштабе). а) б) Рис. 4. Форма первой (а) и второй (б) моды колебаний вала В результате расчетов были получены следую- щие значения частот: f1 = 242,8 Гц, f1 = 338,0 Гц. Исходя из найденных частот с помощью (5) были найдены коэффициенты затухания колебаний вала: с 105,5,c 6,177 51    . Формирование уравнения движения тяги элек- тромагнита и начальных условий. Для расчета дина- мики необходимо задать временную зависимость движения тяги актуатора в пределах провала контак- тов. Такие расчеты были проведены ранее на основа- нии совместного решения уравнений электромагнит- ного поля, электрической цепи и уравнения движения [15–19]. С учетом расположения системы координат, аппроксимирующая временная зависимость хода ак- туатора будет иметь следующий вид:          1000/если],[106 1000/tесли],[)500sin(106 )( 3 3   м мt tS y . (6) За начало отсчета принято время замыкания кон- тактов выключателя, после которого актуатор «выби- рает» провал контактов. Начальная скорость оси тяги актуатора (поз. 3, рис. 1): м/с 3 )0( 0  dt dS V y (7) Начальная скорость точек вала: ii rv  0 . (8) В выражении (8) обозначено: zeyer l V e zyix   ,0 , (9) где l – расстояние от оси вращения вала до оси креп- ления тяги актуатора 3 (рис. 1); ir  – расстояние от точек, принадлежащих валу до его продольной оси х. Результаты расчета при исходных значениях силы и хода поджатия контактов. Графики временных зави- симостей хода осей тяг контактов (поз. 4, рис. 1) приве- дены на рис. 5. 3 4 0 2 3 время, мс  хо д тя г ко нт ак то в, м м  0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 -0,5 4 6 8 10 12 14 Рис. 5. Временные зависимости хода осей тяг контактов: 3 – расчетное значение хода в крайнем полюсе; 4 – расчетное значение хода в среднем полюсе Из рис. 5 видно, что движение осей тяг контактов имеет колебательный характер, однако эти колебания не являются критичными, так как их размах относительно невелик (наибольшее значение составляет приблизи- тельно 0,25 мм, что намного меньше хода поджатия – около 4 мм) и не приводят к размыканию контактов. Очевидно, что таким же колебаниям будут подвержены и силы контактного нажатия (рис. 6). Из рис. 6 следует, что конечные значения сил стре- мятся к своим значениям в статике – 2961 Н и 3016 Н, ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №1 13 а сила начального нажатия (в отличие от ситуации в статике) в момент замыкания контактов не уменьшается, что обусловлено инерционностью вала и прочих связан- ных с ним элементов конструкции. 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 t s F N 1 2 1 0 2 время, мс  си ла к он та кт но го н аж ат ия , Н  2000 4 6 8 10 12 14 2 2200 2400 2600 2800 3000 3200 Рис. 6. Колебание силы контактного нажатия на крайнем (1) и среднем полюсе (2) На рис. 7 показана суммарная сила контактного нажатия в зависимости от времени. 1 2 0 2 время, мс  с ум м ар на я си ла к он та кт но го н аж ат ия , Н  4 6 8 10 12 14 6500 7000 7500 8000 8500 9000 9500 10000 Рис. 7. Суммарная сила контактного нажатия при абсолютно жестком вале (1) и расчетная сила (2) В конечном положении после окончания пере- ходного процесса различие между нажатием при аб- солютно жестком вале и расчетными значениями 96689279893  Н, что составляет величину поряд- ка 10% от теоретической и не является критичным. Определенный интерес представляют динамиче- ские значения реакций подшипников (рис. 8). 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 R N Ry Rx Rz 0 2 время, мс  р еа кц ии в п од ш ип ни ка х, Н  4 6 8 10 12 14 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 8000 7000 Рис. 8. Значение динамических реакций сил в подшипниках по осям координат Как следует из рисунка, максимальные динами- ческие реакции больше статических реакций по осям: x – в 1,38 раз; y – в 1,35 раз; z – в 1,19 раз. На рис. 9 показан график радиального динамического усилия. Расчеты показывают, что осевое значение силы не превышает допустимого значения. На рис. 10 пока- зана допустимая нагрузка на ось и осевая нагрузка подшипника. Из рисунка следует, что осевая динамиче- ская нагрузка не превышает допустимого значения. 0 2000 4000 6000 8000 10000 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 Fr N 0 2 время, мс  р ад иа ль ны е ус ил ия , Н  4 6 8 10 12 14 0 2000 4000 6000 8000 10000 Рис. 9. Радиальные усилия в подшипнике 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 0 0 002 0 004 0 006 0 008 0 01 0 012 0 014 R N [R ] Rx Rx 0 2 время, мс  р еа кц ии в п од ш ип ни ка х, Н  4 6 8 10 12 14 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 [R] Рис. 10. Временные зависимости осевой Rx и допустимой осевой [R] нагрузки на подшипник Результаты расчета в случае двукратного уменьшения хода поджатия контактов при их износе (максимальный износ контактов в процессе работы). В процессе работы выключателя в результате износа контактов уменьшается значение провала контактов, что сказывается на работе выключателя. Данные рас- чета при уменьшении провала контактов в два раза (максимальный износ контактов) приведены ниже. Конечное значение силы контактного нажатия уменьшится: на крайних полюсах с 2961 Н до 2545 Н; на среднем полюсе – с 3016 Н до 2550 Н по сравнению со значениями для новых контактов. Реакция подшип- ников при этом также изменится: Rx – c 2428 Н до 782 Н; Ry – c 5275 Н до 3164 Н; Rz – c 4969 Н до 4320 Н. На рис. 11 приведены графики временных зави- симостей хода осей тяг контактов (поз. 4 на рис. 1) при уменьшенном ходе поджатия. 1 2 0 2 время, мс  х од т яг к он та кт ов , м м  4 6 8 10 12 14 0 0,2 0,4 0,6 1,2 1,4 1,6 1,8 0,8 1,0 Рис. 11. Ход осей тяг контактов в функции времени: 1 – расчетное значение хода в крайнем полюсе; 2 – расчетное значение хода в среднем полюсе 14 ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №1 Графики, приведенные на рис. 11, показывают, что износ контактов приводит к некоторому увеличению размаха колебаний хода осей тяг контактов – макси- мальное значение размаха увеличивается до 0,3 мм, что намного меньше даже уменьшенного вдвое хода поджа- тия – до 2 мм, поэтому размыкание контактов при этом не происходит. На рис. 12 приведен расчетный график измене- ния в динамике силы контактного нажатия только на крайних полюсах выключателя (поскольку на среднем полюсе сила нажатия больше) при уменьшенном ходе поджатия. Как видим, сила контактного нажатия не опускается ниже критического значения – 2000 Н. 0 2 время, мс  с ил а ко нт ак тн ог о на ж ат ия , Н  4 6 8 10 12 14 2150 2200 2250 2300 2450 2500 2550 2600 2350 2400 2650 Рис. 12. Колебания силы контактного нажатия в крайних полюсах при уменьшенном вдвое ходе поджатия С целью проверки принятого расчетного допуще- ния о жесткости корпуса выключателя, был проведен расчет его деформаций в стационарном режиме с уче- том действия на него соответствующих стационарных сил Rx, Ry, Rz при условии жесткого закрепления ниж- ней поверхности. Ввиду симметрии конструкции, про- водился расчет половины корпуса с соответствующим граничным условием на плоскости симметрии. Резуль- таты расчета показывают, что максимальная деформа- ция корпуса наблюдается на плоскости симметрии (се- редина) в его верхней части и равна 7,2  10-5 м, что на порядок меньше деформации вала. Выводы 1. В процессе работы вал подвержен значительным деформациям, из-за которых, вследствие уменьшения хода поджатия, контактное нажатие уменьшается на 10 % … 11 % по сравнению с расчетными значениями при условии недеформируемого вала. Такое умень- шение не является критичным и незначительно влияет на работу выключателя. 2. Колебания осей тяг контактов и сил контактного нажатия, с учетом деформаций вала в динамике, не приводят к отскокам контактов при включении. 3. Сложная деформация вала приводит к появле- нию осевых сил. 4. Динамические силы в подшипниках на 19% … 38% больше статических, что необходимо учитывать при выборе подшипников. 5. По мере износа контактов уменьшается ход тяг контактов и контактное нажатие: при двукратном умень- шении хода поджатия – на 466 Н в среднем полюсе и на 416 Н в крайних полюсах. Тем не менее, умень- шившаяся сила (приблизительно 2550 Н на полюс) обеспечивает нормальную работу выключателя. 6. В случае максимального износа контактов (уменьшение хода поджатия вдвое), динамические колебания системы не приводят к отскокам (вибрации) контактов. 7. Для уменьшения деформации вала необходимо чтобы торцовые поверхности вала упирались в под- шипники, а подшипники должны жестко крепиться в корпусе, что увеличивает жесткость всей системы. 8. На основании проведенных расчетов в качестве материала для вала можно рекомендовать сталь 30 закаленную, с в = 11  108 Н / м2 или другую сталь с аналогичными характеристиками. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. https://library.e.abb.com/public/5800cc5773e0b321c12575d 0004d7342/LE_VM1(EN)B_1VCP000185-0904x.pdf. VM1. Medium voltage vacuum circuit-breaker with magnetic actuator. 2. http://www.nbuv.gov.ua/old_jrn/Natural/eie/2011_3/22.pdf / Модернизированный вакуумный выключатель с электро- магнитным актуатором. 3. http://www.tavrida.com/ter/solutions/VCB/ Вакуумные выключатели 6-20 кВ. 4. Клименко Б.В., Бугайчук В.М., Гречко А.М. Электромаг- нитные приводы вакуумных выключателей средних напря- жений // Вестник НТУ «ХПИ». – 2004. – №42. – С. 73-80. 5. Клименко Б.В. Гречко А.М., Бугайчук В.М. Опытный образец двухпозиционного электромагнитного привода вакуумного выключателя среднего напряжения // Електро- техніка і електромеханіка. – 2005. – №2. – С. 23-28. doi: 10.20998/2074-272X.2005.2.06. 6. Клименко Б.В., Гречко А.М., Бугайчук В.М., Выровец С.В. Быстродействующий электромагнитный привод с вы- теснением магнитного поля для вакуумного выключателя среднего напряжения // Електротехніка і електромеханіка. – 2006. – №4. – С. 22-26. doi: 10.20998/2074-272X.2006.4.03. 7. Клименко Б.В., Гречко А.М., Ересько А.В. Электромаг- нитный привод с двухпозиционной магнитной защелкой для вакуумного выключателя среднего напряжения // Електро- техніка і електромеханіка. – 2007. – №6. – С. 40-43. doi: 10.20998/2074-272X.2007.6.08. 8. Биргер И.А. Расчет на прочность деталей машин. – М.: Машиностроение, 1993. – 639 с. 9. Маслов Г.С. Расчеты колебаний валов: справочник. – М.: Машиностроение, 1980. – 151 с. 10. Расчеты на прочность в машиностроении. Т.3 / Под ред. С.Д. Пономарева. – М.: Машгиз, 1959. – 1118 с. 11. Серенсен С.В. Валы и оси. Конструирование и расчет / М.Б. Громан, В.П. Когаев, Р.М. Шнейдерович. – М.: Маши- ностроение, 1970. – 320 с. 12. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. – 541 с. 13. http://help.solidworks.com/2013/russian/solidworks/cworks/ c_rayleigh_damping.htm. 14. https://syont.files.wordpress.com/2007/05/damping- properties-of-materials.pdf. 15. Байда Е.И. Расчет переходных процессов в электромаг- нитном механизме на основании уравнений электромагнит- ного поля // Електротехніка і електромеханіка. – 2008. – №5. – С. 39-43. doi: 10.20998/2074-272X.2008.5.09. 16. Байда Е.И. Моделирование динамических характеристик электромагнитных механизмов постоянного тока с магнитной защелкой // Електротехніка і електромеханіка. – 2010. – №2. – С. 3-5. doi: 10.20998/2074-272X.2010.2.01. 17. Байда Е.И. Расчет динамики двухпозиционного элек- тромагнита постоянного тока с магнитной защелкой // Елек- ISSN 2074-272X. Електротехніка і Електромеханіка. 2017. №1 15 тротехніка і електромеханіка. – 2010. – №4. – С. 10-12. doi: 10.20998/2074-272X.2010.4.02. 18. Байда Е.И. Влияние добавочного сопротивления на вре- мя трогания двухпозиционного электромагнита с магнитной защелкой вакуумного выключателя среднего напряжения // Електротехніка і електромеханіка. – 2011. – №4. – С. 13-15. doi: 10.20998/2074-272X.2011.4.03. 19. Байда Е.И. Математическая модель расчета динамики двухпозиционных электромагнитных актуаторов вакуумных выключателей среднего напряжения // Журнал научных пуб- ликаций аспирантов и докторантов. – 2013. – №1. – С. 136-141. REFERENCES 1. VM1. Medium voltage vacuum circuit-breaker with magnetic actuator Available at: https://library.e.abb.com/public/5800cc5773e0b321c12575d000 4d7342/LE_VM1(EN)B_1VCP000185-0904x.pdf (accessed 03 October 2016). 2. Modernizirovannyi vakuumnyi vykliuchatel' s elektromag- nitnym aktuatorom (Modernized vacuum pole breaker with magnetic actuator). Available at: http://www.nbuv.gov.ua/old_jrn/Natural/eie/2011_3/22.pdf/ (accessed 11 December 2014). (Rus). 3. Vakuumnye vykliuchateli 6-20 kV (Vacuum circuit-breakers 6-20 kV). Available at: http://www.tavrida.com/ter/solutions/VCB/ (accessed 09 Octo- ber 2016). (Rus). 4. Klymenko B.V., Bugaychuk V.M., Grechko A.M. Electro- magnetic actuators for MV vacuum circuit-breakers. Bulletin of NTU «KhPІ» , 2004, no.42, pp. 73-80. (Rus). 5. Klymenko B.V., Grechko A.M., Bugaychuk V.M. Prototype two-position solenoid actuator for MV vacuum circuit-breaker. Electrical engineering & electromechanics, 2005, no.2, pp. 23- 28. (Rus). doi: 10.20998/2074-272X.2005.2.06. 6. Klymenko B.V., Grechko A.M., Bugaychuk V.M., Vyrovets S.V. A fast electromagnetic drive for an average-voltage vac- uum switch with ousting of magnetic field. Electrical engineer- ing & electromechanics, 2006, no.4, pp. 22-26. (Rus). doi: 10.20998/2074-272X.2006.4.03. 7. Klymenko B.V., Grechko A.M., Eres'ko A.V. An electro- magnetic drive with a twoposition magnetic catch for medium- voltage vacuum circuit breakers. Electrical engineering & elec- tromechanics, 2007, no.6, pp. 40-43. (Rus). doi: 10.20998/2074- 272X.2007.6.08. 8. Birger I.A. Raschet na prochnost' detalei mashin [Calcula- tion of the strength of machine parts]. Moscow. Mashinostroenie Publ., 1993. 639 p. (Rus). 9. Maslov G.S. Raschety kolebanii valov: spravochnik [Calcu- lations shaft vibrations: Handbook] Moscow. Mashinostroenie Publ., 1980. 151 p. (Rus). 10. Ponomarev S.D. Raschety na prochnost' v mashinostroenii. T.3 [Calculations of strength in mechanical engineering. Vol.3]. Moscow, Mashgiz Publ., 1959. 1118 p. (Rus). 11. Groman M.B., Kogaev V.P., Shneiderovich R.M. Valy i osi. Konstruirovanie i raschet [Shafts and axis. Design and calcula- tion]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1970. 320 p. (Rus). 12. Zenkevich O. Metod konechnykh elementov v tekhnike [FEM in the techniques]. Moscow, Mir Publ., 1975. 541 p. (Rus). 13. Available at: http://help.solidworks.com/2013/russian/solidworks/cworks/c_ra yleigh_damping.htm (accessed 05 November 2016). 14. Available at: https://syont.files.wordpress.com/2007/05/damping-properties- of-materials.pdf (accessed 02 November 2016). 15. Baida E.I. Electromagnetic equations based calculation of transients in an electromechanical mechanism. Electrical engi- neering & electromechanics, 2008, no.5, pp. 39-43. (Rus). doi: 10.20998/2074-272X.2008.5.09. 16. Baida E.I. Modeling of dynamic characteristics of DC elec- tromagnetic mechanisms with a magnetic latch. Electrical engi- neering & electromechanics, 2010, no.2, pp. 3-5. (Rus). doi: 10.20998/2074-272X.2010.2.01. 17. Baida E.I. Calculation of dynamics twoposition electromag- net of direct-current with magnetic catch. Electrical engineering & electromechanics, 2010, no.4, pp. 10-12. (Rus). doi: 10.20998/2074-272X.2010.4.02. 18. Baida E.I. Influence of additional resistance on pre-start time of two-position electromagnetic drive with magnetic latch for MV vacuum circuit-breaker. Electrical engineering & elec- tromechanics, 2011, no.4, pp. 13-15. (Rus). doi: 10.20998/2074- 272X.2011.4.03. 19. Baida E.I. A mathematical model for calculating the dynamics of two-position electromagnetic actuator vacuum circuit breakers medium voltage. Journal of scientific publications graduate and doctoral students, 2013, no.1, pp. 136-141. (Rus). Поступила (received) 30.11.2016 Байда Евгений Иванович1, к.т.н., доц., Клименко Борис Владимирович1, д.т.н., проф., 1 Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт», 61002, Харьков, ул. Кирпичева, 2, тел/phone +38 096 1877707, +38 050 6534982, e-mail: baida.kpi@gmail.com, b.v.klymenko@gmail.com E.I. Baida1, B.V. Klymenko1 1 National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute», 2, Kyrpychova Str., Kharkiv, 61002, Ukraine. Investigation of mechanical stresses in the drive shaft of MV vacuum circuit breaker. Introduction. In the last 10-15 years a dominant position in the market of medium voltage circuit breakers, vacuum circuit breakers have taken in which as an actuator mono- or bistable actuators with permanent magnets are used. Such circuit breakers are character- ized by simplicity of design, high reliability, require preventive maintenance for many years. Development, research and improve- ment of vacuum circuit breakers are carried out at the Department for Electrical Apparatus, National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute». While working on the circuit breakers, de- velopers have to deal with two related objectives – electrical and mechanical. This paper considers the solution of one of these prob- lems – calculation of mechanical forces in the drive shaft of the vacuum circuit breaker in static and dynamic modes. This work was preceded by the failure of the results of measurements of the proto- type circuit breakers’ contacts. Measurements have shown that these values do not match the expected values (there were less than the value of 0.8 to 1 mm). The assumption about the reasons for this discrepancy needed to be detailed checked. The results of the work done are presented in this paper. Purpose. Investigation of static and dynamic mechanical stresses and strains in the drive shaft of the vacuum circuit breaker mechanism to determine its characteris- tics and material selection. Methods. The investigation of mechani- cal processes is performed by the finite element method in the COMSOL software package. Results. We obtain the static and dy- namic characteristics of the circuit breaker drive shaft: deforma- tions, reaction forces, stresses. These characteristics made it possi- ble to determine the actual course of the contacts, select shaft mate- rial and calculate the forces acting on the bearings. Conclusions. It is shown that the contact velocity and contact pressure are different from the theoretical value due to the deformation of the shaft. The forces acting on the thrust bearings dynamically are by 16-39% higher than the static ones. It is assumed that further refinement of the mathematical model takes into account the traction insulators and housing, as well as dynamics of the circuit breaker. References 19, figures 12. Key words: vacuum circuit breakers, mechanical calcula- tions, shaft deformation.

Исследование механических напряжений в приводном валу вакуумного выключателя средних напряжений

Institution

Ähnliche Einträge