Расчет электрических контактов

 

Исходные данные для расчета электрического контакта:

– ток, протекающий через контакты I=3А;

– напряжение на контактах U=24В.

В приборе применяются разрывные контакты. Так как дуговой и искровой разряд отсутствуют (напряжение дугообразования 15В и ток 1А больше напряжения и тока при котором работают контакты) и контакты работают в герметичном корпусе, в качестве контактов можно использовать медь твердотянутую М1тв.

Параметры меди твердотянутой М1тв:

- плотность r=8,9×10³ кг/м³;

- температура плавления t_пл = 1083 °С;

- удельное сопротивление r_уд = 2×10^-6 Ом×см;

- удельная теплопроводность C_уд = 3,9 Вт/см °С;

- твердость по Бринеллю (HB) =80..120×107 Н/м²;

- температурный коэффициент сопротивления ТКС = 4.3 1/°С×10^-3;

- модуль упругости E = 11,2 1010 Н/м².

Так как ток, протекающий через контакты, больше тока дугообразования(0.4А), то форму контактов выбираем типа сфера–сфера. По таблице для соответствующих значений тока и напряжения находим размеры контактов: D=5мм, h=1 мм.

Проведем проверку выбранных размеров контактов по условиям охлаждения. Поверхность контакта приблизительно равна:

.                        (1)

Реальная площадь немного отличается от рассчитанной из-за приближения сделанного в расчете (считаем что контакт имеет форму полусферы).

Контактное сопротивление находят из соотношения:

                                   (2)

где  - зависит от материала контактов и не зависит от величины P     ().

Требуемую поверхность охлаждения находим из выражения:

,                                        (3)

где с – коэффициент охлаждения (при естественном охлаждении             с = 0,48);

D t – допустимое превышение температуры 50 °С.

В результате получили, что требуемая площадь охлаждения меньше чем реальная, следовательно условия охлаждения полностью соблюдены.

 

Определяем минимальные P_min и максимальные P_max контактные усилия.

Величину минимального контактного усилия определяем из выражения:

                     (4)

где b – коэффициент, зависящий от характера деформации, вида и формы зоны контактирования (при плоском контакте b = 1); с – коэффициент шероховатости поверхности (для чисто обработанной поверхности с = 1); (НВ) – твердость по Бринеллю наиболее мягкого контактного материала;        r – удельное сопротивление контакта. Определяется по формуле:

Полученное значение P_min следует увеличить:

                      (5)

где

k _зап = 3– коэффициент запаса, учитывающий износостойкость и изменение усилия Р от допусков на контактонесущую систему (k _зап = 1.5…5);

k_f = 1– коэффициент частоты тока (при f = 2…10кГц k_f = 1.0…5.0);

k_T = 1– температурный коэффициент, учитывающий уменьшение усилия Р от изменения жёсткости контактонесущей системы при колебаниях температуры;

Величина максимального контактного усилия определяется из условия:

                                                  (6)

где k – коэффициент, учитывающий уменьшение  из-за нагрева контакта протекающим током. При проектировочных расчётах k =1…3, а величина .

Тогда  получим:

                                      (7)

Напряжения  для контакта сфера – сфера

                        (8)

где E – модуль упругости материалов контактов; r – радиус сферы контакта.

Тогда P_max определяется по формуле:

,                                         (9)

Подставляя значения, получим

.

Таким образом, контактное усилие должно находится в пределах от     3,56 Н до 21,2 Н.

Из условия самопроизвольного гашения дуги определяем величину минимального зазора:

,                         (10)

.

Примем величину зазора несколько больше, чем расчетную D=3 мм.

Проверяем электрическую прочность зазора. Выбираем ∆ с запасом равным 3 мм. Определяем величину U_исп=250 В. По этому значению для нормального атмосферного давления определяем ∆≈0,002 мм < 3 мм, т.е. выбранное значение зазора удовлетворяет условию непробивания электрической прочности изоляции.

Полученные параметры контакта:

- диаметр d =5 мм;

- высота h =1 мм;

- радиус закругления r _к = 2,5мм;

- сопротивление контактов R _к =16,7×10^-3Ом;

- минимальное усилие на контактах P_min =1,185 Н;

- максимальное усилие на контактах Р_мах =21,2 Н;

- минимальный зазор между контактами D=3 мм.

 

4.2Расчет упругого элемента

 

В конструкции регулятора давления используется упругий элемент в виде винтовой цилиндрической пружины сжатия.

Выбираем пружину 2 класса 2 разряда (ГОСТ 13766-86), которая изготавливается из проволоки класса 2 (ГОСТ 9389-75) диаметром d=0,2 – 5 мм под предельные нагрузки F3 от 1,5 H до 1400 H. В качестве материала проволоки используем сталь марки 65Г (ГОСТ 14959-79).[2]

Исходные данные для расчёта параметров пружины:

- усилие противодействия пружины Р= 1 кгс;

- рабочий ход пружины  S = 5,85 мм;

- максимальный наружный диаметр пружины D₂ = 26 мм;

Стал марки 65Г для использования в качестве пружинной проволоки имеет следующие параметры:

- предел текучести σ_т =1790 МПа(Н/мм²), 

- модуль упругости при сдвиге G=8,4∙10⁴МПа(Н/мм²).

Сила пружины при рабочей деформации:

                          (11)

Сила пружины при предварительной деформации:

                              (12)

Требуемая жесткость пружины:

H/мм                        (13)

          (14)

Данная пружина имеет следующие параметры:

– предельная нагрузка пружины F₃ = 12,5 H;

– наружный диаметр пружины D₁ = 25,0 мм;

– диаметр проволоки d = 2,2 мм;

–жесткость одного витка С₁ = 14,930 H/мм;

– наибольший прогиб одного витка S₃ = 0,837мм.

Индекс пружины:

                      (15)

Число рабочих витков:

                                            (16)

Уточненная жесткость пружины:

H/мм                                   (17)

Шаг пружины в свободном состоянии:

                             (18)

Полное число витков:

                                  (19)

Предварительная деформация пружины:

мм                                     (20)

Рабочая деформация пружины:

мм                                  (21)

Предельная деформация пружины:

мм                                        (22)

Длина пружины при максимальной деформации:

мм      (23)

Длина пружины в свободном состоянии:

мм                         (24)

Длина пружины при предварительной деформации:

мм                          (25)

Длина пружины при рабочей деформации:

мм                         (26)

 

В результате расчета упругого элемента была сконструирована винтовая пружина со следующими параметрами:

–жесткость пружины С=1,37 Н/мм;

–наружный диаметр пружины D₁  = 25 мм;

–диаметр проволоки d = 2,2 мм (ГОСТ 13767-86);

–полное число витков n₁ = 12,39;4

–шаг пружины в свободном состоянии t = 3,037 мм;

–длина пружины в свободном состоянии L₀ = 33,118 мм;

–длина пружины при предварительной деформации L₁ = 31,628 мм;

–длина пружины при рабочей деформации L₂ = 25,828 мм;

–длина пружины при максимальной деформации L₃ = 24,508 мм.

4.3 Расчет силы сжатия резинового уплотнителя

 

Для обеспечения герметизации внутреннего пространства используются резиновые уплотнители (прокладки). Расчет позволяет определить требуемую силу сжатия. Для предельного уплотнения резиновая прокладка должна быть сжата на 25 – 30% относительно ее высоты в свободном состоянии.

В качестве материала резинового уплотнителя выбираем резину марки ТМКЩ.

Порядок расчета силы сжатия уплотняющей прокладки:

1. Из справочной литературы определяется модуль сдвига G, в соответствии с величиной модуля сдвига устанавливается модуль упругости первого рода E при чистом сжатии, E = 102 кгс/см² [2].

2. Угловой модуль упругости резины ТМКЩ определяется как:

 ,                                              (27)

где  – коэффициент характеризующий трение в стыке металла с резиной,

f,                                                                  (28)

где f – коэффициент трения равный 0.6.

 

ф – коэффициент трения.

                                                            (29)

где а и h – ширина и высота сечения прокладки (согласно ГОСТ 6467-79 выбираем a = 6,3 мм и h = 4 мм).

Угловой модуль упругости  равен:

3. Напряжение сжатия резины определяется по формуле:

                                                             (30)

где  – относительная деформация (%). Находится в пределах от 0,25 до 0,3.

.

Необходимая сила сжатия резинового уплотнителя определяется по формуле:

                                                         (31)

где  – площадь сопротивления.

4. Минимальный внутренний диаметр резьбы винта определяется по формуле:

                                               (32)

где  – допускаемое нормальное напряжение материала винта,

n – число винтов, стягивающих крышку и корпус.

1,28 мм

5. Наружный диаметр резьбы винта определяется по формуле:

                                                       (33)

 

В соответствии с расчетами по ГОСТ выбираем винт М2 с диаметром 2 миллиметра.