1.6.5. Механический узел контактной системы реле с замыкающимися контактами

Кинематическая схема механического узла контактной системы электромеханического реле с одной парой замыкающихся контактов представлена на рис. 1.51.

Рис. 1.51. Кинематическая схема контактной системы реле с замыкающимися контактами.

Реле состоит из электромагнита 1с якорем-рычагом2, подвижных контактов3,4, пружин5,7и рейки6. При включении реле якорь2за счет возникающих сил притягивается к полюсу электромагнита и рейкой6перемещает контакт3до касания с контактом4и далее до расчетного значения провала контакта3. Пружина 6 обеспечивает возврат якоря и контакта3в исходное положение при выключении тока в электромагните. Пружина5создает необходимое усилие нажатия контактов в замкнутом состоянии и возврат контакта4в исходное положение при выключении реле. Якорь – рычаг совершает вращательное движение относительно точки А, а контакты – относительно опор вращения8, 9. В случае консольного закрепления упругих контактов анализ динамики движения также может быть сведен к рассматриваемой кинематической схеме, если определить эквивалентные значения моментов инерции контактов и их жесткостей.

Для обоснования модели удобно сначала построить граф кинематической схемы в предположении сведения вращения элементов к одной оси вращения. Обозначим 1– якорь электромагнита;2– контакт1;3– контакт2;0– неподвижную точку отсчета для вращательного движения. Тогда граф упрощенной приведенный к одной оси вращения кинематической схемы контактной системы реле примет вид рис. 1.52.

Рис. 1.52. Приведенный к одной оси вращения граф контактной системы реле с замыкающимися контактами.

Якорь представлен действующим на него электромагнитным моментом М_я, моментом инерцииJ_я, трением в опоре вращенияТр_я, возвратной пружинойПр₁и двухсторонним упором, ограничивающим движение якоряУпор_я. Якорь соединен жестким штоком с первым контактом, у которого по отношению к оси вращения определены момент инерцииJ_к1и трение в опоре вращенияТр_к1. Зазор между первым и вторым контактом моделируется односторонним упоромУпор_к1-к2. Второй контакт имеет момент инерцииJк₂,трениеТр2и поджимную пружинуПр₂.

Рис. 1.53. Модель контактной системы реле с замыкающимися контактами.

В Simscape Mechanical модель контактной системы реализована следующим образом (рис. 1.53). Управляемый по входуIn1источник электромагнитного моментаМ_эмподключен к моменту инерции якоряJ_я, элементу трения вращенияRF, к двухстороннему упору – ограничителю угла хода якоря, через преобразователь вращательного движения в поступательноеV_aс плечомк пружинеПР1. Далее следует последовательное преобразование вращательного движения якоря в поступательноеV_a2с плечоми поступательного движения во вращательное движение первой контактной пластиныwk1с плечом. В этой точке следует подключение момента инерции первой контактной пластиныJ_к1и трения вращения контактаRF1.Зазор между контактами представлен линейным упоромdk, который подключен через преобразователь вращательного движения первой контактной пластины в поступательное с плечом. За этим упором следует преобразование поступательного движения во вращательное второй контактной пластиныwk2с плечоми соединение с моментом инерцииJ_к2и элементом тренияRF2 этой пластины. Для присоединения линейной пружиныПР2ко второй контактной пластине ее вращательное движение преобразуется к поступательномуV_a1с плечом. В схему также включены измерители угловых скоростей и углов якоря и контактов:Out3, Out2,Out5, Out4, Out7, Out6, относительной линейной скорости и зазора контактов:Out8, Out1.

В качестве примера зададим следующие значения параметров механического узла контактной системы: моменты инерции якоря J_я= 6.34e-4 кгм², первой и второй контактных пластинJ_к1=2.26e-6 кгм², J_к2=2.5e-6 кгм² , трение во всех опорах (незначительное)k_тр=0.001 кг/с, жесткость возвратной пружины якоряПР1k_у=300 Н/м, предварительное поджатие -0.006 м, жесткость опорной пружины второго контакта ПР2k_у=3000 Н/м, предварительное поджатие 0 м, ход якоря, зазор между контактами 3 мм.

Для расчета статической механической характеристики контактной системы из эквивалентной схемы рис. 1.53 убираются инерционные элементы и задается линейно нарастающий момент, действующий на якорь электромагнита (рис. 1.54). С целью сокращения времени анализа следует увеличить трение деталей. При этом сокращается постоянная времени переходных процессов.

Рис. 1.54. Эквивалентная схема для расчета статической механической характеристики контактной системы реле с замыкающимися контактами.

Рассчитанная статическая механическая характеристика для рассматриваемого примера в виде зависимости момента якоря от угла его поворота приведена на рис. 1.55.

Рис. 1.55. Статическая механическая характеристика контактной системы реле с замыкающимися контактами и жесткой связью якоря с первым контактом.

Поворот якоря начинается после увеличения прикладываемого момента больше, чем момент предварительно поджатой возвратной пружины якоря. Затем момент увеличивается пропорционально углу поворота якоря в соответствии с упругими свойствами возвратной пружины до касания контактов. Последующее увеличение момента при повороте якоря пропорционально суммарной жесткости возвратной пружины и пружины второго контакта. Движение продолжается до достижения упора якоря и далее момент растет при неизменном положении якоря.

Анализ динамики работы контактной системы реле удобно выполнить при воздействии на якорь момента в форме прямоугольного импульса. На рис. 1.56 представлены осциллограммы момента, углов поворота якоря и первой контактной пластины, угла поворота второй контактной пластины. Начальное положение якоря определено углом (0.0524 рад.), что соответствует начальному положению первой контактной пластины с углом. В период времени до включения электромагнита под действием момента, создаваемого предварительно поджатой возвратной пружины, якорь поворачивается на уголдо упора с углом(0.14 рад.), а первая контактная пластина поворачивается вправо на угол. Затем при включении электромагнита под действием возникающего электромагнитного момента якорь, преодолевая противодействующие моменты возвратной пружины и контактной системы, переходит в положение с углом, первая контактная пластина – в положение(0.0655 рад.), вторая контактная пластина - в положение(2.8e-3 рад.). Таким образом, угол поворота контакта составляетили 0.14 мм. В момент касания контактных пластин происходит короткий отскок второй пластины до угла 7.0e-3 рад. (см. рис. 1.56,б) При размыкании контактов наблюдается дребезг (см. рис. 1.56,в).

На рис. 1.57 показано изменение расстояния между контактами. Начальный зазор составляет 3 мм.

а)

б) в)

Рис. 1.56. Осциллограммы: а - импульса момента, угла поворота якоря и первой контактной пластины, угла поворота второй контактной пластины; б, в - увеличенные осциллограммы угла поворота второй пластины.

а)

б)

Рис. 1.57. Осциллограммы расстояния между первой и второй контактной пластиной: а - весь период работы; б - момент касания (увеличено).

В момент времени, непосредственно предшествующий включению электромагнита, расстояние между контактами увеличивается до 8.24 мм. При срабатывании реле расстояние уменьшается до нуля. При этом наблюдается отскок на 2 мм.

По осциллограммам определяется время срабатывания реле - 0.035 с и время отпускания - также 0.035 с.