A. Purczyński

Synteza i analiza kinematyczna mechanizmu łącznika elektroenergetycznego

1.Wprowadzenie

W budowie łączników elektroenergetycznych szerokie zastosowanie znalazły mechanizmy dźwigniowe. Większość z tych mechanizmów stanowią pochodne czworoboku przegubowego, który pozwala na spełnienie wielu różnorodnych warunków ruchu. Rysunek 1 przedstawia przykład wykorzystania przekładni czworobokowej w budowie odłącznika SN [4].



Rys. 1. Odłącznik SN i jego układ kinematyczny

W projektowaniu aparatów elektroenergetycznych warunki te zwykle dotyczą:

  • odstępów izolacyjnych, które muszą wytrzymywać długotrwale najwyższe wartości napięć roboczych i krótkotrwale wartości odpowiednich napięć probierczych;
  • odstępów między stykami, wynikających z konieczności zapewnienia optymalnego gaszenia łuku;
  • trajektorii styków ruchomych, które mogą być prostoliniowe, kołowe lub płaskie złożone;
  • przyspieszeń, których maksymalne wartości decydują o wielkościach sił bezwładności działającycc na poszczególne ogniwa mechanizmów;
  • prędkości w poszczególnych punktach drogi styków, które najczęściej określa się w położeniu utraty styczności styków dla otwierania i prędkości w położeniu uzyskania styczności dla operacji zamykania. Stosuje się również odnoszenie prędkości do położenia styków po czasie równym jednemu okresowi przebiegu o częstotliwości 50 Hz.
Dość trudnym zagadnieniem jest realizacja toru punktu związanego z położeniem styków ruchomych w postaci zadanej krzywej. Zamiast żmudnych obliczeń można w przypadku przybliżonego wytyczania zadanego toru, korzystać z krzywych łącznikowych, tj.torów różnych punktów płaszczyzny przekładni czworobokowej związanej z łącznikiem (rys. 2)

Rys. 2. Krzywe łącznikowe
W zakresie syntezy kinematycznej, celem ćwiczenia jest otrzymanie takich wariantów przekładni czworobokowej z przedłużonym łącznikiem, które pozwalają na uzyskanie toru styku najbardziej zbliżonego do linii prostej na określonym odcinku drogi. Przykładem mogą być odcinki krzywej zakreślanej przez punkt P2 na rysunku 1.
Analiza kinematyczna wybranych wariantów mechanizmu obejmuje opracowanie charakterystyk czasowych drogi styku ruchomego, jego prędkości, przyspieszenia i przełożenia. Charakterystyki te stanowią podstawę do przeprowadzenia analizy dynamicznej przy projektowaniu mechanizmu łącznika elektroenergetycznego.

2. Metoda pomiarów

Do badań mechanizmu prostowodowego opartego na przekładni czworobokowej z przedłużonym łącznikiem wykorzystano prosty model listewkowy (rys. 4). Podobny model był np. wykorzystywany przy opracowywaniu schematu kinematycznego bieguna wyłącznika małoolejowego [1]. Model ten jest przydatny nie tylko do określenia odpowiedniego czworoboku przegubowego i wyznaczenia jego położenia na płaszczyźnie, ale także w prosty sposób pozwala na wyznaczenie obszaru zajmowanego przez ogniwa przekładni podczas przestawiania styku ruchomego.
Zadanie postawione w ćwiczeniu polega na wyznaczeniu czworoboku przegubowego realizującego tor możliwie prostoliniowy na drodze punktu C. Rozwiązanie zadania wymaga określenia dziewięciu parametrów (cztery długości ogniw, trzy – położenie ostoi na płaszczyźnie i dwa – położenia punktu C względem mechanizmu łącznika). Sposób wyboru najlepszego rozwiązania wymaga odwołania się do ustaleń związanych z prostowodem dokładnym (rys. 3). Jest on oparty na mechanizmie korbowo-wodzikowym. Postępowanie polegające na sprawdzaniu wszystkich możliwych wariantów na modelu jest niecelowe, gdyż pozwala on na wykonanie 3072 różnych układów. Schemat prostowodu dokładnego przedstawia rysunek 3.

Rys. 3. Prostowód dokładny
Długości poszczególnych jego ogniw muszą spełniać warunek:
             AB = BC = BO
Wadami takiego rozwiązania są :
  • przecinanie się trajektorii z osią wału napędzającego O;
  • stosunkowo duże tarcie w węźle posuwisto-zwrotnym A.
Niedogodności te można ominąć stosując przeniesienie wału napędowego zgodnie z zasadą podobieństwa, lub przez przedzielenie wału O, tak aby punkt C na cięgnie dźwigającym styki ruchome łącznika, mógł się przemieszczać swobodnie nad osią obrotu. Możliwe jest także zastąpienie węzła posuwisto-zwrotnego węzłem obrotowym złożonym z pary ogniw. Wprowadzenie tej zmiany prowadzi do uzyskania prostowodu przybliżonego stanowiącego przedmiot badań w tym ćwiczeniu.

3. Sposób przeprowadzenia pomiarów

Zmieniając długość ogniw i położenie wału O2 należy sprawdzić trajektorie punktu C. Na tej podstawie ustalić schemat kinematyczny czworoboku dla którego punkt C będzie zakreślał krzywą najbardziej zbliżoną do prostej. Dla wybranego wariantu trajektorii odchylenie nie powinno być większe niż ?2 mm. Tor ten należy wykreślić na papierze milimetrowym podłożonym pod pisak związany z punktem C. Równocześnie można otrzymać charakterystykę kinematyczną punktu C:
sc = f(φO1) Gdzie:
sc – droga punktu C;
φO1 – kąt zakreślany przez korbę wokół punktu O1.
W tym celu należy wyznaczyć położenie punktu C w przerwie międzystykowej zmieniając kąt φ co 10°.
Wyniki syntezy mechanizmu prostowodowego i pomiarów jego charakterystyki kinematycznej zestawić w tablicy 1.
Tablica 1
Synteza wymiarowa schematu kinematycznego Charakterystyka kinematyczna
Długości ogniw Położenie ostoi Położenie pkt.C wzgl. łącznika Lp.φ [°] sc [mm]
O1O2 (O1O2)x (CB)x 1.  
O1/SUB>B(O1O2)y (CB)y 2.  
O2AΨ  3.  
AB   4.  
Gdzie:
(...)x – odległość mierzona wzdłuż osi odciętych;
(...)y – odległość mierzona wzdłuż osi rzędnych;
Ψ - kąt jaki tworzy ostoja z osią odciętych.

4. Opracowanie wyników pomiarów

Na podstawie wyników uzyskanych z badań należy wykreślić charakterystykę kinematyczną sc = f(φO1). Dla danej stałej prędkości obrotowej wału korby wyznaczyć graficznie prędkości punktu C w czterech położeniach: otwarcia (p.o.), środkowym (p.ś.), uzyskania /utraty styczności styków (p.u.s.s.) i położenia zamknięcia (p.z.). Należy wykorzystać do tego celu metodę biegunowych planów prędkości. Dla tych samych czterech położeń styku ruchomego i stałej prędkości kątowej obliczyć stosunek prędkości styku do prędkości końca ogniwa O1B/(vB).
Wyniki zestawić w tablicy 2 i przedstawić w formie wykresów vc=f(φO1) i vc/vB = f(φ)01).
Tablica 2
Położenie φO1 [°] vc [m/s]vC/vB
p.o.   
p.ś.   
p.u.s..s.   
p.z.   
Zaleca się aby w mechanizmach łączników elektrycznych, dla położenia uzyskania styczności styków zachodziła nierówność:
vC/vB > 1

Rys. 4. Prostowód listewkowy

W ćwiczeniu wykorzystuje się nowszą wersję prostowodu z ułatwioną regulacją długości dźwigni i nastawianiem kątów obrotu.

4. Literatura

  1. Maksymiuk J.: Modelowanie w procesie projektowania mechanizmów łączników elektroenergetycznych, mat. II Konf. Nt. Metody badań łączników niskonapięciowych, Łódź 1977 s. 142-145
  2. Maksymiuk J.: Mechaniczna teoria łączników elektrycznych, WNT Warszawa 1967
  3. Parszewski Z.:Teoria maszyn i mechanizmów, WNT Warszawa 1974
  4. Au A., Maksymiuk J., Pochanke Z.:Podstawy obliczeń aparatów elektroenergetycznych, WNT Warszawa 1976
  5. Maksymiuk J., Pochanke Z.: Obliczenia i badania diagnostyczne aparatury rozdzielczej, WNT Warszawa 2001