Пальцевый Коммутационный элемент (рис. 15.2) состоит из пальца, закрепленного на изоляционной рейке или панели и являющегося неподвижным контактом, и металлического сегмента, закрепленного на вращающемся барабане и являющегося подвижным контактом. При повороте барабана сегмент подходит под пальцы и замыкает два или большее количество пальцев в соответствии с электрической разверткой контроллера. Контактное нажатие пальца на сегмент может осуществляться плоской стальной пружиной, одновременно являющейся телом пальца (рис. 5.12, а) или специальной контактной пружиной (рис. 15.2, б).
Контактная часть пальца, называемая сухарем, и сегменты выполняются из меди; подвод тока осуществляется гибким соединением, обычно из медной фольги, так как перемещение пальца при работе невелико. На небольшие токи пальцы нередко целиком выполняют из стальной ленты (рис. 15.2, в) без гибкого соединения; ток проходит непосредственно по стальной ленте. Более предпочтительной при больших токах, вследствие наибольшей стабильности контактного нажатия, является конструкция пальца со специальной контактной пружиной.
Рис. 15.2. Конструкция пальцевых коммутационных элементов:
а — палец с плоской стальной пружиной, барабан из набора прессованных изоляционных шайб; б — палец со спиральной контактной пружиной, барабан из чугунных отливок; в — палец на небольшие токи из стальной ленты
Барабан выполняется либо из изоляционных прессованных шайб, набираемых на квадратный вал, на которые крепятся сегменты (рис. 15.2, а), либо из литых чугунных сегментодержателей, укрепляемых обычно на шестигранном изолированном валу, на которые в свою очередь крепятся сегменты (рис. 15.2, б). Первая конструкция барабана является наиболее простой и универсальной, так как шайбы могут иметь заранее отпрессованные пазы и на одних и тех же шайбах могут осуществляться самые разнообразные развертки. Вторая конструкция барабана значительно сложнее, но обладает большой теплоемкостью и хорошо работает в повторнократковременных режимах при больших значениях токов.
Конструкция пальцевого коммутационного элемента очень проста и имеет небольшие габариты, но обладает рядом существенных недостатков. Поскольку при работе пальцы скользят по сегментам и возникает трение скольжения, то износоустойчивость пальцевого коммутационного элемента невелика, а усилия для переключения барабана значительны. На пальцевых коммутационных элементах практически невозможно создать надежное дугогасительное устройство, поэтому при наличии дуги контакты сильно обгорают. В связи с изложенными недостатками пальцевые коммутационные элементы применяются для аппаратов, редко переключаемых, которые при своей работе не разрывают ток.
При расчете пальцевого коммутационного элемента прежде всего рассчитываются контакты, определяются контактные нажатия и провал контактов (см. гл. IV) и рассчитывается контактная пружина (§ 11.2), а затем рассчитывается механическая характеристика. В связи с тем, что при работе палец скользит по сегменту, а контактное нажатие обычно довольно велико, силой трения при расчете механической характеристики пренебрегать нельзя.
В процессе набегания и сбегания пальца на сегмент направления контактного нажатия Рк и силы трения Ртр меняются весьма сильно, поэтому расчет механической характеристики проводится графически (рис. 15.3). В начале расчета определяется угол φ, на который необходимо повернуть барабан от первого соприкосновения сухаря пальца с сегментом до момента выхода сухаря пальца на наружную поверхность сегмента, когда контактное нажатие будет направлено через центр вращения барабана. Этот угол разбивается на ряд произвольных промежуточных положений, для каждого из которых определяются: усилие пружины Рпр и ее плечо относительно оси вращения пальца lпр; плечо контактного усилия Рк относительно оси вращения пальца lк и относительно барабана lб; плечо усилия трения Ртр относительно оси барабана lтр.
Рис. 15.3. К расчету механической характеристики пальцевого коммутационного элемента
До тех пор, пока сухарь пальца не коснулся сегмента, он обычно висит в воздухе, не касаясь барабана, и, следовательно, момент на барабане равен нулю. Как только сухарь пальца коснется сегмента, вследствие предварительного натяга контактной пружины, обеспечивающего начальное контактное нажатие, момент на барабане возрастет скачком до некоторого значения.
Из уравнения равновесия пальца величина контактного нажатия
(15-1)
Сила трения перпендикулярна силе контактного нажатия и направлена против вращения; ее величина
(15-2)
где f — коэффициент трения между сухарем пальца и сегментом. Момент на барабане при набегании пальца на сегмент
(15.3) подставляя в (15.3) значение силы трения и силы контактного нажатия, получим окончательно момент на барабане при набегании пальца на сегмент
(15.4)
При сбегании пальца с сегмента сила трения по-прежнему препятствует вращению барабана, а момент от силы контактного нажатия помогает вращению. Момент на барабане при сбегании пальца с сегмента
(15.4а)
Как только, после первого соприкосновения пальца с сегментом, барабан повернется на угол φ и палец выйдет на наружную поверхность сегмента радиусом R, то плечо силы контактного нажатия lтр=0, а плечо силы трения lтр=R. Тогда момент на барабане, на всем угле поворота, когда палец находится на сегменте,
(15.5)
Целесообразно результаты вычислений сводить в таблицу расчета механической характеристики пальцевого коммутационного элемента (табл. 15.1).
Таблица 15.1
Значения угла φ берутся обычно через 0,5-1,0°. На основании результатов расчета строится механическая характеристика пальцевого коммутационного элемента и его механическая развертка (см. рис. 15.3). Фиксированные позиции могут располагаться либо в зоне полного включения, либо в зоне выключенного положения, причем минимальное их приближение к зоне притирания обычно принимается со стороны зоны полного включения 1 — 2°; со стороны зоны выключенного положения 3 — 5°; в последнем случае указанный угол должен обеспечить надлежащий зазор между пальцем и сегментом (раствор контактов).
