§1.3. Методы проектирования
Рассмотрим методы, при помощи которых при создании конструкции решаются поставленные задачи. В настоящее время они могут быть разделены (правда, довольно условно) на следующие [Л. 15]:
1. Поисковым, или интуитивным, методом обычно пользуются при разработке принципиально новых конструкций, и он является методом находок, последовательного подбора, приближения к поставленной цели. Поисковый метод предполагает творческую, основанную на интуиции работу конструктора и, конечно, может базироваться только на хорошем знании дела, достаточно большом опыте конструкторской работы, на знании теоретических основ электротехники и электроаппаратостроения. Обычно при этом методе разрабатывается ряд вариантов и изготовляется несколько макетов проектируемого аппарата, которые затем испытываются в лаборатории. На основании результатов испытаний производится необходимая доработка конструкции и выбор оптимального варианта; таким образом поисковый метод обычно предшествует экспериментальному методу.
- Экспериментальный метод может быть не только продолжением поискового метода, его проверкой, но нередко имеет и самостоятельное значение, ибо во многих случаях только эксперимент — проведение опыта — может дать направление или основу для конструкторской разработки отдельного узла или аппарата. Это бывает, если отсутствует достаточная теоретическая база для создания конструкции и ее расчета. Однако такие экспериментальные данные являются, как правило, весьма приближенными, и подходить к ним следует критически. Результаты эксперимента обязательно должны быть осмыслены теоретически, и крайне желательным является их подтверждение аналитическим путем. Более полноценными являются результаты испытаний не макета, а реального аппарата в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным. Однако в лаборатории обычно невозможно предусмотреть все случаи и режимы, которые могут возникнуть при эксплуатации, поэтому даже к результатам испытаний реального образца надо относиться с большой осторожностью. Нередки случаи, когда аппарат, показавший очень хорошие результаты при лабораторных испытаниях, оказывается весьма посредственным, а то и просто негодным в эксплуатации. Знание условий эксплуатации, сведений о работе аппаратов является абсолютно необходимым при любом методе проектирования.
- Метод аналогии обычно является расчетным методом и применяется при наличии образца, сходного по назначению, параметрам и компоновке с проектируемым аппаратом. При этом методе не требуется поиск принципиально новых решений, а задача конструктора сводится лишь к некоторому увеличению или уменьшению тех или иных деталей или узлов, т. е. к созданию модификации известного аппарата или к созданию его нового типоразмера
- Метод подобия практически не отличается от метода аналогии, но применяется там, где имеется совершенно определенный закон подобия, как, например, в электромагнитах одной и той же конструкции, но разных размеров: все величины меняются пропорционально изменению геометрических размеров электромагнита.
Необходимо заметить, что как метод аналогии, так и метод подобия обычно применяются при конструировании серии аппаратов, т. е. аппаратов, одинаковых по назначению и конструкции, но отличающихся друг от друга параметрами (током, напряжением и др.), и требуют экспериментальной проверки.
§ 1. 4. Типы и методы расчета. Классификация аппаратов
Как видно из рассмотрения методов проектирования, элементы расчетов являются неотъемлемыми и обязательными для любого метода. Рассмотрение типов расчетов, методики расчета и является задачей настоящей книги. В свою очередь методика расчета, применение того или иного типа расчета зависят от назначения аппарата, его узлов и физических принципов, на основании которых работает отдельный узел или весь аппарат.
По своему назначению электрические аппараты можно подразделить на:
1) коммутационные;
2) токоограничивающие;
3) регулирующие и пускорегулирующие;
4) контролирующие и защиты.
По расположению в электрической схеме конкретной установки электрические аппараты можно подразделить на аппараты:
1) главной (силовой) цепи;
2) цепи управления;
3) вспомогательной цепи;
- сигнальной цепи.
Хотя методика расчетов и не зависит от классификации электрических аппаратов, однако совершенно ясно, что аппараты защиты должны иметь большие конструктивные запасы по сравнению с аппаратами регулирующими, так же как аппараты главной цепи по сравнению с аппаратами вспомогательной цепи при всех прочих равных условиях и параметрах.
Детали и узлы электрического аппарата в свою очередь в соответствии с их назначением можно подразделить на:
- активные, несущие, помимо механической, еще электрические или магнитные нагрузки — группа А;
- конструктивные, несущие только механическую нагрузку (к ним относятся и крепежные детали) — группа К.
Активные части могут подразделяться на: а) токоведущие (шины, провода, обмотки), в том числе контактные и токоведущие крепежные — Т; б) магнитные — М; в) изоляционные — И; г) дугогасительные устройства — Д; д) электрические сопротивления — С.
Конструктивные части могут подразделяться на: а) корпусные (основания, рамы, каркасы, оболочки и др.) — О; б) детали механизмов — Мх; в) пружины — П; г) крепеж — В.
Приведенная классификация частей электрического аппарата является в какой-то степени условной, так как нередко одна и та же деталь выполняет несколько функций и может относиться одновременно как к нескольким подгруппам, так и к обеим группам А и К.
В качестве примера рассмотрим схематическую конструкцию кулачкового элемента (рис. 1.1), на которой соответствующими индексами обозначены его основные детали.
По классификации деталей электрического аппарата проводится классификация основных расчетов:
1) токоведущих частей;
2) контактные;
3) магнитные и электромагнитные;
4) изоляционные;
5)
дугогасительных устройств;
6) электрических сопротивлений;
7) механические (в том числе кинематические).
С другой стороны, расчеты электрических аппаратов можно подразделять по физическим процессам, происходящим в частях электрического аппарата, на следующие расчеты:
1) на нагрев;
2) электродинамические;
3)
дугогашения;
4) электромагнитные;
5) механические.
В связи со многими явлениями, влияющими на течение основного физического процесса, которые при расчетах практически невозможно полностью учесть, точность расчета электрического аппарата не является очень высокой. Обычно это точность в пределах 10 — 30%, а иногда расчет (особенно электромагнитный) является лишь качественным, определяющим порядок рассчитываемой величины.
В электроаппаратостроении находят применение как аналитический, так и графический методы расчета; особенно широко распространен графоаналитический метод, а в аналитических расчетах — метод последовательных приближений.
Это объясняется тем, что при конструировании и расчете конструкции приходится решать уравнения со многими неизвестными, а поэтому частью их необходимо задаваться заранее. По мере решения задачи наперед принятые ориентировочные значения уточняются сначала грубо, а по мере повторных расчетов — все более точно.
§1.5. Техническое задание
Основой для проектирования электрического аппарата является техническое задание на проектирование. В техническом задании указаны: назначение проектируемого аппарата; его основные параметры и характеристики; условия работы, а также технико-экономические и эксплуатационные требования, предъявляемые к проектируемому аппарату.
Обычно техническое задание содержит следующие пункты:
- указание, на основании которого производится проектирование;
- тип и назначение аппарата;
- род тока; при переменном токе указывается частота и при необходимости — число выключаемых цепей (полюсов);
- величина номинального и максимального тока в главной цепи аппарата;
- величина номинального и максимального напряжения на токоведущих деталях относительно земли, а при многоцепном аппарате и между различными цепями;
- род тока и напряжение цепи управления для аппаратов с косвенным управлением;
- количество главных и блокировочных контактов и их положение по отношению к приводу (замыкающиеся или размыкающиеся) — задается лишь для коммутационных аппаратов;
- параметры срабатывания — указываются для автоматических аппаратов;
- исполнение аппарата по оболочке.
При необходимости в задании оговариваются и другие требования, например вибро- и удароустойчивость, термическая и динамическая устойчивость; частота включений, предельные габариты — иногда в направлении определенной оси.
При проектировании электрических аппаратов общего назначения, намечаемых к крупносерийному производству и применяемых в различных областях народного хозяйства, техническое задание обычно разрабатывает завод-изготовитель. На электрические аппараты, имеющие основного заказчика (например, городской и железнодорожный транспорт, судостроение, крановоподъемные механизмы) и поставляемые обычно комплектно для определенной установки, техническое задание разрабатывается заказчиком совместно с заводом-изготовителем. На аппараты, выполняемые по особым условиям и по индивидуальным заказам, заказчик выдает задания заводу-изготовителю.
Рис. 1.1. Схематическая конструкция кулачкового элемента: 1 - контакты Ат; 2 — держатель подвижного контакта Кмх; 3 — ось Кмх; 4 — контактная пружина Кп; 5 — рычаг Кмх; 6 — ролик Кмх; 7 — включающая пружина Кп; 8 — изолятор- основание Аи; 9 — клеммовая шпилька (нетоковедущая) Кв; 10 — гибкое соединение Ат; 11 — рейка Ко; 12 — болт крепления кулачкового элемента к рейке Кв; 13 — клеммовая шпилька (токоведущая) Ат; 14 — стойка Ат; 15 — болт крепления контакта Кв
