CC BY
30
УДК 681.5
ОБОСНОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К ТЕРМОДАТЧИКАМ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕГРЕВА ПОДШИПНИКОВ МОЩНЫХ МАШИН И АГРЕГАТОВ © Е.А. Дмитриев1, М.В. Корняков2, С.Ю. Красноштанов3
Иркутский государственный технический университет,
664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Отказ либо задержка срабатывания защиты мощных машин и агрегатов может привести к крупным техническим, техногенным, экологическим авариям и катастрофам. Низкая надежность и недостаточное быстродействие датчиков контроля перегрева подшипников машин и агрегатов, применяемых в горной промышленности, обусловливаются наличием большого количества механических связей и передаточных звеньев в их конструкции. Предлагается техническое решение, имеющее простую систему восстановления работоспособности датчиков и позволяющее избежать недостатков аналогов за счет максимального сокращения количества передаточных звеньев и применения легкоплавкого проводника.
Ил. 2. Библиогр. 2 назв.
Ключевые слова: автоматика; защита машин; терморегулирование.
VALIDATION OF REQUIREMENTS FOR TEMPERATURE DETECTORS TO PROTECT POWERFUL MACHINERY
AND UNITS FROM BEARING OVERHEATING
E.A. Dmitriev, M.V. Kornyakov, S.Yu. Krasnoshtanov
Irkutsk State Technical University,
83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Failure or operate delay of powerful machinery and units protection may cause large-scale technical, technological, environmental accidents and disasters. Low reliability and insufficient speed of the sensors monitoring the overheating of machinery and unit bearings that are used in the mining industry are due to the large number of mechanical linkages and transmission links in their design. The authors propose a technical solution providing a simple restoration system of sensor performance that allows to avoid the shortcomings of the analogs by minimizing the number of transmission links and the use of a fusible conductor.
2 figures. 2 sources.
Key words: automatics; machinery protection; temperature control.
Существенной проблемой всех известных в настоящее время технических решений, предназначенных для контроля перегрева подшипников мощных машин и агрегатов, является их низкая надежность и недостаточное быстродействие, что в основном связано с наличием нескольких передаточных звеньев между чувствительными и исполнительными элементами термодатчиков. Отказ срабатывания или задержка времени срабатывания защиты мощных машин и агрегатов от перегрева подшипников даже на сотые доли секунды может привести к крупным техническим (например, мощные горнодобывающие и обогатительные установки и комплексы), техногенным, экологическим авариям и катастрофам (например, если термодатчик используется для контроля температуры подшипников в атомной установке).
Возьмем термодатчик [1], в корпусе которого за-
креплены два контакта и термочувствительный припой. При превышении допустимой температуры термочувствительный припой расплавляется и воздействует на контакты.
Недостатком устройства является то, что термодатчик содержит элементы (пружинные контакты), которые увеличивают время срабатывания, которые возможно произвести только в специализированном производстве и от работы которых зависит надежность работы самого термодатчика.
Известно электрическое переключающее устройство, содержащее металлический корпус, два изолированных друг от друга электрических вывода, кольцо, выполненное из легкоплавкого сплава, электрически связанное с одним из электрических выводов и установленное с зазором относительно второго электрического вывода.
1Дмитриев Евгений Алексеевич, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: 73952405101, e-mail: gm_gor@istu.edu
Dmitriev Evgeny, Associate Professor of the Mining Machinery and Electromechanical Systems Department, tel.: (3952) 405101, email: gm_gor@istu.edu
2Корняков Михаил Викторович, доктор технических наук, профессор кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: (3952) 405080, e-mail: kornikov@istu.edu
Kornyakov Mikhail, Doctor of technical sciences, Professor of the Mining Machinery and Electromechanical Systems Department, tel.: (3952) 405080, e-mail: kornikov@istu.edu
Красноштанов Сергей Юрьевич, кандидат технических наук, зав. кафедрой горных машин и электромеханических систем, тел.: (3952) 405869, e-mail: skr@istu.edu
Krasnoshtanov Sergey, Candidate of technical sciences, Head of the Department of Mining Machinery and Electromechanical Systems, tel.: (3952) 405869, e-mail: skr@istu.edu
Основным недостатком такого устройства является низкая надежность замыкания, обусловленная наличием окисных пленок, неизбежно образующихся на замыкаемых поверхностях выводов и расплавляемого электрода в условиях длительной эксплуатации.
Существуют короткозамыкатели одноразового действия, содержащие корпус, в котором установлены изолированные неподвижные электрические выводы, имеющие со стороны торцов глухие отверстия, в одно из которых заплавлен электрод из легкоплавкого металла, в другое впаяны таким же легкоплавким металлом предварительно облуженные сжатая пружина и подвижный контакт, а между выводами расположены изолирующая шайба, частично утопленная в электрод, и термостойкое уплотнение.
Основным недостатком таких устройств является наличие хладотекучести легкоплавкого электрода, несколько снижающей, из-за давления пружины, надежность короткозамыкателя от самопроизвольного срабатывания (замыкание при повышенной температуре окружающей среды, близкой к температуре плавления легкоплавкого электрода).
Тепловой выключатель с термочувствительным плавким веществом многократного срабатывания содержит рычаг ручного управления, электрический переключатель, поршень в гильзе с плавким веществом и дугообразную перехлопывающую пластину.
Недостатком этого выключателя является его низкая надежность, так как перехлопывающая пластина является неустойчивым элементом и может самопроизвольно перехлопывать при толчках, ударах, тряске и вибрации.
Тепловой плавкий переключатель содержит неподвижные и подвижные поворачивающиеся контакты, поворотную ось, храповик, плавкое вещество и цилиндрические пружины кручения. Он способен многократно срабатывать и вручную возвращаться в исходное положение.
Температурный предохранитель многократного действия содержит поворотные контакты, поворотную ось, храповик, втулку, связанную с поворотной осью брикетом из плавкого вещества, спиральную возвратную пружину кручения и цилиндрическую пружину поджатия.
Недостатками описанных устройств являются их сложность, большое число конструктивных элементов и размещение термочувствительного плавкого вещества внутри устройства, из-за чего при нагреве плавкого вещества нагреваются все элементы конструкции, в том числе и электрические переключатели. Такие устройства, не имеющие дистанционной кинематической связи с термочувствительным элементом, приходится устанавливать непосредственно в зоне контролируемой температуры и подводить в эту зону электрические провода, что невозможно при контроле высоких температур в жидких средах, например в электроводонагревателях, самоварах и чайниках.
Известен тепловой выключатель, содержащий в одном корпусе плавкое вещество, размещенное между корпусом и торцовой поверхностью поворотной оси, рычаг управления, пружину, храповик и электри-
ческие контакты, один из которых размещен на подвижном рычаге управления, а другой - на корпусе.
Несмотря на то что плавкое вещество приближено к корпусу для повышения чувствительности к температуре, нагреваются все элементы конструкции и электрические элементы, так как устройство не имеет возможности дистанционно контролировать температуру. Данное устройство обладает всеми недостатками вышеописанных устройств, имеет еще более сложную и неудобную для монтажа конструкцию.
Наиболее простой, надежной и малогабаритной конструкцией отличается тепловое реле, содержащее корпус, плавкое вещество между корпусом и одним из двух соосных дисков храпового механизма, поворотную ось с пружиной кручения и переключатель контактов поворотного типа.
Данное тепловое реле удобно для установки на корпусах электродвигателей, на жарочных поверхностях, но непригодно для объектов, где требуется дистанционно контролировать температуру, особенно для объектов с жидкой средой или при очень высоких температурах объекта.
Рассмотрим термочувствительный выключатель, содержащий корпус, переключающий механизм и термочувствительный элемент, выполненный в виде нормально твердой плавящейся таблетки. При увеличении температуры выше допустимой термочувствительный элемент плавится и перестает удерживать переключающий механизм в устойчивом положении. Такие термочувствительные выключатели являются одноразовыми.
Известен тепловой выключатель, содержащий теплопроводный элемент, полость, заполненную термочувствительным веществом, и поворотную ось, соединенную с помощью термочувствительного вещества с механизмом перемещения и управления подвижным контактом.
Недостатками такого теплового выключателя являются сложность спаянного термочувствительного узла и необходимость жесткого соединения теплопроводного элемента с защищаемым объектом, что ограничивает область его применения. Сложность компоновки принципиально не позволяет отказаться от жесткого соединения теплопроводного элемента и защищаемого объекта, так как теплопроводный элемент конусообразной формы при срабатывании и возврате должен быть неподвижен, а подвижным является стакан с вкладышем и термочувствительным веществом.
Тепловой выключатель [2] содержит поршень с возвратной пружиной, размещенные в термопатроне и удерживаемые плавким веществом, дугообразную перехлопывающую пружину с кнопкой для повторного включения, связанной с переключателем электрических контактов, промежуточный рычаг и гибкий дистанционный трос, установленный между поршнем и одним концом перехлопывающей пружины. Данная конструкция позволяет дистанционно контролировать температуру и устанавливать в различных местах объекта термочувствительную и электрокоммутирующую части теплового выключателя.
Недостатками известного устройства являются сложное конструктивное исполнение, большое число деталей и большие габариты термопатрона, где размещаются поршень, возвратная пружина и плавкое вещество. Из-за больших габаритных размеров термопатрона увеличиваются тепловая инерционность и время срабатывания. Уменьшение термопатрона вызывает технологические трудности при изготовлении, так как становится невозможным ввести в термопатрон поршень, пружину и плавкое вещество. Кроме того, возможна низкая надежность теплового выключателя при эксплуатации в условиях вибрации, тряски и ударов, когда перехлопывающая пружина может самопроизвольно срабатывать.
Термодатчик типа ТДЛ, серийно выпускаемый ОАО «Конотопский электромеханический завод» (бывший «Красный металлист», Украина), широко применяется для защиты подшипников от перегрева на насосах, вентиляторах, подъемных установках и других горных машинах.
Термодатчик типа ТДЛ содержит корпус для термочувствительного элемента, сплав Вуда, валик, храповик, ось датчика, пружину, втулку, корпус, микропереключатель, кулачок. При нагреве подшипника до допустимой температуры сплав Вуда расплавляется, освобождает ось, и взведенная пружина вызывает размыкание контактов микропереключателя.
Первый недостаток этого термодатчика - ненадежная его работа из-за большого количества деталей и сложной кинематической схемы. Второй недостаток - низкое быстродействие из-за большого количества промежуточных элементов, между чувствительным элементом (сплав Вуда) и исполнительным элементом (контактная система). Третий недостаток состоит в том, что при размыкании контактов микропереключателя образуется электрическая дуга, которая может вызвать воспламенение в случае применения датчика для работы во взрывоопасных средах (например, шахты, опасные по газу и пыли).
Известен термодатчик, включающий корпус, в котором закреплены два контакта и термочувствительный припой. Корпус термодатчика выполнен с внутренним каналом, в верхней части которого закреплен термочувствительный припой, обеспечивающий в расплавленном состоянии замыкание контактов, закрепленных в нижней части канала.
Недостатком этого устройства является то, что исходя из принципа работы, термодатчик имеет задержку времени срабатывания, вызванную наличием некоторого промежутка времени, необходимого сначала для расплавления термочувствительного припоя, затем на его стекание вниз по внутреннему каналу, и только после этого произойдет замыкание контактов. Для восстановления работоспособности этого устройства требуется его разборка, удаление термочувствительного припоя из нижней его части и закрепление в верхней. Поэтому вторым серьезным недостатком данного устройства является сложность эксплуатации и зависимость надежности его повторной работы от квалификации обслуживающего персонала. Кроме того, поскольку в данном термодатчике предполагает-
ся использовать термочувствительный припой типа ПОСК 50-18, который имеет температуру плавления 145°С, то он не может быть использован для контроля недопустимой температуры подшипников мощных машин и агрегатов, когда необходимо срабатывание датчика при температуре 70+80°С.
Исходя из проведенного анализа, можно сформулировать требования к термодатчикам для защиты от перегрева подшипников мощных машин и агрегатов.
1. Обеспечение высокого быстродействия за счет:
• сокращения количества передаточных звеньев между чувствительным и исполнительным элементом;
• исключения пружинных контактов и применения чувствительных элементов с низкой тепловой инерционностью.
2. Повышение надежности за счет:
• исключения образования окисных пленок на замыкаемых поверхностях;
• исключения самопроизвольного срабатывания при повышенной температуре окружающей среды;
• исключения перехлопывающих пластин и обеспечения возможности установки датчика непосредственно в зоне контролируемой температуры;
• обеспечения устойчивости конструкции к вибрации и использования простых кинематических схем;
• исключения образования электрической дуги и отсутствия доступа воздуха и пыли вовнутрь корпуса датчика;
• обеспечения пожаро- и взрывобезопасности и исключения слипания и сварки контактов;
• обеспечения низкого переходного сопротивления коммутируемых контактов;
• исключения возможности самостоятельного восстановления цепи после остывания.
3. Повышение удобства монтажа и эксплуатации за счет:
• простой и удобной для монтажа конструкции датчика;
• небольших габаритов и отсутствия необходимости разборки датчика для восстановления его работоспособности.
Сотрудниками НИ ИрГТУ разработаны конструкции термодатчиков, технический результат которых заключается в повышении быстродействия и надежности работы за счет максимального сокращения количества передаточных звеньев между чувствительным и исполнительным элементами термодатчиков. Это достигается тем, что в корпусе термодатчика закреплены два контакта и электропроводный чувствительный припой, обеспечивающий при достижении недопустимой температуры переход в расплавленное состояние. Согласно полезной модели, электропроводный термочувствительный припой закреплен между контактами в количестве, обеспечивающем при достижении недопустимой температуры размыкание контактов и зазор между нижними торцами контактов и поверхностью расплава термочувствительного эле-
мента, стекшего на дно корпуса. Кроме этого, в качестве одного из контактов может быть использован корпус самого термодатчика.
Повышение быстродействия термодатчика достигается за счет того, что при расплавлении термочувствительного припоя он, в отличие от прототипа, начав стекать вниз, сразу размыкает контакты. Повышение надежности заключается в том, что не требуется применения корпуса, состоящего из различных составных частей, и выполнения в нем различных каналов для стекания припоя, а также за счет того, что между чувствительным элементом (термочувствительным припоем) и исполнительным (контакты) нет промежуточных элементов.
Кроме того, термодатчик имеет более простую систему восстановления его работоспособности, так как для восстановления его работоспособности после
шенной надежностью за счет того, что электрическая связь между двумя контактами, образованная токопроводящим термочувствительным припоем, не подвержена окислению, загрязнению или дребезгу контактов при вибрации технологического оборудования, на котором будет установлен датчик. Таким образом, предлагаемый термодатчик позволяет обеспечить повышение его быстродействия и надежности работы.
Термодатчик первого типа (рис. 1) включает корпус 1, в котором закреплены два контакта 2, крепежный элемент 3, удерживающий верхние концы контактов 2, выполненный из изоляционного материала, и нижний крепежный элемент 4, удерживающий нижние концы контактов 2, под которым крепится электропроводный чувствительный припой 5, выполненный из изоляционного материала, не смачивающегося термочувствительным припоем.
4
1
3 5
а)
б)
4
1
9Н2
3
5
Рис. 1. Термодатчик первого типа с указанием положения электропроводного чувствительного припоя: а - в исходном состоянии; б - после срабатывания датчика при повышении температуры
до значений выше сверхдопустимой
срабатывания термодатчик не нужно разбирать и совершать ряд технологических операций, а достаточно перевернуть и разогреть при помощи внешнего источника тепла его корпус (например, опустить в кипящую воду). При этом находящийся в нижней части корпуса термочувствительный припой расплавится, стечет к концам контактов и займет свое исходное положение. После затвердевания термочувствительного припоя термодатчик будет вновь готов к работе. Такой способ восстановления работоспособного состояния термодатчика не является трудоемким, так как срабатывание термодатчика может произойти один раз за несколько лет.
Разработанный сотрудниками ИрГТУ термодатчик является абсолютно взрывобезопасным, так как размыкание контактов при расплавлении припоя происходит в герметичной камере нижней части корпуса. Кроме того, заявляемый термодатчик обладает повы-
Нижний крепежный элемент 4 установлен в корпусе 1 на определенном расстоянии от его дна таким образом, чтобы электропроводный термочувствительный припой 5, замыкающий концы контактов 2 в твердом состоянии, после расплавления и стекания под воздействием силы тяжести на дно корпуса создавал надежный зазор между поверхностью расплава электропроводного чувствительного припоя и торцами контактов.
Термодатчик второго типа (рис. 2) включает корпус 1, в котором закреплен контакт 2, крепежный элемент 3, удерживающий верхний конец контакта, выполненный из изоляционного материала, и нижний крепежный элемент 4, удерживающий нижний конец контакта, под которым крепится электропроводный чувствительный припой 5 (например, сплав Вуда) и который выполнен из изоляционного материала, не смачивающегося термочувствительным припоем.
а)
9/////////////,
б)
Рис. 2. Термодатчик второго типа с указанием положения электропроводного чувствительного припоя: а - в исходном состоянии; б - после срабатывания датчика при повышении температуры
до значений выше сверхдопустимой
Нижний крепежный элемент 4 установлен в корпусе 1 на определенном расстоянии от его дна таким образом, чтобы электропроводный термочувствительный припой 5, обеспечивающий электрическую связь между нижним концом контакта 2 и корпусом в твердом состоянии, после расплавления и стекания под воздействием силы тяжести на дно корпуса создавал
надежный зазор между поверхностью расплава электропроводного чувствительного припоя и торцами контакта.
Разработанная схема термодатчика максимально учитывает сформулированные выше требования в части обеспечения высокого быстродействия, надежности, а также удобства монтажа и эксплуатации.
Библиографический список
1. Пат. 2031469 Российская Федерация, МПК 7Н01Н37/76. 2. Демин В.В. Лабораторный практикум по рудничной ав-
Термовыключатель / Маловичко В.В.; Яковлев Л.Н.; Малеев томатике и телемеханике: учеб. пособие для горн. технику-В.С. №92015728/07; заявл. 31.12.1992; опубл. 20.03.1995. мов. М.: Недра, 1990. 212 с.
УДК 621.95.025.7
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ ОБРАБАТЫВАЕМЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ СУХОМ СВЕРЛЕНИИ ОТВЕРСТИЙ В ПАКЕТАХ СТРУКТУРЫ «ПОЛИМЕРНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ - ТИТАНОВЫЙ СПЛАВ»
© Ю.Н. Иванов1, А.П. Чапышев2, Е.Я. Каверзин3
1,2 Иркутский государственный технический университет,
664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
3Иркутский авиационный завод,
Филиал ОАО «Научно-производственная корпорация «Иркут»,
664020, Россия, г. Иркутск, ул. Новаторов, 3.
Описано влияние теплового расширения обрабатываемых материалов на точность полученного сверлением отверстия в пакетах состава «полимерный композиционный материал - титановый сплав». Приведены результаты испытаний специализированного инструмента производства Иркутского авиационного завода - филиала ОАО «Научно-производственная корпорация «Иркут» (ИАЗ) для обработки смешанных пакетов. Даны рекомендации по повышению точности отверстий.
Ил. 7. Табл. 1. Библиогр. 4 назв.
1 Иванов Юрий Николаевич, аспирант, тел.: 89086683438, e-mail: iv_yuriy@list.ru Ivanov Yuri, Postgraduate, tel.: 89086683438, e-mail: iv_yuriy@list.ru
2Чапышев Александр Петрович, кандидат технических наук, доцент кафедры оборудования и автоматизации машиностроения, тел.: (3952) 405148, e-mail: chapyshev_ap@irkut.ru
Chapyshev Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Machinery and Automation of Mechanical Engineering, tel.: (3952) 405148, e-mail: chapyshev_ap@irkut.ru
3Каверзин Евгений Яковлевич, инженер-конструктор отдела механической обработки, тел.: (3952) 323079, e-mail: kaverzin.evg@mail.ru
Kaverzin Evgeny, Design Engineer of the Department of Machining Work, tel.: (3952) 323079, e-mail: kaverzin.evg @ mail.ru
