Разработка конструкции пневматического реле
Введение
С ростом уровня автоматизации и функциональным усложнением аппаратуры, с повышением плотности компоновки ее увеличивается число применяемых электрических устройств. К этим устройствам и их исполнительным элементам предъявляются все более высокие конструктивно-технологические, экономические и эксплуатационные требования (в частности, простоты и технологичности конструкций, уменьшения габаритных размеров, массы, потребляемой энергии, простоты обслуживания, удобства эксплуатации, сокращения сроков разработки).
Приборостроение, как одна из ведущих отраслей промышленности, приобретает в последнее время все возрастающее значение для развития науки и техники. Развитие и внедрение автоматизации производственных процессов и систем телеуправления и современные научные исследования в первую очередь базируются на наличии высокоточных приборов.
Целью данного курсового проекта является разработка конструкции пневматического реле.
1 Назначение и область применения конструкции
Реле предназначено для контроля давления рабочей среды в пневматических, гидравлических и смазочных системах с давлением до 10 кгс/см2 при температуре окружающей среды от 5 до 500 С и относительной влажности по ГОСТ 12434-73.
Реле должно работать на сжатом воздухе 10-го класса загрязненности по ГОСТ 17433-72. Реле должно также работать на минеральном масле с кинематической вязкостью от 4 до 400 сСт с номинальной тонкостью фильтрации не грубее 40 мкм (13-й класс чистоты по ГОСТ 17216-71).
Условия эксплуатации реле предполагают ее использование при температурах (-30÷+30)м/span>С, влажность 80%. Условия эксплуатации также накладывают требования к материалам конструкции, которые должны обеспечить надежную работу устройства в течение всего периода эксплуатации.
2 Техническая характеристика конструкции
1 Напряжение питания Uпит = 24В
2 Ток протекающий через контакты I = 10А
3 Давление на мембрану = 0,2 МПа
4 Давление окружающей среды = 70 МПа
3 Описание и обоснование выбранной конструкции реле
Реле применяется в пневматических системах и состоит из корпуса 4, крышки 11, колодки 1, электрического реле и других деталей. Внутри корпуса находятся гнездо 7 и мембрана 6, которую фиксируют гайка 3 и штифты 29 вместе со штуцером 5.
Электрическое реле состоит из контактов 2, пружин 12 , изоляционных колодок 18, 19 и других деталей. Регулируется реле посредством винта 22, установленного на скобе 8.
Колодка 7 отлита из пластмассы вместе с шестью выводами, выполненными из латуни марки Л68. Для установки колодки на стойках 9 ее завальцовывают в центральное отверстие фланца, изготовленного из стали. Крепится колодка к стойкам 9 винтами 24.
Контакт 2 состоит из контактной пружины и контакта-заклепки. Контактная пружина изготовлена из кремнистой стали У10А – высокопрочная углеродистая сталь. После термической обработки обладает высокими пружинящими свойствами и прочностью. Применяется для пластинчатых пружин любого типа.
Работа реле связана с перемещением мембраны, которая под действием точного давления толкателем 16 замыкает контакты 2 и подает сигнал к определенному управляющему воздействию.
Гайка 3, штуцер 5 – сталь 45 ГОСТ 1050-74 – среднеуглеродистая качественная сталь, свариваемость и пластичность – умеренные. Хорошо обрабатывается резанием, хорошо закаливается. Применяется для средненагруженных деталей.
Скоба 13, пластины стопорные 14, 17, скоба 8,толкатель 16 и пластина 20 – сталь Ст8кп ГОСТ 380-71 – малоуглеродистая качественная конструкционная сталь. Свариваемость и пластичность высокие. Применяется для изготовления конструкций с применением гибки в холодном состоянии, вырубки, штамповки.
Корпус 4, стойка 9, крышка 11 – сплав МА10 ГОСТ 14957-76 – магниевый литейный сплав. Малый вес, повышенная коррозионная стойкость, хорошая прочность, обрабатываемость резанием.
Мембрана 6 – сплав БрКМЦ3-1 ГОСТ 18175-78 – кремнемарганцовистая бронза обычной усталостной прочности. Применяется для изготовления плоских пружин любых типов.
Прокладка 10 – резина марки 51-2104 ГОСТ 18376-79 – для уплотнителей работающих в электрических и электронных приборах.
Изолятор 15 – фарфор 110 ГОСТ 20419-83 – обладает высокой твердостью, тепло- и изоляционными свойствами.
Колодки 18, 19 – поликарбонат ПК3-ОМ6 ГОСТ 6-05-1762-81 – обладает высокой ударостойкостью, стойкостью к маслу и воде, применяется для конструкционных и электроизоляционных деталей.
4 Расчеты подтверждающие работоспособность и надежность конструкции
4.1 Расчет параметров контактов
1 Исходными данными для расчета являются:
напряжение питания U = 24В;
ток протекающий через контакты I = 10А
В качестве материала для контактов выбираемСрМ900 (серебро, медь) имеющую следующее параметры:
Плотность ρ=10,36⋅103 кг/м3;
Температура плавления tпл = 779 м/span>С;
Удельное сопротивление ρуд = 2⋅10-6 Ом⋅см;
Удельная теплопроводность Cуд = 3,45 Вт/смм/span>С;
Твердость по Бринеллю (HB) = 35..125 Н/м2;
Температурный коэффициент сопротивления ТКС =0,37 1/м/span>С⋅10-3;
Модуль упругости E = 8,6 Н/м2.
2. Исходя из значения тока определяем из таблицы 1 выбираем диаметр контакта и высоту контакта:
Таблица 1 – Размеры цилиндрических контактов
Номинальный ток, А | Диаметр контакта D, мм | Высота контакта h, мм |
до 2 2-5 5-10 10-20 20-40 | 1-2 2-4 3-5 5-8 8-12 | 0,3-1,0 0,6-1,2 0,8-1,6 1,0-2,0 1,2-2,2 |
Диаметр контакта D = 5 мм;
Высота контакта h = 1,5 мм;
Радиус закругления r = 10мм.
3. Поверхность охлаждения определяется по формуле
м2. (4.1.1)
4. Рассчитываем контактное сопротивление
, (4.1.2)
где с – коэффициент охлаждения (при естественном охлаждении С=0,48);
Δt – допустимое превышение температуры (для неокисляющихся контактов Δt=50..75 м/span>С).
Ом.
5. Величину контактного усилия определяем по формуле
, (4.1.3)
где b – коэффициент, зависящий от характера деформации, вида и формы зоны контактирования (b=3);
с – коэффициент шероховатости поверхности (для чистообработанной поверхности с =1);
ρ – удельное сопротивление контакта. Определяется по формуле
, (4.1.4)
где ρ1 и ρ2 – удельные сопротивления контактов.
(НВ) – твердость по Бринеллю наиболее мягкого контактного материала;
6. Определяем Pmin констр
, (4.1.5)
где kзап – коэффициент запаса, учитывающий износостойкость и изменение усилия Р от допусков на контактонесущую систему, а также статическую и динамическую стабильность RК (kзап=1,5..5);
kf – коэффициент частоты тока (при f = 0..2 кГц, kf = 1);
kT – температурный коэффициент, учитывающий уменьшение усилия Р от изменения жесткости контактирующей системы при колебаниях температуры (kT ≈ 1).
Н.
7. Находим верхнюю границу усилия Рмах
, (4.1.6)
где σk- определяется из условия σk<|σ|k/k (при I<0,35 А k=1, |σ|k = 20..25(НВ)), т.е. σk <25⋅60 =1500 Н/м2. Возьмем σk = 300;
rk – радиус контакта (rk = 10⋅10-3м).
Н.
8. Величина минимального контактного зазора равна
(4.1.7)
Выбираем контактный зазор 4 мм
9. Определяем повышение температуры контактной площадки контакта
, (4.1.8)
где Uk – падение напряжения на контакте. Uk = I⋅RK = 10⋅5,9⋅10-5 = 5,9⋅10-4 В.
м/span>С.
Повышение температуры составляет 0,0063м/span>С, что является незначительным.
В результате расчетов определили размеры контактов:
Диаметр контакта D = 5 мм;
Высота контакта h = 1,5 мм;
Радиус закругления r = 10мм.
4.2 Расчет пружины
Исходными данными для расчета пружины является:
Прикладываемое усилие – Р = 0,2 МПа
Материал пружины кремнистая сталь У10А по ГОСТ 2614-75.
- Определяем допускаемое напряжение [σ].
(4.2.1)
где σт – предел текучести;
nт – коэффициент запаса текучести
- Вычисляем отношение
(4.2.2)
где Pmax – максимальная нагрузка/
- Вычисляем отношение
(4.2.3)
где к – жесткость пружины;
Е – модуль упругости;
Pmax – наибольшая нагрузка;
λmax – максимальный ход.
4. Задаемся рядом значений l / h и по формулам 4.2.4 и 4.2.5 определяем b, h, и l.
(4.2.4)
(4.2.5)
Результаты расчетов сводим в таблицу 2.
Таблица 2
№ | l / h | b | h |
1 | 60 | 5,4 | 0,4 |
2 | 70 | 8,6 | 0,3 |
3 | 75 | 10,5 | 0,26 |
4 | 80 | 12,8 | 0,23 |
5 | 90 | 18,3 | 0,18 |
Выбираем вариант 3.
- Подсчитаем размеры h, b, l и определим σmax для пружин из ленты стандартных сечений.
Из ряда стандартных значений толщин / / выбираем толщину h = 0,25 мм.
Определяем ширину b:
(4.2.6)
Из ряда стандартных значений для ширины / / выбираем ширину b = 12 мм.
- Рассчитываем длину пружины l:
(4.2.7)
Проверяем величину напряжения
(4.2.8)
В результате расчетов определили размеры пружины:
b = 12 мм;
h = 0,25 мм;
l = 77 мм.
4.3 Расчет прочности и жесткости конструкции
4.3.1 Расчет прочности и жесткости крышки
При расчете нужной толщины стенок в качестве расчетной модели принимается прямоугольная пластина размерами a×b постоянной толщины h с жесткой заделкой пластины по контуру и нагруженной по всей поверхности равномерно распределением давлением P(Па).
Определяем давление Р по формуле:
(4.3.1)
где m – масса, кг;
g – ускорение свободного падения, м/с2.
(4.3.2)
При соотношении a / b ≤ 3 – для случая защемления пластины по контуру определяются коэффициенты С1 и С2.
(4.3.3)
(4.3.4)
Определяем действующий в сечении пластины максимально распределенный изгибающий момент Мmax, Па∙м2:
Мmax=C2∙P∙b2 (4.3.5)
Мmax=5,7∙10-2∙7625∙(240∙10-3)2=25,04 Па∙м2
Определяем допускаемое напряжение [σ], Па
[σ]= σт/[n] (4.3.6)
где σт – предел текучести, Па;
[n] – запас прочности.
[σ]= 200∙106/2=100 МПа
Из условий прочности минимальная толщина пластины, в мм, при допускаемом напряжении [σ], определяется по формуле:
(4.3.7)
Определяем цилиндрическую жесткость D:
(4.3.8)
где E – модуль упругости, Па;
μ – коэффициент Пуассона.
Определяем максимальный прогиб в центре пластины ωmax в метрах:
(4.3.9)
м
В результате расчетов определили:
D = 848 Па/мм2
h = 1,3 мм
4.3.2 Расчет прочности и жесткости корпуса
При расчете нужной толщины стенок в качестве расчетной модели принимается прямоугольная пластина размерами a×b постоянной толщины h с жесткой заделкой пластины по контуру и нагруженной по всей поверхности равномерно распределением давлением P(Па).
Определяем давление Р по формуле:
(4.3.10)
где m – масса, кг;
g – ускорение свободного падения, м/с2.
При соотношении a / b ≤ 3 – для случая защемления пластины по контуру определяются коэффициенты С1 и С2.
(4.3.11)
(4.3.12)
Определяем действующий в сечении пластины максимально распределенный изгибающий момент Мmax, Па∙м2:
Мmax=C2∙P∙b2 (4.3.14)
Мmax=9,3∙10-2∙33276∙(110∙10-3)2=38,6 Па∙м2
Определяем допускаемое напряжение [σ], П
[σ]= σт/[n] (4.3.15)
где σт – предел текучести, Па;
[n] – запас прочности.
[σ]= 200∙106/2=100 МПа
Из условий прочности минимальная толщина пластины, в мм, при допускаемом напряжении [σ], определяется по формуле:
(4.3.16)
Определяем цилиндрическую жесткость D:
(4.3.17
где E – модуль упругости, Па;
μ – коэффициент Пуассона.
Определяем максимальный прогиб в центре пластины ωmax в метрах:
(4.3.18)
В результате расчетов определили:
D = 1303 Па/мм2
h = 1,5 мм
Заключение
В курсовом проекте разработана конструкция пневматического реле, рассчитана прочность и жесткость корпуса и крышки, площадь контакта, плоская пружина, выбраны материалы деталей в зависимости от ус