Предохранительные средства и их расчет

Предохранительные устройства не допускают аварий при нарушении нормального режима работы машины.

Предохранительные устройства можно разделить на две группы:

- устройства со специально предусмотренным слабым звеном, которое в критический момент разрушается и тем самым предупреждает аварию;

- устройства, не выходящие из строя после срабатывания.

К первой группе относят специальные штифты, муфты, плавкие предохранители, предохранительные мембраны и др.

Во вторую группу входят предохранительные клапаны; концевые выключатели; ограничители грузоподъемности, скорости и др.

Штифты и предохранительные муфты – устройства, обеспечивающие передачу крутящего момента не выше установленной величины. При возникновении опасных перегрузок рабочих органов машин штифт или срезная шпилька, соединяющие привод или непосредственно рабочий вал оборудования, срезаются и работа механизмов прекращается.

Методика расчета предохранительных штифтов заключается в определении усилия среза штифта.

Усилие среза штифта (Н) рассчитывают по формуле:

где к_n – коэффициент допускаемой перегрузки (1,3…1,4);

М – крутящий момент на валу при максимальной загрузке

оборудования, Н × м;

R_ш – радиус окружности среза штифта, м.

Крутящий момент на валу (Н × м) определяют по формуле:

где N – мощность электродвигателя, кВт;

n – число оборотов вала, об/мин.

Предел прочности штифта при срезе определяют по выражению:

где s_ср – предел прочности штифта при разрыве, Па;

к – коэффициент прочности (для серого чугуна 1,1…1,5)

Штифт рекомендуют выполнять из серого чугуна СЧ12-28 или СЧ15-32.

Более совершенными устройствами, автоматически отключающими рабочие органы при их перегрузке, являются фрикционные, электромагнитные и другие муфты, позволяющие регулировать величину крутящего момента.

Муфты в отличие от штифтов и шпилек не нуждаются в частой смене.

Для предупреждения аварии при перегрузке подъемно-транспортного оборудования используют кулачковую предохранительную муфту.

От приводного вала крутящий момент передается ведущему и ведовому кулачковым дискам. Диски сжимаются пружиной, через цилиндрические выступы ведомого диска, которые входят в пазы втулки, крутящий момент передается звездочке, закрепленной на втулке. При достижении предельного момента кулачки ведущего диска, преодолевая натяжение пружины, скользят по наклонной поверхности кулачков ведомого диска и попадают в промежутки между соседними кулачками. При этом раздается специфический звук (треск), сигнализирующий о наступившей перегрузке механизма.

Силу сжатия пружины (МН) определяют по формуле:

где Р – окружное усилие на среднем диаметре муфты, МН;

a - угол наклона боковой поверхности кулачка (25…35⁰);

r - угол трения между кулачками (8…10⁰);

Д_ср – диаметр окружности точек приложения окружного усилия к кулачкам муфты, м;

к_тр – коэффициент трения в шпоночном соединении подвижной втулки (0,12…0,15).

Передаваемый муфтой крутящий момент (МН × м) определяют по выражению:

Срабатывание муфты происходит при предельном моменте е:

где к_n – коэффициент перегрузки (1,1…1,4)

Чувствительность муфты характеризуют коэффициентом:

где l - полная осадка пружины при предельном крутящем моменте, м;

j – жесткость пружины, МН/м (j=Q/l)

h – высота кулачка, м.

Чем больше значение j, тем выше чувствительность муфты. Рекомендуют принимать j=3,5…6,0.

На оборудовании, в котором образуется пылевоздушная смесь и может возникнуть взрыв (дезинтеграторы, молотковые дробилки и другие машины ударного измельчения), устанавливают предохранительные мембраны (взрыворазрядители).

Взрыворазрядители присоединяют к специальному отверстию в кожухе машины, которое составляет не менее 0,03м² на 1м³ защищаемого внутреннего объема оборудования. Корпус машины должен находиться под небольшим вакуумом, чтобы пыль не выделялась в помещение. Вот почему взрыворазрядное отверстие перекрывают легкоразрушающейся перегородкой – мембраной. Мембрана должна легко разрушаться избыточным давлением, но сохраняться при вакууме и вибрации. Его изготавливают из алюминиевой или медной фольги. Толщину металлической мембраны (мм) определяют по формуле:

где к_пр – коэффициент прочности (для алюминиевых мембран к_пр=0,33…0,38; для медных мембран к_пр=0,15…0,18);

Р – разрушающее давление, Па (р=0,6 × 10^-5 Па);

Д – диаметр мембраны, мм (Д=125…150мм).

Для защиты электродвигателей от перегрузки используют тепловые реле с биметаллической пластинкой (рис.1.2.)

Рис. 1.2. Тепловое реле с биметаллической пластиной.

1 – нагревательный элемент; 2 – корпус реле; 3 – кнопка; 4 – тяга;

5 – контакты; 6 – рычаг; 7 – биметаллическая пластинка.

Тепловые реле имеют три основные части:

- нагревательный элемент, включаемый последовательно в защищаемую от перегрузки сеть;

- биметаллическую пластинку, состоящую из двух спрессованных металлических пластинок с различными коэффициентами линейного расширения;

- контакты.

При протекании через нагревательный элемент тока, превышающего номинальный ток двигателя или сети, элемент выделяет такое количество тепла, при котором незакрепленный (левый) конец биметаллической пластины поднимается вверх, изгибается в строну металла с меньшим коэффициентом линейного расширения, освобождая защелку рычага. Своим нижним концом рычаг перемещает тягу влево, которая размыкает контакты. Контакты разрывают цепь управления, например магнитного пускателя. Кнопка, выходящая за пределы корпуса реле, служит для возврата рычага в исходное положение после срабатывания реле.