Щеточно-контактное устройство

 

Использование: электрические машины. Сущность изобретения: в корпусе щеткодержателя размещены электрощетка со скошенной опорной поверхностью и нажимной элемент. Передняя стенка окна щеткодержателя для размещения нажимного элемента снабжена уклоном. Угол наклона передней стенки выбран из математического выражения. Устройство позволяет использовать рулонную пружину в щеточно-контактном узле машин сравнительно малых габаритов, при этом характеристики работы узла остаются постоянными весь срок эксплуатации машины. 2 ил.

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к конструкции щеточно-контактных устройств коллекторных электрических машин, а также машин с контактными кольцами, и предназначено для применения в щеточно-контактных устройствах, где в качестве элемента, поддерживающего сцепление электрощетки с коллектором, применяется нажимной механизм с рулонной ленточной пружиной.

Одним из важных условий конструкции щеточно-контактных устройств такого типа, определяющим наиболее рациональное сочетание его элементов, является условие совмещения действия вектора силы давления рулона ленточной пружины с продольной осью электрощетки. Вместе с тем износ электрощетки в процессе работы приводит к сворачиванию ленты пружины и увеличению ее диаметра.

В известных конструкциях крепление ленточной пружины к неподвижно расположенной сбоку от электрощетки планке нажимного механизма предопределяет проскальзывание увеличивающегося рулона по опорному торцу электрощетки в сторону задней стенки паза, предназначенного для ее размещения.

При работе такого устройства выявляются два следующих основных недостатка. Во-первых, проскальзывание рулона ленточной пружины по опорной поверхности отклоняет вектор силы давления от оси перемещения электрощетки в направляющих плоскостях окна корпуса щеткодержателя. Во-вторых, увеличение в диаметре перемещающегося по наклонной поверхности рулона пружины ограничено шириной направляющего окна, предназначенного для перемещения электрощетки.

Оба эти недостатка ограничивают высоту использования электрощетки. Таким образом, щеточно-контактное устройство описанной конструкции, несмотря на использование в его составе рулонной ленточной пружины, потенциально способной поддерживать постоянство давления электрощетки на коллектор вне зависимости от ее высоты, заметно теряет свои преимущества.

На практике имеются многочисленные конструкции, в которых увеличение высоты использования электрощетки, применяемой в щеточно-коллекторных устройствах, достигается различными приемами, в том числе первоначальным смещением рулона пружины к передней стенке управляющего окна корпуса щеткодержателя. Такое смещение определяется расчетным зазором между направляющим окном с электрощеткой и перпендикулярным ему вспомогательным окном, где размещена неподвижная пластина нажимного механизма, несущая ленточную пружину. При этом начало формирования рулона происходит со смещением его центра от оси электрощетки к пластине за счет скошенного торца электрощетки [1] Недостатком такой конструкции является необходимость применения больших начальных диаметров рулона ленточной пружины, что имеет место в электромашинах большой электрической мощности.

Наиболее близким к изобретению является взятое за прототип и базовый объект щеточно-контактное устройство, использующее в своем составе электрощетку со скосом опорной поверхности. При работе устройства, взятого за базовый образец, уменьшающаяся в процессе износа электрощетка вызывает сворачивание ленточной пружины, сопровождающееся увеличением диаметра ее рулона. В диапазоне примеpного равенства тангенциальной составляющей силы давления ленточной пружины и жесткости распорной V-образной плоской пружины увеличение диаметра происходит равномерно в обе стороны от продольной оси электрощетки из-за отведения от ее передней плоскости подвижной опорной пластины [2] Отсутствие продвижения рулона по опорной поверхности позволяет заметно увеличить длину используемых в рассматриваемом устройстве электрощеток. Однако расхождение в величине тангенциальной составляющей силы давления, которая практически не изменяется, с величиной жесткости распорной V-образной пружины, изменяющейся со степенью ее сжатия и точкой приложения к ней сжимающего усилия, приводит к нарушению установившегося силового баланса. С возрастанием дисбаланса происходит увеличение интенсивности проявления негативных свойств взаимодействия элементов конструкции, связанных с проскальзыванием рулона по опорной поверхности электрощетки.

Следует отметить также, что при практической реализации этого щеточно-контактного устройства, как и всех других известных подобных устройств, получение наибольшего экономического эффекта от применения максимально высоких электрощеток связано со стремлением минимизации диаметра рулона ленточной пружины за счет сокращения числа нерабочих витков. Вместе с тем из теории расчета таких пружин известно, что уникальное их свойство постоянства давления при любом растяжении действует лишь при выходе ее силовой характеристики на прямолинейную зависимость, что предопределяет, в свою очередь, наличие в конструкции пружины нескольких нерабочих (неразворачиваемых из рулона) витков. Именно поэтому известные подобные контактные устройства трудно реализуются в электрических машинах малой мощности, где ширина электрощеток соизмерима с диаметром рулона ленточной пружины.

Изобретение направлено на повышение времени эксплуатации щеточно-контактных узлов без смены электрощеток.

Поставленная задача решается за счет конструктивных отличий, позволяющих увеличить диапазон работы электрощетки в процессе износа в условиях совмещения ее продольной оси с направлением вектора силы прижатия к коллектору.

На фиг. 1 показан общий вид щеточно-контактного устройства в состоянии начала использования и конца использования электрощетки (взаимное расположение элементов конструкции в конце использования электрощетки показано тонкими линиями); на фиг.2 сечение А-А на фиг.1.

Предлагаемое устройство содержит корпус щеткодержателя 1 с пазом 2 крестообразного сечения, в направляющем окне 3 которого размещена электрощетка 4 со скошенной торцовой поверхностью 5. Во вспомогательное окно 6 встроен нажимной механизм, состоящий из опорной пластины 7, на плоскости которой расположена ось-заклепка 8, подвижно закрепляющая ленточную пружину 9. Стенка вспомогательного окна выполнена с уклоном 10, способным взаимодействовать с рулоном ленточной пружины 11.

Рулон ленточной пружины заведен на скос торцовой поверхности электрощетки, при этом диаметр рулона больше ширины направляющего окна, а расстояние от продольной оси направляющего паза до плоскости опорной пластины, несущей ленточную пружину, выбрано из условий жесткости ее переходного участка 12 так, чтобы центр рулона находился на оси электрощетки. Рабочая поверхность 13 электрощетки прижата к коллектору 14 электрической машины. Опорная пластина поджата в исходное положение взаимодействующей с ней консолью распорной V-образной плоской пружины 15, закрепленной между стенками 16 вспомогательного паза корпуса щеткодержателя.

Выбор уклона стенки вспомогательного паза определяется следующим образом. Как известно из теории расчета ленточной пружины, давление на опорную поверхность электрощетки зависит в том числе от начального диаметра рулона, толщины ленты, начального (нерабочего) числа витков. Зная эти параметры и длину свертывания ленты (на практике равную высоте заданного износа электрощетки), определяют радиус рулона ленточной пружины R + ak + , где R радиус рулона ленточной пружины; d начальный диаметр рулона ленточной пружины; а толщина ленты; k начальное число витков; l длина свертывания ленты. Тогда величина уклона будет определяться из зависимости α arctg где h высота износа электрощетки.

Например, при l h 100 мм d 10 мм
а 0,5 мм
k 5
R + 0,5·5 + 8,56 Подставляя данные приведенного примера в формулу для определения величины уклона, имеем
α arctg arctg 0,0106 ≈ 0,6°
При работе предложенного устройства сила давления рулона ленточной пружины, действующая пеpпендикулярно к плоскости скоса торцовой поверхности, раскладывается на вертикальную составляющую, действующую вдоль оси электрощетки, и тангенциальную составляющую, прижимающую плоскость электрощетки к плоскости направляющего окна. В начальный период, когда сила реакции от действия тангенциальной составляющей на плоскость окна близка к величине силы упругости консоли V-образной плоской пружины, износ электрощетки заметно не влияет на отклонение вертикальной составляющей силы давления от продольной оси электрощетки. При этом отклонение опорной пластины нажимного механизма компенсирует пропорциональное увеличение диаметра рулона. К моменту заметного расхождения между постоянной по величине силой реакции от тангенциальной составляющей и возрастающей силой сопротивления консоли увеличивающийся диаметр рулона входит в соприкосновение с уклоном стенки вспомогательного окна и создает дополнительную силу опорной реакции, зависимую по величин от силовой характеристики V-образной плоской пружины. Такой силовой баланс поддерживается весь период работы щеточно-контактного устройства (до запланированного износа электрощетки).

Эта конструкция обеспечивает совмещение вектора силы вертикальной составляющей с продольной осью электрощетки практически при любой ее высоте, что значительно увеличивает время ее эксплуатации.

Другим дополнительным эффектом изобретения является беспрепятственная возможность использования предложенной конструкции щеточно-контактных устройств в машинах со сравнительно малыми габаритами электрощеток, например, машинах средней и малой мощности, так как диаметр рулона ленточной пружины не лимитируется шириной электрощетки.

Формула изобретения

ЩЕТОЧНО-КОНТАКТНОЕ УСТРОЙСТВО электрической машины, содержащее корпус щеткодержателя со сквозным пазом, в одном из окон которого размещена электрощетка со скошенной опорной поверхностью, а в другом закреплен съемный нажимной механизм с ленточной пружиной, отличающееся тем, что сквозной паз щеткодержателя выполнен крестообразным, передняя стенка окна для размещения нажимного механизма снабжена уклоном, а диаметр рулона ленточной пружины превышает ширину окна для размещения электрощетки, при этом наклонная поверхность передней стенки окна имеет возможность взаимодействия с рулоном пружины во время работы, а угол α наклона передней стенки выбран из зависимости

где R радиус рулона ленточной пружины;
d начальный диаметр рулона ленточной пружины;
a толщина ленты;
K начальное число витков;
h заданная высота износа электрощетки.