RU169054U1

RU169054U1 - Electromagnetic clutch-brake for atomic reactor rod drive motor

Info

Publication number: RU169054U1
Application number: RU2016134171U
Authority: RU
Inventors: Илья Владимирович Коротков; Дмитрий Владимирович Конышев
Original assignee: Акционерное общество "Электропривод"
Priority date: 2016-08-19
Filing date: 2016-08-19
Publication date: 2017-03-02

Abstract

Полезная модель относится к области электромеханики и может быть использована в электроприводах систем управления и защиты атомных реакторов, в частности в сервоприводе, опускающем стержни в канал атомного реактора при аварийной защите, когда необходимо его заглушить или быстро снизить мощность. Электромагнитная муфта-тормоз содержит катушку возбуждения, магнитопровод, корпус, якорь и тормозные элементы, выполненные в виде двух пар концентрично расположенных на якоре и корпусе фрикционных дисков, причем фрикционные диски, закрепленные на якоре, и фрикционные диски, установленные на корпусе, соединены с ними жестко, соответственно, а диски внутренней тормозной пары выполнены из материала с более высоким коэффициентом трения, чем диски внешней тормозной пары, одновременно диски внешней тормозной пары выполнены из материала с более высоким коэффициентом трения покоя, чем диски внутренней тормозной пары. Достигается повышение безопасности и надежности работы электромагнитной муфты-тормоза.The utility model relates to the field of electromechanics and can be used in electric drives of control systems and protection of nuclear reactors, in particular in a servo drive lowering the rods into the channel of an atomic reactor during emergency protection when it is necessary to drown it or quickly reduce power. The electromagnetic clutch-brake contains an excitation coil, a magnetic circuit, a housing, an anchor and brake elements made in the form of two pairs concentrically located on the anchor and the housing of the friction discs, and the friction discs mounted on the anchor and the friction discs mounted on the housing are connected to them hard, respectively, and the disks of the internal brake pair are made of material with a higher coefficient of friction than the disks of the external brake pair, while the disks of the external brake pair are made of material with a larger its high coefficient of static friction than the discs of the internal brake pair. This improves the safety and reliability of the electromagnetic clutch-brake.

Description

Полезная модель относится к области электромеханики и может быть использована в электроприводах систем управления и защиты атомных реакторов, в частности в сервоприводе, опускающем стержни в канал атомного реактора при аварийной защите, когда необходимо его заглушить или быстро снизить мощность.The utility model relates to the field of electromechanics and can be used in electric drives of control systems and protection of nuclear reactors, in particular in a servo drive lowering the rods into the channel of an atomic reactor during emergency protection when it is necessary to drown it or quickly reduce power.

Устройство торможения сервопривода должно обеспечить быстрый набор скорости ввода стержня в канал реактора, движение стержня с большой скоростью и гашение скорости стержня в конце рабочего хода до безопасной скорости, исключающей разрушение стержня при посадке на упор.The servo braking device must provide a quick set of the rod input speed into the reactor channel, the rod moves at high speed and the rod speed is damped at the end of the stroke to a safe speed, which excludes the destruction of the rod when landing on the stop.

Известна электромагнитная муфта-тормоз [1], содержащая катушку возбуждения, магнитопровод, корпус, якорь и тормозные элементы, выполненные в виде двух пар, концентрично расположенных на якоре и корпусе фрикционных дисков, причем фрикционные диски, закрепленные на якоре, соединены с ними жестко. С целью повышения надежности, фрикционные диски, установленные на корпусе, соединены с ним жестко, причем диски внутренней тормозной пары выполнены из материала с более высоким коэффициентом трения, чем диски внешней тормозной пары.Known electromagnetic clutch-brake [1], containing an excitation coil, magnetic circuit, housing, armature and brake elements made in the form of two pairs concentrically located on the armature and housing of the friction discs, and the friction discs mounted on the armature are rigidly connected to them. In order to increase reliability, the friction disks mounted on the housing are rigidly connected to it, and the disks of the internal brake pair are made of a material with a higher coefficient of friction than the disks of the external brake pair.

Материалы фрикционных пар подбирают из условия, что произведение коэффициентов трения каждой тормозной пары на соответствующие средние радиусы торможения остается постоянным:The materials of the friction pairs are selected from the condition that the product of the friction coefficients of each brake pair and the corresponding average braking radii remains constant:

f⋅R_CP=const,f⋅R _CP = const,

где f - коэффициент трения тормозной пары;where f is the friction coefficient of the brake pair;

R_CP - средний радиус тормозной пары.R _CP is the average radius of the brake pair.

Например, диски внутренней тормозной пары выполнены из титана, а по крайней мере один из дисков внешней тормозной пары выполнен из пористого бронзографита с масляным наполнителем.For example, the discs of the inner brake pair are made of titanium, and at least one of the discs of the outer brake pair is made of porous bronze-graphite with oil filling.

Недостатком такой электромагнитной муфты торможения является сложность обеспечения оптимального соотношения f⋅R_CP=const, в случае повышенных требований к ресурсу муфты и ее габаритам, особенно это проявляется в сочетании, когда диски, например, внутренней тормозной пары выполнены из титана, а диск или оба диска внешней тормозной пары выполнены из пористого бронзографита с масляным наполнителем, фактически, после определенной наработки ресурса, поскольку материал бронзографит менее стоек к истиранию, чем титан, начинает работать практически только внутренняя тормозная пара титан-титан.The disadvantage of such an electromagnetic brake clutch is the difficulty of ensuring the optimal ratio f⋅R _CP = const, in the case of increased requirements for the clutch's life and its dimensions, this is especially manifested in combination when the discs, for example, the inner brake pair are made of titanium, and the disc or both the discs of the external brake pair are made of porous bronze-graphite with oil filler, in fact, after a certain operating time of the resource, since the bronze-graphite material is less resistant to abrasion than titanium, it starts to work practically Ski only internal brake pair titanium-titanium.

Известно, что [2, стр. 182-183] «особенностью титана и его сплавов является высокая склонность к контактному схватыванию при трении. Это свойство создает известные трудности при обработке титана резанием и делает опасным его применение в трущихся узлах механизмов и машин, так как может произойти заклинивание деталей узла трения.It is known that [2, pp. 182-183] "a feature of titanium and its alloys is a high tendency to contact setting during friction. This property creates certain difficulties in the processing of titanium by cutting and makes it dangerous to use it in friction parts of mechanisms and machines, since jamming of parts of the friction unit can occur.

Среднее значение статического коэффициента сухого трения для пары титан-титан равно 0,61, а динамического - 0,47-0,49 (при скорости 1, см/с). Относительно тонкая естественная оксидная пленка на титане легко разрушается при трении за счет высоких удельных нагрузок в точках контакта (на неровностях поверхности), благодаря значительно более высокой пластичности титана, чем у оксидной пленки. На локальных участках контакта двух поверхностей происходит явление схватывания. Этому способствует и ряд других свойств титана: повышенная упругая деформация из-за более низкого (например, чем у стали) модуля упругости, более низкая теплопроводность и др. Так как титан легко наклепывается при пластической деформации, связи, возникающие в местах контакта (холодная сварка), на наклепанном металле более прочны, чем прочность основного металла. Кроме того, благодаря выделению теплоты трущаяся поверхность металла обогащается газами из окружающей среды, что так же повышает прочность поверхностного слоя. Поэтому разрушение образовавшихся связей обычно происходит в глубине основного металла и повреждения на трущихся поверхностях из титана носят так называемый глубинный характер со значительным наволакиванием и вырывами металла.The average value of the static coefficient of dry friction for a titanium-titanium pair is 0.61, and the dynamic coefficient is 0.47-0.49 (at a speed of 1, cm / s). The relatively thin natural oxide film on titanium is easily destroyed by friction due to the high specific loads at the contact points (on surface irregularities), due to the significantly higher titanium ductility than that of the oxide film. In local areas of contact of two surfaces, the setting phenomenon occurs. This is facilitated by a number of other properties of titanium: increased elastic deformation due to a lower elastic modulus (for example, than steel), lower thermal conductivity, etc. Since titanium is easily stuck with plastic deformation, bonds arising at the contact points (cold welding ), on riveted metal are more durable than the strength of the base metal. In addition, due to the release of heat, the rubbing surface of the metal is enriched with gases from the environment, which also increases the strength of the surface layer. Therefore, the destruction of the formed bonds usually occurs in the depths of the base metal and the damage on the rubbing surfaces of titanium are of the so-called deep character with significant enveloping and tearing of the metal.

Легирование титана различными α- и β-стабилизаторами, термообработка α+β- и β-сплавов мало изменяют сопротивление схватыванию в условиях трения.Alloying titanium with various α- and β-stabilizers, and heat treating α + β- and β-alloys do not change much the resistance to setting under friction conditions.

Появление начала схватывания на трущихся поверхностях зависит от многих факторов, таких как удельная нагрузка, скорость трения, величина относительного перемещения и его характер, шероховатость поверхности, окружающая среда и т.п. При прочих равных условиях значение удельной нагрузки схватывания сильно зависит от величины пути взаимного перемещения трущихся поверхностей, уменьшаясь с увеличением пути трения (L). Так, например, при сухом трении на воздухе и перемещении в пределах 1-2 мм со скоростью 0,1 м/с нагрузка схватывания составляет 2000 кгс/см²; при L=565 мм нагрузка схватывания равна 60 кгс/см²; а при L=10÷15 м она составляет всего 5-12 кгс/см². Это указывает на необходимость для реальных узлов трения механизмов регламентировать допустимые параметры трения в зависимости от условий работы узла.»The appearance of the onset of setting on rubbing surfaces depends on many factors, such as specific load, friction speed, relative displacement and its nature, surface roughness, environment, etc. Ceteris paribus, the value of the unit load of the setting strongly depends on the magnitude of the path of mutual movement of the rubbing surfaces, decreasing with increasing friction path (L). So, for example, with dry friction in air and moving within 1-2 mm at a speed of 0.1 m / s, the setting load is 2000 kgf / cm ² ; at L = 565 mm, the setting load is 60 kgf / cm ² ; and at L = 10 ÷ 15 m it is only 5-12 kgf / cm ² . This indicates the need for real friction units of mechanisms to regulate the allowable friction parameters depending on the operating conditions of the unit. ”

Таким образом, применение тормозной пары титан-титан в электромагнитной муфте-тормоз, описанной в авторском свидетельстве SU 1467271 A1 [1], опасно и ненадежно.Thus, the use of a titanium-titanium brake pair in an electromagnetic brake clutch described in the copyright certificate SU 1467271 A1 [1] is dangerous and unreliable.

Задача полезной модели: повышение надежности работы электромагнитной муфты-тормоза для электродвигателя сервопривода управления стержнями атомного реактора.The objective of the utility model: improving the reliability of the electromagnetic clutch-brake for the servo motor for controlling the rods of an atomic reactor.

Технический результат: создание условий работы тормозной пары титан-титан электромагнитной муфты-тормоза для электродвигателя сервопривода управления стержнями атомного реактора, обеспечивающих повышение безопасности и надежности ее работы.EFFECT: creation of working conditions for a titanium-titanium brake pair of an electromagnetic brake clutch for a servo motor for controlling the rods of an atomic reactor, which increase the safety and reliability of its operation.

Поставленная задача решается следующим образом. Электромагнитная муфта-тормоз, содержащая катушку возбуждения, магнитопровод, корпус, якорь и тормозные элементы, выполненные в виде двух пар концентрично расположенных на якоре и корпусе фрикционных дисков, причем фрикционные диски, закрепленные на якоре, и фрикционные диски, установленные на корпусе, соединены с ними жестко, соответственно, а диски внутренней тормозной пары выполнены из материала с более высоким коэффициентом трения, чем диски внешней тормозной пары, одновременно диски внешней тормозной пары выполнены из материала с более высоким коэффициентом трения покоя, чем диски внутренней тормозной пары.The problem is solved as follows. An electromagnetic clutch-brake containing an excitation coil, a magnetic circuit, a housing, an armature and brake elements made in the form of two pairs concentrically located on the armature and the housing of the friction discs, the friction discs mounted on the armature and the friction discs mounted on the housing are connected to they are rigid, respectively, and the disks of the internal brake pair are made of material with a higher coefficient of friction than the disks of the external brake pair, while the disks of the external brake pair are made of material with Warmer coefficient of static friction than wheels inside the braking pair.

На Фиг. 1 показана электромагнитная муфта-тормоз, встроенная в электродвигатель. На Фиг. 2 показана зависимость силы трения от величины смещения.In FIG. 1 shows an electromagnetic brake clutch integrated in an electric motor. In FIG. 2 shows the dependence of the friction force on the magnitude of the displacement.

Электромагнитная муфта-тормоз содержит корпус - магнитопровод 1, катушку 2, якорь 3 с тормозными дисками 4 и 5, якорь 3 подпружинен пружиной 6. На корпусе магнитопровода 1 установлены тормозные диски 7 и 8. Внешнюю тормозную пару составляют тормозные диски 4 и 8, а внутреннюю тормозную пару составляют тормозные диски 5 и 7. Последние выполнены, например, из титанового сплава ВТ3-1 и имеют больший коэффициент трения скольжения, чем тормозные диски 4 и 8 внешней тормозной пары, выполненные, например, из стали 10.The electromagnetic clutch-brake contains a housing - a magnetic circuit 1, a coil 2, an anchor 3 with brake discs 4 and 5, an anchor 3 is spring-loaded 6. The brake discs 7 and 8 are installed on the magnetic circuit housing 1. The brake discs 4 and 8 comprise an external brake pair, and The brake discs 5 and 7 comprise the inner brake pair. The latter are made, for example, of VT3-1 titanium alloy and have a greater sliding friction coefficient than the brake discs 4 and 8 of the outer brake pair, made, for example, of steel 10.

Одновременно коэффициент трения покоя внешней тормозной пары, образованной тормозными дисками 4 и 8, выше, чем коэффициент трения покоя внутренней тормозной пары, образованной тормозными дисками 5 и 7. Например, для пары титан-титан коэффициент трения покоя 0,61 [2, стр. 182], а для пары сталь-сталь 0,74 [3, стр. 5], поверхности чистые, без смазки.At the same time, the idle friction coefficient of the external brake pair formed by the brake discs 4 and 8 is higher than the idle friction coefficient of the internal brake pair formed by the brake discs 5 and 7. For example, for the titanium-titanium pair, the idle friction coefficient is 0.61 [2, p. 182], and for the pair steel-steel 0.74 [3, p. 5], the surfaces are clean, without lubrication.

Электромагнитная муфта-тормоз работает следующим образом. В обесточенном состоянии электромагнитная муфта-тормоз не заторможена, пружина 6 отжимает якорь 3 и вал электродвигателя 9 свободно вращается. При сбросе стержня в канал реактора длиной 6 м он быстро набирает скорость 3 м/с, за счет самоиндукции электродвигателя, в обмотках электродвигателя наводится электродвижущая сила, которой достаточно для питания катушки 2, и якорь 3, сжимая пружину 6, притягивается к тормозным дискам 7 и 8. Вал электродвигателя 9 затормаживается. В дальнейшем может быть растормаживание вала электродвигателя 9 в силу падения величины наведенной электродвижущей силы с последующим увеличением электродвижущей силы и повторением циклов торможения и раскрутки вала электродвигателя 9, пока стержень не встанет на упор, но уже со значительно сниженной скоростью, исключающей разрушение стержня.The electromagnetic clutch brake operates as follows. In a de-energized state, the electromagnetic clutch-brake is not braked, the spring 6 depresses the armature 3 and the shaft of the electric motor 9 rotates freely. When the rod is dropped into the reactor channel 6 m long, it quickly picks up speed of 3 m / s, due to self-induction of the electric motor, an electromotive force is induced in the motor windings, which is enough to power the coil 2, and the armature 3, compressing the spring 6, is attracted to the brake discs 7 and 8. The shaft of the electric motor 9 is braked. In the future, there may be a disinhibition of the shaft of the electric motor 9 due to a drop in the magnitude of the induced electromotive force, followed by an increase in the electromotive force and the repetition of the braking and unwinding cycles of the shaft of the electric motor 9 until the rod stops, but already at a significantly reduced speed, eliminating the destruction of the rod.

Известно, что [4, стр. 181-182] «для количественной оценки трения вводится понятие силы трения (Т). Сила трения представляет собой равнодействующую сил тангенциальных сопротивлений, возникающих на реальных пятнах контакта при скольжении одного тела по поверхности другого. Сила трения относится к числу непотенциальных сил.It is known that [4, pp. 181-182] "for the quantitative assessment of friction, the concept of friction force (T) is introduced. The friction force is the resultant of the forces of tangential resistance arising on real contact spots when one body glides over the surface of another. Friction is one of the non-potential forces.

При переходе от покоя к скольжению имеется участок предварительно смещения (участок АО, Фиг. 2).When moving from rest to sliding, there is a pre-displacement section (AO section, Fig. 2).

Тангенциальное сопротивление в режиме предварительного смещения называют неполной силой трения. Лучше ее называть силой сцепления, так как она частично носит потенциальный характер.The tangential resistance in the pre-bias mode is called incomplete friction. It is better to call it traction, since it is partially of a potential nature.

Полная сила трения покоя соответствует переходу от предварительного смещения к скольжению (точка А). Ее условно называют трением покоя. После предварительно смещения начинается устойчивое скольжение, характеризуемое силой трения скольжения (линия A₁B).»The total rest friction force corresponds to the transition from preliminary displacement to sliding (point A). It is conventionally called rest friction. "After a preliminary displacement, a stable slip begins, characterized by the sliding friction force (line A ₁ B).”

В первоначальный момент времени, когда электромагнитная муфта-тормоз срабатывает и тормозные диски 4, 8 и 5, 7 прижимаются друг к другу и, в соответствии с зависимостью силы трения от величины смещения, Фиг. 2, имеем предварительное смещение, причем величина предварительного смещения наружных тормозных дисков 4 и 8 больше величины предварительного смещения внутренних тормозных дисков 5 и 7. Поскольку коэффициент трения покоя внешних тормозных дисков 4 и 8 больше, чем коэффициент трения покоя внутренних тормозных дисков 5 и 7, основной момент торможения создается внешними тормозными дисками 4 и 8. При достижении точки срыва А внешние тормозные диски 4 и 8 переходят в режим трения скольжения, а внутренние тормозные диски 5 и 7 резко и скачкообразно переключаются в режим скольжения с режима предварительного смещения за счет накопленной внешними тормозными дисками 4 и 8 потенциальной энергии в режиме предварительного смещения, что сокращает величину предварительного смещения и ускоряет срыв пары титан-титан внутренней тормозной пары, образованной тормозными дисками 5 и 7, в режим скольжения, и что, в конечном итоге, уменьшает опасность контактного схватывания пары титан-титан. Поскольку коэффициент трения скольжения внутренней тормозной пары, образованной тормозными дисками 5 и 7 титан-титан, выше, чем коэффициент трения скольжения внешней тормозной пары, образованной тормозными дисками 4 и 8, то остаточная энергия вала электродвигателя гасится внутренней тормозной парой 5 и 7 титан-титан, то есть внешняя тормозная пара 4 и 8 играет роль своеобразного демпфера для внутренней тормозной пары, образованной тормозными дисками 5 и 7.At the initial time, when the electromagnetic clutch-brake is activated and the brake discs 4, 8 and 5, 7 are pressed against each other and, in accordance with the dependence of the friction force on the amount of displacement, FIG. 2, we have a preliminary displacement, and the magnitude of the preliminary displacement of the external brake discs 4 and 8 is greater than the preliminary displacement of the internal brake discs 5 and 7. Since the friction coefficient of rest of the external brake discs 4 and 8 is greater than the coefficient of rest friction of the internal brake discs 5 and 7, the main point of braking is created by the external brake discs 4 and 8. When the break point A is reached, the external brake discs 4 and 8 go into sliding friction mode, and the internal brake discs 5 and 7 abruptly and abruptly are switched to the slip mode from the pre-shift mode due to the potential energy accumulated by the external brake disks 4 and 8 in the pre-shift mode, which reduces the pre-shift value and accelerates the breakdown of the titanium-titanium pair of the inner brake pair formed by the brake discs 5 and 7 into the slip mode , and that, ultimately, reduces the risk of contact setting of the titanium-titanium pair. Since the sliding friction coefficient of the inner brake pair formed by the titanium-titanium brake discs 5 and 7 is higher than the sliding friction coefficient of the outer brake pair formed by the brake discs 4 and 8, the residual energy of the motor shaft is absorbed by the inner brake pair 5 and 7 of titanium-titanium , that is, the external brake pair 4 and 8 plays the role of a kind of damper for the internal brake pair formed by the brake discs 5 and 7.

На предприятии ПАО "Электропривод" г. Киров разработаны и выпускаются электродвигатели типа ДП100-500-2,5 и 2ДП-100-500-2,5 с предложенной электромагнитной муфтой-тормозом для атомных электростанций. Гарантийная наработка таких электродвигателей 2-10⁶ циклов включений электромагнитной муфты-тормоза. Ранее не удавалось известными решениями достичь такой гарантийной наработки.At the enterprise PJSC "Electric Drive" in Kirov, electric motors of the DP100-500-2.5 and 2DP-100-500-2.5 type with the proposed electromagnetic brake clutch for nuclear power plants have been developed and are being produced. Warranty life of such electric motors is 2-10 ⁶ cycles of switching on the electromagnetic clutch-brake. Previously, it was not possible with well-known solutions to achieve such a guarantee operating time.

Таким образом, решается поставленная задача и достигается технический результат, что позволило обеспечить атомные станции электродвигателями с высоконадежной электромагнитной муфтой-тормозом.Thus, the task is solved and the technical result is achieved, which made it possible to provide nuclear power plants with electric motors with a highly reliable electromagnetic clutch-brake.

Источники информацииInformation sources

[1] Авторское свидетельство СССР №1467271 А1. Электромагнитная муфта-тормоз./ Беляев А.А., Журавлев В.И., Халявин В.И. // Опубл. 23.03.1989.[1] Copyright certificate of the USSR No. 1467271 A1. Electromagnetic clutch-brake. / Belyaev A.A., Zhuravlev V.I., Khalyavin V.I. // Publ. 03/23/1989.

[2] Б.Б. Чечулин, С.С. Ушаков, И.Н. Разуваева, В.Н. Гольдфайн Титановые сплавы в машиностроении. Л.: «Машиностроение» (Ленингр. отд-ние), 1977.[2] B. B. Chechulin, S.S. Ushakov, I.N. Razuvaeva, V.N. Goldfine Titanium alloys in mechanical engineering. L .: "Mechanical Engineering" (Leningrad. Department), 1977.

[3] С.П. Меркурова. Силы трения, лабораторный практикум по физике. Московский автомобильно-дорожный институт. Москва, 2008.[3] S.P. Merkurov. Friction forces, laboratory workshop in physics. Moscow Automobile and Road Institute. Moscow, 2008.

[4] И.В. Крагельский, М.Н. Добычин, B.C. Комбалов. Основы расчетов на трение и износ. М.: «Машиностроение», 1977.[4] I.V. Kragelsky, M.N. Dobychin, B.C. Kombalov. Basics of friction and wear calculations. M .: "Engineering", 1977.

Claims

An electromagnetic clutch-brake containing an excitation coil, a magnetic circuit, a housing, an armature and brake elements made in the form of two pairs concentrically located on the armature and the housing of the friction discs, the friction discs mounted on the armature and the friction discs mounted on the housing are connected to them rigidly, respectively, and the disks of the inner brake pair are made of a material with a higher coefficient of friction than the disks of the outer brake pair, characterized in that the disks of the outer brake pair are made of mate rial with a higher coefficient of friction of rest than the discs of the internal brake pair.