Прижимные устройства системы «СПП—охладитель».

Прижимное устройство (рис. 7.20) обеспечивает необходимый тепловой и электрический контакты теплоотвода с СПП.

Рис. 7.19. Зависимость перепада давления набегающего потока воздуха от скорости для теплоотводов Т1111, Т1112 (7), Т1213 (2), Т1314 (3) и Т1615 (4)

Рис. 7.20. Прижимное устройство охладителей:

1 — теплоотводы; 2 — траверса; 3 — стяжные болты; 4 — упор

Для СПП штыревого исполнения функции прижимного устройства выполняют резьбовой штырь прибора и посадочное резьбовое отверстие в теплоотводе, для СПП таблеточного исполнения — специальное прижимное устройство. Оно состоит из стяжных болтов, центрирующих упоров, изолятора и траверсы. Стяжные болты служат для обеспечения и фиксации заданного прижимного усилия в процессе эксплуатации СПП. Их изготавливают, как правило, из среднеуглеродистой стали. Соединение болтов с теплоотводами может быть жестким и нежестким. Жесткое крепление (рис. 7.20) позволяет сохранить развитую поверхность теплообмена в монолитных теплоотводах охладителей (ТУ 16.729.377-82) по центру оребренной пластины теплоотвода и тем самым уменьшить тепловое сопротивление охладителей, а также массу теплоотвода за счет использования оребренной пластины в качестве траверсы. Однако применение такого крепления ограничено высокими значениями механических напряжений и пластических деформаций соединений резьбовых болтов с оребренной алюминиевой пластиной. Предельно допустимой растягивающей нагрузкой в таком соединении является при удельной нагрузке q=120 кг на 1см2 контактной поверхности СПП.

Кроме того, из-за высоких растягивающих нагрузок и изгибающих моментов между теплоотводом и СПП возникают зазоры, которые приводят к резкому ухудшению тепловых контактных сопротивлений между СПП и теплоотводом.

Для СПП с диаметром контактной поверхности более 50 мм целесообразно применять нежесткое крепление. При таком креплении отсутствуют зазоры между теплоотводом и СПП, улучшается тепловой контакт, несмотря на то, что отсутствие оребрения в центре оребренной пластины влечет за собой увеличение установившегося теплового сопротивления.

Одной из проблем при обеспечении заданного прижимного усилия является стабилизация его в течение заданного срока эксплуатации.

Усилие прижима, создаваемое стяжными болтами, контролируется различными способами. В отечественном производстве и ряде зарубежных фирм контроль осуществляют с помощью металлической стрелки, закрепленной консольно на конце пластинчатой пружины — траверсы. (Пружины предназначены для создания предварительного, а иногда и окончательного натяга.) При наличии прогиба траверсы от усилий, создаваемых наворачиванием гаек на стяжные болты (соответственно заданной тарировочной характеристике), стрелка отклоняется На заданное значение. Этот способ достаточно точен (погрешность не превышает ). Недостатками его являются повышенная трудоемкость изготовления крепления стрелки и неудобство проверки прогиба при размещении системы «СПП—охладитель» в преобразовательном агрегате.

Некоторые зарубежные фирмы [ASEA (Швеция), Seifert (ФРГ)] предлагают фиксировать усилие прижима моментным ключом. Этот способ универсален, однако имеет большую погрешность замера (до ).

Удобным и достаточно точным является способ размещения предварительно оттарированной пружины на центрирующем упоре. От усилия прижима пружина (пластинчатая) изгибается до полного прилегания к сопрягаемой поверхности упора. Наличие такого упора влечет за собой увеличение массы охладителя.

В современных конструкциях таблеточных СПП (на токи до 630 А), имеющих прижимные контактные соединения, несмотря на несомненные их преимущества перед СПП других типов, обеспечение теплового и электрического контактов наталкивается на ряд трудностей.

Детали системы «СПП таблеточного типа — охладитель» подвергающиеся сжатию, имеют большие размеры, недостаточные чистоту и качество обработки контактных поверхностей, значительные термоупругие деформации. Прижимные усилия элементов системы «СПП—охладитель» велики. Удельные тепловые и электрические нагрузки контактных поверхностей значительно увеличиваются. Как следствие повышения мощности СПП существенно возросло абсолютное значение мощности потерь, которое должно быть отведено от одного СПП.

Если в ранее применяемых СПП средней мощности потери составляли сотни ватт, то в современных мощных СПП их значение достигает нескольких киловатт. Требуется обеспечить очень малое и стабильное тепловое сопротивление прижимных контактов элементов в приборе, прибора с охладителем и самого охладителя.

Как известно, термическое и электрическое сопротивления металлических контактов определяются физико-механическими свойствами соприкасающихся материалов, чистотой обработки поверхностей и нагрузкой на них, причем с увеличением усилия сжатия тепловое и электрическое контактные сопротивления уменьшаются за счет увеличения числа контактных пятен.

При удельных усилиях сжатия свыше и обработке контактных поверхностей тепловое сопротивление контактных соединений стабилизируется, т. е. изменяется незначительно.

Решение задачи стабилизации правильно выбранного прижимного усилия с учетом упругих и пластических деформаций сопрягаемых элементов системы «СПП—охладитель» позволяет обеспечить постоянство прижимного контакта, а следовательно, и постоянных тепловых электрических контактных сопротивлений в течение заданного срока эксплуатации.

В основе исследования элементов на релаксацию напряжений лежит определение их прочностных характеристик в областях упругих и пластических деформаций. Одним из наиболее распространенных методов расчета элементов в области упругих деформаций является метод допускаемых напряжений [7.6, 7.7], позволяющий решать соответствующие задачи с достаточной степенью точности. Аналитические исследования релаксации напряжений, изложенные в [7.7, 7.8], можно применять при определении прочностных характеристик в элементах прижимных устройств при соответствующей экспериментальной проверке и определении эмпирических коэффициентов релаксации. Практический интерес при исследовании прочностных характеристик представляют аналитические исследования по определению изменения твердости материала от времени.

При падении нагрузок со на 15—20% термическое сопротивление контактного соединения возрастает на 20—25%, а электрическое — на 40%.

В условиях длительной эксплуатации СПП явление термомеханической усталости прижимных элементов системы «СПП — охладитель» становится серьезным фактором, снижающим надежную работу СПП.

Известно, что релаксация напряжений в различных элементах прижимного устройства под воздействием длительных температурных и механических нагрузок может быть довольно существенной, и ее необходимо учитывать в соответствующих расчетах нагруженных элементов.

При сборке СПП с охладителем часто путают назначение такого элемента прижимного устройства, как пружина (пластинчатая или круглая). Считают, что суммарная нагрузка создается пружиной.

Такой подход справедлив только для относительно небольших диаметров контактной поверхности (до мм), где нагрузки составляют не более 2000 кг и усилия прижима не превышают . Для СПП с большим диаметром контактной поверхности (056, 80, 100 и т. д.) необходимы пружины, обеспечивающие усилие сжатия 2000—8000 кг и более. В условиях ограниченного объема размещения таких пружин пружины получаются очень массивными, с малыми прогибами, которые трудно замерить. В этом случае необходимо помнить, что пружины необходимы только для предварительного натяга (фиксации) кг.

Необходимые нагрузки обеспечиваются стяжными болтами, при этом затяжка болтов осуществляется таким образом, чтобы начальное механическое напряжение в растягиваемых болтах не превышало 2/3 предела упругости ступр:

т. е. стяжные болты в прижимном устройстве должны работать только в области упругих деформаций и при снятии нагрузки болт должен принимать свою первоначальную длину.