Допустимое напряжение в прокладке s и динамический модуль

упругости Е_Д материалов прокладок

 

Материал	Допустимое напряжение s, Па (Н/м^2)	Динамический модуль упругости ЕД, Па (Н/м^2)
Резина губчатая	3 · 10^4	3 · 10^6
Резина мягкая	8 · 10^4	5 · 10^6
Ребристая резиновая плита	8 · 10^4 – 1 · 10^5	(4…5) · 10^6
Резина средней жесткости	(3…4) · 10^5	(2…2,5) · 10^7
Пробка натуральная	(1,5…2) · 10^5	(3…4) · 10^6
Плита из пробковой крошки	6 · 10^4 – 1 · 10^5	2 · 10^6
Войлок мягкий	(2…3) · 10^4	2 · 10^6
Войлок жесткий прессованный	1,4 · 10^5	9 · 10^6

 

Установочные болты не должны жестко связывать агрегат с фундаментом, чтобы не являться проводниками вибрации. Поэтому под головки или гайки установочных болтов должны быть подложены снизу резиновые и сверху металлические шайбы, а на сам болт надета резиновая трубка (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Резиновый виброизолятор:

1 – фундамент; 2 – резина; 3 – металлическая шайба;

4 – корпус агрегата; 5 – резиновая трубка

Исходные данные для расчета амортизаторов

1 Вес агрегата Р_а, Н.

2 Вес основания крепления агрегата Р_о , Н.

3 Число оборотов вала агрегата n, об/мин.

Пример расчета пружинных амортизаторов

 

Вентиляционный агрегат с электродвигателем установлен на общей раме. Вентилятор весом Р_в = 4600 Н с числом оборотов n_в = 520 об/мин. Электродвигатель весом Р_э = 1300 Нс числом оборотов n_э = 970 об/мин. Вес общей рамы Р_о = 1000 Н.

Рассчитать пружинные амортизаторы при установке рамы с агрегатами на массивное железобетонное перекрытие.

1 Суммарный вес агрегатов с рамой по формуле (3.4):

Р = Р_в + Р_э + Р_о = 4600 + 1300 + 1000 = 6900 Н.

2 Основная частота вибрации вентиляционного агрегата по формуле (3.2): .

Колебания инфразвуковые, неслышимые.

3 Частота, определяемая работой электродвигателя, по формуле (3.2):

.

4 Зададим частоту собственных колебаний системы f₀ = 5 Гц, что соответствует числу оборотов n = 300 об/мин. По графику (рис. 3.1) определим величину статической осадки:

x_ст = 0,01 м.

Из графика следует, что амортизаторы с такой осадкой будут ослаблять вибрации:

- с частотой 8,7 Гц на 70 %;

- с частотой 16 Гц на 10 %.

5 Жесткость пружин амортизаторов по формуле (3.3) составит:

.

6 Принимая, что монтаж агрегатов выполнен на четырех амортизаторах, получаем жесткость каждого амортизатора по формуле (3.5):

7 Вводя запас прочности (принимая расчетную нагрузку Р = 2000 Н), определим статическую осадку пружины по формуле (3.6):

8 Приняв средний радиус витка пружины по конструктивным соображениям r = 0,018 м и допустимое напряжение на кручение для пружиной стали R_s = 4,3 × 10⁸ Па, по формуле (3.7) определим диаметр проволоки пружины:

9 Число рабочих витков пружины по формуле (3.8):

.

10 Полное число витков пружины по формуле (3.9) составляет:

11 Высота пружины в свободном состоянии по формуле (3.10):

12 Высота пружины под рабочей нагрузкой по формуле (3.11):

13 Проверяем пружину на устойчивость по формуле (3.12):

Условие (3.12) выполняется.

14 Длина проволоки, необходимая для навивки пружины, по формуле (3.13):

 

Пример расчета амортизаторов с использованием

Упругих материалов

Агрегат весом Р_а = 6000 Н имеет рабочее число оборотов n = 3000 об/мин, смонтирован на плите весом Р_o = 4000 Н. Агрегат укреплен шестью фундаментными установочными болтами. Рассчитать упругие прокладки под машину.

1 Основная частота возмущающей силы по формуле (3.2):

f = 3000 / 60 = 50 Гц.

2 Выбираем частоту собственных колебаний системы в три раза ниже частоты возмущающей силы:

3 По графику (рис. 3.1) при частоте собственных колебаний

f_о = 17 Гц (n = 1000 об/мин) величина статической осадки x_{с т} = 0,001 м, при частоте 50 Гц коэффициент виброизоляции составит 10 %, или ослабление в 20 дБ.

4 Выбираем по табл. 3.1 в качестве материала прокладок резиновую ребристую плиту с допустимым напряжением s = 1×10⁵ Па и динамическим модулем упругости Е_Д = 4 × 10⁶ Па.

5 Высота прокладки по формуле (3.14):

6 Общая площадь прокладок по формуле (3.15):

7 Площадь каждой прокладки для шести установочных болтов по формуле (3.16):

S_п = 0,1 / 6 = 0,0167 м².

8 Если принять, что прокладки квадратного сечения, длина стороны квадрата составит: L = 0,0167^1/2 = 0,13 м.

4 РАСЧЕТ ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ

Назначение, принцип действия, устройство

Защитного заземления

Защитное заземление является одной из мер защиты от опасности поражения электрическим током при косвенном прикосновении – электрическом контакте людей или животных с открытыми проводящими частями, оказавшимися под напряжением.

К открытым проводящим частям «Правила устройства электроустановок» (ПУЭ) [7] относят доступные прикосновению части электроустановок, которые могут проводить электрический ток, нормально не находящиеся под напряжением, но которые могут оказаться под напряжением при повреждении основной изоляции (корпуса электрических машин, аппаратов, светильников, каркасы распределительных щитов, трубы электропроводки и т.д.).

В соответствии с ГОСТ 12.1.038-82 (2001) [8] защита от опасности косвенного прикосновения может быть обеспечена либо за счёт снижения напряжения прикосновения (защитное заземление, выравнивание потенциалов), либо за счёт ограничения времени воздействия тока (защитное зануление, защитное автоматическое отключение питания).

Заземление – преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством.

Заземляющее устройство – это совокупность заземлителей и заземляющих проводников (рис. 4.1).

Заземлитель – проводящая часть или совокупность соединённых между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землёй непосредственно или через промежуточную проводящую среду.

Заземляющий проводник – проводник, соединяющий заземляемую часть (точку) с заземлителем.

Рис. 4.1. Заземляющее устройство: 1 – заземляемая часть (открытая проводящая часть); 2 – заземляющий проводник; 3 – соединительная полоса; 4 – заземлитель

 

По назначению различают: рабочее заземление, защитное заземление, повторное заземление нулевого провода, заземление молниезащиты и т.д.

Защитное заземление – заземление, выполняемое в целях электробезопасности.

При напряжении до 1 кВ защитное заземление выполняется в электроустановках системы IT. Первая буква в этих обозначениях показывает состояние нейтрали: I – изолированная нейтраль. Вторая буква – состояние открытых проводящих частей относительно земли: T – открытые проводящие части заземлены.

Система IT – система, в которой нейтраль источника питания изолирована от земли или заземлена через приборы или устройства, имеющие большое сопротивление (например, пробивной предохранитель), а открытые проводящие части электроустановки заземлены. Это трёхфазные трёхпроводные сети с изолированной нейтралью источника питания переменного тока (рис. 4.2).

К системе IT относятся также однофазные двухпроводные изолированные от земли сети переменного тока (рис. 4.3) и двухпроводные с изолированной средней точкой источника постоянного тока.

 

Рис. 4.2. Защитное заземление и схема замещения в трёхфазной трёхпроводной сети с изолированной нейтралью источника питания переменного тока:

1 – источник питания; 2 – открытая проводящая часть; 3 – защитное заземление; 4 – рабочее заземление; 5 – пробивной предохранитель

 

	r2

 

Рис. 4.3. Защитное заземление и схема замещения в однофазной двухпроводной изолированной от земли сети переменного тока:

1 – источник питания; 2 – открытая проводящая часть; 3 – защитное заземление; 4 – рабочее заземление; 5 – пробивной предохранитель

При защитном заземлении переход напряжения на открытые проводящие части сопровождается протеканием тока через заземляющее устройство и последовательно включённые сопротивления изоляции неповреждённых фазных проводов относительно земли (на рис. 4.2 и 4.3 участки, выделенные жирной линией).

В результате протекания тока напряжение сети перераспределяется между сопротивлениями защитного заземления и сопротивлениями изоляции неповреждённых фаз. Сопротивление защитного заземления выполняется достаточно малым по сравнению с сопротивлениями изоляции фазных проводов относительно земли. Величина сопротивления защитного заземления выбирается такой, чтобы падение напряжения на заземляющем устройстве не превышало допустимых значений. Таким образом, защитное заземление снижает напряжение открытых проводящих частей относительно земли, напряжение, приложенное к телу человека (напряжение прикосновения), следовательно, и ток через него до допустимых значений. Снижение напряжения достигается за счёт последовательного включения малого по величине сопротивления заземляющего устройства с высокими сопротивлениями изоляции фазных проводов относительно земли (рис. 4.2 и 4.3).

В электроустановках напряжением выше 1 кВ переменного и постоянного токов защитное заземление выполняется при любом режиме нейтрали или средней точки источника тока. В таких сетях для снижения напряжения шага и прикосновения предусматривается дополнительная мера защиты – выравнивание потенциалов при помощи защитных проводников, проложенных в земле, в полу или на их поверхности и присоединённых к заземляющему устройству.

Сопротивления заземляющих устройств нормируются «Правилами устройства электроустановок» [7]. Нормированные значения сопротивлений заземляющих устройств представлены в табл. 4.1.

При устройстве защитного заземления с целью экономии средств ПУЭ рекомендуют в первую очередь использовать естественный заземлитель – стороннюю проводящую часть, находящуюся в электрическом контакте с землёй непосредственно или через промежуточную проводящую среду, используемую для целей заземления (металлические и железобетонные конструкции зданий и сооружений, находящиеся в земле металлические трубы водопроводов, другие находящиеся в земле металлические конструкции, кроме трубопроводов горючих жидкостей, горючих или взрывоопасных газов и смесей, трубопроводов канализации и центрального отопления). При отсутствии естественных заземлителей используют искусственные заземлители.

 

Таблица 4.1

Нормированные значения сопротивлений заземляющих устройств в электроустановках напряжением до 1 кВ и выше

(извлечение из ПУЭ, 7-е издание)

Нормированное значение заземляющего устройства, Ом	Характеристика электроустановок
, не требуется принимать менее 4 Ом	Для всех электроустановок напряжением до 1 кВ и мощностью источника более 100 кВА
, не требуется принимать менее 10 Ом	Только для электроустановок напряжением до 1 кВ и мощностью источника до 100 кВА. При параллельной работе трансформаторов и генераторов – при суммарной их мощности не более 100 кВА
	Если заземляющее устройство является общим для электроустановок напряжением до 1 кВ и выше, при расчётном токе замыкания на землю А
	Если заземляющее устройство используется только для электроустановок напряжением свыше 1 кВ, при расчётном токе замыкания на землю А
	Для электроустановок напряжением выше 1 кВ и расчётном токе замыкания на землю А

 

Примечание. При удельном сопротивлении грунта Ом∙м указанные значения сопротивлений заземляющих устройств могут быть увеличены в 0,002 раз, но не более 10 раз.

 

Основным параметром, характеризующим заземляющее устройство, является сопротивление растеканию тока. Сопротивление растеканию тока складывается из сопротивления заземляющих проводников, заземлителей и земли. Сопротивление металлических проводников очень мало, поэтому основное сопротивление растеканию оказывает земля. При расчётах сопротивление земли условно относят к заземлителю.

Сопротивление растеканию искусственных заземлителей зависит от формы и геометрических размеров заземлителей, удельного сопротивления грунта и его состояния, глубины заложения и способа размещения заземлителей (в ряд или по контуру).

В качестве вертикальных заземлителей используются уголковая сталь или стальные трубы длиной 2,5…3 м. Расчёты показывают, что увеличение длины электродов сверх 3 м не даёт заметного уменьшения сопротивления растеканию. Заземлители длиной более 3 м выполняют из стальных стержней.

Сечение заземлителей выбирается с учетом механической прочности, термической устойчивости и условий работы в коррозийной среде.

Наименьшие размеры заземлителей и заземляющих проводников, проложенных в земле, представлены в табл. 4.2 [7].

 

Таблица 4.2

Наименьшие размеры заземлителей и заземляющих проводников, проложенных в земле (извлечение из ПУЭ, 7-е издание)

 

Материал	Профиль сечения	Диаметр, мм	Площадь поперечного сечения, мм^2	Толщина стенки, мм
Сталь чёрная	Круглый: для вертикальных заземлителей для горизонтальных заземлителей прямоугольный угловой трубный	– –	– – –	– – 3,5
Сталь оцинко–ванная	Круглый: для вертикальных заземлителей для горизонтальных заземлителей прямоугольный трубный	–	– – –	– –

 

Заземлители могут располагаться в ряд и по контуру. При размещении заземлителей по контуру обеспечивается лучшее выравнивание потенциалов, но в этом случае будет иметь место большее взаимное экранирование заземлителей.

Заземлители могут располагаться у поверхности земли или на некоторой глубине. Обычно это глубина промерзания грунта. Для стационарных заземляющих устройств предпочтительнее закладывать заземлители на глубине 0,5…0,8 м (рис. 4.4), что исключает резкие колебания удельного сопротивления грунта в месте расположения заземлителей при его промерзании или высыхании.

 

 

Рис. 4.4. Расчетная схема заземляющего устройства:

d – диаметр заземлителя (эквивалентный диаметр при уголковой стали);

l – длина заземлителя; a – расстояние между заземлителями; h – глубина заложения заземлителя; t – расстояние от поверхности земли до середины заземлителя

 

Сопротивление растеканию одиночного вертикального заземлителя, расположенного на некоторой глубине в однородном грунте, определяется по формуле

, (4.1)

где – сопротивление растеканию тока вертикального заземлителя, Ом;

l – длина заземлителя, м;

d – диаметр заземлителя, м;

t – расстояние от поверхности земли до середины заземлителя, м;

– расчётное удельное сопротивление грунта, Ом·м;

, (4.2)

где – измеренное удельное сопротивление грунта, Ом·м (табл. 4.3) [5];

– коэффициент сезонности для вертикальных заземлителей, учитывающий увеличение удельного сопротивления грунта при его промерзании или высыхании (табл. 4.4) [5].

Таблица 4.3

Приближённые значения удельных сопротивлений

грунтов и воды , Ом·м

 

Наименование грунтов	Пределы колебаний изм, ,Ом·м	изм,,Ом·м,рекомендуемые для предварительных расчётов
Глина Суглинок Торф Чернозём Садовая земля Песок Супесок Речная вода Морская вода Известняк пористый Гравий, щебень	8–70 40–150 10–30 10–50 30–60 400–700 150–400 10–80 0,2–1 150–200 4000–7000

 

Для заземлителей из уголковой стали в формулу (4.1) подставляют эквивалентный диаметр уголка:

, (4.3)

где с – ширина полки уголка, м;

d_экв – эквивалентный диаметр уголка, м.

Таблица 4.4

Признаки климатических зон и приближённые значения коэффициента

 

Данные, характеризующие климатические зоны и тип применяемых контрольных электродов	Климатические зоны
1-я	2-я	3-я	4-я
1 Климатические признаки зон: – средняя многолетняя низшая температура (январь), : – средняя многолетняя высшая температура (июль), : – среднегодовое количество осадков, см: – продолжительность замерзания вод, дней 2 Значения коэффициентов, : – – при применении стержневых электродов длиной 2…3 м и глубине заложения их вершины 0,5…0,8 м – - при применении протяжных электродов и глубине заложения 0,8 м	От – 20 до – 15   От + 16 до + 18   ~ 40   190–170     1,8–2     4,5–7,0	От – 14 до – 10     От + 18 до + 22   ~ 50     ~ 150     1,5–1,8     3,5–4,5	От – 10 до 0   От + 22 до + 24   ~ 50   ~ 100     1,4–1,6     2,0–2,5	От 0 до + 5     От + 24 до + 26     30-50         1,2–1,4     1,5–2,0

Примечание. Примерное распределение регионов по климатическим зонам:

1–я зона – Архангельская, Кировская, Омская, Новосибирская области, Урал;

2–я зона – Ленинградская, Вологодская области, центральные районы России;

3–я зона – Новгородская, Смоленская, Брянская, Курская, Ростовская области;

4–я зона – Краснодарский и Ставропольские края, Астраханская область [5].

 

Расчёты показывают, что сопротивление растеканию одного вертикального заземлителя значительно превышает допустимое значение.

Необходимое число заземлителей определяется по формуле

, (4.4)

где n – необходимое число вертикальных заземлителей, ед.;

– допустимое сопротивление заземляющего устройства, Ом

(см. табл 4.1);

– коэффициент использования вертикальных заземлителей, учитывающий взаимное экранирование (табл. 4.5 и 4.6) [5].

Таблица 4.5

Коэффициенты использования заземлителей из труб

или уголков, размещённых в ряд без учёта влияния полосы связи

 

Отношение расстояния между трубами (уголками) к их длине	Число труб (уголков)	Значение

Окончание табл. 4.5

		0,84–0,87 0,76–0,80 0,67–0,72 0,56–0,62 0,51–0,56 0,47–0,50
		0,90–0,92 0,85–0,88 0,79–0,83 0,72–0,77 0,66–0,73 0,65–0,70
		0,93–0,95 0,90–0,92 0,85–0,88 0,79–0,83 0,76–0,80 0,74–0,79

 

Таблица 4.6

Коэффициенты использования заземлителей из труб

или уголков, размещённых по контуру без учёта влияния полосы связи

 

Отношение расстояния между трубами (уголками) к их длине	Число труб (уголков) n	Значение
		0,66–0,72 0,58–0,65 0,52–0,58 0,44–0,50 0,38–0,44 0,36–0,42 0,33–0,39
		0,75–0,80 0,71–0,75 0,66–0,71 0,61–0,66 0,55–0,61 0,52–0,58 0,49–0,55
		0,84–0,80 0,78–0,82 0,74–0,78 0,68–0,73 0,64–0,69 0,62–0,67 0,59–0,65

 

Сопротивление растеканию горизонтального полосового заземлителя R_n определяется по формуле

, (4.5)

где L – длина полосы, м;

– ширина полосы (если заземлитель круглый, то , где d – диаметр прутка), м;

h – глубина заложения заземлителя, м;

– расчётное удельное сопротивление грунта, Ом·м.

, (4.6)

где – коэффициент сезонности для горизонтальных заземлителей (см. табл. 4.4).

Длина полосы определяется в зависимости от способа размещения заземлителей:

при размещении заземлителей в ряд по формуле

, (4.7)

при размещении заземлителей по контуру по формуле

, (4.8)

где − расстояние между заземлителями, м.

Сопротивление заземляющего устройства R_cл с учётом сопротивлений растеканию вертикальных заземлителей и соединительных полос определяется по формуле

, (4.9)

где − коэффициент использования соединительной горизонтальной полосы (табл. 4.7 и 4.8) [5].

 

Таблица 4.7

Коэффициенты использования соединительной полосы

в ряду из труб или уголков

 

Отношение расстояния между трубами (уголками) к их длине,	Число труб (уголков) в ряду, n
	0,77   0,89   0,92	0,74   0,86   0,90	0,67   0,79   0,85	0,62   0,75   0,82	0,42   0,56   0,68	0,31   0,46   0,58	0,21   0,36   0,49	0,20   0,34   0,47

 

Таблица 4.8

Коэффициенты использования соединительной полосы

в контуре из труб или уголков

 

Отношение расстояния между заземлителями к длине трубы	Число труб (уголков) в контуре заземления, n
	0,45   0,55   0,70	0,40   0,48   0,64	0,36   0,43   0,60	0,34   0,40   0,60	0,27   0,32   0,45	0,24   0,30   0,41	0,21   0,28   0,37	0,20   0,26   0,35	0,19   0,24   0,33

 

Выше приведённая методика расчёта приемлема для расчёта заземляющих устройств любого назначения.

 

 

Исходные данные для расчёта заземляющего устройства

1 Характеристика электроустановки для определения допустимого значения заземляющего устройства.

2 Размеры вертикальных и горизонтальных заземлителей.

3 Наименование грунта и климатическая зона.

4 Способ размещения заземлителей (в ряд или по контуру).