CC BY
17
деформации изгиба внешнего торца заглушек 6 на трубопроводах 5 при перемещении поршня 3. Проточка 11 обеспечивает наибольший момент изгиба в зоне соединения заглушек и трубопроводов при взаимодействии с поршнем (из-за наибольшего плеча приложения усилия), то есть повышает надежность вскрытия трубопровода при его разгерметизации. При этом сварной шов не выступает за внешний диаметр трубопровода 5, то есть не препятствует установке трубопроводов 5 в посадочные отверстия корпуса 1.
Минимальная глубина проточки 11 может составлять, например 0,2 мм.
Клапан пиротехнический работает следующим образом.
При задействовании пиротехнического привода 2 созданным давлением газов поршень 3 перемещается и взаимодействует с заглушками 6, создавая в зоне сварки напряжения изгиба, приводящие к разрушению сварного шва практически без текучести материала сваренных деталей (трубопроводов и за-
глушек), то есть без уменьшения проходного сечения трубопровода 5. Через кольцевую канавку 8 на поршне 3 трубопроводы 5 сообщаются. Площадь сечения кольцевой канавки 8 не вносит значительного сопротивления потоку рабочего тела в магистрали (газа или жидкости), то есть способствует уменьшению времени сброса давления. Кольцевая канавка 8 также исключает влияние возможного разворота поршня 3 на пропускную способность сработавшего клапана.
Клапан может обеспечивать выравнивание давления в двух объемах и при этом исключать сброс давления (зачастую токсичных компонентов топлива) во внешнюю среду. При срабатывании клапана пиротехнического трубопроводы 5 сообщаются через кольцевую канавку 8, выполненную на поршне 3. При этом конструкция поршня 3 (расположение кольцевой канавки 8) исключает попадание элементов срезанных заглушек 6 в каналы давления без каких-либо дополнительных конструктивных элементов клапана. Фотография варианта исполнения
опытного образца клапана приведена на рис. 3.
Рисунок 3
Таким образом, при разработке клапана пиро- зовании в топливных магистралях двигателей ра-технического успешно решены все поставленные ОКР кетно-космической техники обеспечит требуемую задачи. Клапан пиротехнический при его исполь- повышенную герметичность и надежность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Китаев В.Н., Китаева Е.Н. Обеспечение надежности электромеханических приборов на стадии конструирования. Надежность и качество - 2012: в 2 т. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2012. - 1 т. - 508 с. С.
63-65.
2. Китаев В.Н., Карих В.С., Иконникова Н.А. О необходимости совершенствования конструкций электромеханических приборов на ранних стадиях их разработки. Надежность и качество - 2012: в 2 т. -Пенза: Изд-во ПГУ, 2012. - 2 т. - 510 с. С. 205-207.
УДК 621.397
Китаев В.Н., Китаева Е.Н.
ФГУП «РФЯЦ-ВНИИТФ им. академика Е.И. Забабахина», Снежинск, Россия
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ ПОЛЯРИЗОВАННЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ
В системах автоматики взрывоопасных технических объектов, подвергаемых ударным и вибрационным внешним воздействиям, для коммутации электрических цепей широко используются электромагнитные поляризованные реле и переключатели. Промышленностью выпускается значительная номенклатура подобных коммутирующих устройств, однако не все они могут быть применены в вышеуказанных объектах, в которых обычно имеются ограничения по массе и размерам используемых приборов и систем. Также зачастую от коммутирующих приборов требуется работа в сильноточных электрических цепях с предъявлением требований по сохранению
исходного и сработанного состояний с высокой вероятностью, а также надежностью работы, при жестких ударных и вибрационных воздействиях.
Задача, решение которой ставилось в проводимой предприятием ОКР - создание малогабаритного электромагнитного поляризованного переключателя, обеспечивающего его применение в слабо и сильноточных электрических цепях и сохраняющего свои исходное и сработанное состояния при значительных ударных и вибрационных воздействиях. Проведенный анализ показал, что указанная задача могла быть решена при обеспечении конструкцией
переключателя при ограниченном энергопотреблении:
- требуемого момента удержания поворотного якоря;
- требуемого движущего момента, создаваемого поворотным якорем;
- требуемого угла поворота якоря.
В ходе выполнения ОКР проведенный патентно-технический поиск не позволил выявить известные технические решения электромагнитных поляризованных переключателей и реле, позволяющие решить поставленные ОКР задачи. Для обеспечения предъявленных техническим заданием к объекту разработки требований потребовалось создание новых технических решений, как его составных частей, так всего объекта.
Были разработаны и в последствии защищены патентами РФ конструкции электромагнитных поляризованных переключателей [1-4], а также конструкция малогабаритной ударо и вибростойкой контактной системы, обеспечивающей коммутацию слаботочных и сильноточных электрических цепей [5]. Пути решения конструкторских задач при создании электромеханического поляризованного переключателя представлены в ранее опубликованных статьях [68] . В ходе выполнения ОКР были выбраны технические решения переключателя [3, 4] для использования в конструкторской документации. По результатам испытаний лабораторных образцов для дальнейшей разработки принята конструкция с техническим решением [3] , обеспечивающая оптимальное сочетание требуемых характеристик переключателя.
Требуемый технический результат при выполнении ОКР достигнут тем, что в электромагнитном поляризованном переключателе, содержащем кожух, внутри которого расположены взаимодействующие магнитная и контактная системы, магнитная система содержит симметрично размещенные магнито-проводы, на каждом торце которых установлены постоянные магниты из магнитотвердого материала с высокой коэрцитивной силой, внешние полюса которых соединены дополнительными магнитопрово-дами, при этом на основных магнитопроводах выполнены внутренние цилиндрические поверхности для установки поворотного якоря с зазором по его внешней цилиндрической поверхности, угловая ширина которой превышает угловую ширину внутренней цилиндрической поверхности основных магнитопро-водов, причем якорь снабжен торцевыми выступами, взаимодействующими с пружинами кручения, оснащенными ограничителями их поворота при начале поворота якоря на угле менее половины его полного угла поворота, а контактная система содержит токовыводы с установленными дополнительными парами встречно поджатых упругих контактов, причем упругие контакты на одном токовыводе имеют разные не кратные друг другу собственные частоты.
Установка на каждом торце симметрично размещенных магнитопроводов электромагнитного поляризованного переключателя постоянных магнитов из магнитотвердого материала с высокой коэрцитивной силой, соединение внешних полюсов магнитов дополнительными магнитопроводами и выполнение на основных магнитопроводах внутренних цилиндрических поверхностей, обеспечивающих установку поворотного якоря с зазором по его внешней цилиндрической поверхности, угловая ширина которой превышает угловую ширину внутренней цилиндрической поверхности основных магнитопроводов, позволяют увеличить создаваемый момент поворота якоря и угол поворота при малых габаритах переключателя. А увеличение угла и создаваемого момента поворота якоря позволяет использовать контактную систему с большем количеством контактов и обеспечить увеличенные контактные зазоры, что расширяет области применения электромагнитного поляризованного переключателя и снижает вероятность самопроизвольного изменения состояния контактов при высокоинтенсивных вибрационных и ударных воздействиях.
Введение в конструкцию электромагнитного поляризованного переключателя пружин кручения с ограничителями их поворота, взаимодействующими с торцевыми выступами якоря, при начале поворота якоря на угле менее половины его полного угла поворота, позволяет, наряду с увеличением суммарного движущего момента на начальных углах поворота и повышения быстродействия переключателя, обеспечить более точную и технологичную регулировку по обеспечению момента действия пружины на якорь на определенном регулируемом начальном угле его поворота, обеспечивая требуемый начальный движущий момент на якоре и напряжение срабатывания.
Установка на токовыводах дополнительной пары встречно поджатых упругих контактов, имеющих разные (не кратные основным упругим контактам) собственные частоты позволяет уменьшить вероятность кратковременных размыканий (дребезга) замкнутых контактов при значительных ударных и вибрационных воздействиях.
Совокупность всех приведенных признаков позволила создать малогабаритный электромагнитный поляризованный переключатель, обеспечивающий увеличенные углы и моменты поворота якоря и сохраняющий свои исходное и сработанное состояния при значительных ударных и вибрационных воздействиях, и расширить область применения.
Конструкция разработанного электромагнитного поляризованного переключателя иллюстрируется рис. 1-8:
- на рис. 1 показан продольный разрез электромагнитного поляризованного переключателя;
- на рис. 2 - конструкция магнитной системы;
- на рис. 3 -конструкция пружин и упоров в исходном состоянии электромагнитного поляризованного переключателя;
- на рис. 4 - конструкция пружин и упоров в сработанном состоянии электромагнитного поляризованного переключателя;
- на рис. 5 - конструкция вспомогательных контактов;
- на рис. 6 - конструкция основных контактов;
- на рис. 7 - взаимодействие якоря с полюсами магнитопроводов;
- на рис. 8 - конструкция спаренных контактов .
Электромагнитный поляризованный переключатель содержит кожух 1 из немагнитного металла, изолирующий внутренний объем переключателя. В кожухе 1 установлены взаимодействующие магнитная и контактная системы. Магнитная система состоит из двух симметрично расположенных магнитопрово-дов 2, на которых выполнено по две обмотки -рабочая 3 и отбойная 4. Магнитопроводы 2 выполнены из магнитомягкого сплава с высокой индукцией насыщения. Части рабочей 3 и отбойной 4 обмоток, размещенные на разных магнитопроводах 2, соединены попарно последовательно, при этом конец части обмотки на первом магнитопроводе 2 соединен с концом части обмотки на втором. На каждом торце магнитопроводов 2 закреплены постоянные высококоэрцитивные редкоземельные магниты 5, намагниченные вдоль короткой стороны и соединенные с внешней стороны с дополнительными маг-нитопроводами 6, обеспечивающими замкнутую магнитную цепь. Дополнительные магнитопровода 6 выполнены из магнитомягкого сплава с высокой индукцией насыщения (рис. 1, 2, 3).
К магнитопроводам 2 прикреплены платы 7 и 8, в центральных отверстиях которых на подшипниках 9 установлен симметричный якорь 10 с симметрично запрессованными штифтами 11 (выполняющими функции выступов), и обеспечивающими балансировку якоря 10. Платы 7 и 8 выполнены из немагнитного металла, а якорь 10 - из магнитомягкого сплава с высокой индукцией насыщения.
Контактная система состоит из перемыкателя 12, закрепленного на оси якоря 10, с токопрово-дящими ножами 13, которые переключают пары «врубных» контактов 14, закрепленных на токовы-водах 15 гайками 16.
I 23
Рисунок 1
6 \ 10
Рисунок 2
Рисунок 3
Рисунок 4
Рисунок 5
Рисунок 6
Рисунок 8
Основанием кожуха 1 является панель 17 с установленными через стеклоизоляторы 18 токовыводами 15 и 19. На токовыводах 19 закреплены упругие контакты 20, являющиеся контактами управления (самоотключения) рабочих 3 и отбойных 4 обмоток. Каждый упругий контакт 20 управляется (размыкается или замыкается) соответствующим толкателем 21, закрепленным на перемыкателе 12.
В плате 8 установлены втулки 22 с пружинами кручения 23, взаимодействующими с торцевыми выступами якоря 10, но только в начале поворота (на угле менее половины полного угла поворота), что обеспечивается ограничителями 24.
Панель 17 и плата 7 соединены втулкой 25 с окнами, обеспечивающими регулировку и настройку «врубных» 14 и упругих 2 0 контактов до установки кожуха 1 (рис. 5, 6).
Электромагнитный поляризованный переключатель работает следующим образом.
При отсутствии напряжения на рабочей 3 и отбойной 4 обмотках якорь 10 притянут к полюсам магнитопроводов 2, обеспечивая исходное или сработанное состояние электромагнитного поляризованного переключателя.
При подаче напряжения через упругие контакты 20 на последовательно соединенные части рабочей обмотки 3, в последних реализуются магнитные потоки, вызывающие подавление магнитных потоков соответствующих удерживающих постоянных магнитов 5 и усиление магнитных потоков других, симметрично расположенных относительно первых, постоянных магнитов 5 и как следствие - поворот против хода часовой стрелки (рис. 2) якоря 10 к противоположным полюсам магнитопроводов 2, в результате которого перемыкатель 12 переключает «врубные» контакты 14. При снятии напряжения с рабочей обмотки 3 за счет размыкания упругих контактов 20 электромагнитный поляризованный переключатель сохраняет свое переключенное состояние.
Аналогично, при подаче напряжения через другие упругие контакты 20 на последовательно соединенные части отбойной обмотки 4, в последних реализуются магнитные потоки, вызывающие подавление магнитных потоков соответствующих удерживающих постоянных магнитов 5 и усиление магнитных потоков других, симметрично расположенных относительно первых, постоянных магнитов 5 и как следствие - поворот уже по ходу часовой стрелки якоря 10 к противоположным полюсам магнитопро-водов 2, в результате которого перемыкатель 12 переключает «врубные» контакты 14 в исходное состояние. При снятии напряжения с отбойной обмотки 4 за счет размыкания упругих контактов 20 электромагнитный поляризованный переключатель также сохраняет это состояние.
В электромагнитном поляризованном переключателе поворотный якорь 10 взаимодействует с полюсами магнитопроводов 2 по значительной площади через цилиндрический зазор и дополнительно (в основном на конечных углах поворота) через угловой зазор, при этом внешняя цилиндрическая поверхность якоря 10 выполнена с угловой шириной а, превышающей угловую ширину в внутренней цилиндрической поверхности магнитопроводов 2, например примерно на величину углового зазора с между этими магнитопроводами (рис. 7).
Применение постоянных магнитов 5 из магни-тотвердого материала с высокой коэрцитивной силой (например, из редкоземельных материалов), наряду с вышеотмеченной особенностью магнитной системы, позволяет обеспечить требуемые параметры магнитной системы по углу поворота и создаваемому движущему моменту.
Соединение полюсов магнитов 5 дополнительными магнитопроводами 6 позволяет обеспечить максимальные энергетические параметры магнитов, которые реализуются при небольших толщинах подобных магнитов.
Увеличение угла и создаваемого момента поворота якоря 10 позволяет использовать контактную
систему с большим количеством контактов 14 и обеспечить увеличенные контактные зазоры, что расширяет области применения электромагнитного поляризованного переключателя и снижает вероятность самопроизвольного изменения состояния контактов при высокоинтенсивных вибрационных и ударных воздействиях. Кроме того, увеличенный угол поворота якоря 10 позволяет размыкать упругие контакты 20, через которые подается напряжение на рабочие 3 или отбойные 4 обмотки, на конечном участке угла поворота якоря 10, то есть увеличивается создаваемый момент на якоре 10 не только при начале его порота, но и на последующей большей части угла поворота.
Введение в конструкцию электромагнитного поляризованного переключателя пружин кручения 23 с ограничителями их поворота 24, взаимодействующими с торцевыми выстцпами якоря 10, при начале поворота якоря 10 на угле менее половины его полного угла поворота, позволяет (наряду с повышением суммарного движущего момента и быстродействия переключателя) обеспечить более технологичную и точную регулировку по обеспечению воздействия пружины 23 на якорь 10 только на определенном начальном угле его поворота и по величине момента пружины 23, обеспечивая требуемый начальный движущий момент на якоре и напряжение срабатывания переключателя (рис. 3, 4).
Действие пружин кручения 23 на торцевые выступы якоря на угле менее половины его полного угла поворота исключает взаимное влияние соседних пружин кручения 23 друг на друга.
Установка на токовыводах 15 дополнительной пары встречно поджатых упругих контактов 14, имеющих разные (не кратные основным упругим контактам) собственные частоты позволяет уменьшить вероятность кратковременных размыканий (дребезга) замкнутых контактов при значительных ударных и вибрационных воздействиях (рис. 8).
По результатам испытаний, проведенных в ходе выполнения ОКР, электромагнитный поляризованный переключатель обеспечивает:
- момент удержания поворотного якоря не менее 240 гс-см;
- движущий момент, создаваемый поворотным якорем в начале поворота не менее 55 гс-см;
- угол поворота якоря не менее 250;
- диапазон токов в коммутируемых электрических цепях от 0,001 до 20 А, кратковременно до 50 А;
- потребляемый при изменении состояния ток не более 0,25 А.
Фотографии опытных образцов электромагнитного поляризованного переключателя приведены на рис. 9-11:
- на рис. 9 - переключатель с кожухом;
- на рис. 10 - переключатель без кожуха;
- на рис. 11 - конструкция пружин и упоров.
Увеличенный угол поворота якоря позволил разнести контакты относительно друг друга на достаточные расстояния, что в свою очередь повысило стойкость электромагнитного поляризованного переключателя к высокоинтенсивным ударным и вибрационным воздействиям.
Разработанный электромагнитный поляризованный переключатель технологичен в настройке магнитной системы для обеспечения требуемого начального движущего момента на якоре и напряжения переключения.
Рисунок 11
В электромагнитном поляризованном переключателе использованы «врубные» дублированные контакты с двухстороннем многоточечным контактированием, обеспечивающие коммутацию и пропускание, как малых, так и больших токов со стабильными электрическими параметрами в течение длительных сроков эксплуатации и исключающие дребезг замкнутых контактов при значительных ударных и вибрационных воздействиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Электромагнитный поляризованный переключатель. Патент РФ №2529642 от 23.01.2015, H01H 51/00,
публикация 27.09.2014.
2. Электромагнитный поляризованный переключатель. Патент РФ №2552524 от 09.07.2013, H01H 51/22, публикация 10.06.2015.
3. Электромагнитный поляризованный переключатель. Патент РФ №2599625 от 19.06.2015, H01H 51/22, публикация 10.10.2016.
4. Электромагнитный поляризованный переключатель. Патент РФ №2604205 от 12.10.2015, H01H 51/00, публикация 10.12.2016.
5. Контактная система. Патент РФ №2552349 от 18.03.2013, H01H1/42, публикация 10.06.2015.
6. Китаев В.Н. Оптимальные пути решения конструкторских задач на примере создания надежного электромеханического поляризованного переключателя. Труды Международного симпозиума «НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО»: в 2 т. - Пенза: ПГУ, 2015. 2 т. - 361 с., с. 113-116.
7. Китаев В.Н., Китаева Е.Н., Новоселова Н.В. Конструкция контакта для контактной системы электромеханического прибора, Надежность и качество -2013.: труды Международного симпозиума.: в 2 т./ под ред. Н.К. Юркова. - Пенза.: Изд-во ПГУ, 2013. - 2 т. - 418 с., с 131-132.
8. Китаев В.Н. Конструкция контактной системы электромеханического прибора. Труды Международного симпозиума «НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО»: в 2 т. - Пенза: ПГУ, 2015. 2 т. - 361 с., с. 110-111.
