ИНЕРЦИОННЫЙ ВКЛЮЧАТЕЛЬ
INERTIAL SWITCH

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к устройствам для коммутации электрических цепей с пропусканием больших токов в системах автономных технических объектов, движущихся на начальном участке со значительным импульсным ускорением под действием сил от различного рода разгонных устройств.
В настоящее время известны самые различные конструкции инерционных включателей, однако все они, обладая определенными недостатками, не выполняют в полной мере поставленной изобретением задачи.
Известен инерционный включатель, под названием «Механизм запуска» [патент РФ №2328698, МПК F42C 1/04, опубликовано 10.07.2008 г. ], содержащий корпус, в котором установлен подпружиненный ударник с канавкой и возможностью осевого перемещения, подпружиненную инерционную гильзу с возможностью осевого перемещения, и шарики, контактирующие с канавкой ударника.
В данном устройстве корпус выполнен с соосными отверстиями и направляющим штырем на его наружной цилиндрической поверхности, ось которого перпендикулярна оси гильзы. Канавка ударника выполнена в виде двух участков, один из которых имеет угол наклона к вертикальной оси. Инерционная цилиндрическая гильза охватывает корпус и выполнена с соосными пазами на ее торцевой части и с Z-образным сквозным пазом на ее цилиндрической поверхности. Шарики контактируют с осевыми отверстиями корпуса и внутренней цилиндрической поверхностью инерционной цилиндрической гильзы, Z-образный сквозной паз инерционной цилиндрической гильзы контактирует с направляющим штырем, а соосные пазы на торцевой части инерционной цилиндрической гильзы контактируют с шариками в ее крайнем положении.
Недостатком известного технического решения является малая надежность - возможность взведения при падении в составе объекта использования па песчаный или глинистый грунт.
Известен инерционный включатель, под названием «Механизм пусковой» [патент РФ №2244249, МПК F42C 15/24, опубликовано 10.01.2005 г. ], содержащий полый цилиндрический корпус, в верхней части которого размещен первый инерционный груз, первая группа шариков, первая цилиндрическая пружина сжатия и ударник.
Данное устройство снабжено второй группой шариков, вторым инерционным грузом, выполненным в виде гильзы, охватывающей с зазором верхнюю часть корпуса, второй цилиндрической пружиной сжатия, охватывающей корпус и установленной между нижним основанием корпуса и гильзой, а первый инерционный груз выполнен в виде первой цилиндрической втулки, соосно и с зазором установленной в верхней полости корпуса, внутренняя поверхность первой втулки выполнена ступенчатой, причем больший внутренний диаметр первой втулки выполнен со стороны верхнего ее торца. Каждый из второй группы шариков большей своей частью расположен в сквозном отверстии, выполненном в боковой стенке корпуса, а меньшей частью расположен в первой кольцевой канавке, выполненной на внешней поверхности первой втулки, причем шарики второй группы контактируют с внутренней поверхностью нижней части гильзы, в верхней части которой выполнена вторая кольцевая канавка, на нижнем основании корпуса соосно закреплен направляющий стержень, а ударник выполнен в виде второй втулки, свободно надетой на направляющий стержень, и с зазором установленной внутри первой втулки, при этом в верхней части второй втулки выполнен фланец, опирающийся на ступеньку на внутренней поверхности первой втулки, в верхней части первой втулки выполнены сквозные отверстия, в каждом из которых расположен большей своей частью соответствующий шарик из первой группы шариков, контактирующий с внутренней поверхностью боковой стенки корпуса, внижней части которой выполнены сквозные отверстия, соответствующие размерам первой группы шариков, меньшая, выступающая часть каждого шарика первой группы снизу контактирует с фланцем второй втулки, с возможностью предотвращения ее перемещения вверх, а боковой стенке корпуса выполнен направляющий паз, в котором размещен штифт, закрепленный в стенке первой втулки, первая цилиндрическая пружина сжатия надета на направляющий стержень между нижним основанием корпуса и нижним торцом второй втулки, боек и капсюль-воспламенитель установлены над ударником в верхней части корпуса.
Недостатком известного технического решения является также возможность несанкционированного взведения при падении в составе объекта использования, например на песчаный или глинистый грунт.
Известен инерционный включатель под названием «Инерционный замыкатель» [Конструкция средств поражения, боеприпасов, взрывателей и систем управления средствами поражения (Конструкция и функционирования ПТУР)/ Партала С.В., Алчинов М.И., Бурлов В.В., Михайлец С.В.. Моисеев А.Г., Анфалова М.И.; Учебное пособие. Пенза: АИИ, 2004 г., с. 194, рис. 7.13], содержащий установленный в корпусе шток с инерционным грузом, поджатый пружиной, перемещение которого блокирует шарик, взаимодействующий с конической поверхностью штока. На штоке закреплен изолятор, на который опираются контакты.
Недостатком данного технического решения - также возможность взведения при падении в составе объекта исследования, например на песчаный или глинистый грунт, кроме того его контактная система нe рассчитана на пропускание больших токов, что ограничивает области применения известного технического решения. Известный инерционный замыкатель срабатывает на переднем фронте действующего импульса ускорения.
Этот известный инерционный замыкатель рассматривается в качестве прототипа.
Задача, на решение которой направлено изобретение - создание надежного и безопасного малогабаритного инерционного включателя, работоспособного при воздействии высокоинтенсивных ускорений в составе объекта использования с коммутацией электрической цепи, предназначенной для пропускания больших токов.
Технический результат, получаемый при использовании изобретения - расширение области применения путем повышения безопасности и обеспечения работоспособности малогабаритного инерционного включателя при действии импульсных высокоинтенсивных ускорений в составе объекта использования с замыканием контакта, обеспечивающего пропускание значимых токов.
Указанный технический результат достигается тем, что в инерционном включателе, содержащем корпус, в котором установлен подпружиненный стопор, взаимодействующий конической поверхностью с удерживающим его шариком, коммутируемые проводящей поверхностью стопора контакты, согласно изобретению корпус выполнен в виде направляющей втулки, внутри которой соосно размешен основной стопор, а дополнительный стопор в виде охватывающей втулки установлен снаружи, при этом шарик, взаимодействующий с конической поверхностью основного стопора, установлен в выполненном в стенке корпуса наклонном отверстии, угол наклона которого к продольной оси корпуса меньше угла конической поверхности основного стопора, взаимодействующей с шариком, причем с торца основного стопора, выполненного с двумя зонами опорной поверхности на внешнем диметре, нижняя из которых выполнена сферической, закреплен изолятор с электропроводящим кольцом, взаимодействующим, при перемещении основного стопора пружиной до выхода верхней зоны опорной поверхности из отверстия корпуса, с закрепленными на токовыводах неподвижными контактами, армированными в изоляционной колодке за одно целое и разделяемыми друг от друга после армирования, при этом взаимодействующая контактирующая поверхностьнеподвижных контактов выполнена конической с углом конуса ф=arcsin 1/k, где k - требуемое повышение суммарного усилия контактирования над усилием пружины основного стопора, а кольца - сферической с диаметром сферы меньшим диаметра окружности нижнего основания, но большим диаметра окружности верхнего основания конуса контактирующей поверхности неподвижных контактов.
Также в инерционном включателе основной стопор выполнен составным с внутренним резьбовым штоком.
Введение в конструкцию инерционного включателя корпуса, выполненного в виде направляющей втулки, внутри которой соосно размещен основной стопор, а дополнительный стопор в виде охватывающей втулки установлен снаружи, а также выполнение основного стопора с двумя зонами опорной поверхности на внешнем диметре, нижняя из которых выполнена сферической, с закреплением на торце основного стопора изолятора с электропроводящим кольцом, взаимодействующим при перемещении основного стопора пружиной до выхода верхней зоны опорной поверхности из отверстия корпуса с закрепленными на токовыводах неподвижными контактами, армированными в изоляционной колодке за одно целое и разделяемыми друг от друга после армирования, с выполнением взаимодействующей контактирующей поверхности неподвижных контактов конической с углом конуса ф=arcsin 1/k, где k - требуемое превышение суммарного усилия контактирования над усилием пружины основного стопора, а кольца - сферической с диаметром сферы меньшим диаметра окружности нижнего (большего) основания, но большим диаметра окружности верхнего (меньшего) основания конуса контактирующей поверхности неподвижных контактов, обеспечивает «абсолютную» взаимную соосность контактирующих поверхностей неподвижных контактов, а также самоустановку взаимодействующего с ними кольца. После выхода верхней зоны опорной поверхности основного стопора из отверстия корпуса основной стопор, взаимодействующий с поверхностью отверстия в корпусе уже только по нижней сферической зоне, имеет возможность отклоняться на требуемый угол относительно центра сферы, обеспечивая надежное взаимодействие сферической поверхности кольца с контактирующими рабочими коническими поверхностями неподвижных контактов в требуемой зоне и на всей их угловой длине.
Выполнение взаимодействующей контактирующей поверхности неподвижных контактов конической с определенным углом конуса, а контактирующей поверхности кольца - сферической также позволяет (для уменьшения переходного электрического сопротивления между контактирующими поверхностями) увеличить суммарное усилие поджатия кольца к неподвижным контактам по взаимодействующим поверхностям в несколько раз по отношению к усилию пружины основного стопора.
Выполнение в инерционном включателе корпуса в виде направляющей втулки, внутри которой соосно размещен основной стопор, а дополнительного стопора в виде снаружи охватывающей втулки позволяет обеспечить более оптимальную (пологую) силовую характеристику пружины дополнительного стопора при меньшей ее высоте, что в свою очередь позволяет уменьшить общую высоту инерционного включателя для обеспечения его «малогабаритности».
Размещение шарика, взаимодействующиго с конической поверхностью основного стопора, в выполненном в стенке корпуса наклонном отверстии, угол наклона которого к продольной оси корпуса меньше угла конической поверхности основного стопора, взаимодействующей с шариком, исключает срабатывание, то есть повышает безопасность инерционного включателя при аварийных падениях в составе объекта применения.
Выполнение в инерционном включателе основного стопора составным с внутренним резьбовым штоком обеспечивает при сборке технологичную регулировку хода основного стопора, величина которого во многом определяет безопасную высоту аварийного падения и работоспособность, а следовательно, безопасность и надежность инерционного включателя в составе объекта применения.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки, которые содержит отличительная часть формулы изобретения не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Изобретение иллюстрируется чертежами:
На фиг. 1 приведен продольный разрез инерционного включателя в исходном состоянии.
На фиг. 2 - продольный разрез инерционного включателя в сработанном состоянии.
На фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1, неподвижные контакты после армирования до их разделения.
На фиг. 4 - разрез А-А на фиг. 1, неподвижные контакты после их разделения.
На фиг. 5 - взаимодействие контактирующих поверхностей неподвижных контактов и кольца.
а
Инерционный включатель содержит корпус 1 в виде втулки, в центральное отверстие 2 которой установлен основной стопор 3, поджатый пружиной 4 и заблокированный шариком 5, размещенным в наклонном отверстии 6 корпуса - втулки 1. На внешнем диаметре основной стопор 3 имеет две зоны сопряжения 7 и 8 с цилиндрической поверхностью отверстия 2. Зона сопряжения 7 выполнена сферической. Угол наклона отверстия 6 к продольной оси корпуса 1 меньше угла конической поверхности 9 основного стопора 3 на величину  (например, на 10°). Снаружи на корпусе - втулке 1 установлен дополнительный стопор 10, поджатый пружиной 11.
В основной стопор 3 ввернут шток 12, на котором также закреплен изолятор 13 с токопроводящем кольцом 14. Предложенный способ закрепления изолятора упрощает выполнение кольца 14 с гальваническим, например, серебряным покрытием для уменьшения переходного сопротивления в замкнутом контакте.
Корпус - втулка 1 установлен во внешний кожух 15 и поджат колодкой 16 из пресс материала, в которой армированы токовыводы 17 с неподвижными контактами 18. Неподвижные контакты армируются в колодку 16 как одно целое в виде предварительной заготовки (фиг. 3) и только после армирования электрически разделяются резанием (фиг. 4), то есть с сохранением «абсолютной» взаимной соосности их контактирующих рабочих поверхностей 19.
сф
о
в
Контактирующая рабочая поверхность 19, неподвижных контактов 18 выполнена конической с малым углом ф конуса, контактирующая сферическая поверхность 20 кольца 14 - сферической с диаметром сферы D, меньшим диаметра окружности нижнего (большего) основания D, но большим диаметра окружности верхнего (меньшего) основания конуса Dконтактирующей поверхности неподвижных контактов. Данное требование к диаметру сферы обеспечивает гарантированное взаимодействие сферической поверхности 20 с конической поверхностью 19 (обеспечивает нахождение точек, точнее линии контактирования в зоне конической поверхности). Взаимодействие поверхностей 19, 20 показано на фиг. 5.
Для обеспечения пропускания значительных токов (до десятков Λ) неподвижные контакты 18, кольцо 14 и токовыводы 17 выполнены из медных сплавов, а контактирующие поверхности 19 и 20 неподвижных контактов 18 и кольца 14 соответственно имеют серебряное или двухслойное серебряно-палладиевое гальваническое покрытие.
Малый угол ф конуса контактирующей поверхности 19 обеспечивает увеличенное суммарное усилие контактирования. Например, при угле конуса ф равном 10" суммарное усилие контактирования более чем в 5,7 раз превышает усилие пружины 4 основного стопора 3.
Выход зоны сопряжения 8 основного стопора 3 из отверстия втулки обеспечивает самоустановку кольца 14 относительно неподвижных контактов 18, точнее взаимную самоустановку сферической контактирующей рабочей поверхности 20 кольца 14 относительно конической поверхности 19 неподвижных контактов 18. Протяженность зоны сопряжения 8 основного стопора 3 должна обеспечивать ее гарантированный выход из отверстия 2 втулки 1 при перемещении его пружиной 4. Протяженность зоны сопряжения 7 основного стопора 3, выполненной сферической, должна обеспечивать гарантированный контакт шарика 5 с конической поверхностью 9 основного стопора 3 в исходном состоянии инерционного включателя. Сферическая поверхность зоны сопряжения 7 основного стопора 3 обеспечивает его наклон относительно центра сферы для компенсации практически любой взаимной исходной несоосности взаимодействующих поверхностей - сферической контактирующей рабочей поверхности 20 кольца 14 относительно конической поверхности 19 неподвижных контактов 18 при срабатывании инерционного включателя (при перемыкании неподвижных контактов 18 кольцом 14).
Инерционный включатель работает следующим образом.
При действии в направлении срабатывания 21 высокоинтенсивного ускорения достаточной длительности основной стопор 3 и дополнительный стопор 10, сжимая пружины 4 и 11 соответственно, перемешаются до упора в противоположном направлении, освобождая шарик 5, который выкатывается из наклонного отверстия 6 корпуса - втулки 1. При дальнейшем спаде ускорения основной стопор 3, уже не удерживаемый шариком 5, отжимается пружиной 4, обеспечивая в конце хода взаимодействие рабочий контактирующих поверхностей 19 неподвижных контактов 18 и кольца 14. Дополнительный стопор 10 с шариком 5 также отжимаются пружиной 11 в положение, уже препятствующее перемещению основного стопора 3 (фиг. 3).
То есть для срабатывания длительность действия ускорения должна превышать суммарное время, необходимое для перемещения дополнительного стопора 10 и выкатывания шарика 5 из наклонного отверстия 6 корпуса - втулки 1.
а
Если длительность действия ускорения недостаточна - инерционный включатель не сработает, так как основной стопор 3 переместится до упора на величину h и возвратится пружиной 4 обратно, снова заблокировав шарик 5 в наклонном отверстии 6, в то время как дополнительный стопор 10 еще будет перемещаться в пределах своего хода /. После чего и он также возвратится в исходное положение пружиной 11. Блокировка шарика 5 в наклонном отверстии 6 корпуса - втулки 1 обеспечивается соотношением величин угла наклона отверстия 6 и угла конической поверхности 9 основного стопора 3, взаимодействующей с шариком 5. Разность углов на величину  (фиг. 1) собственно и обеспечивает указанную блокировку шарика 5, что повышает безопасность инерционного включателя при аварийных падениях в составе объекта применения.
При малых ускорениях основной 3 и дополнительный 10 стопоры либо не будут перемещаться, либо переместятся незначительно, не вызывая разблокировки шарика 5.
Регулировка хода h основного стопора 3 производится его резьбовым штоком 12. Величина хода h должна настраиваться минимальной, но достаточной для обеспечения разблокирования шарика 5 и его беспрепятственного выталкивания из наклонного отверстия 6 корпуса - втулки 1 инерционной силой при действии ускорения в направлении срабатывания 21.
При необходимости регулировка уставочного значения ускорения срабатывания инерционного включателя осуществляется подбором или электрохимической полировкой пружин 4, 11.
Заявляемое техническое решение построения контактной системы инерционного включателя в целом позволяет выполнить также два замыкающих контакта, для этого после армирования неподвижных контактов 18 за одно целое в составе предварительной заготовки потребуется их разделение резаньем на четыре части, а кольца 14 - на две части. В этом случае потребуется исключение разворота кольца 14, например, за счет направляющих выступов в его изоляторе 13 и пазов в колодке 16 (на фиг. не показаны).
Применение заявленного инерционного включателя позволит обеспечить его работоспособность при действии высокоинтенсивных ускорений с коммутацией электрической цепи, предназначенной для пропускания больших токов, а также сохранение исходного состояния контактов при аварийных падениях в составе объекта использования, то есть значительно расширит возможный области его применения.
Таким образом, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- заявляемый инерционный включатель предназначен для коммутации электрических цепей с пропусканием больших токов в системах автономных технических объектов;
- для заявляемого инерционного включателя в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов;
- заявляемый инерционный включатель при его использовании способен обеспечить надежную работу при воздействии импульсных высокоитенсивных ускорений при движении в составе объекта использования с замыканием контакта, обеспечивающего пропускание больших токов, а также безопасность - сохранение исходного состояния контактов при аварийных падениях в составе объекта использования, то есть значительно расширить возможные области его применения.
Следовательно, заявляемый инерционный включатель соответствует условию «промышленная применимость».