РАЗМЫКАТЕЛЬ ДЛЯ ВОЗВРАЩАЕМЫХ ДОННЫХ СТАНЦИЙ

Полезная модель относится к океанографической технике, применяемой при рассоединении механической связи между донной станцией и якорем при необходимости ее возвращения на судно.
Известны дистанционно- или программно-управляемые размыкатели нагруженных механических связей, применяемые в практике океанографических исследований при работе с притопленными заякоренными станциями для их возвращения в нужный момент времени на поверхность океана, содержащие механический размыкатель, спусковой механизм, блоки излучения и приема кодированных сигналов дистанционного управления спусковым механизмом или, как вариант, таймер для управления спусковым механизмом, и электромагнитное реле, являющееся выходом блока приема сигналов или таймера, и соединенное с механическим размыкателем, спусковой механизм которого приводится в действие изолированными от воды и гидростатического давления элементами, а конечная ступень спускового механизма находится в водной среде под высоким гидростатическим давлением. Спусковой механизм приводится в действие движением штока, выходящего из термоконтейнера через систему уплотнения. Отсоединенная от якоря станция всплывает на поверхность и поднимается на судно. Устройства подобного назначения выпускаются фирмами InterOcean, Sonardyne, Subseasonics, ORE Offshore, Benthos и российскими производителями Санзар (Владивосток), ОКБ ОТ РАН (Москва) и др.
Известны размыкатели, не имеющие электромагнитного привода с механическим воздействием на спусковой механизм; в них удержание спускового механизма в закрытом состоянии обеспечивается проволокой, соединяющей детали спускового механизма в положении «заперто». И детали, и проволока расположены снаружи корпуса в морской воде, что позволяет использовать для разрушения проволоки и последующего срабатывания размыкателя эффект электрокоррозии, возникающий по подаче на проволоку электрического напряжения относительно корпуса прибора. Примером такого устройства являются размыкатели Acoustic Release Control System (ARC) компании Desert Star Systems, www.desertstar.com и других производителей. К недостаткам дистанционно- или программно-управляемых размыкателей указанных типов можно отнести то, что при продолжительном пребывании в морской среде они эпизодически не срабатывают при поступлении сигнала на размыкание. Такая нештатная ситуация чревата потерей дорогостоящего оборудования и полученной с его помощью информации. Причинами несрабатывания являются нарушение подвижности деталей спускового механизма, независимо от того, находятся они снаружи, и тогда они подвержены обрастанию и коррозии, или внутри термоконтейнера. Снижение вероятности несрабатывания достигается отказом от размещения ключевых элементов спускового механизма в морской среде и увеличением силы, приводящей спусковой механизм в действие. Источником силы может быть или электрический прибор (мотор, соленоид), питающийся от внутреннего источника, или поршень, перемещающийся под воздействием пружины или наружного гидростатического давления; в последнем случае, сила воздействия на спусковой механизм, пропорциональная площади поршня и глубине погружения прибора, может быть весьма большой при относительно небольших габаритах прибора.
За ближайший аналог заявляемой полезной модели принят размыкатель для возвращаемых подводных аппаратов, запатентованный авторами данной заявки (RU №50756, МПК В63В 22/06, опубл. 27.02.2015 г.), предназначенный для удержания подводных изделий с положительной плавучестью до 3000 Н, содержащий термоконтейнер, закрепленный при помощи кольцевых держателей на грузонесущей штанге и включающий средства подачи командного сигнала на размыкание, батарею электропитания и исполнительный механизм размыкания, выполненный в виде плавающего поршня с выступающим из термоконтейнера элементом, служащим упором в положении удержания рабочей нагрузки для размыкающего элемента, при этом положение упора определяется наличием жидкости, удерживаемой в объеме под поршнем с помощью изолированного от воды и гидростатического давления бистабильного электромагнитного клапана, связанного через электромагнитное реле со средством подачи командного сигнала на размыкание.
К недостаткам описанного аналога можно отнести отказы в работе описанного размыкателя в условиях, когда силы гидростатического давления на поршень не хватает для преодоления сил сопротивления движению поршня, в то время как все элементы устройства исправны и должны функционировать надлежащим образом. Вероятность отказа повышается, если уменьшается глубина, на которой расположен размыкатель.
Полезная модель решает проблему создания размыкателя для отсоединения донной станции от якоря, работающего с повышенной надежностью без ограничения на минимальную рабочую глубину, за счет конструктивных изменений спускового механизма размыкателя.
Для получения необходимого технического результата в размыкателе для возвращаемых донных станций, содержащем закрепленный на грузонесущей штанге термоконтейнер, оснащенный формирователем сигнала на размыкание и батареей электропитания, исполнительный механизм размыкания, состоящий из спускового механизма, связанного с формирователем сигнала на размыкание и включающего поршень, установленный в нижней части термоконтейнера с возможностью возвратно-поступательного перемещения, и размыкающего элемента, выполненного в виде связанной с якорем пластины с опорным вырезом по нижнему краю, установленной в прорезь на грузонесущей штанге под термоконтейнером и упирающейся верхним краем в выступающий из термоконтейнера поршень, находящийся в крайнем нижнем положении при удержании рабочей нагрузки, предлагается внутреннюю полость нижней части термоконтейнера герметично отделить установленной крышкой, выполненной с объемом, уплотнениями на боковых сторонах и ориентированной открытой стороной вниз, а поршень установить в объеме крышки, выполненной с отверстием под верхнюю часть поршня меньшего диаметра, которую расположить в полости гильзы, установленной над крышкой в полости термоконтейнера, закрепленной разъемным соединением на крышке и снабженной перемычкой в верхней части. Расположенную в полости гильзы верхнюю часть поршня предлагается подпружинить, а нижнюю часть поршня снабдить средством для крепления натяжительного приспособления при сборке спускового механизма. Спусковой механизм предлагается снабдить упором для поршня в положении удержания рабочей нагрузки, выполненным в виде двух стержней ориентированных вертикально, расположенных друг над другом, установленных в гнезда шарнира, при этом, второй конец верхнего стержня предлагается установить в гнездо на перекладине гильзы, а нижнего стержня - в гнездо на верхней части поршня. Кроме этого, для установки упора с заданным уклоном в средней части предлагается использовать хомут, выполненный из термоплавкого материала, которым шарнир притянуть к колодке, закрепленной на внутренней поверхности гильзы и снабженной подпружиненным резаком, связанным с формирователем сигнала на размыкание.
Удерживать складывающийся упор в выпрямленном положении, когда он создает сопротивление нагрузке и препятствует утапливанию поршня в объеме крышки, предлагается путем притягивания шарнира к колодке, неподвижно закрепленной на внутренней поверхности гильзы на уровне шарнирного соединения стержней, с помощью хомута, который предлагается выполнить из термоплавкого материала, например капрона, и освобождать шарнир, разрезая хомут терморезаком, выполненным, например, из нихромовой проволоки, которая нагревается электрическим током при поступлении команды на размыкание. Пружина на верхней части поршня создает дополнительную силу, втягивающую поршень вовнутрь объема крышки, обеспечивая его срабатывание даже на малых глубинах или в воздухе.
На прилагаемых к описанию схемах изображено:
фиг. 1 - размыкатель для возвращаемых донных станций, общий вид в сборе в положении удержания рабочей нагрузки;
фиг. 2 - то же, после осуществления операции размыкания;
фиг. 3 - грузонесущая штанга;
фиг. 4 - термоконтейнер в сборе со схематичным изображением основных компонентов спускового механизма в разрезе в положении с выступающим поршнем, удерживаемым закрепленным натяжительным приспособлением;
фиг. 5 - спусковой механизм после срабатывания в разрезе в положении со втянутым поршнем.
На схемах приняты следующие обозначения: 1 - донная станция; 2 - штанга грузонесущая; 3 - держатель кольцевой; 4 - термоконтейнер; 5 - пластина; 6 - стропа; 7 - якорь; 8 - прорезь; 9 - перемычка; 10 - гнездо; 11 - стержень верхний; 12 - шарнир; 13 - хомут; 14 - резак; 15 - колодка; 16 - гильза; 17 - стержень нижний; 18 - крышка объемная; 19 - шайба; 20 - пружина; 21 - уплотнение; 22 - поршень; 23 - накладка; 24 - шпилька; 25 - гайка; 26 - гнездо резьбовое; h1 - величина выступания поршня; h2 - ход поршня.
Предлагаемая конструкция размыкателя выполнена в виде термоконтейнера 4, который закреплен на грузонесущей штанге 2. К верхней части грузонесущей штанги 2 прикреплена удерживаемая под водой донная станция 1, имеющая положительную плавучесть, создающую нагрузку на размыкатель. На нижней части штанги 2 под термоконтейнером 4 выполнена прорезь 8 для установки в ней выполненной с опорным вырезом в нижней части пластины 5, выполняющей функцию размыкающего элемента. В положении удержания рабочей нагрузки верхний край пластины 5 упирается в выступающую часть поршня 22, а к нижней части пластины 5 с помощью стропы 6 прикреплен якорь 7. При срабатывании размыкателя пластина 5 свободно выпадает из прорези 8 и происходит освобождение донной станции 1 от якоря 7.
Во внутренней полости нижней части термоконтейнера 4 установлена крышка 18, которая выполнена с объемом и ориентирована открытой стороной вниз, а боковые стороны крышки 18 снабжены уплотнениями 21. Объемная крышка 18 герметично отделяет нижнюю часть термоконтейнера 4 от верхней части, в которой установлена гильза 16, закрепленная на крышке 18 при помощи, например, резьбового соединения. Гильза 16 снабжена перемычкой 9 в верхней части. В оставшейся свободной части термоконтейнера 4 установлен формирователь сигнала на размыкание (не показан) с батареей электропитания. В качестве формирователя сигнала на размыкание предлагается использовать известную схему таймера, программируемого на определенное время срабатывания, или известный приемник дистанционной команды, передаваемой по гидроакустическому каналу.
Исполнительный механизм размыкания включает спусковой механизм, а также размыкающий элемент в виде пластины 5, установленной на грузонесущей штанге 2. Спусковой механизм, связанный с формирователем команды на размыкание, включает поршень 22, установленный с возможностью возвратно-поступательного перемещения в объеме крышки 18, и упор для поршня 22, расположенный в объеме гильзы 16. Гильза 16 выполнена с технологическими окнами для доступа к деталям спускового механизма (не показаны).
Верхняя часть поршня 22, выполнена с диаметром меньшим, чем нижняя часть. Крышка 18 выполнена с отверстием под верхнюю часть поршня 22, которая расположена в объеме гильзы 16. Верхняя часть поршня 22 снабжена пружиной 20, упирающейся в шайбу 19, удерживаемую штифтом (не показан). При совершении возвратно-поступательного движения поршень 22 в своем крайнем нижнем положении выступает за нижний край крышки 18, в таком положении в него упирается размыкающий элемент - пластина 5 при удержании рабочей нагрузки. Нижняя часть поршня снабжена средством для крепления натяжительного приспособления при сборке спускового механизма, например, это может быть резьбовое гнездо 26. Натяжительное приспособление может быть выполнено, например, в виде накладки 23 на нижнюю часть крышки 18 и закреплено на поршне 22 резьбовым соединением с помощью шпильки 24 и гайки 25 (фиг. 4).
Для удержания поршня 22 в крайнем нижнем положении использован упор, элементы которого расположены в объеме гильзы 16. Упор выполнен в виде двух стержней 11 и 17, ориентированных вертикально, расположенных друг над другом, установленных в гнезда шарнира 12. Кроме того, верхний стержень 11 установлен в гнездо 10 на перекладине 9, а нижний стержень установлен в гнездо (не обозначено) на верхней части поршня 22. Упор установлен с заданным уклоном в средней части при помощи хомута 13, которым шарнир 12 притянут к колодке 15, закрепленной на внутренней поверхности гильзы 16.
Таким образом, стержни 11 и 17, образующие упор, выставлены с заданным уклоном от вертикали в средней части упора. Оптимальная величина уклона устанавливается опытным путем. Уклон может быть получен с использованием рассчитанного выступа колодки 15, или, например, используя прокладки (не показаны) между колодкой 15 и внутренней стенкой гильзы 16 и может регулироваться, например, толщиной прокладок (не показаны). Уклон должен быть достаточным, чтобы складывание стержней 11 и 17 после освобождения шарнира 12 продолжалось только за счет боковой составляющей силы давления на поршень 22.
Хомут 13 изготовлен из термоплавкого материала, например, из капрона. Под хомутом 13 установлен подпружиненный резак 14. Резак 14 может быть изготовлен, например, из нихромовой проволоки, нагреваемой током до температуры плавления материала, из которого изготовлен хомут. Ток к резаку 14 подведен по проводам от формирователя сигнала на размыкание, расположенного в свободной части термоконтейнера 4.
Термоконтейнер 4 и все узлы и детали, обеспечивающие изоляцию его внутреннего объема от внешней среды, выбраны с учетом гидростатического давления на максимальной глубине погружения. Сечение грузонесущей штанги 2 и пластины 5 выбраны с учетом максимальной нагрузки. В соответствии с толщиной и высотой пластины 5 выбирается ширина и длина вертикальной прорези 8 в штанге 2. Толщина пластины 5 выбирается с учетом нагрузки, приходящейся на опорный вырез в пластине 5, равной при подъеме донной станции над палубой весу якоря, а при постановке на дно - подъемной силе полезной нагрузки. Динамическая нагрузка на пластину 5 возрастает в разы во время перемещений донной станции, поэтому прочность пластины 5 обеспечивается с соответствующим резервом. Давление пластины 5 на выступающую часть поршня 22 определяется из равенства момента силы нагрузки с плечом, равным смещению точки крепления якоря 7 относительно точки опоры пластины 5 в вырезе 8 грузонесущей штанги 2, приблизительно равным полуширине пластины 5, и момента силы прижатия пластины 5 к выступающей части поршня 22 с плечом, равным расстоянию между точками опоры и касания выступа поршня, приблизительно равному длине пластины. Соответственно, соотношение длины и ширины пластины 5 выбирается с целью ограничения силы, прижимающей пластину 5 к выступающей части поршня 22. Величина выступа поршня h1 выбирается с расчетом обеспечения достаточной величины упора для удержания пластины 5 при максимальных нагрузках, а величина хода поршня h2 не должна быть меньше величины выступа, т.е. h2>h1.
Описание работы размыкателя.
Открывают доступ к спусковому механизму (фиг. 4, 5), вынув из термоконтейнера 4 объемную крышку 18 вместе со всеми закрепленными на ней узлами размыкателя. Включают электронику в режим готовности к приему команды на размыкание по акустическому каналу или от встроенного таймера (не показаны).
Готовят спусковой механизм к приему команды на размыкание. Для этого, как показано на схеме на фиг. 4, в крышку 18 вставляют поршень 22, пропуская верхнюю часть поршня в отверстие крышки 18, и закрепляют на верхнем конце поршня пружину 20 с помощью шайбы 19 и шплинта (не показан). Поршень 22 при этом оказывается полностью утопленным в объеме крышки 18. Для вытягивания поршня 22, при котором преодолевается большое сопротивление пружины 20, применяется натяжительное приспособление, которое, например, может быть выполнено в виде накладки 23 на нижнюю часть крышки 18 и закреплено на поршне 22 резьбовым соединением с использованием резьбового гнезда 26 на нижней части поршня 22. Переместив с помощью натяжительного приспособления поршень 22 в крайнее вытянутое положение, концы стержней 11 и 17 устанавливают в гнезда на шарнире 12.
Удерживая наружные концы стержней 11, 17 напротив гнезд соответственно на перемычке 9 и поршне 22 таким образом, чтобы концы стержней 11, 17 попали в соответствующие гнезда и вся сборка стержней не выпадала из гнезд, наживляют стяжной капроновый хомут 13 так, чтобы он проходил через вырез в колодке и охватывал шарнир 12 и резак 14, после чего, затягивая хомут 13, выставляют стержни 11, 17 в линию с заданным уклоном. Величина уклона регулируется толщиной прокладок (не показаны) между колодкой 15 и внутренней стенкой гильзы 16. Демонтируют натяжительное приспособление, отсоединяя его от резьбового гнезда 26, в результате чего, поршень 22 начинает поджимать выпрямленный упор с силой, обеспечиваемой втягивающей пружиной 20, что соответствует готовности спускового механизма к работе. Вставляют крышку 18 с собранным спусковым механизмом в полость нижней части термоконтейнера 4.
Собирают термоконтейнер 4 и устанавливают его в кольцевые держатели 3 на грузонесущей штанге 2 (фиг. 1). К отверстию в верхней части штанги 2 крепят погружаемую донную станцию 1. Соединяют якорь 7 с пластиной 5 с помощью стропы 6, как это показано в нижней части фиг. 1, и вставляют пластину 5 в прорезь 8 таким образом, чтобы опорный вырез в нижней части пластины 5 лег на нижнюю кромку прорези 8, а верхний край пластины 5 уперся в выступающую нижнюю часть поршня 22. Чтобы пластина 5 не выпадала из прорези 8, ее временно фиксируют в вертикальном положении с помощью стяжного хомута (не показан), удаляемого непосредственно перед спуском станции за борт, когда она будет удерживаться в рабочем положении постоянным прижимом к выступу поршня за счет рабочей нагрузки. Движению пластины 5 вбок препятствует ее размещение в прорези 8. Комбинация пластины 5 и плавающего поршня 22 представляет собой конечное звено исполнительного механизма размыкателя, который срабатывает, когда резак 14 разрушает хомут 13, позволяя совместному действию гидростатического давления на поршень 22 и тянущей пружине 20 переместить поршень 22 вовнутрь объема крышки 18. Поршень 22 удерживается в выдвинутом положении на величину h1 на любой глубине все время, пока он опирается на упор из стержней 11, 17, которые удерживаются от складывания под нагрузкой благодаря хомуту 13, притягивающему шарнир 12 к колодке 15.
Команда на размыкание, подаваемая по акустическому каналу или формируемая встроенным таймером, преобразуется в электрический импульс, поступающий на релейную схему, соединяющую источник напряжения с нагревательным элементом термического резака 14. При этом подпружиненный резак 14 разрезает капроновый хомут 13, стержни 11 и 17 складываются так, как показано на фиг. 5, позволяя поршню 22 переместиться вовнутрь объема крышки 18 на глубину h2, h2>h1, где h1 - выступ поршня 22, лишив пластину 5 упора, следствием чего является срабатывание размыкателя.
Уплотнительные кольца 21 могут создавать значительное сопротивление движению поршня 22, особенно при продолжительном нахождении размыкателя под нагрузкой. В зазоре между поршнем 22 и цилиндрическим каналом в крышке 18 может возникнуть биологическое обрастание, также создающее торможение. Сила F, давящая на поршень площадью S вследствие гидростатического давления Р, F=S⋅P, должна быть больше сопротивления движению поршня, и это требование обеспечивается, начиная с некоторой пороговой глубины. Срабатывание размыкателя на меньшей глубине обеспечивает тянущая пружина, действие которой проверяется при нахождении размыкателя на воздухе: если размыкатель надежно срабатывает на воздухе после длительного пребывания во взведенном состоянии, то его можно использовать по назначению на любых глубинах. Обрастание опорной пластины 5 в прорези 8 штанги 2 может быть причиной удержания пластины 5 после утапливания поршня 22, если боковая составляющая продольной нагрузки, прижимающая пластину 5 к выступу поршня, меньше порога трения. Необходимая сила прижимания определяется заданием ширины пластины 5 при известной величине плавучести донной станции 1.
Сработавший размыкатель, отсоединивший донную станцию 1 от якоря 7, как это показано на фиг. 2, всплывает вместе с донной станцией 1 на поверхность и выбирается на судно. При необходимости производится очистка размыкателя от обрастания и замена батарей электропитания, требующая доступа в термоконтейнер 4, для чего необходимо снять крышку 18. Повторная сборка исполнительного механизма производится аналогично описанной выше. Отсоединять термоконтейнер 4 от штанги 2 при проведении этой процедуры нет необходимости.
Таким образом, заявляемый размыкатель, по сравнению с ближайшим аналогом, обеспечивает надежную работу по отсоединению донной станции от якоря независимо от рабочей глубины, на которой происходит отсоединение.