МЕХАНИЗМ ВКЛЮЧЕНИЯ-ВЫКЛЮЧЕНИЯ И ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ
ON-OFF AND SWITCHING MECHANISM

Изобретение относится к механизмам электрических контактных коммутационных аппаратов, производящий включение-выключение и переключение электрических цепей во всех областях техники, промышленности, транспорта и в быту.
Существует множество различных механизмов электрических контактных коммутационных аппаратов. Всем им присущи некоторые отрицательные качества, о которых сказано ниже:
1) Механизмы содержат много деталей сложной конструкции и большой трудоемкости - пружины, рычаги, кулачки и т.п. (см. А.Ф.Крайнев. Словарь-справочник по механизмам. - М:, Машиностроение. 1987. Стр. 50, 62, 219).
2) В механизмах контактных коммутационных аппаратов при определенных напряжениях и токах возникают электрические искры и дуги, представляющие большую пожаро- и взрывоопасность.
3) В механизмы коммутационных аппаратов, не имеющих специальной защиты, могут проникать влага, пыль и загрязнения, вызывающие коррозию деталей, повышенный износ контактов и снижающие надежность и срок службы коммутационных аппаратов.
Среди существующих механизмов электрических коммутационных аппаратов аналогов механизму, предлагаемому данным изобретением, не имеется.
Целью данного изобретения является создание механизма включения-выключения и переключения, простого по конструкции, технологичного в производстве и обеспечивающего безопасность и надежность в различных условиях эксплуатации.
Поставленная цель достигается посредством двух факторов:
1. В качестве действующей силы используется природное явление - атмосферное давление, которое есть везде и всегда.
2. Основным конструктивным элементом механизма - корпусом, реагирующим на атмосферное давление, является геометрическая фигура параллелепипед с введением в него следующих особенностей:
а) четыре параллельные грани в поперечном сечении образуют квадрат,
б) ребра выполняют роль шарниров,
в) две торцевые грани заменены эластичными куполами,
г) все части параллелепипеда выполнены из воздухонепроницаемого материала (например, резины).
Благодаря указанным особенностям параллелепипед способен действовать как шарнирный четырехзвенник (см. И.И. Артоболевский «Теория механизмов и машин». - М.: Изд. Наука. 1988 г.).
Параллелепипед является герметичным корпусом, позволяющим создавать в нем определенный вакуум. При создании вакуума корпус под воздействием атмосферного давления деформируется из квадратного в ромбоидный и непосредственно без каких-либо деталей выполняет работу электрического коммутационного аппарата.
Конструктивное исполнение герметичного корпуса параллелепипеда, который по сути является предлагаемым механизмом, представлено на фиг.1, 2 и 3: на фиг.1 - в нерабочем статичном состоянии, на фиг.2 и 3 - в рабочем состоянии ромбоидного параллелепипеда.
Четыре параллельные грани 1 являются звеньями шарнирного механизма, ребра 2 - шарнирами, две торцевые грани заменены куполами 3, в одной грани установлен резиновый клапан 4 для откачки и накачки воздуха, подобный клапанам, применяемым в футбольных и волейбольных мячах.
В одной грани при прессовании формируется ручка 8 для включения-выключения и переключения механизма. В средних точках четырех граней впрессованы стержни 5 из токопроводящего металла с контактными пружинами 6 и контактами 7, обозначенными на фиг.1, 2, 3 буквами а, б, в, г. Герметичный корпус параллелепипеда изготавливается прессованием из воздухонепроницаемого эластичного, упругого материала (например, резины) с проведением вулканизации исходного сырья.
Вулканизация обеспечивает требуемые свойства частей корпуса: всех частей -термостойкость и холодостойкость; четырех граней - твердость; ребер и торцевых куполов - эластичность и упругость. Прессование обеспечивает герметизацию мест установки стержней 5 и формирует отверстие для клапана 4.
Работа механизма поясняется схемами фиг.4, на которых он представлен в виде шарнирного четырехзвенника. Обозначения на схемах соответствуют обозначениям элементов конструкции на фиг.1, 2, 3, а именно: 1 - четыре звена (грани), 2 - четыре шарнира (ребра), 8 - ручка включения и переключения.
1
1
На схеме фиг.4а механизм показан в статичном, нерабочем состоянии: его поперечное сечение - квадрат, внутренний объем V пропорционален площади квадрата S. Механизм находится в состоянии устойчивого равновесия, поскольку и снаружи, и внутри него - атмосферное давление.
Для приведения механизма в рабочее состояние необходимо через клапан 4 откачать часть воздуха. При этом в механизме (параллелепипеде) происходит двойственный процесс.
а) Создается некоторый вакуум, и под действием атмосферного давления механизм деформируется из квадратного в ромбоидный, торцевые куполы втягиваются внутрь, удлиняясь в направлении большой диагонали ромба, и не препятствуют деформации параллелепипеда (см. фиг.2 и схему фиг.4б).
б) Ромбоидная форма имеет объем меньший, чем квадратная, плотность воздуха внутри растет и при любой остановке откачки воздуха наступает равновесие между атмосферным давлением и давлением воздуха внутри, и деформация механизма прекращается.
Откачка воздуха ведется до момента, когда острый угол ромба становится равным 45°.
2
1
В этот момент площадь поперечного сечения параллелепипеда S=S·sin 45°,
2
2
sin 45°=0,707; значит объем V, пропорциональный площади S, равен
2
1
V=V×0,707, т.е. уменьшился округленно на 0,3 относительно объема в нерабочем состоянии.
В этом положении, когда острый угол ромба достигает 45°, механизм работает как электрический коммутационный аппарат, замыкая попарно контакты 7, обозначенные на фиг.2 буквами а-б и г-в, которые включают две электрические цепи. Для переключения механизма из одного включенного положения (см. фиг.2 и схему фиг.4б) в другое (см. фиг.3) к ручке 8 нужно приложить внешнюю силу F (например, силу руки человека, см. фиг.4в).
Сила F в первый момент преодолевает начальную силу атмосферного давления, которая возникла ранее при откачке воздуха и деформации параллелепипеда в ромбоидный, что уменьшило его объем на 0,3.
2
2
Следовательно, начальная сила атмосферного давления, действующая на грани механизма, равна 0,3 от полного атмосферного давления, равного 1,033 кг/см, т.е. округленно равна 0,3 кг/см.
После преодоления этого давления под действием силы F происходит поворот механизма против часовой стрелки, при этом растет объем параллелепипеда и степень вакуума внутри него, что вызывает рост действующего на него атмосферного давления.
В момент, когда форма параллелепипеда становится квадратной, его объем увеличивается также на 0,3 (как указано выше), степень вакуума внутри увеличивается также на 0,3, и воздействие атмосферного давления становится максимальным (см. схему фиг.4г). В этот момент положение параллелепипеда неустойчиво, и он скачкообразно переходит во второе положение устойчивого равновесия, совершая скачкообразный поворот против часовой стрелки на 90° (см. схему фиг.4д и фиг.3).
Таким образом, в моменты выключения и переключения механизма атмосферное давление благодаря изменяющемуся объему параллелепипеда воздействует на него подобно пружине. Во втором положении равновесия механизм также работает как электрический коммутационный аппарат, замыкая попарно контакты 7, обозначенные на фиг.3 буквами а-г и б-в, которые включают две другие электрические цепи.
Таким образом, данный механизм, имеющий четыре контактных стержня, способен коммутировать четыре электрические цепи. Если конкретный электрический аппарат предназначен для коммутации только одной электрической цепи, то контактные стержни с контактами, обозначенными на фиг.1 буквами в-г, можно не ставить. Вместо них при прессовании параллелепипеда формируются два упора такой же длины.
Предлагаемый механизм обеспечивает важные параметры электрических контактных коммутационных аппаратов: нажатие контактов, провал контактов, перекат контактов, раствор (промежуток) между контактами, а также дугогасительную способность коммутационного аппарата (см. Б.К.Буль и др. Основы теории электрических аппаратов. - М.: Высшая школа 1970. Л.А.Родштейн. Электрические аппараты. - Л.: Энергоатомиздат. 1989).
Нажатие контактов, провал контактов и перекат контактов 7 создаются за счет прогиба контактных пружин 6 (см. фиг.1, 2, 3). Для получения прогиба длина контактного стержня 5 вместе с контактной пружиной 6 и контактом 7 выполняется такой, чтобы при включении попарное касание контактов происходило при угле ромбоидного параллелепипеда, большем конечного угла 45°, например, при углах 50°-52°. В этом случае при достижении угла 45° благодаря воздействию сил атмосферного давления происходит прогиб контактных пружин, что обеспечивает необходимые величины нажатия, провала и переката контактов.
Указанные силы атмосферного давления определяются согласно схеме (фиг.5).
а
а
Для примера на фиг.5 слева показана схема герметичного корпуса - параллелепипеда, представленного на фиг.1. На грани корпуса действуют силы атмосферного давления, обозначенные векторами Р, которые направлены перпендикулярно каждой грани к ее средней точке. Длина каждого вектора Р соответствует масштабу: 1 кг силы - 1 см длины.
к
а
к
a
а
а
На фиг.5 справа представлены те же векторы и их суммирование по правилу параллелограмма. Суммарный вектор Р, являющийся силой нажатия контактов, определяется как удвоенный катет прямоугольного треугольника с гипотенузой Р и углом β±/2 по формуле: Р=2P·cos β/2=2Р·cos 67,5°=2Р·0,3827.
а
,
Величина векторов Р - это атмосферное давление действующее на грани параллелепипеда при его деформации из квадратного в ромбоидный с углом ромба 45°.
2
Действующее атмосферное давление пропорционально изменению объема параллелепипеда и при угле ромба 45° равно 0,3 от полного атмосферного давления 1,033 кг/ см.
а
а
г
а
г
г
а
2
2
Значит величина каждого вектора Р равна: Р=0,3·1,033·S, округленно Р=0,3·S, где S - площадь одной грани, см. Площадь каждой грани параллелепипеда, показанного на фиг.1, равна 9 см. Величина вектора Р=0,3·9=2,7 кг.
к
а
Сила нажатия контактов в механизме, представленном на фиг.1, 2, 3, определяется по указанной выше формуле: Р=2·Р·cos β/2=2· 2,7·0,3827=2,052 кг.
1
2
1
2
Дугогасительная способность коммутационного аппарата, имеющего предлагаемый механизм, подтверждается схемой на фиг.6, на которой показаны траектории двух расходящихся контактов а, б (см. фигуры 1, 2, 3). Эти траектории являются частями окружностей с радиусами R, R и центрами О, O.
Поскольку движение обоих контактов происходит одновременно по расходящимся траекториям, скорость их расхождения и конечный раствор (промежуток) между ними получаются большой величины, что обеспечивает высокую дугогасительную способность коммутационного аппарата.
Краткое описание чертежей.
Фиг.1.
Механизм включения-выключения и переключения для электрического коммутационного аппарата - квадратный параллелепипед в статичном нерабочем положении.
Фиг.2.
Механизм включения-выключения в одном рабочем положении - ромбоидный параллелепипед с двумя парами замкнутых контактов.
Фиг.3.
Механизм включения-выключения в другом рабочем положении - ромбоидный параллелепипед с двумя другими парами замкнутых контактов.
Фиг.4.
Схемы шарнирного четырехзвенника, поясняющие работу механизма при включении- выключении (переключении) коммутационного аппарата.
Фиг.5.
Схема шарнирного четырехзвенника с векторами - силами атмосферного давления, обеспечивающими необходимые параметры коммутационного аппарата.
Фиг.6.
Схема шарнирного четырехзвенника, показывающая траектории движения двух размыкающихся контактов при выключении (переключении) коммутационного аппарата.