ИНЕРЦИОННЫЙ ВКЛЮЧАТЕЛЬ
INERTIAL SWITCH

Изобретение относится к инерционным включателям, которые могут быть использованы в качестве предохранительных устройств в системах автоматики взрывоопасных технических объектов.
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, содержащий корпус, установленное на оси инерционное тело, удерживаемое магнитной системой, контакты и поворотный привод с пазом на боковой стенке. На корпусе выполнен наклонный паз, взаимодействующий с одним из выступов, выполненном на инерционном теле, при этом другой выступ инерционного тела взаимодействует с пазом в боковой стенке поворотного привода при прямом и обратном ходе инерционного тела только в конце его ходов [патент РФ №2193800, H01H 35/14, опубликовано 27.1 1.2002].
Известный инерционный включатель может сработать (переключить свои контакты) при аварийных падениях в составе объекта использования, например, на мягкий грунт, так как его временная задержка, определяемая наклоном и угловой протяженностью наклонных пазов, является незначительной. То есть области применения известного инерционного включателя ограничены. Например, его нецелесообразно использовать в качестве предохранительного коммутирующего устройства в системах взрывоопасных объектов.
Известен инерционный включатель, содержащий корпус, инерционное тело на направляющей, удерживаемое магнитной системой, контакты, неподвижную направляющую и подвижный поворотный привод, расположенные коаксиально с инерционным телом и имеющие на боковых стенках наклонные пазы для взаимодействия с радиальными выступами инерционного тела [патент РФ №2192683, H01H 35/14, опубликовано 10.1 1.2002].
Известный инерционный включатель работоспособен при и после воздействия высокоинтенсивных ударных и вибрационных ускорений при полете в составе объекта использования, однако он также как и предыдущий аналог может сработать (переключить свои контакты) при аварийных падениях в составе объекта использования, например, на мягкий грунт, то есть его также нецелесообразно применять в качестве предохранительного коммутирующего устройства в системах взрывоопасных объектов.
Известен инерционный включатель, содержащий корпус, размещенное на центральной оси инерционное тело с радиальными выступами, поворотный привод и неподвижную направляющую, имеющие на боковых стенках наклонные пазы для взаимодействия с радиальными выступами инерционного тела, контактную систему и индукционные магнитные демпферы с поворотным якорем из материала с высокой электрической проводимостью и постоянными магнитами, выполненными в виде секторов чередующейся полярности и размещенными по окружности [патент РФ №2562057, H01H 35/14, опубликовано 10.09.2015].
Инерционный включатель работоспособен при действии высокоинтенсивных ударных и вибрационных ускорений при полете и сохраняет исходное состояние контактов при аварийных падениях в составе объекта использования.
Однако его индукционный магнитный демпфер по обеспечиваемому моменту торможения для некоторых аварийных ситуаций все же не достаточно эффективен, кроме того инерционный включатель может возвратиться в исходное состояние после срабатывания, например при воздействии ускорения в направлении противоположном направлению ускорения срабатывания, что в совокупности существенно снижает надежность и безопасность инерционного включателя, а также ограничивает области его применения в качестве предохранительного прибора.
Негерметичное исполнение инерционного включателя не исключает попадание во внутреннюю полость инерционного включателя посторонних частиц и влаги окружающей среды при техническом обслуживании и проверках в течение срока эксплуатации, что может привести к отказам и ухудшить стабильность электрических параметров контактной системы инерционного включателя.
То есть отмеченные недостатки известного инерционного включателя снижают его надежность, безопасность и ограничивают области применения в качестве предохранительного прибора в системах автоматики взрывоопасных объектов использования.
Этот инерционный включатель рассматривается в качестве прототипа.
Задачей заявляемого изобретения является создание инерционного включателя для использования в качестве предохранительного прибора в системах автоматики взрывоопасных технических объектов, подвергаемых воздействию высокоинтенсивных эксплуатационных вибраций и ударных ускорений, с которыми при хранении и транспортировании возможны также авариные ситуации.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение является повышение надежности срабатывания в условиях высокоинтенсивных эксплуатационных вибраций и ударных ускорений, а также безопасности при возможных аварийных ситуациях при расширении областей применения.
Указанный технический результат достигается тем, что в инерционном включателе, содержащем корпус, размещенное на центральной оси инерционное тело с радиальными выступами, поворотный привод и неподвижную направляющую, имеющие на боковых стенках наклонные пазы для взаимодействия с радиальными выступами инерционного тела, контактную систему и индукционные магнитные демпферы с поворотным якорем из материала с высокой электрической проводимостью и постоянными магнитами, выполненными в виде секторов чередующейся полярности и размещенными по окружности, согласно изобретению поворотный якорь каждого индукционного демпфера выполнен в виде шайбы, закрепленной на диске из магнитомягкого металла и взаимодействующей по торцу с малым зазором, исключающим касание, с постоянными магнитами, размещенными в магнитомягком неподвижном основании, а в стенке наклонного паза неподвижной направляющей выполнена выемка для захода радиального выступа инерционного тела при его перемещении в исходное положение при обратном ходе при спаде ускорения.
Кроме того, для дополнительного повышения надежности инерционный включатель снабжен закрепленной на торце центральной оси симметричной пластиной из магнитомягкого металла с диаметрально установленными на ее концах дополнительными магнитами, а корпус инерционного включателя, по крайней мере, в зоне дополнительных магнитов, выполнен из немагнитного металла.
Выполнение поворотного якоря каждого индукционного демпфера в виде шайбы, закрепленной на диске из магнитомягкого металла и взаимодействующей по торцу с малым зазором, исключающим касание, с постоянными магнитами, размещенными в магнитомягком неподвижном основании, позволяет реализовать в заявляемом инерционном включателе более эффективный (по создаваемому тормозящему моменту в полтора раза больший), по сравнению с прототипом, индукционный магнитный демпфер. Эффективный индукционный магнитный демпфер исключает срабатывание инерционного включателя при аварийных ударных воздействиях (повышает безопасность) и обеспечивает надежное срабатывание на траектории полета в составе объекта использования.
Кроме того, по сравнению с прототипом, значительно упрощается конструкция индукционного магнитного демпфера - уменьшается вдвое количество постоянных магнитов, повышается технологичность сборки в части установки (закрепления) магнитов и регулировки рабочего зазора между магнитами и шайбой.
Увеличение тормозящего момента, по сравнению с прототипом, обеспечивается увеличением площади постоянных магнитов и площади их взаимодействия с шайбой из материала с высокой электрической проводимостью, использованием диска из магнитомягкого металла, замыкающего магнитные потоки постоянных магнитов для предотвращения их рассеивания (выполнением магнитной системы замкнутой), увеличением приведенного радиуса приложения сил торможения (увеличенная площадь постоянных магнитов расположена на большем расстоянии от оси вращения).
Выполнение в стенке наклонного паза неподвижной направляющей выемки для захода радиального выступа инерционного тела при его перемещении в исходное положение при обратном ходе при спаде ускорения надежно обеспечивает сохранение сработанного состояния инерционного включателя даже при возможном последующем действии ускорения в противоположном ускорению срабатывания направлении, что расширяет его области применения, упрощая построение системы автоматики объекта применения и способствуя повышению его безопасности.
Размещение на торце центральной оси пластины из магнитомягкого металла с диаметрально установленными на ее концах дополнительными магнитами разной полярности и выполнение корпуса инерционного включателя, по крайней мере, в зоне дополнительных магнитов, из немагнитного металла позволяет выполнять ручное переключение инерционного включателя в сработанное состояние и обратно в исходное при герметичном исполнении, исключающем попадание во внутреннюю полость инерционного включателя посторонних частиц и влаги окружающей среды, что существенно снизит возможность его отказов (повысит надежность работы) и обеспечит стабильность электрических параметров контактной системы инерционного включателя в течение длительных сроков эксплуатации.
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 - конструкция шарикоподшипниковых опор инерционного
тела.
На фиг. 3 - форма наклонного паза в неподвижной направляющей.
На фиг. 4 - форма наклонного паза во втулке.
На фиг. 5 - конструкция индукционного демпфера.
На фиг. 6 - конструкция механизма переключения контактной системы в исходном состоянии.
На фиг. 7 - конструкция механизма переключения контактной системы в сработанном состоянии.
На фиг. 8 - конструкция контактной системы.
На фиг. 9 - система взведения инерционного включателя.
На фиг. 10 - переключение инерционного включателя внешним приспособлением.
Инерционный включатель содержит корпус 1, в котором установлена неподвижная направляющая 2. В неподвижной направляющей 2 с обоих торцов установлены индукционные магнитные демпферы, организованные в виде размещенных по окружности в магнитомягком неподвижном основании 3 постоянных магнитов 4 в виде секторов чередующейся полярности, с торца которых с малым зазором, исключающим их касание, размещен закрепленный соосно на диске 5 из магнитомягкого металла поворотный якорь в виде шайбы 6 из материала с высокой электрической проводимостью, например меди.
В центральных отверстиях неподвижных оснований 3 на шарикоподшипниках 7 установлена центральная ось 8, на которой размещено инерционное тело 9. Для снижения трения инерционное тело 9 установлено на шарикоподшипниках 10. По три шарикоподшипника 10 равномерно расположены по окружности на двух уровнях. Два шарикоподшипника 10 в каждом уровне установлены на штифтах 11, по одному - на винтах 12, выступ на торце которого имеет определенную несоосность относительно резьбовой части для обеспечения установки малых радиальных зазоров инерционного тела 9 на центральной оси 8 (фиг. 1, 2).
Инерционное тело 9 содержит, закрепленную на нем втулку 13 с двумя радиальными выступами 14 (радиальные выступы инерционного тела). На каждый радиальный выступ 14 установлен шарикодшипник 15. В центральную ось 8 ввинчен радиальный винт 16 с установленным шарикоподшипником 17, который расположен в пазу 18 инерционного тела 9, обеспечивая их взаимную связь по углу.
Инерционное тело 9 с установленной втулкой 13 поджато рабочей пружиной 19, обеспечивающей ускорение начала и окончания движения инерционного тела 9. Наименьшее ускорение, необходимое для полного хода инерционного тела 9 (до упора), уставочное.
На центральной оси 8 на шарикоподшипниках 20 установлена внешняя (по отношению к инерционному телу 9) закрепленная на дисках 5 втулка 21, выполняющая функции поворотного привода. В боковых стенках неподвижной направляющей 2 и втулки 21 выполнены наклонные пазы 22 и 23 соответственно. Пазы наклонены в разные стороны (один выполнен по левой, другой - по правой спирали) для увеличения угловой скорости втулки 21, а следовательно и дисков 5 с шайбами 6, при движении инерционного тела 9 от действия ускорения. С пазами 22, 23, взаимодействуют через шарикоподшипники 15 радиальные выступы 14 (фиг. 1-4).
На торце центральной оси 8 закреплен диск 24, на внешнем диаметре которого выполнен паз 25 для захода поворотного рычага 26 зубчатого сектора 27, размещенного на оси 28. Зубчатый сектор 27 взаимодействует с зубчатым колесом 29, закрепленным на оси 30 перемыкателя 31 контактной системы. Ось 30 перемыкателя 31 размещена сосно центральной оси 8 и поджата по углу спиральной пружиной 32. Вокруг перемыкателя 31 размещены на изоляторах 33 контакты 34 (фиг. 1, 6-8), образующие контактную систему.
Для уменьшения потерь на трение ось 28, ось 30 установлены на шарикоподшипниках 35 и 36 соответственно, на рычаге 27 размещен шарикоподшипник 37.
На конечном участке паза 22 в его стенке выполнена выемка 38 для захода шарикоподшипника 15 соответствующего радиального выступа 14 с целью обеспечения фиксации сработанного состояния инерционного включателя. Угловая длина паза 23 во втулке 21 превышает угловую длину паза 22 в неподвижной направляющей 2.
На центральной оси 8 с торца закреплена пластина 39 из магнитомягкого металла с диаметрально установленными на ее концах дополнительными постоянными магнитами 40, при этом корпус 1 инерционного включателя, по крайней мере, в зоне дополнительных постоянных магнитов 40, выполнен из немагнитного металла.
Инерционный включатель работает следующим образом.
а
а
Σ
Σ
Σ
При действии ускорения  с величиной, равной или большей уставочного значения в осевом направлении в течение продолжительного времени, инерционное тело 9 вместе с втулкой 13 перемещается в противоположном направлении, сжимая пружину 19 и одновременно поворачивая (от взаимодействия установленных на радиальных выступах 14 шарикоподшипников 15 с пазами 22, 23) втулку 21. Втулка 21, выполняющая функции поворотного привода, из-за взаимно противоположного наклона пазов 22, 23 поворачивается относительно постоянных магнитов 4 с суммарной (увеличенной) угловой скоростью Ω=Ω1+Ω2, где Ω1 - угловая скорость инерционного тела 9 относительно неподвижной направляющей 2, a Ω2 - угловая скорость втулки 21 относительно инерционного тела 9. Индукционные токи, наводящиеся в материале шайб 6 поворотных втулок 5, поворачивающихся также с угловой скоростью Ω, создают момент торможения. Величина момента торможения зависит от величины угловой скорости шайб 6 относительно неподвижной направляющей 2 (Ω) и соответственно относительно постоянных магнитов 4. Угловая скорость зависит от значения действующего ускорения . При увеличении действующего ускорения увеличивается угловая скорость, однако это увеличение компенсируется моментом торможения от также возрастающих индукционных токов.
Эффективность магнитной системы индукционного магнитного демпфера обеспечивается увеличением тормозящего момента, по сравнению с прототипом, за счет увеличения площади постоянных магнитов 4 и площади их взаимодействия с поворотным якорем шайбой 6 из материала с высокой электрической проводимостью, использованием диска 6 из магнитомягкого металла, замыкающего магнитные потоки постоянных магнитов 4 для предотвращения их рассеивания (то есть выполнением магнитной системы замкнутой), увеличением приведенного радиуса приложения сил торможения (увеличенная площадь постоянных магнитов 4 расположена на большем расстоянии от оси вращения).
а
а
а
При поступательно-вращательном движении инерционного тела 9 с закрепленной втулкой 13 от действия ускорения , вместе с ними также поворачивается направляющая центральная ось 8. При повороте направляющей центральной оси 8, а вместе с ней и диска 24 на 90°, выемка 25 диска 24 совместится с шарикоподшипником 37 рычага 26, последний переместится в эту выемку под действием спиральной пружины 32 (фиг. 7). То есть перемыкатель 31 повернется, например на 30° и переключит контакты 34 (инерционный включатель сработает). При последующем спаде ускорения  инерционное тело 9 с втулкой 13 отожмется пружиной 19 до захода шарикоподшипника 15 соответствующего радиального выступа 14 в выемку 38 в спиральном пазу 22, то есть зафиксируется, исключив поворот центральной оси 8 с закрепленным диском 24, а, следовательно, и возврат контактной системы инерционного включателя в исходное состояние даже при возможном последующем воздействии ускорения  в противоположном направлению ускорения срабатывания направлении.
а
а
При действии ускорения  величиной, меньшей усилия начального поджатия пружины 19, инерционное тело 9 вместе с втулкой 13 остаются в исходном положении, так как усилие пружины 19 превышает суммарную силу, действующую на инерционное тело 9 с втулкой 13 от ускорения .
а
При действии ускорения  величиной, большей усилия начального поджатия пружины 19, но меньшей уставочного значения, инерционное тело 9 вместе с втулкой 13 смещается из исходного положения, сжимая пружину 19, на некоторую величину хода, недостаточную для срабатывания инерционного включателя.
При действии в направлении срабатывания высокоинтенсивных ударных ускорений малой длительности инерционное тело 9 с втулкой 13, из-за резкого возрастания момента торможения в индукционном тормозе не успевает сместиться из исходного положения или, сместившись на небольшое расстояние, снова возвращается обратно. Инерционный включатель также не сработает (сохранит исходное сосостояние контактной системы).
При действии линейных и вибрационных ускорений в боковых направлениях, из-за использования шарикоподшипниковых опор, обеспечивающих малые коэффициенты трения, их влияние на срабатывание инерционного включателя будет незначительно. Применение шарикоподшипниковых опор также позволяет обеспечивать настройку инерционного включателя на малые ускорения срабатывания.
Регулировка уставочного значения ускорения срабатывания инерционного включателя осуществляется подбором или электрополированием пружины 19.
Инерционный включатель обеспечивает переключение из сработанного состояния в исходное и обратно вручную поворотом пластины 39 с дополнительными магнитами 40, закрепленной на направляющей центральной оси 8, через торцевую стенку корпуса 1 (без непосредственного доступа внутрь прибора к пластине) специальным съемным поворотным приспособлением 41 с постоянными магнитами 42, закрепленными на магнитомягком диске (магнитопроводе) 43. Постоянные магниты 42 на приспособлении аналогичны магнитам 40, закрепленным на пластине 39. (фиг 10).
При ручном переключении в исходное состояние шарикоподшипник 15 выходит из фиксирующей выемки 38. не препятствуя повороту инерционного тела 9 и центральной оси 8.
Представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное изобретение (инерционный включатель) предназначено для использования в качестве предохранительного прибора в системах автоматики взрывоопасных технических объектов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение (инерционный включатель) при его осуществлении, способно обеспечить с повышение надежности срабатывания в условиях высокоинтенсивных эксплуатационных вибраций и ударных ускорений, а также безопасность при возможных аварийных ситуациях и расширить его области применения;
- 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.
Следовательно, заявленный инерционный включатель соответствует условию «промышленная применимость».