ОПТИКО-ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СОЕДИНИТЕЛЬ
OPTOELECTRONIC CONNECTOR

Изобретение относится к разъемным соединителям оптико-электрических линий передачи информации и может быть использовано в качестве герметичного многоканального оптико-электрического соединителя, работающего в условиях высокого давления и больших перегрузок.
Известен соединитель кабелей [патент JP №2003157926, МПК H01R 13/46, G02B 6/38, опубл. 30.05.2003 г], который содержит розетку и вилку. Корпусы розетки и вилки каждый состоят из двух прикрепленных друг к другу частей, которые противоположно и попарно предназначены: одна пара для фиксации и контактирования торцов стекловолокон соединяемых друг с другом оптических линий, другая пара - для размещения в них контактов и гнезд, присоединяемых к ним жил электрических проводов.
Однако недостатками известного соединителя являются сложность конструкции и ограниченные функциональные возможности из-за того, что с его помощью можно соединить только один оптический полюс, а также из-за того, что ввиду недостаточной степени герметизации внутреннего пространства, известный соединитель не применим для соединения подводных кабелей.
Известен оптико-электрический соединитель [патент RU №2 501 139, МПК H02G 15/08, G02B 6/36, опубл. 10.12.2013, бюл. №34], который включает в себя розетки и вилки, содержащих корпусы, электрические контакты и гнезда для них, феррулы для световодов и оптические центраторы ответных друг другу феррул, причем в отверстиях корпуса вилки, выполненном цилиндрическим и за единое целое, установлены феррулы для световодов с радиальными уплотнителями, а также размещены стеклоизоляторы, в которых установлены электрические контакты, при этом в корпусе розетки, выполненном цилиндрическим и за единое целое, установлен изолятор, в отверстиях которого установлены подпружиненные феррулы для световодов, а также размещены гнезда для электрических контактов, а на хвостовой части корпуса розетки установлен защитный чехол от затекания жидкости во внутреннюю полость соединителя. В известном соединителе изолятор состоит из двух сочленяемых частей - основной и стыковочной. В отверстиях основной части изолятора размещены стеклоизоляторы, в которых установлены электрические контакты, феррулы для световодов розетки, установленные в отверстиях основного изолятора, уплотнены радиальными уплотнителями. В стыковочной части изолятора размещены гнезда под электрические контакты и выполнены отверстия под оптические центраторы, в которые входят наконечники ответных друг другу феррул. Известное устройство может быть использовано для подсоединения оптико-электрических кабелей к приборам, располагаемым на морском дне. Данный соединитель взят за прототип.
Однако недостатком прототипа является недостаточная надежность стыковки оптических световодов многоканального герметичного оптико-электрического соединителя, а также сложность конструкции и связанная с этим высокая трудоемкость изготовления деталей соединителя.
Из области техники известно, что в оптических соединителях важнейшим условием работоспособности является минимизация оптических потерь, величина которых определяется надежностью стыковки разъемного соединителя, т.е. степенью перекрытия торцов стыкуемых оптических световодов. На несоосность световодов в соединителе может влиять ряд факторов: допуск несоосности волокна в оптическом наконечнике; допуск несоосности оптического наконечника в корпусе феррулы; допуск несоосности феррулы в отверстии корпуса, складывающийся из позиционного допуска на расположение относительно общей базы; величина зазора феррулы и корпуса; допуска несоосности двух баз (вилка, розетка) и т.д. Первые два фактора могут частично минимизироваться специальными оптическими наконечниками строгой геометрии, выполненными из металла, керамики, стекла. Остальные факторы могут минимизироваться как строгими допусками на изготовление соответствующих деталей, так и применением различных компенсаторов. А изготовление деталей строгой геометрии минимальных допусков является сложной технологической задачей, требующей специализированного металлорежущего оборудования, а также предполагает сложный технологический процесс изготовления и как следствие - высокую стоимость. Известно, что при конструировании оптических соединителей строгая стыковка наконечников феррул обеспечивается прецизионной втулкой, устанавливаемой в оптический центратор. При стыковке наконечники феррул заходят в прецизионную втулку плотно, практически без зазора. При наличии несоосностей феррул вилок, розеток с использованием оптических центраторов конструкция многоканального соединителя должна обеспечивать возможность радиального смещения хотя бы одной из имеющихся феррул.
Однако конструкция прототипа этого не обеспечивает. Наличие в конструкции прототипа последовательно расположенных изоляторов (основного и стыковочного) ведет к тому, что для работоспособности соединителя необходимо обеспечить общую строгую соосность как ступенчатых отверстий под феррулы вилки и розетки, так и оптических центраторов многоканального соединителя. В прототипе при стыковке феррул вилки оси прецизионных втулок центраторов, сориентированные по осям феррул основного изолятора, должны быть соосны осям наконечников феррул вилки, тогда лишь прецизионные втулки центраторов плотно наденутся на наконечники феррул вилки. Однако в случае даже незначительной несоосности заходыые фаски стыкуемых элементов упрутся друг в друга кромками, создавая перекос, а при прикладывании значительного осевого усилия имеющийся перекос создаст значительные радиальные нагрузки в стыкуемых элементах, и один из элементов (прецизионная втулка) может разрушиться.
По мнению авторов, можно предположить, что требуемое радиальное смещение феррул, необходимое для компенсации перекоса, в прототипе может обеспечить зазор между феррулой и ступенчатым отверстием под нее в корпусе. Однако в конструкции прототипа феррулы снабжены радиальными уплотнителями, как правило, выполненными из резины твердых сортов, и при радиальном смещении феррул (за счет перекоса наконечника феррулы в прецизионных втулках) радиальный уплотнитель деформируется в пределах указанного компенсационного зазора (как правило, небольшого). Если зазор мал, то произойдет «закусывание» подпружиненных феррул в ступенчатом отверстии, что создаст дополнительное трение, противодействующее усилию пружины. Таким образом, осевое усилие стыковки феррулы в оптическом центраторе за счет перекоса увеличится и может превзойти усилие пружины, что приведет к ненадежной стыковке феррул между собой, к поломке прецизионных втулок оптических центраторов. Данный недостаток усиливается в условиях значительного рабочего давления при наличии в конструкции нескольких радиальных уплотнителей из резины твердых сортов. Кроме того, удовлетворение условию взаимозаменяемости в пределах партии, необходимой для замены при регламентных работах или аварийных ситуациях, и условию обеспечения строгих допусков изготовления может привести к технологическому отсеву (браку).
Для возможности применения соединителя в условиях высокого давления и больших перегрузок в конструкции прототипа предусмотрено несколько контуров герметизации: а именно, место стыка корпусов вилки и розетки соединителя; герметизация феррул вилки и электрических контактов в корпусе вилки; герметизация основного изолятора, электрических контактов и феррул в корпусе розетки; а также герметизация оптико-электрического кабеля в хвостовой части корпуса розетки. Однако, по мнению авторов, введение ряда контуров герметизации в конструкции прототипа не обоснованно. Так, в случае разгерметизации места стыка корпусов вилки и розетки морская вода может проникнуть в стык между ними и вывести из строя электрические контакты и феррулы. В этом случае морская вода не попадет во внутреннюю полость дорогостоящего оборудования (оптического блока), чему препятствуют стеклоизоляторы электрических контактов и радиальные уплотнения феррул вилки. Поэтому герметизация в прототипе основного изолятора, электрических контактов и феррул розетки, по мнению авторов, излишняя. Наличие герметизации основного изолятора в корпусе розетки приводит к дополнительным регламентным работам по замене уплотнений основного изолятора, по истечении их срока службы. Эти работы проводятся путем полной разборки конструкции розетки в заводских условиях. Поэтому введение контура герметизации основного изолятора в корпусе розетки не обоснованно и приводит к существенному усложнению конструкции (в части введения стыковочного изолятора и прецизионной стыковки феррул) и как следствие - к увеличению стоимости изготовления оптического соединителя и регламентных работ по его эксплуатации. Что касается герметизации феррул, в прототипе здесь помещены два ряда уплотнительных колец (на практике может быть и более). По правилам конструирования и эксплуатации подобных уплотнений существуют регламентные работы, предусматривающие замену уплотнений по истечении их сроков эксплуатации. Так как описанное уплотнение невозможно повредить механически, а имеющаяся в соединителе накидная гайка «законтрена», то разгерметизацию данного места стыка, по мнению авторов, нельзя рассматривать как аварийную ситуацию. Исходя из этого, по мнению авторов, заслуживающим внимания в части герметизации в соединителе является герметизация оптоэлектрического кабеля в хвостовой части корпуса розетки. В прототипе герметизация осуществляется путем плотного облегания кабеля и внутренней поверхности корпуса хвостовика ребристым уплотнителем, поджимаемым гайкой с шайбой и съемным защитным чехлом, выполняющим функцию дополнительной защиты от затекания жидкости во внутреннюю полость соединителя. Недостатком данного вида герметизации является ограниченный срок службы элементов уплотнения (как правило, резины твердых сортов), срок службы которых меньше, чем собственно соединителя и самого кабеля. Это связано с тем, что материал резины подвержен старению, широкий диапазон температур эксплуатации и постоянная деформация уплотнения значительно сокращают срок его службы. Таким образом, во время эксплуатации соединителя необходимо производить или замену розетки, или переборку соединителя с заменой резинотехнических изделий. А ребристый уплотнитель, как правило, является «нестандартным» изделием, поэтому аргументация оптимальных сроков службы является дорогостоящей сложной технической задачей, требующей специальных методик и оборудования, что особенно актуально в военной технике.
Задачей и техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности стыковки оптических световодов многоканального герметичного оптико-электрического соединителя, при упрощении конструкции и снижении трудоемкости изготовления деталей соединителя.
Технический результат достигается тем, что оптико-электрический соединитель, состоящий из розетки и вилки, содержащих корпуса, выполненные цилиндрическими и за единое целое, электрические контакты и гнезда для них, изолятор, феррулы для световодов и оптические центраторы ответных друг другу феррул, причем в отверстиях корпуса вилки установлены феррулы для световодов с радиальными уплотнителями, а также размещены стеклоизоляторы, в которых установлены электрические контакты, при этом в корпусе розетки установлен изолятор, в отверстиях которого размещены гнезда для электрических контактов, а на хвостовой части корпуса розетки установлен защитный чехол от затекания жидкости во внутреннюю полость соединителя, согласно изобретения, феррулы для световодов розетки установлены в отверстия корпуса розетки с охватывающими их плавающими центрирующими муфтами, при этом каждый оптический центратор одним концом жестко прикреплен к каждой ферруле для световода, установленной в вилке, а другим свободным концом введен в указанную муфту с обеспечением стыковки торцов наконечников ответных друг другу феррул вилки и розетки.
Введение в отверстия розетки феррул для световодов розетки с охватывающими их плавающими центрирующими муфтами, при этом каждый оптический центратор одним концом жестко прикреплен к каждой ферруле для световода, установленной в вилке, а другим свободным концом введен в указанную муфту с обеспечением стыковки торцов наконечников ответных друг другу феррул вилки и розетки, позволяет снизить точность изготовления деталей соединителя, упрощая конструкцию и снижая трудоемкость изготовления. При этом плавающие центрирующие муфты способствуют более равномерному распределению радиальных сжимающих сил, центрирующих феррулы соединителя, и позволяют устранить перекосы феррул многоканального оптико-электрического соединителя, что в итоге обеспечивает надежность стыковки наконечников феррул соединителя без оптических потерь.
С целью обеспечения надежности герметизации кабеля и увеличения срока службы соединителя хвостовая часть корпуса розетки выполнена с ребристой наружной поверхностью, а чехол выполнен из пластичного материала, близкого по химическому составу к материалу оболочки кабеля. При напрессовке пластичного материала на кабель и хвостовую часть розетки расплав прессматериала, близкого по химическому составу к оболочке кабеля, диффундирует в поверхностные слои оболочки кабеля, создавая практически монолитное композиционное соединение. При сертификации данного соединения, как правило, его срок службы назначается не менее срока службы самого кабеля, повышая тем самым срок эксплуатации соединителя. А выполнение хвостовой части корпуса с ребристой наружной поверхностью создает n-количество переходов выступ-впадина, создавая «замковые» соединения, устойчивые к осевым нагрузкам на кабель. При этом значительно увеличивается площадь контакта пресс-материала, что обеспечивает надежное соединение его с корпусом розетки. Регламентные работы по замене защитного чехла в ходе эксплуатации не требуются. Таким образом срок службы соединителя возрастает.
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 чертежом, где показан общий вид соединения.
Устройство выполнено следующим образом.
Конструкция оптико-электрического соединителя (фиг.) состоит из вилки 1 и розетки 2. Вилка 1 содержит выполненный цилиндрическим и за единое целое корпус 3. В корпусе 3 выполнены отверстия под феррулы 4 (оптические наконечники) для световодов с радиальными уплотнителями 5, а также размещены отверстия под стеклоизоляторы 6, в которых установлены электрические контакты 7. Феррулы 4 поджаты гайками 8. Розетка 2 содержит выполненный цилиндрическим и за единое целое корпус 9, внутри которого выполнены ступенчатые отверстия под феррулы 11 для световодов. В корпусе 9 также установлен изолятор 10, в котором размещены плавающие гнезда 12 для электрических контактов 7. Феррулы 11 подпружинены пружинами 13. В отверстия корпуса 9 введены охватывающие феррулы 11 плавающие центрирующие муфты 14. Соединитель содержит оптические центраторы 15 ответных друг другу феррул 4 и 11. Каждый центратор 15 одним концом жестко прикреплен к каждой ферруле 4 и поджат гайкой 16, а другим свободным концом введен в муфту 14 с обеспечением стыковки торцов наконечников 17 ответных друг другу феррул 4 и 11. Оптические волокна герметизированы в феррулах 4, 11 клеевыми составами. Причем феррулы 4, 11 внутри центраторов 15 в осевом направлении перемещаются свободно без перекосов. Для однозначной стыковки каналов вилки 1 и розетки 2 предусмотрен направляющий штифт (не показан). Вилка 1 и розетка 2 соединены герметично посредством ряда уплотнительных колец 18 и накидной гайки 19. В средней части корпуса 9 и аксиально ему размещен кронштейн 20 крепления грузонесущего элемента кабеля 21. На хвостовой части корпуса 9, выполненной с ребристой наружной поверхностью А, установлен защитный чехол 22 от затекания жидкости во внутреннюю полость соединителя. Чехол 22 выполнен из пластичного материала, близкого по химическому составу к материалу оболочки кабеля 21, и напрессован на кабель 21 и хвостовую часть корпуса 9, что позволяет получить надежное, монолитное с кабелем соединение. Данное соединение имеет срок эксплуатации, превосходящий срок эксплуатации кабеля. Причем, радиальные уплотнения феррул 4 можно сделать «усиленными», многорядными, что значительно повышает надежность вилки от протечек морской воды в дорогостоящий оптический прибор. Устройство реализуется следующим образом.
Сборку оптических центраторов 15 с феррулами 4 осуществляют за одно целое, обеспечивая надежную стыковку оптических наконечников 17 с соответствующими прецизионными втулками центраторов 15. Здесь оптические центраторы 15 выполняют роль «силовых направляющих». Причем осевые допуска расположения феррул 4 не являются критичными. В ходе сочленения плавающие муфты 14 феррул 11 индивидуально стыкуются с соответствующими им оптическими центраторами 15, ориентируясь по их оси, создавая тем самым комфортные условия для стыковки оптических наконечников 17 феррул 11 с прецизионными втулками оптических центраторов 15. Иными словами, силовая механическая система «оптический центратор - плавающая муфта» компенсирует имеющуюся несоосность стыкующихся феррул 4, 11, создает практически концентричную ориентацию оптического наконечника 17 каждой феррулы 11 и прецизионной втулке оптического центратора 15. Далее оптический наконечник 17 феррулы 11 без перекоса плотно заходит в прецизионную втулку центратора 15. При этом усилие пружины 13 феррулы 11 преодолевает имеющиеся силы трения скольжения наконечника 17 во втулке центратора 15, торцы оптических наконечников 17 феррул 4, 11 упираются друг в друга и при дальнейшей осевой стыковке корпусов 3, 9 упор сохраняется усилием сжимающейся пружины 13.
Таким образом, данное техническое решение обеспечивает надежность стыковки герметичного многоканального оптико-электрического соединителя, его работоспособность в условиях высокого давления и больших перегрузок, исключающую возможные поломки оптических центраторов 15 и прецизионных втулок при имеющихся труднопреодолимых технологических несоосностях феррул 4, 11, стыкуемых розетки 2 и вилки 1. При этом автоматически решается вопрос взаимозаменяемости соединителей.
Предложенная конструкция оптико-электрического соединителя гораздо проще конструктивно, по сравнению с прототипом, в связи с исключением стыковочного изолятора из конструкции устройства и связанных с этим деталей, требующих высокоточного оборудования для изготовления. Данная конструкция оптико-электрического соединителя позволяет производить изготовление деталей конструкции на универсальном программном металлорежущем оборудовании, что снижает трудоемкость изготовления и удешевляет стоимость соединителя.
На предприятии был изготовлен опытный образец, который подтвердил работоспособность заявляемого устройства. Оптико-электрический соединитель был применен для стыковки кабельных линий, соединяющих переборки глубоководного аппарата. Результаты испытаний подтвердили при простоте конструктивного исполнения надежность стыковки многоканального герметичного оптико-электрического соединителя, исключающую оптические потери при передаче информации к приборам подводного объекта.
Итак, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- устройство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, относится к разъемным соединителям оптико-электрических линий передачи информации;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для обеспечения надежности стыковки оптических световодов многоканального герметичного оптико-электрического соединителя, при упрощении конструкции и снижении трудоемкости изготовления деталей соедини геля;
- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".