Устройство крепления
FASTENING DEVICE

Область техники
Изобретение относится к области механики и может быть использовано для крепления различных объектов.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известно резьбовое соединение, выполняемое при помощи болтов или винтов и/или гаек. Недостатком данного технического решения является длительность процесса прикрепления, а также то, что в условиях облучения нейтронами металлические материалы значительно увеличивают свой объем из-за радиационного распухания. Это приводит к тому, что после облучения нейтронами резьбовое или другое точное соединение невозможно разобрать без повреждения соприкасающихся деталей. Таким образом, резко снижается ремонтопригодность устройств, в которых применяется такое крепление.
Имеется также техническое решение крепления деталей, основанное на использовании байонетного соединения (патент на «Байонетное соединение», RU 2370677 С1), которое лишено недостатков, связанных с распуханием металлов под действием нейтронов, т.к. байонетное соединение не требует точных посадок с малыми зазорами между соприкасающимися деталями, и поэтому распухание металла под действием нейтронов не влияет на работоспособность этого соединения.
Недостатком известного байонетного соединения является то, что это соединение может дефрагментироваться на составные части при приложении к нему быстрых знакопеременных нагрузок (таких как кручение, растяжение, сжатие, вибрации и т.п.), которые, кроме того, могут многократно превышать вес закрепленных объектов.
Наиболее близким к заявленному техническому решению, принятое за прототип, является крепление, состоящее из штифтов (опор), расположенных на опорной площадке, приваренной к объекту, к которому осуществляется прикрепление, пружин и запорных устройств, в виде крученых замков, которые держат пружины в сжатом состоянии, удерживая прикрепляемый объект. (Fusion Engineeringand Design 98-99 (2015) 1674-1677). Пружины создают в конструкции прикрепляемого объекта силы, которые позволяют компенсировать силы, воздействующие на объект, а также компенсировать расширение конструкции, в том числе при нагревании.
Недостатком указанного крепления является необходимость защиты пружин от облучения нейтронами, которые снижают эффективность пружин и, кроме того, вызывают распухание запорных устройств, что увеличивает трудности при операциях по замене прикрепляемых объектов.
Раскрытие изобретения
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности удержания прикрепляемых объектов на штатных местах при воздействии на них сил без использования крепежных устройств в виде резьбовых соединений, увеличение надежности и ресурса работы устройства, а также упрощение монтажа (демонтажа) прикрепляемых объектов к объектам, к которым осуществляется прикрепление.
Технический результат заявленного изобретения заключается в том, что крепление осуществляется при помощи байонетного соединения и создания тянущего усилия, которое приложено к прикрепляемому объекту и прижимает этот объект к опорной площадке, расположенной на объекте, к которому осуществляется прикрепление, с силой, превышающей силу отрыва и силу веса прикрепляемого объекта, например при срыве тока плазмы, в случае крепления к вакуумной камере реактора-токамака, т.е. предлагается создание преднапряженной конструкции крепления объекта.
Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что устройство крепления содержит опорную площадку, расположенную на объекте, к которому осуществляется прикрепление, посадочные стержни и запорное устройство, при этом запорное устройство включает в себя штангу с байонетными головками, расположенными с обоих концов штанги, размещенную внутри проходки, соединенную с одной стороны с байонетной втулкой, закрепляемой на прикрепляемом объекте, а с другой стороны соединенную с силовым устройством, опирающимся на внешний фланец проходки и включающим в себя силовую головку, внутри которой размещены поворотный механизм и байонетная поворотная втулка, прикрепленная к силовому узлу, выполненному в виде подвижного фланца, силового цилиндра и силовой фермы, а также винтовые домкраты, установленные между внешним фланцем и силовым подвижным фланцем.
Винтовые домкраты могут иметь привод в виде планетарных механизмов, между внешним фланцем и силовым подвижным фланцем может быть установлен сильфон, внутри и снаружи проходки может быть расположена защита от излучения нейтронов, байонетные втулки могут содержать наружные и внутренние вырезы, устройство крепления может содержать трубопровод откачки.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что обеспечивается удержание прикрепляемых объектов, расположенных на штатных местах на объекте, к которому осуществляется прикрепление, при приложении к ним срывающих сил без использования крепежных устройств в виде резьбовых соединений или точных закладных конструкций, а также исключение использования дополнительного инструмента при креплении прикрепляемых объектов, что упрощает процесс крепления и демонтажа. При этом основные элементы крепления выведены из зоны сильных нагрузок на объект, что увеличивает ресурс работы и надежность устройства.
Краткое описание чертежей
Сущность изобретения поясняется чертежами (на примере крепления кассет дивертора термоядерного реактора-токамака внутри вакуумной камеры), на которых изображено:
На фиг. 1 приведена схема устройства натяжного, где
1 - штанга,
2 - нижняя байонетная головка,
3 - верхняя байонетная головка,
4 - силовая головка,
5 - байонетная поворотная втулка,
6 - поворотный механизм,
7 - силовой подвижный фланец,
8 - силовой цилиндр,
9 - силовая ферма,
10 - внешний фланец,
11 - проходка,
12 - винтовой домкрат,
13 - планетарный механизм,
14 - мягкий пластинчатый сильфон,
15 - защита от излучений нейтронов,
16 - трубопровод откачки,
17 - камера,
18 - дополнительные отверстия для откачки.
На фиг. 2 приведена схема зацепления штанги с кассетой дивертора верхнего, где
19 - байонетная втулка,
20 - корпус прикрепляемого объекта,
21- направляющий штифт,
22 - опорная площадка,
23 - захват сцепления кассеты со штангой манипулятора,
24 - трубопровод подачи охладителя,
25 - трубопровод слива охладителя.
На фиг. 3 приведена схема поворотного механизма штанги, где
3 - верхняя байонетная головка,
26 - шестерня,
27 - зубчатая рейка,
28 - сервопривод перемещения рейки.
На фиг. 4 приведена схема байонетного соединения, где
2 - нижняя байонетная головка,
19 - байонетная втулка.
На фиг. 5 приведен вид нижней байонетной головки 2,
На фиг. 6 приведен вид А на нижнюю байонетную головку 2,
На фиг. 7 приведена схема байонетной втулки 19, где
19 - байонетная втулка,
29 - наружные вырезы,
30 - внутренние вырезы,
31 - ограничительный бурт.
На фиг. 8 приведен вид Б на байонетную втулку 19, где 29 - наружные вырезы.
На фиг. 9 приведен разрез байонетной втулки 19 по В-В, где
29 - наружные вырезы,
30 - внутренние вырезы.
На фиг. 10 приведен разрез байонетной втулки по Г-Г, где
30 - внутренние вырезы,
31 - ограничительный бурт.
Осуществление изобретения
Устройство крепления прикрепляемых объектов, например, внутри камеры 17 реактора-токамака включает в себя штангу 1, снабженную байонетными головками 2 и 3 на обоих концах штанги и дополнительными отверстиями 21 для откачки среды (например, воздуха или газа) и создания вакуума (Фигура 1), силовое устройство, расположенное снаружи камеры 17, включающее в себя силовую головку 4, внутри которой размещены байонетная поворотная втулка 5 и поворотный механизм 6 (Фигура 1). Байонетная поворотная втулка 5 прикреплена сваркой к силовому подвижному фланцу 7, который прикреплен болтами (на чертежах не показаны) к силовому цилиндру 8 и к силовой ферме 9, которая установлена на корпус камеры и представляет собой кольцевую балку, на которую опираются силовые цилиндры 8 с прямым и обратным ходом поршня, создающим тянущие усилия (преднапряжения) в конструкции прикрепляемых объектов. Устройство крепления опирается на внешний фланец 10 проходки 11 сквозь объект, к которому осуществляется прикрепление. Между внешним фланцем 10 проходки 11 и силовым подвижным фланцем 7 установлены винтовые домкраты 12 с приводом в виде планетарных механизмов 13, а также мягкий пластинчатый сильфон 14, который отсекает механизмы устройства от вакуума токамака. Снаружи и внутри проходки 11 расположена защита устройства от излучения нейтронов 15. (Фигура 1).
Каждый прикрепляемый объект 20 (на примере - это кассета дивертора) (Фигура 2) снабжен байонетной втулкой 19 (конструкция аналогична байонетной поворотной втулке 5), прикрепленной сваркой к прикрепляемому объекту 20. Байонетная втулка 19 сцепляется со штангой 1. На корпусе прикрепляемого объекта 20 установлены направляющие штифты 21, которые обеспечивают точную посадку объекта на штатное место на опорной площадке 22 (Фигура 2), прикрепленной к объекту, к которому осуществляется прикрепление. Корпус прикрепляемого объекта 20 снабжен захватом 23 сцепления прикрепляемого объекта 20 со штангой дистанционно управляемого манипулятора (отсутствует на чертежах).
Поворотный механизм 6 штанги 1 может состоять из шестерни 26, прикрепленной к байонетной поворотной втулке 5 поворотного механизма 6, зубчатой рейки 27 и сервопривода 28 перемещения зубчатой рейки 27 (Фигура 3).
Байонетное соединение состоит из головки 2 с байонетными выступами и втулки 19 с наружными вырезами 29, дополнительными внутренними вырезами 30 и ограничительным буртом 31, которые препятствуют расцеплению байонетного соединения при приложении к нему нагрузок (Фигуры 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10).
Усилие натяжения прикрепляемого объекта 20 приложено к внешнему фланцу 10 проходки 11, прикрепленной к объекту, к которому осуществляется прикрепление.
Рассмотрим работу устройства при демонтаже прикрепляемого объекта 20 со штатного места на объекте, к которому осуществляется прикрепление.
После напуска атмосферы внутрь камеры 17 производится вскрытие соответствующего защитного фланца патрубка камеры 17. При этом производится срезка подводящих 24 и отводящих 25 охладитель трубопроводов к этим элементам камеры 17 в зоне, где облучение нейтронами минимально (Фигура 2).
Затем дистанционно управляемый манипулятор (на чертежах не указан) подается внутрь камеры 17 и его управляющая штанга входит в зацепление с захватом 23 соответствующей кассеты и манипулятор берет усилие веса прикрепленного объекта на себя. Далее подается напряжение электрического тока на электромоторы планетарных механизмов 13 винтовых домкратов 12, винты которых отходят от силового подвижного фланца 7. Затем подается давление рабочего вещества (пневматика или гидравлика от компрессора (на чертежах не показан)) на поршень силового цилиндра 8. Шток силового цилиндра 8 перемещает штангу 1 до упора в ограничительный бурт 31 байонетной втулки 19 корпуса прикрепленного объекта 20. Далее подается напряжение электрического тока на электромотор сервопривода перемещения рейки 28, и рейка 27 поворачивает шестерню 26 на определенный угол, выводя из зацепления штангу 1 с прикрепленным объектом. Далее подается давление рабочего вещества от компрессора под поршень силового цилиндра 8, шток которого извлекает нижнюю байонетную головку 2 штанги 1 из втулки байонетной 19 прикрепленного объекта 20. Происходит расцепление штанги 1 с прикрепленным объектом 20. Затем манипулятор снимает кассету со штатного места и, обходя внутрикамерные устройства, извлекает отсоединенный объект из камеры.
Процесс установки новой кассеты на штатное место обратен по сравнению со снятием кассеты. Отличие в том, что после сцепления штанги 1 с корпусом прикрепляемого объекта 20 производится прижатие прикрепляемого объекта к опорной площадке 22 при помощи силового цилиндра 8, шток которого тянет прикрепляемый объект с усилием, обеспечивающим неподвижность прикрепляемого объекта от сил, воздействующих на прикрепляемый объект 20, осуществляя, таким образом, преднапряжение штанги 1. Затем включаются электромоторы механизмов планетарных 13 винтовых домкратов 12, которые, выдвигая винты домкратов 12 до упора в силовой подвижный фланец 7 силовой головки 4, производят силовое замыкание устройства крепления. После этих процедур снимается напряжение электрического тока со всех планетарных механизмов 13, сервопривода перемещения рейки 28 и снимается давление рабочего вещества в силовом цилиндре 8. В таком состоянии все детали силового устройства работают только за счет механического контакта между собой - электричество приводов и давление рабочего вещества силового цилиндра отключены.
Трубопроводы охлаждения новой кассеты (подводящий 24 и отводящий 25) соединяются со стационарными трубопроводами (не показаны) при помощи сварки в зоне, где влияние облучения нейтронами минимально, т.е. за защитой.
При необходимости, также возможно извлечь штангу 1 из силового устройства при помощи манипулятора. Для этого штанга манипулятора снабжается дополнительным захватом для сцепления со штангой 1. Затем штанга манипулятора перемещает штангу 1 до упора в ограничительный бурт 31 байонетной поворотной втулки 5 поворотного устройства 6 и поворачивает штангу 1 на определенный угол, выводя штангу 1 из зацепления с поворотным механизмом 6 поворотной байонетной втулки 5. Далее манипулятор извлекает штангу 1 из камеры 17.
Таким образом, заявленное изобретение решает следующую основную проблему, а именно: обеспечение ремонтопригодности прикрепляемых объектов и устройства крепления, т.к. все основные элементы крепления выведены из зоны сильных нагрузок на объект, что обеспечивает их длительную, надежную работу.