ИНЕРЦИОННЫЙ ВКЛЮЧАТЕЛЬ
INERTIAL CLOSING SWITCH

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к инерционным включателям для систем автоматики различных летательных аппаратов и систем безопасности подвижных объектов.
В настоящее время известны самые различные конструкции инерционных включателей, однако все они, обладая определенными недостатками, не могут быть использованы в указанных системах для объектов ответственного назначения.
Известен инерционный включатель, содержащий корпус с крышкой, инерционное тело, контакты. Внутренний объем, образованный корпусом и крышкой, заполнен жидкостью [патент РФ №2237310, МПК H01H 35/14, опубл. 27.09.2004 г.]. В данном устройстве инерционное тело выполнено в виде плоского диска и расположено в жидкости во внутреннем объеме корпуса с возможностью плоскопараллельного перемещения между двумя плоскими стенками, причем величина перемещения меньше его диаметра, но больше зазора между стенкой корпуса и плоским диском в его исходном положении.
Известный инерционный включатель не срабатывает (сохраняет исходное состояние) при высокочастотных виброударных аварийных воздействиях и работоспособен при действии вибрации.
Однако он сохраняет исходное состояние при ударных воздействиях только очень малой длительности, при падении на мягкий грунт в составе летательного аппарата возможно срабатывание известного инерционного включателя. Кроме того сработанное состояние инерционного включателя сохраняется только при действии ускорения. Перечисленные недостатки ограничивают область применения в объектах ответственного назначения.
Известен инерционный включатель, содержащий герметичный корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, инерционное тело, поджатое пружиной, контактную систему с поворотным перемыкателем [патент РФ №2221302, МПК H01H 35/14, опубл. 10.01.2004 г]. Данное устройство содержит компенсатор температурного изменения объема жидкости, состоящий из набора отдельных герметичных мембранных коробок - компенсаторов. Корпус выполнен с центральной перегородкой, расположенной между инерционным телом и контактами. В отверстии в центральной перегородке размещен фиксатор, контактирующий с инерционным телом и удерживающий от проворота перемыкатель контактов. В сквозном канале инерционного тела установлен дроссель. Контактная система выполнена в виде пар контактов скользящего типа и поворотного перемыкателя.
Известный инерционный включатель обеспечивает сохранение исходного состояния при высокочастотных виброударных воздействиях в служебном обращении и аварийных ситуациях и сохранение сработанного состояния при прекращении действия линейного ускорения.
Однако в исходном состоянии инерционного включателя контакты, предназначенные для подключения электрических цепей, опираются на стенку перемыкателя, выполненную из изоляционного материала, при этом на контактах неизбежно появление токонепроводящих пленок и частиц износа изолятора, значительно ухудшающих электрические параметры (сопротивление) контактов. Микроперемещения перемыкателя в зоне взаимодействия с контактами от виброударных воздействий при длительной эксплуатации инерционного включателя могут увеличить сопротивление контактов вплоть до потери их работоспособности, то есть надежность известного инерционного включателя недостаточна.
Применение известного инерционного включателя ограничено значением ускорений в боковых направлениях, которые неизбежно присутствуют, например, в высокоманевренных летательных аппаратах с различными типами движителей. Точнее ограничено соотношением ускорений в боковых и осевом (рабочем) направлениях. Ускорения в боковых направлениях значительно увеличивают силу трения, действующую на массивное протяженное цилиндрическое инерционное тело, контактирующее с внутренней цилиндрической поверхностью корпуса значительной внешней цилиндрической поверхностью. При больших ускорениях в боковых направлениях сила трения, препятствующая перемещению инерционного тела, значительно возрастает, увеличивая погрешность по интегралу срабатывания, и надежная работа инерционного включателя в этих условиях не гарантируется. Все это ограничивает эксплуатационные возможности инерционного включателя и сужает его область применения.
Данный инерционный включатель рассматривается в качестве прототипа заявляемого инерционного включателя.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности сохранения исходного состояния в служебном обращении и аварийных ситуациях и повышение надежности срабатывания в составе объекта применения.
Указанный технический результат достигается тем, что инерционный включатель, содержащий герметичный корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, с размещенными в нем инерционным телом, поджатым пружиной, и контактной системой с перемыкателем, согласно изобретению в корпус установлена вдоль центральной оси цилиндрическая направляющая, на которой соосно размещены инерционное тело и перемыкатель контактной системы, между которыми размещена взаимно отжимающая их пружина, при этом на обращенных друг к другу торцах инерционного тела и перемыкателя закреплены постоянные магниты разноименными полюсами друг к другу, также на цилиндрической направляющей имеется выступ, ограничивающий осевое перемещение инерционного тела и перемыкателя навстречу друг другу, при этом осевой ход инерционного тела многократно превосходит осевой ход перемыкателя, величина которого минимальна, но достаточна для переключения контактной системы.
Размещение инерционного тела и перемыкателя на цилиндрической направляющей, установленной вдоль центральной оси корпуса, с взаимно отжимающей их пружиной, позволяет использовать пружину как для удержания инерционного тела в исходном положении, так и для удержания перемыкателя в исходном состоянии контактной системы.
Закрепление на обращенных друг к другу торцах инерционного тела и перемыкателя постоянных магнитов разноименными полюсами друг к другу и ограничение осевых перемещений инерционного тела и перемыкателя выступом на цилиндрической направляющей с указанным их соотношением позволяет обеспечить «падающую» силовую характеристику системы инерционное тело-пружина-магниты и обеспечить сохранение переключенного состояния контактной системы.
Перемещение инерционного тела практически пропорционально интегралу от ускорения (уставке), при котором срабатывает инерционный включатель, то есть величиной перемещения возможно настраивать эту уставку.
Небольшой ход (перемещение) перемыкателя, достаточный для перемещения переключателя (переключения контактной системы), обеспечивает требуемое усилие магнитов для переключения контактной системы, при котором необходимо преодолевать усилие пружины, инерционную силу, действующую на перемыкатель, силу трения, препятствующую перемещению перемыкателя на цилиндрической направляющей и силу от взаимодействия упругих контактов.
Значительный ход инерционного тела дает возможность уменьшить влияние постоянных магнитов на результирующую силовую характеристику системы «инерционное тело-пружина-магниты» на начальном участке перемещения инерционного тела, позволяя использование постоянных магнитов с большой энергетикой для надежного сохранения переключенного состояния контактной системы.
Кроме того, размещение инерционного тела на цилиндрической направляющей с образованием кольцевого зазора между ними, в которое установлены втулки из антифрикционного материала, позволяет уменьшить трение при движении инерционного тела, что приводит к уменьшению погрешности срабатывания по ускорению и повышению надежности.
А выполнение инерционного тела из тяжелого сплава обеспечивает значительную массу, что позволяет усилить пружину для оптимизации параметров всей системы «инерционное тело-пружина-магниты», обеспечивает надежное переключение и сохранение переключенного состояния контактной системы инерционного включателя.
Кроме того, установка инерционного тела и перемыкателя контактной системы в исходных положениях с зазорами их противоположных торцов с корпусными деталями исключает их «залипание» в исходном состоянии, которое может привести к несрабатыванию инерционного включателя.
Указанные преимущества значительно повышают надежность инерционного включателя.
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 осевой разрез инерционного включателя в исходном состоянии;
на фиг. 2 - осевой разрез инерционного включателя в промежуточном состоянии, инерционное тело переместилось на цилиндрической направляющей до организованного на ней выступа. Перемыкатель контактной системы - в исходном состоянии;
на фиг. 3 - осевой разрез инерционного включателя в сработанном состоянии. Инерционное тело и перемыкатель переместились на цилиндрической направляющей до организованного на ней выступа;
на фиг. 4 - конструкция контактной системы;
на фиг. 5 представлены графики зависимости усилий, действующих на инерционное тело, от расстояния между постоянными магнитами.
На чертежах фиг. 1-4 принимаются следующие обозначения.
1 - корпус;
2 - демпфирующая жидкость;
3 - инерционное тело;
4 - пружина;
5 - контактная система;
6 - цилиндрическая направляющая;
7 - перемыкатель;
8 - постоянный магнит инерционного тела;
9 - постоянный магнит перемыкателя;
10 - выступ;
11 - втулка;
12 - втулка;
13 - упругий контакт;
14 - токовывод;
15 - изолятор;
16 - крышка;
17 - токопроводящий нож;
18 - изолятор;
19 - сильфон;
20 - защитный кожух;
21 - отверстие для сообщения с внешней средой;
22 - отверстие для сообщения с сильфоном;
23 - крышка.
Инерционный включатель выполнен следующим образом.
В герметичном цилиндрическом корпусе 1 (фиг. 1 - 4), заполненном демпфирующей изоляционной жидкостью 2, например ПМС-5 или ПМС-10 ГОСТ 13032-77, размещены инерционное тело 3, поджатое пружиной 4, и контактная система 5. Инерционное тело 3 выполнено из «тяжелого» вольфрамового немагнитного сплава типа ВНМ3-2. Демпфирующая жидкость 2 имеет рабочий диапазон температур, с запасом перекрывающий диапазон температур эксплуатации инерционного включателя. Инерционное тело 3 и перемыкатель 7 контактной системы 5 установлены соосно на цилиндрической направляющей 6, размещенной вдоль центральной оси корпуса 1. На обращенных друг к другу торцах инерционного тела 3 и перемыкателя 7 закреплены соответственно постоянные магниты 8, 9. Магниты 8, 9 закреплены разноименными полюсами друг к другу. Цилиндрическая пружина 4 размещена между инерционным телом 3 и перемыкателем 7. На цилиндрической направляющей 6 между инерционным телом 3 и перемыкателем 7 выполнен выступ 10, ограничивающий осевые перемещения навстречу друг к другу инерционного тела 3 и перемыкателя 7. Осевой ход Х1 инерционного тела 3 многократно превосходит осевой ход Х2 перемыкателя 7, который минимален, но достаточен для переключения контактной системы 5.
Инерционное тело 3 установлено на цилиндрической направляющей 6 на втулках 11, 12, выполненных из антифрикционного материала для снижения трения скольжения при движении инерционного тела 3 на цилиндрической направляющей 6.
Инерционное тело 3 и перемыкатель 7 установлены в исходных осевых положениях с зазорами b и е их противоположных торцов соответственно (фиг. 1) с корпусными деталями (крышками 16, 23). Организованные таким образом зазоры исключают «залипание» инерционного тела 3 и перемыкателя 7 в начале их движения.
Между торцами постоянных магнитов 8, 9 при встречно перемещенном состоянии до упора в выступ 10 инерционного тела 3 и перемыкателя 7 организован гарантированный минимальный зазор (на чертежах не показан), исключающий касание торцов магнитов 8, 9, следовательно, предотвращающий их разрушение при значительных механических воздействиях. Инерционное тело 3 и перемыкатель 7 сопряжены по внешнему диаметру с внутренним диаметром корпуса 1 и по внутреннему диаметру с внешним диаметром цилиндрической направляющей 6 с малым, но гарантируемым в требуемом диапазоне температур эксплуатации инерционного включателя, зазором, обеспечивающем подвижность инерционного тела и перемыкателя.
Контактная система 5 состоит из упругих U-образных контактов 13, закрепленных на токовыводах 14 двух уровней, размещенных на крышке 16 по окружности вокруг перемыкателя 7. Токовыводы 14 закреплены на крышке 16 через изоляторы 15. В изоляторе 18 перемыкателя 7 армированы V-образные токопроводящие ножи 17, взаимодействующие с упругими контактами 13 при переключении контактной системы 5. Контактная система 5 переключается перемещающимся по цилиндрической направляющей 6 перемыкателем 7. Конструкция контактной системы 5 с осевым перемещением перемыкателя 7 обеспечивает увеличенное число контактов со стабильными электрическими параметрами при ограниченном диаметре контактной системы, а, следовательно, и прибора в целом. На фиг. 4 показана конструкторская реализация в приборе 8 контактов. Соотношение размыкающих и замыкающих контактов может быть любым.
Сильфон 19 закреплен на крышке 23. Внутренний объем сильфона 19 через отверстия 22 соединен с внутренним объемом корпуса 1 и выполняет функцию компенсатора температурного изменения объема жидкости 2, заполняющей прибор. Возможные повреждения сильфона 19 предотвращает защитный кожух 20, закрепленный с торца корпуса 1.
Выполнение инерционного тела 3 из «тяжелого» вольфрамового немагнитного сплава типа ВНМ3-2 обеспечивает значительную массу. Увеличение массы инерционного тела 3 позволяет усилить пружину 4 для оптимизации параметров всей системы «инерционное тело 3 - пружина 4 - магниты 8, 9», реализующих зависимости, приведенные на фиг. 5 и обеспечивающих надежное переключение и сохранение переключенного состояния контактной системы 5 инерционного включателя. Кроме того указанный сплав является немагнитным, вследствие чего постоянный магнит 8 может быть закреплен непосредственно на инерционном теле 3.
Инерционный включатель работает следующим образом.
а
При наличии ускорения  (фиг. 2) в направлении оси чувствительности с величиной, обеспечивающей превышение усилия предварительного поджатия пружины 4, инерционное тело 3 начинает перемещаться, сжимая пружину 4. Демпфирующая жидкость 2 перетекает через кольцевой зазор между корпусом 1 и фланцем инерционного тела 3, а также через зазоры между втулками 11, 12 и цилиндрической направляющей 6, отслеживая величиной расхода жидкости 2 через зазоры значение действующего линейного ускорения, то есть интегрируется ускорение. Перемещение Х1 инерционного тела 3 ограничивается выступом 10 (фиг. 2). Возросшее усилие взаимного притяжения постоянных магнитов 8, 9 преодолевает усилие пружины 4 и силу инерции, действующую на перемыкатель 7, перемещает перемыкатель 7 в противоположную сторону на величину Х2 также до упора в выступ 10 (фиг. 3). При этом соответствующие токопроводящие ножи 17 перемыкателя 7 выходят из взаимодействия с упругими контактами 13 верхнего уровня и взаимодействуют с упругими контактами 13 нижнего уровня, формируя электрические цепи.
пр
м
рез
н
к
Характерные графики, поясняющие зависимость сил, действующих на инерционное тело 3 в осевом направлении при его перемещении из исходного положение в конечное, показаны на фиг. 5, где F - сила пружины 4; F - сила взаимодействия постоянных магнитов 8, 9; F - результирующая (суммарная) сила пружины 4 и постоянных магнитов 8, 9, действующая на инерционное тело 3; F - результирующая сила в начале движения; F - результирующая сила в конце движения; Х1 - полный ход (осевое перемещение) инерционного тела 3 по оси х; Х2 - полный ход (осевое перемещение) перемыкателя 7 в направлении, противоположном оси х.
рез
Графики демонстрируют то, что результирующее (суммарное) силовое воздействие F пружины 4 и постоянных магнитов 8, 9 на инерционное тело 3 на большем участке его движения положительное (фиг. 5), то есть стремиться возвратить инерционное тело 3 в исходное положение, а на конечном участке - отрицательное, то есть способствует перемещению инерционного тела 3 в конечное осевое положение и удерживает его в этом положении.
При сближении постоянных магнитов 8, 9 из-за перемещения перемыкателя 7 к инерционному телу 3 на величину Х2 резко возросшее усилие взаимодействия магнитов 8, 9 обеспечивает сохранение переключенного состояния контактной системы 5 (фиг 3).
Между торцами постоянных магнитов 8, 9 при встречно перемещенном до упора в выступ 10 на цилиндрической направляющей 6 инерционном теле 3 и перемыкателе 7 состоянии организован гарантированный минимальный зазор (на чертежах не показан), исключающий касание торцов постоянных магнитов 8, 9.
Техническое решение инерционного включателя позволяет обеспечить «падающую» силовую характеристику системы «инерционное тело 3 - пружина 4 - магниты 8, 9» и обеспечить сохранение переключенного состояния контактной системы 5. Перемещение инерционного тела 3 практически пропорционально интегралу от ускорения (уставке), при котором срабатывает инерционный включатель, то есть величиной перемещения возможно настраивать эту уставку. Перемещение перемыкателя 7 Х2 должно быть минимальным, но достаточным для надежного переключения контактной системы 5, и вместе с тем должно обеспечивать требуемое минимальное усилие взаимодействия магнитов 8, 9, достаточное для переключения контактной системы 5, при котором необходимо преодолевать усилие пружины 4, инерционную силу, действующую на перемыкатель 7, силу трения, препятствующую перемещению перемыкателя 7 на цилиндрической направляющей 6 и силу от взаимодействия упругих контактов 13 с проводящими ножами 17. Значительный ход инерционного тела 3 Х1 позволяет уменьшить влияние постоянных магнитов 8, 9 на результирующую силовую характеристику системы «инерционное тело 3 - пружина 4 - магниты 8, 9» на начальном участке перемещения инерционного тела 3, позволяя использование постоянных магнитов 8, 9 с большой энергетикой, которая необходима для надежного сохранения переключенного состояния контактной системы 5.
В процессе изготовления и приемки инерционный включатель может быть взведен (переведен из сработанного состояние в исходное) приспособлением с постоянными магнитами (на чертежах не показано), устанавливаемым на корпус 1. При этом инерционное тело 3 за счет взаимодействия постоянного магнита приспособления с постоянным магнитом 8 перемещается в исходное положение. Также возможно взведение инерционного включателя на центробежной установке, обеспечивающей создание значительных ускорений в направлении, противоположном оси чувствительности прибора. Возможность многократного срабатывания и взведения инерционного включателя обеспечивает достоверное подтверждение качества его изготовления, следовательно, и надежности в течение последующего срока эксплуатации.
Обеспечение расходом жидкости через кольцевой зазор между корпусом 1 и фланцем инерционного тела 3, а также через зазоры между втулками 11, 12 и цилиндрической направляющей 6 интегрирования действующего в направлении срабатывания линейного ускорения исключает срабатывание прибора от ударных аварийных воздействий.
Малый расход жидкости 2 через кольцевые зазоры между перемыкателем 7 с корпусом 1 и цилиндрической направляющей 6 и значительно меньшая масса перемыкателя 7 по сравнению с массой инерционного тела 3 исключают изменения исходного состояния контактной системы 5 при ударных воздействиях.
Таким образом, совокупность всех изложенных выше признаков создает условия обеспечения широкого применения инерционного включателя в системах автоматики различных летательных аппаратов и систем безопасности подвижных объектов.
Представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- заявляемый инерционный включатель предназначен для использования в системах автоматики различных летательных аппаратов и систем безопасности подвижных объектов;
- заявляемый инерционный включатель при использовании способен повысить надежность сохранения исходного состояния в служебном обращении и аварийных ситуациях и повысить надежность срабатывания в составе объекта 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».