РАЗМЫКАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
CIRCUIT BREAKER

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам, предназначенным для срабатывания в аварийном режиме, например, для обеспечения пожаро-взрыво-безопасности технических систем.
Из уровня техники известно устройство размыкателя электрической пени (патент РФ №2402124, МПК H01R 13/62. публ. 20.10.2010 г.), содержащее вилку, розетку, термочувствительный исполнительный элемент, который для отстыковки вилки от розетки выполнен из сплава с памятью формы и свободно размещен между опорными поверхностями, выполненными на вилке и розетке, или зафиксирован, по крайней мере, на одной из опорных поверхностей. Известный размыкатель обеспечивает необратимое размыкание электрических цепей.
Недостатком известного устройства является отсутствие возможности размыкания электрической цепи в виде жгута, что возможно только при его разрыве или перерезании.
Известно устройство для перерезания электрического жгута (патент РФ №2588963, МПК B21F 11/00. публ. 10.07.2016 г.). в котором имеется разметенный в корпусе исполнительный механизм, выполненный в виде режущего инструмента, соединенный при помощи штифта с поршнем, и пусковой механизм, выполненный в виде размешенных на поршне термочувствительных элементов тарельчатого типа из сплава с памятью формы (СПФ).
Недостатком известного устройства является отсутствие возможности достижения значительных перемещений режущего инструмента и использования его при повышении температуры окружающей среды выше 100°С.
Известно устройство электрического размыкателя (патент РФ №2120164, МПК H01R 13/62. публ. 10.10.1998 г.). содержащее в корпусе нож. выполненный в виде пластины из СПФ. над режущей кромкой которого выполнено отверстие, в котором установлена диэлектрическая вставка, совмещаемая с перерезаемыми частями жгута после срабатывания устройства. На ноже между местом закрепления его в корпусе и отверстием для диэлектрической вставки выполнено продольное осевое сквозное отверстие прямоугольной формы, а части пластины, расположенные вдоль больших сторон отверстия, изогнуты в противоположные стороны относительно его плоскости. На ноже выполнены выступы, расположенные между нижней кромкой продольного осевого сквозного отверстия и диэлектрической вставкой, которые ограничивают движение ножа до заданною уровня. Перпендикулярно режущей кромке ножа выполнен канал для прокладки жгута.
К недостаткам известного устройства относится отсутствие возможности наведения равнозначной деформации частям пластины ножа при изгибе их в противоположные стороны относительно плоскости ее, что приведет к перекосу ножа, а кроме того, поскольку рабочее пространство размыкателя постоянно, то проблематично использование пластины из СПФ различной конфигурации и размеров для изменения величины усилия и траектории перемещения ножа.
Актуальность решаемой технической проблемы основана на необходимости обеспечения безопасности работы систем автоматики при аварийном повышении температуры окружающей среды выше 100°С путем оперативного размыкания электрической цепи в виде жаростойкого электрического жгута, питающей эту систему.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке устройства, обеспечивающего разрыв электрической цепи в виде жаростойкого жгута при повышении температуры окружающей среды выше 100°С за счет обеспечения возможности регулирования рабочего пространства и проверки температуры аварийного срабатывания устройства в системах безопасности.
Техническим результатом, обеспечиваемым при использовании предлагаемого устройства, является обеспечение:
- возможности точного наведения деформации изгиба рабочему термочувствительному элементу устройства безопасности перерезающего типа:
- возможности изменения рабочего пространства устройства безопасности за счет наличия ряда отверстий на боковых поверхностях в верхней стойке и наличия на боковых сторонах нижней стойки отверстий с резьбой для соединения с верхней стойкой болтами;
- расширения диапазона температур аварийного перерезания жаростойких электрических жгутов выше 100°С за счет применения сплавов с высокотемпературной памятью формы (СВПФ) для изготовления термочувствительных элементов устройства безопасности;
- возможности увеличения хода и усилия при перерезании жаростойкого электрического жгута за счет изменения габаритов рабочего термочувствительного элемента;
- повышения надежности срабатывания устройства безопасности за счет возможности предварительного определения температур формовосстановления и величин развиваемых реактивных усилий изогнутых рабочих термочувствительных элементов привода, изготовляемых из СВПФ перед установкой их в изделие машиностроения;
- упрощения и обеспечения большей компактности устройства безопасности.
Указанные задача и новый технический результат обеспечивается тем, что в отличие от известного устройства размыкателя электрической цепи, содержащего режущий инструмент в виде ножа и привод для режущего инструмента, согласно изобретению устройство содержит основание, нижнюю и верхнюю стойки, соединенные между собой разъемно, нож для перерезания жаростойкого электрического жгута, снабженный прижимом и размещенный над нижней стойкой, основание и нижняя стойка соединены между собой разъемно посредством четырех винтов, концевые части которых являются направляющими для прижима, и на которых установлены четыре центрирующие пружины, диаметр каждой из которых равен диаметру соответствующего винта, в качестве привода для ножа, имеющего острозаточенную под наклоном к оси ножа режущую кромку, в прижиме в имеющийся в нем глухой цилиндрический паз вставлен, по крайней мере, один термочувствительный элемент, выполненный в виде деформированной пластины из СВПФ, в середине нижней стойки выполнен горизонтальный паз, в который установлен подлежащий перерезанию жаростойкий электрический жгут, а перпендикулярно упомянутому пазу в нижней части стойки выполнен вертикальный паз для установки ножа, направленного острой режущей кромкой к жаростойкому электрическому жгуту, в боковых поверхностях верхней и нижней стоек выполнены отверстия для вставки болтов для соединения верхней и нижней стоек между собой, а термочувствительные элементы, служащие в качестве привода, выполнены из сплава с высокотемпературной памятью формы, характеризующегося температурой формовосстановления более 100°С.
На фигурах 1. 2 и 3 схематично изображен пример конструкции устройства размыкателя электрической цепи, где 1 - прижим с ножом 2, 3 - основание, 4 - стойка нижняя, 5 - стойка верхняя. 6 - винт, 7 - пружина. 8 - термочувствительный рабочий элемент, 9 - цилиндрический глухой паз в прижиме 1, 10 - паз в верхней стойке 5, 11 - жаропрочный электрический кабель, 12 - болт, 13 - шайба, 14 - отверстия в боковых стенках стойки верхней 5, 15 - винт, 16 - гайка, 17 - шайба.
Для обеспечения работоспособности устройства размыкателя нож 2 с прижимом 1, у которого в верхней части имеется цилиндрический глухой паз 9 (см. фиг. 2), закрепляют при помощи винтового соединения 15, 16, 17. Основание 3 при помощи четырех винтов 6 соединяют с нижней стойкой 4. На верхнюю цилиндрическую часть винтов 6 устанавливают четыре пружины 7 и прижим 1 в сборе с ножом 2. Для получения термочувствительного рабочего элемента 8 (см. фиг.1), предварительно термообработанной заготовке, изготовленной из СВПФ, в мартенситном состоянии наводится деформация изгибом. Затем рабочий элемент 8 в виде деформированной (изогнутой) пластины устанавливают в паз 9 прижима 1 и в паз 10 верхней стойки 5, а жаростойкий электрический кабель 11 - в паз нижней стойки 4. Нижнюю 4 и верхнюю 5 стойки соединяют при помощи болта 12 и шайбы 13. При нагреве до температуры реализации эффекта памяти формы, термочувствительный элемент 8 выпрямляется, преодолевая сопротивление пружин 7, и в качестве силового привода воздействует на прижим 1 с ножом 2. Нож своей направленной вниз острой режущей кромкой перерезает жаростойкий электрический кабель 11 и упирается в основание 3. Для увеличения хода или усилий при перерезании ножом 2 кабеля 11 по бокам верхней стойки 5 делают отверстия 14 (см. фиг. 3), а на боковых сторонах нижней стойки 4 имеются отверстия с резьбой для соединения с верхней стойкой 5 болтовым соединением 12, 13. Это позволяет изменять рабочее пространство и использовать термочувствительные исполнительные элементы 8 различных размеров.
нар
50,0
47,5
2,5
2
Изготовленное устройство размыкателя электрической цепи было использовано для перерезания жаростойких электрических кабелей с наружными диаметрами d = (3,4-5,0) мм и сечением медных проводов (0,2-1,5) мм. Термочувствительные исполнительные элементы изготавливали в виде пластин из сплава NiTiHf, ат. %. Отожженным в вакууме (850°С, 1 ч охлаждение с печью) пластинам наводили в мартенснтном состоянии деформацию изгибом. Затем продеформированные рабочие термочувствительные элементы поочередно устанавливали в макет устройства размыкателя, а сам макет помещали в вертикальную раздвижную трубчатую печь VST 12/-/200. Далее макет устройства нагревали до температуры Т = 200°C с темпом нагрева 34°С/мин. Регистрацию температуры вели по терморегулятору ТРМ-200, в качестве датчика температуры использовали термопару ТХА, установленную на рабочих элементах размыкателя. Измерение высоты термочувствительных элементов при их формовосстановдении регистрировали при помощи датчика линейных измерений на блоке индикации модели EG-101P с точностью до 0,001 мм. Усилия, развиваемые рабочими элементами, регистрировали по показаниям монитора управляющего компьютера испытательной машины UTS-100K.
Возможность промышленной реализации изобретения подтверждено следующим примером.
Пример 1. Определение работоспособности проводилось экспериментально в лабораторных условиях на макете устройства безопасности.
Установлено, что максимальные реактивные усилия (от 610 до 920 Н), достаточны для того, чтобы нож, перерезал вышеуказанные жаростойкие электрические кабеля. При этом начало формовосстановления находится на уровне 110°С, а окончание происходит при температуре 150°С.
50
30
20
ср
рез
нар
Аналогично проведены эксперименты с использованием термочувствительных элементов, изготовленных из сплава TiPdNi, ат. %. В результате исследований выявлено, что при нагреве в течение 9 мин от температуры T = 30°С до Т = 320°С (V = 32,2°С/мин). за счет проявления ЭПФ развивались реактивные усилия; при этом развитие основных усилий началось при температуре ЭПФ = 245°С. Установлено, что при достижении усилия F = 434 Н (при температуре 300°С) произошло перерезание жаростойкого электрического кабеля с наружным диаметром d = 4,2 мм.
Таким образом, применение предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом позволит в ряде областей машиностроения, в частности, в ядерной технике, перерезать, жаростойкие электрические кабеля при температурах выше 100°С, обеспечить возможность изменения его рабочего пространства. Это позволит регулировать перемещение и усилие ножа при перерезании электрического жгута, за счет изменения габаритов рабочего термочувствительного элемента, упростить конструкцию и обеспечить большую компактность устройства безопасности.