ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ КОММУТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
ACTUATING SWITCHING DEVICE

Изобретение относится к области приборостроения, в частности, для использования в системах автоматики взрывоопасных технических объектов, которые могут подвергаться аварийным воздействиям.
В настоящее время известны различные конструкции исполнительных коммутирующих устройств с датчиками давления для систем автоматики взрывоопасных технических объектов, однако, они не обеспечивают коммутацию электрических цепей систем автоматики с требуемой надежностью при малых уставочных значениях давления и сохранение исходного состояния своих контактов при возможных аварийных воздействиях, то есть требуемую безопасность. Данное обстоятельство сужает их области применения.
Известно исполнительное коммутирующее устройство [патент РФ №2496177, МПК Н01Н 35/14, опубл. 20.10.2013 г.], содержащее корпус, в котором размещены пороговый датчик перепада давления с мембранами, и контактная система с поворотным на оси перемыкателем, переключаемая электромагнитным приводом.
Данное устройство содержит ротор. Электромагнитный привод выполнен в виде многополюсного поляризованного реле, ротор выполнен в виде якоря, точечно соединенного через шарнирный механизм с осью, на которой жестко закреплен перемыкатель с токопроводящими секторами, взаимодействующими с расположенными по окружности контактами, а якорь имеет форму диска с выполненными равномерно по всему периметру зубьями, взаимодействующими с зубьями кольцевого выступа корпуса. Якорь взаимодействует с многополюсным поляризованным реле, каждому полюсу которого соответствует зуб кольцевого выступа корпуса, а механическое взаимодействие одного из зубьев якоря с соответствующим полюсу зубом кольцевого выступа обеспечивает возможность пошагового поворота оси с перемыкателем, при этом зубья равномерно распределены на кольцевом выступе.
Известное устройство обеспечивает коммутацию электрических цепей систем автоматики при малом уставочном давлении, однако его контактная система может переключиться при виброударных аварийных воздействиях, например, из-за дисбаланса якоря электромагнитного привода. То есть его безопасность в ряде областей применения может оказаться недостаточной. Также переключение контактной системы устройства происходит за значительное время, что также ограничивает его область применения.
Известно исполнительное коммутирующее устройство [патент РФ №2367050, МПК Н01Н 35/14, опубл. 10.09.2009 г.], содержащее корпус, в котором размещены пороговый датчик перепада давления с мембранами, и контактная система с поворотным на оси перемыкателем, переключаемая электромагнитным приводом.
Контактная система состоит из основной и дополнительной контактных систем. Упругие мембраны установлены соосно и оснащены контактирующими элементами. Электромагнитный привод оснащен поворотным якорем и выполнен в виде поляризованного реле с возвратно-поворотным движением якоря и кинематически связанного с ним храпового механизма с возможностью пошагового однонаправленного поворота оси, на которой жестко закреплены перемыкатель и кулачок. Перемыкатель с токопроводящими секторами установлен на одной оси с кулачком с возможностью взаимодействия с контактами основной контактной системы, расположенными по окружности, а кулачок взаимодействует с контактами дополнительной контактной системы.
Данное исполнительное коммутирующее устройство рассматривается в качестве прототипа.
Известное исполнительное коммутирующее устройство имеет те же достоинства и недостатки, что и ранее рассмотренное. Отработка электромагнитным приводом некоторого количества шагов для переключения контактной системы также занимает определенное время, что также значительно ограничивает его область применения по продолжительности действия измеряемого перепада давления. При значительных перегрузочных давлениях контактные зоны мембран могут иметь остаточные деформации, что неизбежно приведет к изменению порогового давления срабатывания (уставки), что снижает надежность известного устройства и дополнительно ограничивает области его применения по величине перегрузочного давления.
Анализ конструкций известных исполнительных коммутирующих устройств позволяет сделать вывод, что известный уровень техники не обеспечивает создания безопасного и надежного исполнительного коммутирующего устройства с малым временем срабатывания для ряда областей применения.
Задачей заявляемого изобретения является повышение безопасности и надежности, уменьшение времени срабатывания.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является повышение безопасности и надежности срабатывания устройства в широких областях применения, уменьшение времени срабатывания.
Указанный технический результат достигается тем, что исполнительное коммутирующее устройство, содержащее корпус, в котором размещены пороговый датчик перепада давления с мембранами, и контактная система с поворотным на оси перемыкателем, переключаемая электромагнитным приводом, согласно изобретения со стороны контактной системы в корпус установлен электромагнит с внешним и внутренним коаксиально размещенными магнитопроводами, а на оси поворотного перемыкателя закреплен диск с пазами для захода выполненных у якоря электромагнита выступов, при этом якорь электромагнита выполнен в виде круглой пластины из магнитомягкого материала, поджатого к диску пружинной шайбой и имеющего по внешнему диаметру пазы, в которые входят выполненные на торце внешнего магнитопровода выступы, а внешний магнитопровод выполнен составным с охватывающей его втулкой, сопряженной с внешним контуром якоря, который выполнен сферическим с центром сферы на продольной оси якоря.
Установка со стороны контактной системы в корпус электромагнита с внешним и внутренним коаксиально размещенными магнитопроводами, закрепление на оси поворотного перемыкателя диска с пазами для захода выполненных у якоря электромагнита выступов, при этом якорь электромагнита выполнен в виде круглой пластины из магнитомягкого материала, поджатой к диску пружинной шайбой и имеющей по внешнему диаметру пазы, в которые входят выполненные на торце внешнего магнитопровода выступы, обеспечивает сохранение исходного состояния систем автоматики взрывоопасных технических объектов при штатной эксплуатации и при аварийных воздействиях, что в итоге повышает безопасность устройства при аварийных воздействиях за счет организации «временного окна», в котором возможно срабатывание (переключение контактной системы) устройства. Устройство сработает при «временном окне», длительность которого немногим превышает время переключения электромагнитного привода, повышая быстродействие.
Обеспечиваемое быстродействие также расширяет область применения устройства, так как снимаются ограничения по продолжительности действия контролируемого перепада давления.
Выполнение внешнего магнитопровода составным с охватывающей его втулкой, сопряженной с внешним контуром якоря, который выполнен сферическим с центром сферы на продольной оси якоря исключает заклинивания якоря из-за возможного «перекоса» при его перемещении электромагнитом или пружиной и позволяет обеспечить силовую характеристику электромагнита более пологой, что повышает надежность работы электромагнита, а, следовательно, и всего устройства.
Для срабатывания устройства необходимо последовательное выполнение нескольких условий, возможная реализация которых при штатной эксплуатации и возможных авариях маловероятна:
- подача и наличие электрического напряжения на обмотке электромагнита;
- наличие разности давлений не меньше уставочного на пневматических входах устройства при наличии первого условия;
- подача электрического напряжения на обмотку электромагнитного привода при наличии двух выше указанных условий.
С целью исключения ухода уставки при значительном перегрузочном давлении из-за возможной остаточной деформации контактов в исполнительном коммутирующем устройстве мембраны установлены на кронштейнах и оснащены в центре каждой из них закрепленными консольно U-образными упругими контактами, поджатыми свободными концами к закрепленным также на мембранах упорам, причем упругие контакты на мембранах развернуты друг относительно друга примерно на 90°, при этом при перегрузочном давлении ход центров мембран не превышает допустимый прогиб свободного конца каждого упругого контакта при расхождении мембран друг от друга при росте перепада давления. Указанная особенность дополнительно расширяет область применения устройства по максимальному значению перегрузочного перепада давления.
Таким образом, совокупность всех изложенных выше признаков создает условия обеспечения повышения безопасности и надежности срабатывания исполнительного коммутирующего устройства для снятия ограничений по условиям применения в широких областях применения.
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 представлен осевой разрез устройства в исходном заблокированном состоянии;
на фиг. 2 - конструкция электромагнита в исходном состоянии;
на фиг. 3 - конструкция электромагнита, контактная система в разблокированном состоянии;
на фиг. 4 - конструкция упругих контактов, закрепленных на мембранах в исходном состоянии;
на фиг. 5 - конструкция упругих контактов, закрепленных на мембранах в замкнутом состоянии;
на фиг. 6 - разрез В-В на фиг. 1, конструкция контактной системы;
на фиг. 7 - разрез Г-Г на фиг. 1, конструкция электромагнитного привода;
на фиг. 8 представлены электрические связи и взаимодействие составных элементов устройства.
Исполнительное коммутирующее устройство (фиг. 1-8) содержит размещенные в общем корпусе 1 пороговый датчик разности (перепада) давлений 2 с мембранами 3, установленными на кронштейнах 4, контактную систему 5 с поворотным перемыкателем 6, переключаемую электромагнитным приводом 7. В корпусе 1 устройства со стороны контактной системы 5 размещен электромагнит 8 с внешним 9 и внутренним 10 коаксиально размещенными магнитопроводами. На оси 11 поворотного перемыкателя 6 закреплен диск 12 с пазами 13 на внешнем диаметре для захода выступов 14 якоря 15 электромагнита 8. Якорь 15 выполнен в виде круглой пластины из магнитомягкого материала типа электротехнической стали. Якорь 15 поджат пружинной шайбой 16 к диску 12, при этом его выступы 14 входят в пазы 13 диска 12. На внешнем диаметре якоря 15 выполнены пазы 17, в которые входят выступы 18 внешнего магнитопровода 9, выполненные на его торце.
Внешний 9 магнитопровод выполнен составным с охватывающей его втулкой 19, также из магнитомягкого материала типа электротехнической стали. Втулка 19 по внутреннему диаметру сопряжена с внешним контуром якоря 15 для уменьшения воздушных зазоров в магнитной системе электромагнита 8 и следовательно для обеспечения его более пологой силовой характеристики, обеспечивающей увеличение усилия притяжения якоря 15 при начале его хода.
Поверхность якоря 15 на внешнем диаметре выполнена сферической с центром сферы на его продольной оси для исключения заклинивания и сохранения постоянства зазоров в посадке от возможных перекосов при перемещении от усилия электромагнита 8 или пружинной шайбы 16 (фиг. 2).
На мембранах 3 в их центрах закреплены консольно U- образные упругие контакты 20, поджатые свободными концами к закрепленным также на мембранах 3 упорам 21. Ход центров мембран 3 до упора в кронштейны 4 при перегрузочном давлении не превышает допустимый упругий прогиб свободного конца каждого упругого контакта 20. Мембраны 3, прижатые к кронштейнам 4, исключают дальнейший прогиб упругих контактов 20, вследствие чего после действия перегрузочного давления упругие контакты 20 не имеют остаточных деформаций (сохраняют свою форму, а следовательно, и пространственное расположение точек контактирования).
Упругие контакты 20, закрепленные на мембранах 3, взаимно развернуты примерно на 90° для обеспечения стабильного точечного контактирования. Мембраны 3 при росте перепада давления прогибаются друг от друга (расходятся) в противоположных направлениях.
Кронштейны 4 порогового датчика давления 2, на которых установлены мембраны 3, установлены на втулках 22, изолированных стеклоприпоем 23 от корпусных деталей 24, 25. Каналы 26, 27, выполненные в корпусной детали 25, обеспечивают подвод контролируемых давлений к мембранам 3. Дополнительный канал 27 используется для размещения соединительного провода (на чертежах не показан).
Контактная система 5 содержит упругие контакты 28, консольно попарно встречно закрепленные вокруг поворотного перемыкателя 6 на токовыводах 29, изолированных стеклоприпоем 30 от крышки 31. Переключение контактной системы 5 происходит при повороте перемыкателя 6, при этом ножи 32, армированные в изолятор на перемыкателе 6, заходят или выходят из зоны между упругими контактами 28, обеспечивая малые электрические сопротивления между контактирующими деталями. Поворотный перемыкатель 6 закреплен на оси 11.
Электромагнитный привод 7 содержит магнитопроводы 33, на которых размещены включающая (рабочая) 34 и отключающая 35 обмотки. На торцах магнитопроводов 33 закреплены постоянные магниты 36, полюса которых соединены дополнительными магнитопроводами 37. Между магнитопроводами 33 размещен поворотный якорь 38, установленный на подшипниках 39. Ось 11 поворотного перемыкателя 6 является продолжением оси поворотного якоря 38. Поворотный якорь 38, а соответственно и электромагнитный привод 7, имеет два устойчивых угловых состояния при отсутствии электрического напряжения в обмотках 34 или 35.
Дополнительные контакты отключения подачи напряжения на обмотки 34 и 35, выполненные в виде спиральных пружин 40, закреплены на токовыводах 41, изолированных стеклоприпоем 42 от крышки 30. Спиральные пружины 40 контактируют с неподвижными контактами - токовыводами 43, также изолированными от крышки 30 аналогичным стеклоприпоем 42. Упругие спиральные пружины 40 управляются (переключаются) толкателями 44 с изоляторами 45, закрепленными на торце поворотного якоря 38. Подача электрического напряжения на обмотки 34, 35 электромагнитного привода 7 через контакты управления (отключения) - спиральные пружины 40, переключаемые при повороте якоря 38, исключает возможный перегрев обмоток 34, 35 и не требует формирования нормируемого по длительности подачи напряжения.
Обмотка 46 электромагнита 8 размещена в кольцевом пространстве между внешним 9 и внутренним 10 магнитопроводами.
Исполнительное коммутирующее устройство работает следующим образом.
При подаче внешнего электрического напряжения на обмотку 46 электромагнита 8 якорь 15 преодолевает усилие пружины 16 и отжимается к торцам магнитопроводов 9, 10, освобождая диск 12 (при этом выступы 14 якоря 15 выходят из пазов 13 диска 12). Подачей электрического напряжения на обмотку 46 организуется «временное окно», в котором возможно срабатывание устройства.
стат
дин
Первое давление, например внешнее абсолютное (статическое) давление Р (при применении устройства в летательном аппарате) подается через канал приема давления 27 во внутренние полости между мембранами 3 и соответствующими кронштейнами 4 порогового датчика давления 2, второе давление - динамическое давление Р (от скоростного напора) подается через канал 26 соответственно с внешней стороны мембран 3. При росте разности динамического и статического давлений мембраны 3 упруго деформируются, при уставочном значении разности давлений упругие контакты 20 соприкасаются, замыкая (формируя) электрическую цепь подачи напряжения на рабочую обмотку 34 электромагнитного привода 7. Соединительные провода внутреннего электрического монтажа устройства на чертежах не показаны.
При наличии электрического напряжения в цепи рабочей обмотки 34, а также при наличии электрического напряжения на обмотке 46 электромагнита 8 и замкнутом состоянии упругих контактов 20 (из-за достижения или превышения разности контролируемого перепада давления уставочного значения) якорь 38 электромагнитного привода 7 поворачивается, переключая контактную систему 5. Соответствующий контакт 40 на конечном участке поворота якоря 38 размыкается, отключая подачу электрического напряжения на рабочую обмотку 34.
После прекращения подачи внешнего электрического напряжения на обмотку 46 электромагнитов 8 якорь 15 усилием пружины 16 отжимается, блокируя диск 12 (при этом выступы 14 якоря 15 входят в пазы 13 диска 12).
При необходимости контактную систему 5 возможно привести в исходное состояние, подав электрическое напряжение на обмотку 46 электромагнита 8 и затем (при наличии напряжения на обмотке 46), на обмотку отключения 35 электромагнитного привода 7.
То есть, приведение исполнительного коммутирующего устройства в исходное состояние может осуществляться дистанционно без ручных операций и необходимости доступа к нему, что также значительно упрощает техническое обслуживание взрывоопасного технического объекта, в котором устройство применено.
При необходимости электрическая цепь подачи напряжения на обмотку 46 электромагнита 8 может размыкаться одним из контактов 28 контактной системы 5.
Для компенсации температурной погрешности от изменения линейных размеров деталей при изменении температуры внешней среды корпусные детали порогового датчика давления 2 выполнены из одного материала, например, сплава 29НК, а мембраны 3, упругие контакты 20, упоры 21 - из бронзы БрБ2 или БрБНЕ1,9, а втулка 47, соединяющая корпусные детали 24, 25 выполнена комбинированной из трех деталей, средняя из которых - из бронзы БрБ2 или БрБНЕ1,9, крайние - из сплава 29НК. Причем длина средней части а равна сумме размеров от основания мембран 3 (посадочной поверхности кронштейнов 4) до контактирующих точек соответствующих упругих контактов 20, то есть  (фиг. 1, 5). Части втулки 47 сварены или спаяны между собой с обеспечением герметичности сварных или паяных соединений соответственно.
Указанное расположение составных частей втулки 47 упрощает выполнение герметичных сварных швов (свариваются одинаковые материалы) при сборке устройства, когда накладываются ограничения на разогрев стеклометаллических соединений и деталей с упругими параметрами. При этом втулка 47, свариваемая (спаиваемая) из составных частей вне конструкции устройства, не требует каких-либо ограничений на режимы сварки (пайки) и допускает последующую механическую доработку мест соединения.
При штатной эксплуатации и при возможных аварийных ситуациях контактная система 5 не переключится, то есть сохранит свое состояние, обеспечив безопасность всей системы автоматики взрывоопасного технического объекта, так как для срабатывания устройства необходимо последовательное выполнение нескольких условий, возможная реализация которого при штатной эксплуатации и возможных авариях маловероятна:
- подача и наличие электрического напряжения на обмотке 46 электромагнита 8;
- наличие разности давлений не меньше уставочного на пневматических входах 26, 27 устройства при наличии первого условия;
- подача электрического напряжения на обмотку 34 электромагнитного привода 7 при наличии двух выше указанных условий.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволит создать исполнительное коммутирующее устройство, сохраняющее состояние контактов (безопасное) в аварийных ситуациях и работоспособное (надежное) в широких областях применения, срабатывающее при малом уставочном значении перепада давления. Обеспечением малого уставочного значения перепада давления расширяется область применения устройства, например, из-за снятия ограничений по скорости движения объекта, в котором применено устройство (при применении устройства в летательном объекте).
Заявляемое исполнительное коммутирующее устройство может быть реализовано массой в 150 г и объемом не более 60 см.
Представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- заявляемое исполнительное коммутирующее устройство предназначено для использования в системах автоматики взрывоопасных технических объектов, которые могут подвергаться аварийным воздействиям;
- заявляемое исполнительное коммутирующее устройство при использовании способно обеспечить повышение безопасности и надежности срабатывания устройства в широких областях применения, уменьшение времени срабатывания;
- для заявляемого исполнительного коммутирующего 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 исполнительное коммутирующее устройство соответствует условию «промышленная применимость».