ВИЛКА НА ВЫСОКОЕ ДАВЛЕНИЕ Российский патент 1995 года по МПК H01R13/523 

Изобретение относится к электротехнике или электронному оборудованию, в частности к средствам передачи электропитания с одного объекта на другой, в том числе к герметичным вводам токопроводящих элементов, например к подключению кабелей силовых электрических линий к корпусам судовых конструкций или приборов, работающих в условиях силового воздействия жидкости и/или газа, и может быть применено в подводных аппаратах или сооружениях, находящихся на предельных глубинах Мирового океана.

Известен герметичный электросоединитель, выполненный в виде вилки на высокое давление [1] Он имеет керамический изоляционный элемент, вставленный в отверстие металлического корпуса. Имеется также токопроводящий элемент в виде штыря, проходящий через осевое отверстие керамического элемента. Соединитель герметизирован, и часть его корпуса, токопроводящего элемента и керамического элемента находятся под высоким давлением жидкости и-или газа. За одной целое с керамическим элементом выполнен наружный кольцевой бурт, который под действием высокого давления упирается во внутренний бурт корпуса соединителя. В той части керамического элемента, которая находится под высоким давлением, на определенном расстоянии имеется отверстие, обработанное с помощью развертки. Диаметр отверстия больше диаметра токопроводящего элемента, благодаря чему вокруг токопроводящего элемента образуется кольцевой зазор. Кроме того, соединитель имеет элемент чашеобразной формы, в основании которого имеется отверстие для токопроводящего элемента. Есть также металлический элемент в виде тонкого обода, прилегающий к внутренней поверхности отверстия керамического элемента. Основание обода упирается во внутренний буртик керамического элемента. Герметические элементы соединителя выполнены с помощью твердой пайки. Разность температурного расширения керамического элемента и металлического корпуса компенсируется с помощью гибкой металлической втулки, герметично припаянной к указанным элементам соединителя. Толщина стенок втулки меньше, чем величина зазора второй кольцевой полости, образованной наружной поверхностью керамического элемента и внутренней поверхностью второго отверстия в металлическом корпусе соединителя.

Этот электросоединитель обладает ограниченным температурным диапазоном эксплуатации, что не позволяет осуществлять подпайку жилы кабеля большого диаметра, так как в зоне токопроводящего элемента имеется герметичное соединение, выполненное пайкой. Кроме того, для герметичного соединения корпуса вилки с концевой поверхностью с помощью пайки или сварки необходим теплоотвод, что возможно осуществить, если удлинить цилиндрическую часть корпуса, но тогда увеличиваются продольные габариты ввода. Это исключает его применение при высоком давлении жидкости и-или газа из-за прогиба части корпуса.

В качестве прототипа выбрана вилка на высокое давление [2] содержащая металлический корпус с внутренним сквозным отверстием, симметричным относительно центральной продольной оси. Внутреннее отверстие имеет цилиндрическую часть, которая, расходясь на конус, образует расширяющуюся часть отверстия. Вдоль оси проходит электропроводный штырь, имеющий утолщение, размещенное в расширенной части отверстия. Размеры утолщения не позволяют штырю проходить через цилиндрическую часть. Внутри отверстия размещен герметизирующий компаунд, который поддерживает его в положении, смещенном от поверхности стенки отверстия. Компаунд содержит эпоксидную смолу с оксидом кремния. Корпус вилки соединен с бортовой частью прибора через герметизирующие прокладки посредством резьбы, выполненной на его поверхности и в отверстии фланца.

Такая вилка устраняет ряд недостатков известного соединителя. В частности, наличие герметизирующего компаунда в конической части отверстия при высоком давлении жидкости и-или газа на основание конуса обеспечивает объемное сжатие, при котором в материале достигается высокая герметичность.

Однако и эта вилка обладает существенным недостатком, а именно саморазрушением при снятии давления жидкости и-или газа с вилки, так как возможно удаление полимерного материала из конусной части отверстия из-за его упругих свойств. Это нарушает герметичность токопроводящего элемента.

Из существующего известного технического решения вытекает, что вилка на высокое давление включает в себя уплотнения токопроводящего элемента, которые основаны на эпоксидных смолах, термопластических материалах и неорганических соединениях. Применение того или иного материала зависит от условий окружающей среды, рабочей температуры токопроводящего элемента. Например, стекло, используемое в уплотнениях компрессорного типа, имеет низкое сопротивление, вызываемое водой, паром, газом. К тому же напряженное стекло имеет низкую структурную прочность и очень малую пластичность. В результате при низком температурном воздействии на такое уплотнение оно растрескивается и нарушает как прочность, так и герметичность соединения токопроводящего элемента в корпусе соединителя или вилки. Если температурный коэффициент расширения металлического корпуса выше, чем у стекла, то во время эксплуатации при нагреве или охлаждении в стекле возникают высокие напряжения сжатия, улучшающие условия герметизации. Кроме того, возникают продольные напряжения в стеклянных уплотнениях, вызывающие их разрушение за счет краевых эффектов, образующихся при значительных соотношениях длины и диаметра стеклянного уплотнения. С уменьшением толщины корпуса вилки исключаются краевые эффекты, однако при значительных усилиях от воздействия давления жидкости или газа могут возникнуть деформации, приводящие к разрушению стекла.

Таким образом, на известном техническом уровне сложилась тенденция развития конструкций вилок на высокое давление, основанная на поиске новых герметизирующих и электроизолирующих материалов для уплотнения токопроводящего элемента. Кроме того, на известном техническом уровне есть еще одна тенденция развития конструкций вилок на высокое давление, которая характеризуется поиском конфигурации отверстия в корпусе вилки и-или формы закрепляемой в нем части токопроводящего элемента, что, как предполагается, должно обеспечить прочную их фиксацию относительно друг друга при применении известных уплотнительных материалов.

Однако известный изобретательский уровень, определяющий указанный известный технический уровень, в том числе аналога и прототипа, невысокий. Они для специалиста средней квалификации очевидны, так как логически следуют из сложившихся тенденций развития конструкций вилок на высокое давление и аналогичных устройств. Например, известно, что для снижения деформаций цилиндрического корпуса вилки при воздействии высокого давления жидкости и-или газа следует увеличить его высоту. Но тогда конструкция вилки получается больших размеров, при этом резко увеличивается влияние разности температурных коэффициентов расширения материалов, используемых для закрепления токопроводящего элемента в отверстии корпуса.

Несложно предложить выполнить конструкцию отверстия в корпусе вилки с расширяющейся частью, которую следует загерметизировать электроизолирующим материалом со стороны области низкого давления, что снизит возможность проникновения жидкости или газа вдоль стенки отверстия.

Задачей изобретения является создание вилки на высокое давление, обладающей свойством самоупрочнения и самогерметизации токопроводящего элемента в своем отверстии при сохранении электроизолирующих свойств при воздействии резких изменений давления жидкости и/или газа на вилку, а также создание конструкции, лишенной недостатков, присущих аналогу и прототипу. Решение этой задачи заключается в том, что в вилку на высокое давление, содержащую металлический цилиндрический корпус с отверстием, через которое проходит токопроводящий элемент с утолщением, герметизированный электроизолирующим материалом, согласно изобретению в корпус введены и герметично с ним соединены две втулки по крайней мере с одним отверстием, выполненным в каждой из них с полушаровым профилем по продольному сечению и охватывающим шарообразное утолщение токопроводящего элемента с соответствующего конца, причем втулки и токопроводящий элемент герметично соединены через электроизоли- рующий материал в неразъемный блок.

Возможен вариант, когда на цилиндрической поверхности неразъемного блока выполнено резьбовое соединение с корпусом, охватывающим блок и по крайней мере с одной стороны имеющим бурт, частично перекрывающий торцовую поверхность блока.

Возможен также вариант, когда на плоскости соединения втулок друг с другом из шарообразной части общего их отверстия и на каждой из них выполнены по крайней мере две радиальные канавки, образующие при соединении втулок каналы, как минимум частично заполненные герметизирующим электроизолирующим материалом.

Возможен также вариант, когда по крайней мере хотя бы из одного радиального канала выведен продольный канал, выходящий на торцовую часть поверхности неразъемного блока.

Кроме того, возможен вариант, когда как минимум в один продольный канал введена дренажная трубка с капиллярным отверстием.

Изобретение направлено на повышение прочности и герметичности положения токопроводящего элемента в отверстии корпуса вилки при резких и переменных изменениях давления жидкости и-или газа. Это обусловлено тем, что совокупность существенных отличительных признаков изобретения образует единую конструкцию с новыми свойствами: самоупрочнение и самогерметизация токопроводящего элемента, которые проявляются при разрушающих воздействиях жидкости и-или газа на вилку. Конкретно указанные свойства возникают за счет введения в корпус двух втулок с полушаровым профилем отверстия в каждой и образованием из них шарообразной полости, охватывающей через герметизирующий электроизолирующий материал шарообразное утолщение токопроводящего элемента. В результате исключаются осевые перемещения токопроводящего элемента, так как благодаря конфигурации его утолщения и соответствующего профиля отверстия, заполненного электроизолирующим материалом, во втулках, соединенных герметично между собой в неразъемный блок, появилось свойство самоупрочнения и самогерметизации, вибро- и ударостойкости, даже в случае нарушения монолитности герметизирующего материала.

Все внешние усилия, а также внутренние напряжения, возникающие в материалах сопрягаемых деталей вилки при тепловых воздействиях из-за согласования шарообразных форм отверстия и утолщения токопроводящего элемента, направлены на увеличение эффекта объемного обжатия герметизирующим материалом токопроводящего элемента. Кроме того, если между токопроводящим элементом и выходными краями отверстия соединенных втулок установить зазор меньше критичного для герметизирующего электроизолирующего материала, то этот материал самозапирается в своем объеме. Наличие резьбового соединения этих втулок с корпусом еще больше повышает прочность и герметичность конструкции, поскольку перекрывается возможность самовыхода герметизирующего электроизолирующего материала через радиальные технологические каналы, а также усиливается противодействие продольным перемещением втулок.

Не обнаружена в патентной и научно-технической информации предлагаемая совокупность отличительных признаков. Не обнаружены и отдельные из этих признаков в сочетании с другими известными признаками. Таким образом, изобретение можно считать новым. Оно повышает существующий технический уровень создания вилок на высокое давление, так как открывает новое направление их развития за счет изготовления составных элементов, которыми предварительно охватывается токопроводящий элемент, а затем точно располагается, фиксируется в корпусе вилки и дополнительно герметизируется, например, сваркой.

Изобретение обладает высоким изобретательским уровнем, так как оно для специалиста средней квалификации является неочевидным и логически не следует из устройств известного технического уровня, а скорее противоречит сложившимся тенденциям развития вилок на высокое давление и устройств, близких к ним по назначению. Действительно, введение шарообразного утолщения в токопроводящий элемент и соответствующего профиля отверстия в корпусе вилки вызывает сложность их совмещения, так как требует выполнения отверстия по частям в отдельных деталях, которые конструктивно самостоятельного значения не имеют. Одновременно появилась возможность использовать пресс-литье термопластичными материалами для герметичного и прочного соединения электроизолирующим материалом токопроводящего элемента, не опасаясь нарушить его центрирование при массовом производстве вилок на высокое давление. Таким образом, изобретение обладает изобретательским уровнем и отвечает всем критериям патентоспособности.

На фиг. 1 изображена вилка в разрезе с одним токопроводящим элементом; на фиг. 2 вилка с торца при трех токопроводящих элементах; на фиг. 3 вилка в разрезе с тремя токопроводящими элементами и дренажным каналом.

Вилка на высокое давление содержит металлический цилиндрический корпус 1, например, в виде втулки, по внутренней поверхности которой нарезана резьба, а на одном из торцов имеется внутренний бурт. Вилка имеет токопроводящий элемент 2 с шарообразным утолщением 3. Последний покрыт герметизирующим электроизолирующим материалом 4 и располагается в отверстии двух втулок 5 и 6, соединенных друг с другом герметично в виде неразъемного блока так, что выполненные в них чашеобразные отверстия образуют шарообразную полость, охватывающую посредством материала 4 шарообразное утолщение 3 токопроводящего элемента 2. В плоскости соединения втулок 5 и 6 от их чашеобразных отверстий выполнены по крайней мере две радиальные канавки, которые при герметичном соединении упомянутых втулок образуют каналы, которые как минимум частично заполнены герметизирующим электроизолирующим материалом 4. Причем хотя бы из одного радиального канала выведен продольный канал, выходящий на торцовую поверхность неразъемного блока втулок 5 и 6. В одном из продольных каналов размещена дренажная трубка 7 с капиллярным отверстием, которая может быть выполнена, например, из титано-никелевого сплава и на торце развальцована. Неразъемный блок из втулок 5 и 6 с помощью резьбы на цилиндрической поверхности соединен с втулкой 1, а в его бурте предусмотрена канавка с уплотнением в виде круглого резинового кольца 8, прижатого к торцовой поверхности блока.

Предлагаемое устройство изготавливают с применением, например, литьевого прессования, при котором в качестве пресс-форм выступают втулки 5 и 6, которые предварительно центрируют относительно соответствующих концов токопроводящего элемента 2 (технологическое оборудование на фигурах не показано). Вся остальная технология их соединения через герметизирующий электроизолирующий материал традиционная (см. например, Терентьев И. С. Обработка пластмасс, применяемых в машиностроении. М.-Л. Машиностроение, 1965, с. 32-35). При этом упомянутые радиальные каналы у втулок 5 и 6, образованные из их канавок, являются пустотами, в которые излишки герметизирующего электроизолирующего материала 4 выдавливаются из шарообразной полости блока во время герметичного соединения втулок 5 и 6 с токопроводящим элементом 2 при прессовании.

Возможно создание зазора между цилиндрическими поверхностями токопроводящего элемента 2 и поверхностью втулок 5 и 6, который меньше критичного. В этом случае, если герметизирующим электроизолирующим материалом 4 является эластомер полиуретан из смолы на базе полиэфира с трехкомпонентной системой метиладизацианита (твердость 80 единиц по Шору и удерживаемое давление более 300 МПа на сжатие), то зазор должен быть 0,38-0,51 мм. Тогда при пресс-литье все излишки этого материала выходят через радиальные каналы во втулках 5 и 6. Особенностью применения указанной технологии герметизации электроизолирующим материалом 4 является использование в нашем случае фторопластовой пленки с липким слоем марки Ф4ЭО-Л/1 по ТУ6-05-041-780-81 толщиной 0,03-0,1 мм с температурой надежной эксплуатации от -60 до +250^оС. Этой пленкой рекомендуется покрыть шарообразное утолщение 3 и цилиндрические поверхности токопроводящего элемента 2 (на фигурах пленка не показана).

В качестве герметизирующего электроизолирующего материала 4 можно использовать термоусаживающуюся трубку марки ТЭФ-4Д-15/10 толщиной до 0,5 мм по ОСТ6-05-402-80. При нагреве до +300^оС фторопластовая трубка усаживается и плотно облегает шарообразное утолщение 3 токопроводящего элемента 2, одновременно заполняя зазор в отверстии. Причем прочность пленки составляет 19,6 МПа, удельное электрическое сопротивление до 1-10¹⁴ Ом м и электрическая прочность 25 МВ/м в диапазоне температур от -60 до +200^оС (см. Киричек Б. И. и др. Термоусаживающиеся трубки из фторполимеров. ЛДНТП, 1987). В этом случае неразъемность соединения втулок 5 и 6 друг с другом можно обеспечивать либо клеем, например, на основе эпоксидной смолы либо сваркой.

Возможно применение других герметизирующих электроизолирующих материалов 4, например фенопласта К-114-35, ГОСТ 5 1958-73, или пресс-материала АГ-4-В, ГОСТ 20437-75.

Устройство работает следующим образом.

Под воздействием давления жидкости и/или газа на любую из торцовых поверхностей вилки жидкость и/или газ встречает препятствие в одном случае: сварной шов по линии соединения корпуса 1 с втулками 5 и 6 и продольный канал, который заполнен герметизирующим электроизолирующим материалом 4, а также токопроводящий элемент 2 с шарообразным утолщением 3, расположенным внутри шарообразной полости отверстия соединенных герметично втулок 5 и 6. В другом случае жидкость и/или газ встречают препятствие в виде герметизирующего уплотнительного кольца (прокладки) 8, а затем резьбовое соединение корпуса 1 с втулками 5 и 6 и токопроводящий элемент 2. В любом из этих случаев имеется достаточное число механических барьеров, препятствующих просачиванию жидкости и/или с одной стороны вилки на другую ее сторону.

Кроме того, силовое воздействие жидкости и/или газа, воспринимаемое втулками 5 и 6, с одной стороны амортизируется слоем их герметичного соединения и удерживается резьбой, а также сваркой с корпусом 1, а с другой стороны эти усилия направляются на сжатие в шарообразной полости отверстия шарообразного утолщения 3 токопроводящего элемента 2 через герметизирующий электроизолирующий материал 4, чему способствует согласование соответствующих форм сопрягаемых поверхностей и объемов деталей. В результате возникает эффект самогерметизации и самоупрочнения без нарушения электроизолирующих свойств закрепления токопроводящего элемента 2 в отверстии втулок 5 и 6. Этот эффект возникает при любой направленности силового воздействия жидкости и/или газа на вилку, так как каждый раз шарообразное утолщение 3 токопроводящего элемента 2 через герметизирующий электроизолирующий материал 4 либо равномерно распределяет деформационные усилия на соответствующей формы стенки отверстия во втулках 5 и 6, а через них на корпус 1, либо, как указывалось ранее, обратное действие всестороннее обжатие токопроводящего элемента 2 в отверстии втулок 5 и 6.

Наличие продольного канала с дренажной трубкой 7, в том числе изготовленной из титано-никелевого сплава, позволяет оперативно определять степень герметичности защищаемого вилкой на высокое давление объема и утечек, что достигается путем подсоединения трубки к измерительной аппаратуре:газоанализатору, радиометру, манометру и т.п.

Использование изобретения позволяет начать выпуск надежной, высокотехнологичной вилки на высокое давление. Этому способствует выполнение корпуса из металла и его соединение с втулками с помощью резьбы, что обычно создает четкое центрирование токопроводящего элемента по заданной продольной оси. Кроме того, возможность использования пресс-литья для герметизации электроизолирующим материалом токопроводящего элемента в отверстиях втулок с одновременным их герметичным неразъемным соединением повышает технологичность изготовления вилок, а также дает возможность путем дополнительной технической обработки при наличии требуемых электроизоляционных свойств отцентрировать контактную поверхность токопроводящего элемента относительно его положения в корпусе вилки. Эти достоинства практически отсутствуют в известных аналогах, что делает их производство с малым процентом годных.

Сущность: вилка на высокое давление содержит металлический цилиндрический корпус с отверстием, через которое проходит токопроводящий элемент с утолщением, герметизированный электроизолирующим материалом. Новым является введенное в корпус и герметичное с ним соединение двух втулок и с отверстием, выполненным в каждой из них с полушаровым профилем по продольному сечению и охватывающим шарообразное утолщение токопроводящего элемента к с соковентсовующих его концов, причем втулки и токопроводящий элемент герметично соединены через электроизолирующий материал в неразъемный блок. 4 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. ВИЛКА НА ВЫСОКОЕ ДАВЛЕНИЕ, содержащая металлический цилиндрический корпус с отверстием, через которое проходит токопроводящий элемент с утолщением, герметизированный электроизолирующим материалом, отличающаяся тем, что в корпус введены и герметично с ним соединены две втулки по крайней мере с одним отверстием, выполненным в каждой из них с полушаровым профилем по продольному сечению и охватывающим шарообразное утолщение токопроводящего элемента с соответствующего конца, причем втулки и токопроводящий элемент герметично соединены через электроизолирующий материал в неразъемный блок. 2. Вилка по п.1, отличающаяся тем, что на цилиндрической поверхности неразъемного блока выполнена резьба, взаимодействующая с соответствующей резьбой внутренней поверхности отверстия корпуса, у которого с одной стороны имеется бурт. 3. Вилка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что на плоскости соединения втулок одна с другой из шарообразной части общего их отверстия и на каждой из них выполнены по крайней мере две радиальные канавки, образующие при соединении втулок каналы, которые, как минимум, частично заполнены герметизирующим материалом. 4. Вилка по п.3, отличающаяся тем, что по крайней мере из одного радиального канала выведен продольный канал, выходящий на торцевую часть поверхности неразъемного блока. 5. Вилка по пп.3 и 4, отличающаяся тем, что в, как минимум, один канал введена дренажная трубка с капилярным продольным отверстием.