РАЗБОРНЫЙ УЗЕЛ Российский патент 1997 года по МПК H01R4/38 

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к электрическим аппаратам, и может быть использовано в любых разборных контактных узлах болтового типа.

Известен разборный контактный узел, содержащий токопроводы, связанные болтовым соединением, и стабилизатор переходного сопротивления в виде пружинной шайбы, установленный под головкой болта [1] При некоторой деформации соединения пружинная шайба поджимает его, правда с несколько меньшим усилием чем в первоначальном положении, и тем самым частично компенсирует переходное сопротивление.

С целью повышения технологичности и эксплуатационных возможностей стабилизатор переходного сопротивления выполняют в виде шайбы из материала с эффектом памяти формы (ЭПФ). Шайба при закреплении контактного узла легко деформируется гайкой, так как материал с ЭПФ находится в низкотемпературной модификации. При нагреве соединения до температуры начала обратного мартенситного превращения элемента с ЭПФ, последний, пытаясь восстановить ранее заданную форму, генерирует в узле дополнительное усилие и осуществляет прижим контактирующих поверхностей токопроводов. За счет этого должно стабилизироваться переходное сопротивление контактов и, как следствие, снижаться температура соединения. Однако известно [2] (см. стр. 242), что в случаях, когда восстановление формы полностью запрещено (практически имеет место в болтовом соединении), то восстанавливающее усилие при нагреве является линейной функцией конечной величины запрещенной деформации, т. е. при нагреве при максимальной деформации генерируется максимальное усилие, при меньшей деформации меньшее усилие и при нулевой деформации нулевое усилие.

В известных решениях [1] не обеспечивается стабильность усилия в контактном узле во всем диапазоне его температур и деформаций.

Целью настоящего изобретения является обеспечение стабильного усилия в разборном контактном узле во всем диапазоне изменений его деформаций и температур.

Цель достигается тем, что в известном разборном контактном узле, содержащем токопроводы, связанные болтовым соединением, и стабилизатор переходного сопротивления, выполненный в виде шайбы, установленной под головкой болта, указанная шайба выполнена из материала, реализующего эффект сверхупругости (ЭСУ), например, из сплава Оландера, никелида титана или сплавов на основе меди, с температурой окончания обратного мартенситного превращения не выше минимальной температуры окружающей среды.

Известно [2, 3] что при реализации ЭСУ элемент обладает практически нулевой жесткостью и, как следствие, стабильностью развиваемого усилия. Выбор температуры окончания обратного мартенситного превращения не выше минимальной температуры окружающей среды исключает влияние температуры контактирующих поверхностей на генерируемое элементом усилие. Таким образом, все указанные признаки отличают заявленное решение от прототипа и обуславливают соответствие этого решения критерию новизны.

На фиг. 1 показана характеристика пружинного элемента (каковым является пружинная шайба), построенная в осях усилие (P) деформация (ε).

Hа фиг. 2 показана область существования характеристик пружинной шайбы в трехмерном пространстве: развиваемое усилие (P) деформация (ε) температура (θ).

На фиг. 3 показана принципиальная схема для исследования характеристик элемента с ЭПФ 1 (фиг. 3). Вторым элементом устройства является узел направленной нагрузки, например, обыкновенная пружина 2 (фиг. 3).

На фиг. 4 показаны характеристики элемента с ЭПФ, построенные в осях деформация (ε) температура (θ) при соответственно большей и меньшей нагрузках.

На фиг. 5 показаны характеристики элемента с ЭПФ, построенные в осях развиваемое усилие (P) температура (θ) для случая, когда внешней нагрузкой служат соответственно более жесткая и более слабая пружины.

На фиг. 6 показана область существования характеристик элемента с ЭПФ (на примере шайбы с запрещением восстановления формы ) в трехмерном пространстве: развиваемое усилие (P) деформация (ε) температура (θ).

На фиг. 7 показана характеристика элемента, реализующего ЭСУ, построенная в осях, усилие (P) деформация (ε).

На фиг. 8 показана область существования характеристик элемента реализующего ЭСУ (на примере шайбы ) в трехмерном пространстве: развиваемое усилие (P) деформация (ε) температура (θ).

На фиг. 9 показана шайба, выполненная из материала реализующего ЭСУ и этапы ее деформации.

Для уяснения работы разборного контактного узла необходимо детально проанализировать аналогичные известные [1, 2] решения.

Пружинная шайба [1] по сути является элементом обычной пружины и характеристика ее в осях усилие (P) деформация (ε) полностью соответствует хорошо известной характеристике пружины (фиг. 1). Для полной деформации шайбы на величину ε_max необходимо приложить усилие P_max. По мере уменьшения прилагаемого усилия деформация линейно уменьшается. Поскольку указанная характеристика не зависит от температуры, область существования характеристик такой шайбы в трехмерном пространстве состояния (усилие (P) деформация (ε) - температура (θ)) соответствует плоскости o a b c (фиг. 2). Видно, что усилие в контактном узле с такой шайбой линейно спадает по мере деформации узла.

Для уяснения сути работы контактного узла [2] рассмотрим эффект памяти формы (ЭПФ), которым обладают ряд металлических сплавов. ЭПФ связан с протеканием в материале фазовых превращений и его феноменология заключается в следующем. Материал обладающий ЭПФ в виде ленты, проволоки и тому подобного отжигают при температуре значительно превышающей температуру окончания обратного мартенситного превращения для придания ему определенной формы. Затем материал охлаждают до температур окончания прямого мартенситного превращения и деформируют. При последующем нагреве до температур обратного мартенситного превращения материал "вспоминает" форму, приданную ему при отжиге. В процессе охлаждения и нагрева материала изменяется его кристаллическая решетка. Подобные циклы охлаждения, деформации, нагрева и восстановления формы могут повторяться неоднократно.

Проиллюстрируем вышеизложенное с помощью схемы фиг. 3. При нагреве материал с ЭПФ 1 (фиг. 3) вспоминает форму, сокращается и растягивает пружину 2 (фиг. 3). При охлаждении материала с ЭПФ пружина вновь деформирует его.

Рассмотрим характеристики элемента с ЭПФ, полученные при помощи подобной установки в осях деформация (ε) температура (θ) см. фиг. 4. Элемент с ЭПФ характеризуется в первую очередь, как уже упоминалось, температурами начала и окончания обратного и прямого мартенситных превращений (соответственно As, Af и Ms, Mf). Предположим, что в данный момент времени элемент с ЭПФ нагрет до температуры Af и полностью деформировал пружину 2 (фиг. 3) (точка d на фиг. 4). До снижения температуры до величины Ms (точка e на фиг. 4) элемент с ЭПФ еще сохраняет свои свойства и деформации его не происходит. При снижении температуры от величины Ms (точка e на фиг. 4) до Mf (точка b на фиг. 4) происходит перестройка кристаллической решетки и материал с ЭПФ деформируется пружиной 2 до максимальной величены ε_max (точка b на фиг. 4). При дальнейшем нагреве процесс описывается участками b-c-d (фиг. 4). Если использовать пружину с меньшей жесткостью, то процесс нагрева описывается участком h-j-d (фиг. 4). В процессе нагрева и деформации пружины элемент с ЭПФ генерирует все возрастающее усилие. На фиг. 5 показано усилие, генерируемое элементом с ЭПФ при деформации пружины большей жесткости (максимальное генерируемое усилие составляет P_max) и меньшей.

На основании фиг. 5 можно определить дополнительное внешнее усилие, которое необходимо приложить к элементу с ЭПФ, чтобы не дать ему восстановить форму при нагреве. Видно, что указанное усилие является линейной функцией конечной величины запрещенной деформации, т.е. при большей деформации в элементе генерируется большее усилие, при меньшей меньшее, а при нулевой деформации нулевое усилие. См также [3] Тогда при максимальной запрещенной деформации ε_max при нагреве в элементе с ЭПФ генерируется усилие, соответствующее участкам g-l-f-e-d (фиг. 6) и при охлаждении участкам d-e-k-l-g (фиг. 6). Аналогичным образом могут быть получены усилия, генерируемые элементом с ЭПФ и при меньших запрещенных деформациях. Изменение усилия происходит в температурных диапазонах As-Af и Ms-Mf. В целом, если рассматривать область существования характеристик элемента с ЭПФ при условии запрещения деформации (восстановления формы) в трехмерном пространстве усилие (Р) деформация (ε) температура (θ), то при нагреве элемента область соответствует плоскости o-a-b-c-d-e-f-g (фиг. 6), а при охлаждении плоскости o-h-j-c-d-k-l-g (фиг. 6).

Сопоставляя характеристики пружинной шайбы (фиг. 2) и шайбы выполненной из материала с ЭПФ (фиг. 6) можно убедиться, что они в принципе не отличаются друг от друга. И в одном и в другом случае усилие, создаваемое шайбой, снижается по мере ее деформации. Различие состоит лишь в том, что у шайбы из материала с ЭПФ область существования характеристик ограничивается по оси температур температурами фазовых превращений при нагреве температурами As и Af, а при охлаждении температурами Ms и Mf. Отсюда следует, что по своим характеристикам шайба из материала с ЭПФ [2] является ухудшенным вариантом пружинной шайбы [1]
Остановимся теперь на эффекте сверупругости, который реализуется в данном решении. Рассмотрим диаграмму деформации элемента с ЭСУ (фиг. 7) [4] (см. стр. 54. 55). Вначале деформации идет обычный участок o-b (фиг. 7), соответствующий закону Гука. Затем диаграмма резко изгибается вправо, скорость роста внешнего усилия (напряжения в материале) резко уменьшилась (участок b-c) (фиг. 7). Когда накопилось общее удлинение, соответствующее относительной деформации ε_max ≈ 10% разгрузка материала идет не по линии c-d-e (фиг. 7), а по линии c-d-a (фиг. 7), причем линия разгрузки проходит весьма близко от линии нагружения. Далее участок разгрузки совпадает с первоначальным участком o-a (фиг. 7) и деформация полностью исчезает. На участках b-c и d-a жесткость подобного элемента близка к нулевой. Напряжение в материале при этом близко к пределу текучести. Деформация, при которой еще возможен 100% -ный возврат формы, составляет 10%
Эффектом сверхупругости обладают в первую очередь сплав Оландера, никелид титана (сплав никеля с титаном) и другие. Следует особо отметить, что эффект сверупругости в полной мере может быть реализован только у материалов, температура которых в данный момент превышает температуру обратного мартенситного превращения. Указанная температура зависит от процентного соотношения компонентов, входящих в материал. Таким образом можно подобрать состав материала, который будет реализовывать ЭСУ в требуемом диапазоне температур (начиная с минимальной температуры окружающей среды и заканчивая максимальной температурой контактного узла). Для деформации материала, реализующего ЭСУ, например, никелида титана, необходимо приложить напряжение превышающее 600.800 МПа. Более подробно ЭСУ описан в [3]
Так как структурных изменений материала, реализующего ЭСУ при температурах выше температуры окончания обратного мартенситного материала, не происходит, характеристики элемента с ЭСУ при различных температурах будут совпадать или будут достаточно близким друг к другу. Это позволяет получить характеристики элемента в трехмерном пространстве усилие (Р) деформация (ε) температура (θ) (фиг. 8). Рабочими частями области существования характеристик являются: при возрастании деформации элемента плоскость b-c-h-g (фиг. 8); при уменьшении деформации элемента плоскость d-a-f-i (фиг. 8). Но так как восходящая и нисходящая ветви характеристик элемента с ЭСУ близки друг к другу и жесткость элемента близка к нулевой, то плоскости b-c-h-g (фиг. 8) и d-a-f-i (фиг. 8) лежат достаточно близко к плоскости c-c'-h'-h (фиг. 8). Это, в свою очередь, означает что в рабочем диапазоне деформаций и температур элемент реализующий ЭСУ генерирует практически неизменное по величине усилие. Очевидны принципиальные отличия характеристик (фиг. 8) шайбы из материала реализующего ЭСУ от характеристик (фиг. 2, фиг. 6) известных пружинной шайбы и шайбы из материала с ЭПФ.

Рассмотрим работу шайбы (фиг. 9), выполненной из материала, реализующего ЭСУ. При затяжке разборного контактного узла вначале происходит деформация шайбы, подчиняющаяся закону Гука ( плоскость o-b-g-e (фиг. 8)), а затем - деформация на сверхупругом участке. Как уже упоминалось выше, область существования характеристик такой шайбы на сверхупругом участке будет весьма близка к плоскости с-c'-h'-h (фиг. 8). Таким образом предложенное решение обеспечивает стабильность усилия (и, соответственно, стабильность переходного сопротивления) в разборном контактном узле во всем диапазоне его температур и деформаций.

Данное решение повышает надежность эксплуатации и долговечность контактных узлов и может быть использовано для любых разборных контактных узлов.

Использование: изобретение относится к электрическим аппаратам. Сущность изобретения: разборный узел содержит токопроводы, связанные болтовым соединением, и стабилизатор переходного сопротивления, выполненный в виде шайбы, установленной под головкой болта. Шайба выполнена из материала, реализующего эффект сверхупругости с температурной окончания обратного мартенситного превращения не выше минимальной температуры окружающей среды. Устройство позволяет повысить надежность эксплуатации и долговечность контактных узлов и может быть использовано для любых разборных контактных узлов. 9 ил.

Разборный узел, содержащий токопроводы, связанные болтовым соединением, и стабилизатор переходного сопротивления, выполненный в виде шайбы, установленной под головкой болта, отличающийся тем, что шайба выполнена из материала, реализующего эффект сверх упругости с температурой окончания обратного мартенситного превращения не выше минимальной температуры окружающей среды.