ПОДВОДНЫЙ РАЗМЫКАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК B63B22/14 

Изобретение относится к технике океанологических исследований и может найти применение при постановке на якоре буйковой и донной морской гидрологической, сейсмической, электромагнитной и другой аппаратуры и обеспечивает отдачу якоря на любых глубинах с последующим всплытием измерительной аппаратуры.

Известны морские размыкатели с механическим зацеплением, недостатком которых является необходимость больших усилий расцепляющих механизмов и отказы в срабатывании вследствие большого трения в этих механизмах [1].

Одним из способов осуществления больших усилий является применение поджигаемых электрическим током взрывных устройств, разрушающих опорные части сцеплений приборных контейнеров с якорем. Основными недостатками этих устройств являются следующие. Как показал опыт, взрывные механизмы при больших глубинах недостаточно надежны, и не всегда срабатывают из-за большого давления воды. От взрывов возможны также повреждения измерительного комплекса. Обязательно необходимы в составе корабельной службы лица, допущенные к взрывным работам, а также соблюдение особых требований техники безопасности при хранении и применении взрывных устройств на корабле, что сильно усложняет работы с такими типами размыкателей.

Известен электролитический размыкатель [2], в котором якорь через рычажную систему удерживается проволочной петлей из нержавеющей стали. По заданному сигналу между металлическим корпусом размыкателя и петлей от специальной, находящейся в приборном контейнере электрической батареи, пропускается через морскую воду электрический ток. Металл петли, присоединяемой к отрицательному полюсу батареи, электрохимически растворяется, в результате чего снимается тяга с рычажной системы и якорь отдается.

По данным авторов изобретения, применявшаяся ими проволока из нержавеющей стали диаметром в несколько десятых миллиметра и длиной рабочего участка около 6 мм, разрушалась при напряжении 10 В током 0,5 А в течение 14 мин.

Недостатком этого размыкателя в относительно малой надежности и ограниченной универсальности его применения. Скорость электролитической коррозии металлов сильно зависит от солености морской воды. В распресненных водах процесс растворения будет весьма продолжителен и до известной степени неопределенен, а в пресных водах этот размыкатель совсем неприменим. При длительных постановках аппаратуры в море возможно обрастание активный части проволочной петли, что само по себе вызовет некоторую неопределенность продолжительности электрохимического процесса с одной стороны, а с другой, в зависимости от типа организмов-обрастателей, может привести к преждевременному срабатыванию размыкателя, т.е. известно, что большинство организмов-обрастателей усиливают коррозионные процессы и проволока может быть разрушена до включения тока.

Целью настоящего изобретения является повышение надежности работы размыкателя с упрощением его конструкции и повышением экономичности изготовления. Эта цель достигается полным исключением каких-либо подпружиненных рабочих элементов, возможность простого регулирования силы нажатия запорного клапана, значительным снижением усилий электромагнита при его открытии, а также простотой конструкции не требующей какой-либо особой точности изготовления ее деталей.

Предлагаемый гидровоздушный размыкатель содержит разделенную на верхний и нижний цилиндры камеру, заполненную воздухом при атмосферном давления. Верхний цилиндр скреплен с приборным контейнером, нижний - с якорем. Стык между цилиндрами выполнен с кольцевым пазом с проложенной в нем герметизирующей резиновой кольцевой прокладкой. Верхний и нижний цилиндры соединены между собой распределенными равномерно по периметру струбцинами. Снабженные пружинами прижимные винты струбцин входят в гнезда, расположенные на верхнем цилиндре. Вводный канал представляет собой закрепленный на верхнем цилиндре клапанный механизм, состоящий из прокладки, прижатой через фторопластовое кольцо винтом с отверстием для пропуска внешней воды.

Напротив отверстия со стороны внутренней полости установлена опорная стойка с плоско срезанной сверху конической головкой. Стойка прижата к ответному коническому гнезду в верхнем цилиндре посредством вращающегося на оси рычага, противоположный конец которого опирается через упорную планку на жестко закрепленную на верхнем цилиндре ось. Планка соединена с якорем электромагнита, размещенного в полой камере. Управляемая обмотка электромагнита соединена сигнальным проводом с источником питания, размещенным в приборном контейнере.

На фиг. 1 приведена схема устройства гидровоздушного размыкателя, на которой: 1 - верхний цилиндр полой камеры, 2 - нижний цилиндр, 3 - кольцевой паз, 4 - кольцевая резиновая прокладка, 5 - прижимные винты, 6 - упорные штифты, 7 - струбцины, 8 - гнезда, 9, 10 - пружины, 11 - торцевые площадки, 12 - внутренняя воздушная полость размыкателя, 13 - впускное отверстие вводного канала, 14 - опорная стойка, 15 - ответное коническое гнездо в днище верхнего цилиндра, 16 - прокладка, 17 - фторопластовое кольцо, 18 - винтовая втулка, 19 - отверстие для пропуска внешней морской воды, 20 - ось рычага 21, 22 - ось, 23 - упорная планка, 24 - пружина, 25 - стопорная планка, 26 - электромагнит, 27 - гермоввод, 28 - продольные канавки опорной стойки 14.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. При подготовке размыкателя на палубе нажимом прижимных винтов 5 и упорных штрифтов 6 зажимов-струбцин 7 верхний 1 и нижний 2 цилиндры полой камеры сближаются, сжимая прокладку 4 по высоте на 0,5 мм, чем обеспечивается необходимое начальное герметизирующее уплотнение, препятствующее проникновению морской воды внутрь камер. Стальные струбцины сечением порядка 1 см² вполне обеспечивают необходимую их прочность при начальном сжатии резиновой прокладки 4 и удержании веса якоря.

По мере погружения размыкателя в море возрастающее давление воды на днища цилиндрических камер дополнительно сжимает резиновую прокладку 4 и вследствие этого на глубине погружения, зависящей от жесткости и начальной толщины резины, концы прижимных винтов 5 выходят из гнезд 8 в верхней камере, струбцины 7 действием пружин 9 и 10 сбрасываются в море и цилиндрические камеры продолжают удерживаться в прижатом состоянии только внешним давлением воды. Давление воды должно быть достаточным для удержания веса якоря, который обычно принимается в воде порядка 100 кгс.

Опорная стойка 14 удерживается прижатой к ответному коническому гнезду в днище верхней цилиндрической камеры посредством вращающегося на оси 20 рычага 21, противоположный конец которого прочно опирается на жестко укрепленную на корпусе верхней цилиндрической камеры ось 22 через упорную планку 23. Для предотвращения случайного перемещения рычага 21 и планки 23 при возможных сотрясениях при постановке прибора они удерживаются в начальных положениях экспериментально подобранной пружиной 24. Для ограничения движения опорной стойки внутрь размыкателя и возможного при этом повреждения находящихся там деталей служит прочная стопорная планка 25, соединенная с верхним цилиндром полой камеры 1.

При возбуждении электромагнита 26 от электрической батареи питания, находящейся в контейнере прибора и подключаемой к электромагниту через гермоввод 27, его якорь втягивается внутрь этого электромагнита. При этом он поворачивает планку 23 на оси 22, позволяя рычагу 21 повернуться на оси 20, что, приводя к освобождению от опоры стойки 14, позволяет снять противодавление с прокладки в отверстии 13. Большим давлением воды над этим отверстием прокладка разрушается и внешняя морская вода своим давлением через впускное отверстие 13 на опорную стойку 14 смещает ее и через образовавшуюся над головкой полость и продольные канавки 28 в стойке 14 заполняет внутреннюю воздушную полость 12 размыкателя. При заполнении водой внутренней полости размыкателя внешнее и внутреннее давление выравниваются, верхний цилиндр 1 полой камеры легко отделяется от нижнего цилиндра и поднимается вместе с имеющим положительную плавучесть контейнером с буйком для повторного использования.

По конструктивным расчетам, исходя из необходимости внутреннего объема размыкателя для размещения в нем электромагнита и рычажной системы, требуется внутренний диаметр цилиндрической полой камеры не менее 10 см. По прочностным характеристикам дюраля приняв с запасом прочности σ_т= 1000 кгс/см² (использование этого материала предусмотрено с целью универсализации применения размыкателя, как для обычной океанографической аппаратуры, так и для электромагнитных приборов) внешний диаметр верхнего и нижнего цилиндров должен быть не менее 19 см для обеспечения требуемой прочности при расчетной глубине погружения до 7000 м. Это создает общую силу, сдавливающую цилиндрические камеры Q = Pπ19²/4 ≈ 280P, , где P - гидростатическое давление. Отсюда следует, что вес якоря уравновешивается при гидростатическом давлении p = 100:280≈0,36 кгс/см², что соответствует глубине погружения около 4 м.

При глубине кольцевого паза 3 равной 8 мм, в принятой нами конструкции, и ширине резиновой кольцевой прокладки 4, равной 6 мм, указанная выше внешняя сила, сдавливающая цилиндры 1 и 2, создает удельное давление на резиновое кольцо P_рез=280p/0,6х3,14х18≈8,3p кгс/см². Имея в виду, что сброс струбцин 7 должен происходить при силе сдавливания цилиндров 1 и 2, обеспечивающей уравновешивание веса якоря, это будет создавать удельное давление резины в кольцевой прокладке P_рез≈8,3х0,36≈3 кгс/см². Такое удельное давление по экспериментальным исследованиям автора вызывает уменьшение толщины резинового кольца герметизирующей прокладки размыкателя из белой вакуумной резины ГОСТ 7388-77, толщиной 5,5 мм на 1,0 мм. Имея это в виду, следует принять глубину гнезда 8 в днище верхнего цилиндра 1, для надежного сброса струбцин 7, порядка 2,0 мм. Тогда сброс струбцин произойдет (по тем же экспериментальным данным) при удельном давлении на резину кольца P_рез≈20 кгс/см², т. е. на глубине погружения размыкателя≈200 м. При необходимости постановки аппаратуры на меньших глубинах, следует брать более мягкую резину. Дальнейшему сжатию и выдавливанию резинового кольца из паза 3 препятствует смыкание торцевых площадок 11 цилиндров, отстоящих друг от друга в начальном положении на 4,0 мм. Это расстояние определяется начальной толщиной резиновой прокладки. В разработанной конструкции оно принято равным 6 мм.

Клапанный механизм, открывающий доступ морской воды во внутреннюю воздушную полость размыкателя 12 через впускное отверстие 13 в днище верхнего цилиндра 1, представляет собой конусный затвор. Он состоит из опорной стойки 14 с плоско срезанной сверху конической головкой, плотно входящей в ответное коническое гнездо 15 в днище верхнего цилиндра 1. Во избежание заклинивания угол раствора конуса должен быть не менее 30^o. Для уменьшения действующих сил в клапанном механизме диаметр впускного отверстия должен быть минимальным. Однако во избежание возможных засорений, его целесообразно сделать порядка 1 мм.

С целью исключения просачивания воды по возможным микротрещинам этого конусного затвора он по верхней плоскости перекрывается прокладкой 16, прижатой посредством кольца из фторопласта 17 винтовой втулкой 18. Эта втулка имеет отверстие 19 для пропуска внешней морской воды. Поскольку прокладка 16 служит только для страховки при длительной постановке аппаратуры в море, прочность материала прокладки может быть весьма малой. Например, она может быть сделана из прокладочного картона (ГОСТ 6877-54) толщиной 0,3 мм с пределом прочности на растяжение σ_p= 2 кгс/см². . Гидростатическое давление P_кр, при котором будет разрушена такая прокладка (после снятия противодавления опорной стойки 14), может быть определено из условия расчета напряжений в круглой защемленной пластине

где
P_кр - гидростатическое давление;
a - радиус отверстий;
h - толщина картона;
[σ_p] - предел прочности картона.

Для наших условий: a=0,05 см; h = 0,03 см; [σ_p] = 2 кгс/см². Тогда P_кр ≈ 1,4 кгс/см², т.е. прокладка может быть разрушена начиная с глубины порядка 14 м. Возможно некоторое ослабление прочностных характеристик прокладки вследствие ее намокания, и поэтому ее разрушение может произойти на меньшей глубине.

На глубине 7000 м сила давления на верхнюю площадку диаметром 1 мм конусной головки опорной стойки 14 будет составлять около 5,8 кг. При отношении плеч рычага 21, как 1:3, упорная планка 23 будет прижиматься к оси 22 с силой около 2 кгс. В этих условиях и учитывая дополнительную тягу пружинки 24, по полученным автором экспериментальным данным, для того, чтобы повернуть планку 23 и оcвободить от опоры конец рычага 21, достаточен электромагнит мощности 8 Вт. Электромагнит с втягивающимся сердечником диаметром 10 мм и намагничивающей силой 1250 а. в. (10 В, 0,8 А) работал надежно с большим запасом.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого технического решения обеспечивается следующими факторами:
Простота применяющихся деталей не имеющих каких-либо специфических элементов и доступность их изготовления из обычных материалов и на обычном токарно-фрезерном оборудовании. Отсутствие требований к особо высокой точности их изготовления, поэтому сравнительно невысокая стоимость размыкателя.

Минимальная затрата энергии на срабатывание - не более 8 Вт при 10 В в течение 1-2 с.

Простота монтажа на палубе судна в обычных условиях без требования какого-либо специального дополнительного оборудования, безопасность при этих работах.

Универсализм - возможность применения в любой естественной водной среде на любых глубинах и независимо от степени ее солености и температуру.

Надежность - безотказность срабатывания вследствие отсутствия каких-либо значительно напряженных элементов спускового механизма. Наибольшее усилие в его элементах при глубине погружения до 7 км составляет не более 7 кгс, а напряжение на спусковом рычаге не более 2-3 кгс.

Литература
1. Справочник по океанографическим приборам и оборудованию. М.: Изд. АН СССР, 1962.

2. Dwight E. Boegeman and Frank V. Pavlicec. An electrochemical releas device. MTS Journal v. 8, N 3, March 1974, s. 40.

Использование: проведение подводных океанографических исследований с возможностью всплытия измерительной аппаратуры. Сущность изобретения: размыкатель содержит разделенную на верхний и нижний цилиндры камеру, заполненную воздухом при атмосферном давлении. Верхний цилиндр скреплен с приборным контейнером, нижний - с якорем. Стык между цилиндрами выполнен с кольцевым пазом с проложенной в нем герметизирующей резиновой кольцевой прокладкой. Верхний и нижний цилиндры соединены между собой распределенными равномерно по периметру струбцинами. Снабженными пружинами прижимные винты струбцин входят в гнезда, расположенные на верхнем цилиндре. Вводный канал представляет собой закрепленный на верхнем цилиндре клапанный механизм, состоящий из прокладки, прижатой через фторпластовое кольцо винтом с отверстием для пропуска внешней. Напротив отверстия со стороны внутренней полости установлена опорная стойка с плоско срезанной сверху конической головкой. Стойка прижата к ответному коническому гнезду в верхнем цилиндре посредством вращающегося на оси рычага, противоположный конец которого опирается через упорную планку на жестко закрепленную на верхнем цилиндре ось. Планка соединена с якорем электромагнита, размещенного в полой камере. Управляемая обмотка электромагнита соединена сигнальным проводом с источником питания, размещенным в приборном контейнере. 1 ил.

Подводный размыкатель, содержащий корпус, состоящий из верхней и нижней частей, которые соединены между собой посредством равномерно распределенных по периметру корпуса подпружиненных замковых устройств с образованием внутри корпуса полости, заполненной газом при атмосферном давлении, при этом стык между частями корпуса выполнен с кольцевым пазом с проложенной в нем резиновой прокладкой, причем в верхней части корпуса выполнен входной канал для сообщения упомянутой полости с внешней средой посредством приводного клапанного механизма, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности работы, привод клапанного механизма выполнен электромагнитным с электрически управляемой обмоткой, а упомянутый клапанный механизм выполнен в виде закрепленных во входном канале посредством винтовой втулки со сквозным отверстием фторпластового кольца и прокладки, последняя из которых контактирует с выполненным по форме усеченного конуса одним концом опорной стойки, установленной с возможностью взаимодействия своим другим концом с одним плечом поворотного двуплечего рычага, установленного с возможностью взаимодействия своим другим плечом с одним концом поворотной упорной планки, который соединен с якорем электромагнитного привода.