МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ОПТОВОЛОКОННЫЙ СОЕДИНИТЕЛЬ Российский патент 2023 года по МПК G02B6/36 G02B6/42 

Изобретение относится к разъемным соединителям оптических линий передачи информации и может быть использовано в качестве герметичного многоканального оптического соединителя, работающего в условиях высокого давления.

Из области техники известно, что в оптических соединителях важнейшим условием работоспособности является минимизация оптических потерь, величина которых определяется надежностью стыковки разъемного соединителя, т.е. степенью перекрытия торцов стыкуемых оптических световодов. На несоосность световодов в соединителе может влиять ряд факторов: допуск несоосности волокна в оптическом наконечнике; допуск несоосности оптического наконечника в корпусе феррулы; допуск несоосности феррулы в отверстии корпуса, складывающийся из позиционного допуска на расположение относительно общей базы; величина зазора феррулы и корпуса; допуска несоосности двух баз (вилка, розетка) и т.д. Первые два фактора могут частично минимизироваться специальными оптическими наконечниками строгой геометрии, выполненными из металла, керамики, стекла. Остальные факторы могут минимизироваться как строгими допусками на изготовление соответствующих деталей, так и применением различных компенсаторов. А изготовление деталей строгой геометрии минимальных допусков является сложной технологической задачей, требующей специализированного металлорежущего оборудования, и предполагает сложный технологический процесс изготовления и как следствие -высокую стоимость.

Известно, что при конструировании оптических соединителей строгая стыковка наконечников световодов обеспечивается прецизионной втулкой, устанавливаемой в оптический центратор. При стыковке наконечники заходят в прецизионную втулку плотно, практически без зазора. При наличии несоосностей феррул вилок, розеток с использованием оптических центраторов конструкция многоканального соединителя должна обеспечивать возможность радиального смещения хотя бы одной из имеющихся феррул. Для работоспособности соединителя необходимо обеспечить общую строгую соосность как ступенчатых отверстий под феррулы вилки и розетки, так и оптических центраторов многоканального соединителя. При стыковке феррул вилки оси прецизионных втулок центраторов должны быть соосны осям наконечников вилки, тогда лишь прецизионные втулки центраторов плотно наденутся на наконечники феррул вилки. Однако в случае даже незначительной несоосности заходные фаски стыкуемых элементов упрутся друг в друга кромками, создавая перекос, а при прикладывании значительного осевого усилия имеющийся перекос создаст значительные радиальные нагрузки в стыкуемых элементах, и один из элементов (прецизионная втулка) может разрушиться.

Известен оптоволоконный соединитель, описанный в оптико-электрическом соединителе [патент РФ №2501139, МПК H02G 15/08, G02B 6/36, опуб. 10.12.2013], состоящий из вилки и розетки, содержащих корпуса, выполненные цилиндрическими и за единое целое, размещенные в отверстиях корпусов феррулы для световодов с наконечниками, и оптические центраторы ответных друг другу феррул. В данном устройстве феррулы для световодов выполнены подпружиненными и установлены с радиальными уплотнителями.

Недостатком известного соединителя является недостаточная надежность стыковки оптических световодов, а также сложность конструкции и связанная с этим высокая трудоемкость изготовления деталей соединителя. По мнению авторов можно предположить, что требуемое радиальное смещение феррул, необходимое для компенсации перекоса, в данном соединителе может обеспечить зазор между каждой феррулой и ступенчатым отверстием под нее в корпусе. Однако в конструкции феррулы снабжены радиальными уплотнителями, как правило, выполненными из резины твердых сортов, и при радиальном смещении феррул (за счет перекоса наконечника феррулы в прецизионных втулках) радиальный уплотнитель деформируется в пределах указанного компенсационного зазора (как правило, небольшого). Если зазор мал, то произойдет «закусывание» подпружиненных феррул в ступенчатом отверстии, что создаст дополнительное трение, противодействующее усилию пружины. Таким образом, осевое усилие стыковки феррулы в оптическом центраторе за счет перекоса увеличится и может превзойти усилие пружины, что приведет к ненадежной стыковке феррул между собой, к поломке прецизионных втулок оптических центраторов. Данный недостаток усиливается в условиях повышенного рабочего давления при наличии в конструкции нескольких радиальных уплотнителей из резины твердых сортов. Кроме того, удовлетворение условию взаимозаменяемости в пределах партии, необходимой для замены при регламентных работах или аварийных ситуациях, и условию обеспечения строгих допусков изготовления может привести к технологическому отсеву (браку). В данном соединителе для герметизации феррул помещены два ряда уплотнительных колец (на практике может быть и более). Недостатком данного вида герметизации является ограниченный срок службы элементов уплотнения (как правило, резины твердых сортов), срок службы которых меньше, чем собственно соединителя и самого кабеля. Это связано с тем, что материал резины подвержен старению. Широкий диапазон температур эксплуатации (например, морская вода) и постоянная деформация уплотнения значительно сокращают срок его службы. Таким образом, во время эксплуатации соединителя необходимо производить или замену розетки или переборку соединителя с заменой резинотехнических изделий.

Известен оптоволоконный соединитель, описанный в оптико-электрическом соединителе и принятый за прототип [патент РФ №2719771, МПК H02G 15/08, G02B 6/36, опуб. 23.04.2020], который частично решает недостатки предыдущего аналога. Данный соединитель состоит из вилки и розетки, содержащих корпуса, выполненные цилиндрическими и за единое целое, размещенные в отверстиях корпусов световоды с наконечниками, и оптические центраторы ответных друг другу наконечников световодов вилки и розетки, причем в отверстия корпуса розетки установлены феррулы для световодов розетки, подружиненные пружинами, при этом каждый наконечник световода розетки одним концом жестко закреплен в ферруле, а другим концом введен в оптический центратор с обеспечением стыковки торцов ответных друг другу наконечников световодов вилки и розетки. В данном соединителе каждый наконечник для световода вилки, также как и в предыдущем аналоге, установлен в ферруле, которая в свою очередь установлена в отверстии корпуса вилки с помощью радиальных уплотнителей. А феррулы для световодов розетки установлены в отверстия корпуса розетки с охватывающими их плавающими центрирующими муфтами, которые являются дополнительными промежуточными силовыми элементами для стыковки наконечников стыкуемых световодов вилки и розетки. Каждый оптический центратор одним концом жестко прикреплен к ферруле для световода вилки, а другим свободным концом введен в указанную муфту.

Недостатком прототипа является то, что в нем, по мнению авторов, плавающая муфта является излишним и не эффективным элементом, так как для обеспечения строгой стыковки наконечников вилки и розетки в центраторе необходимо обеспечить следующие условия: строгую концентричность внутренних и наружных цилиндрических поверхностей оптических центраторов вилки между собой; строгую концентричность наружных поверхностей наконечника светодовода розетки относительно наружных поверхностей феррулы розетки; строгую концентричность наружных и внутренних поверхностей плавающей муфты; строгую соосность наконечников световода вилки между собой и элементами корпуса; а также необходимо рассчитать и обеспечить соотношение зазоров между сопрягаемыми поверхностями плавающих муфт и оптических центраторов, и соответственно муфт и феррул розетки. Выполнение всех этих условий трудоемко и требует специальных расчетов. Так соосность наконечников световодов вилки в отверстии корпуса вилки зависит от величин допусков отверстия феррулы под указанный наконечник, от допусков наружного диаметра каждой феррулы в корпусе вилки, от допусков на расположение и диаметра отверстий корпуса вилки под феррулы. Также надо учитывать допуска на изготовление оптического центратора, так как по его наружному диаметру идет первоначальная «силовая» стыковка муфты. Присутствие в соединении резиновых колец ставит соотношения внешнего диаметра каждой феррулы и величины отверстий корпуса вилки особым образом, свойственным конструированию данного типа уплотнений. Соосность муфты в корпусе розетки зависит от допусков на изготовление самой муфты и допусков отверстий под них в корпусе розетки. Зазор между наружным диаметром муфты и диаметром отверстий в корпусе розетки должен компенсировать все перечисленные выше допуска элементов вилки. Изготовление указанных выше деталей требует минимизации допусков и соответственно использования высокоточного оборудования.

Кроме того конструкция прототипа как и предыдущего аналога также усложнена, при ступенчатой стыковке количество возможных перекосов увеличивается, эксплуатационная надежность соединения снижается.

Также в известном соединителе осевая герметичность феррул в корпусе вилки обеспечивается клеевым соединением каждого наконечника световода вилки в феррулах, а также герметизацией каждой феррулы в корпусе вилки радиальными уплотнениями. Данные способы герметизации используют материалы, которые имеют ограниченные сроки эксплуатации. Клеевые соединения дают усадку, подвержены старению, тем самым запрессовка и герметизация в феррулу керамического наконечника ненадежна. Радиальные уплотнения, как правило, выполняются в виде резиновых колец, которые обеспечивают герметичность соединения до 27 МПа внешнего давления, что не обеспечивает эксплуатационную надежность в условиях воздействия повышенного рабочего давления. Материал резины подвержен старению, широкий диапазон температур эксплуатации и постоянная деформация уплотнения значительно сокращают срок его службы. Для обеспечения функционирования соединения необходимо постоянно проводить его регламентное обслуживание (смазка, замена колец по истечении гарантийного или общего сроков эксплуатации). Замена колец в соединителях подводной эксплуатации является трудоемкой и дорогой процедурой.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является обеспечение эксплуатационной надежности в условиях воздействия повышенного рабочего давления с сохранением надежности стыковки световодов многоканального оптоволоконного соединителя при простоте конструктивного исполнения.

Технический результат достигается тем, что многоканальный оптоволоконный соединитель, состоящий из вилки и розетки, содержащих корпуса, выполненные цилиндрическими и за единое целое, размещенные в отверстиях корпусов световоды с наконечниками, и оптические центраторы ответных друг другу наконечников световодов вилки и розетки, при этом в отверстия корпуса розетки установлены феррулы для световодов розетки, подружиненные пружинами, причем каждый наконечник световода розетки одним концом жестко закреплен в ферруле, а другим концом введен в оптический центратор с обеспечением стыковки торцов ответных друг другу наконечников световодов вилки и розетки, согласно изобретению каждый наконечник световода вилки одним концом герметично закреплен в отверстии корпуса вилки с помощью индивидуального стеклоизолятора, а другим концом введен в оптический центратор, поджатый к корпусу вилки при помощи гайки.

Герметичное закрепление каждого наконечника световода вилки одним концом в отверстии корпуса вилки с помощью индивидуального стеклоизолятора, и введение указанного наконечника другим концом в оптический центратор, поджатый к корпусу вилки при помощи гайки, обеспечивает эксплуатационную надежность в условиях воздействия повышенного рабочего давления (внешнего гидростатического давления до 100 МПа и выше) и строгую соосность наконечников световодов, обеспечивая надежность стыковки световодов многоканального оптоволоконного соединителя при простоте конструктивного исполнения. По сравнению с прототипом феррула в корпусе вилки, герметизированная посредством радиальных уплотнений, исключена, тем самым полностью исключается зависимость соосности керамического наконечника для световода вилки от промежуточных элементов конструкции и выше приведенных недостатков данного соединения, описанных в прототипе. Введение каждого световода вилки свободным концом в оптический центратор дает возможность охватить наконечник оптическим центратором, тем самым сориентировать оптический центратор в радиальном направлении относительно жестко закрепленного наконечника для световода вилки. В этом случае осевое расположение центраторов принимает осевое расположение указанных наконечников, обеспечивая строгую геометрию положения входящих в него наконечников световодов вилки и розетки. Также минимизируется количество поверхностей, сопрягаемых между собой и количество деталей конструкции, повышая надежность стыковки световодов многоканального оптоволоконного соединителя при простоте конструктивного исполнения. В результате данного соединения не требуется специального расчета при проектировании и высокоточного технологического оборудования изготовления, а величина зазора между каждой феррулой розетки и соответствующим отверстием корпуса розетки определяется величиной допуска расположения керамических наконечников вилки, закрепленных в корпусе вилки с помощью стеклоизолятора. Как известно, минимальные допуска таких соединений определяются величинами радиальных смещений - 0,03 мм. Допуска изготовления феррул и отверстий могут быть минимизированы по 6 квалитету и определены десятками микрон. При этом общий допуск указанного смещения может определяться радиальным смещением 0,04 мм. Таким образом, при таких полях величин смещений, керамический наконечник розетки (диаметром 2,5 мм) сам становится направляющим элементом (штырем), который при требуемом осевом воздействии состыковывается с центратором и собственно с керамическим наконечником вилки, при этом феррула розетки, подпружиненная пружиной, имеет возможность радиального перемещения в отверстии корпуса, компенсируя величиной зазора незначительные осевые смещения наконечников вилки и розетки.

Таким образом, совокупность существенных признаков заявляемого устройства обеспечивает эксплуатационную надежность в условиях воздействия повышенного рабочего давления с сохранением надежности стыковки световодов многоканального оптоволоконного соединителя при простоте конструктивного исполнения.

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 чертежом, где приведен осевой разрез многоканального оптоволоконного соединителя.

На фиг. принимаются следующие обозначения.

1 - корпус вилки;

2 - корпус розетки;

3 - световод вилки;

4 - световод розетки;

5 - наконечник для световода вилки;

6 - наконечник для световода розетки;

7 - стеклоизолятор;

8 - оптический центратор;

9 - феррула розетки;

10 - пружина;

11 - ступень отверстия корпуса вилки;

12 - гайка;

13 - гайка, фиксирующая феррулу.

Устройство выполнено следующим образом.

Многоканальный оптоволоконный соединитель (фиг.) содержит вилку и розетку, корпуса 1, 2 которых выполнены цилиндрическими и за единое целое и имеют проходные отверстия, в которых размещены световоды 3 вилки и световоды 4 розетки. Соединитель также содержит оптические центраторы 8 ответных друг другу наконечников 5, 6 световодов 3, 4. В отверстиях корпуса 1 вилки герметично одним концом закреплены с помощью индивидуальных стеклоизоляторов 7 керамические наконечники 5 световодов вилки, при этом другим концом они введены в оптический центратор 8, поджатый к корпусу 1 подвижной гайкой 12. Отверстия в корпусе 1 вилки в данном конкретном случае выполнены ступенчатыми, при этом каждый оптический центратор 8 установлен с упором в ступень отверстия корпуса 1 вилки, обеспечивая «силовое замыкание по оси» центратора 8 на корпус 1 вилки, как противодействие трению, возникающему при его стыковке с наконечником 6 розетки, при этом сохраняя целостность стеклоизоляторов 7. В отверстиях корпуса 2 розетки установлены с зазором феррулы 9, подпружиненные пружинами 10. Каждый керамический наконечник 6 световода 4 розетки одним концом жестко закреплен в ферруле 9, а другим свободным концом введен в оптический центратор 8 с обеспечением стыковки торцов ответных друг другу наконечников 5, 6.

Сборка устройства осуществляется следующим образом.

Первоначально отдельно собирают вилку и розетку. Вилку собирают следующим образом: в отверстия корпуса 1 вилки устанавливают наконечники 5 и стеклянные втулки стеклоизоляторов 7 и одновременно по технологии металлостеклянных спаев осуществляют крепление всех наконечников 5 многоканального оптоволоконного соединителя. Затем в наконечники 5 вклеивают световоды 3 пропиткой герметика глубокого проникновения. Концы наконечников 5 с выступающими световодами 3 шлифуют. Выступающие части наконечников 5 охватывают отическими центраторами 8, которые фиксируют в корпусе 1 гайками 12. Розетку собирают следующим образом: в отверстия корпуса 2 розетки устанавливают наконечники 6, запрессованные концами в феррулы 9. Далее в наконечники 6 вклеивают световоды 4, торцы шлифуют. Для обеспечения радиального смещения каждую феррулу 9, подпружиненную пружинами 10, устанавливают в отверстия корпуса 2 розетки с зазором. Затем феррулы 9 фиксируют гайками 13. Вилка и розетка готовы к стыковке.

Для осуществления многоканального оптоволоконного соединения вилку и розетку стыкуют, строго ориентируя их корпуса 1, 2 друг относительно друга. При этом сразу все наконечники 6 световодов розетки, преодолевая незначительные несоосности, вводят в центраторы 7 с обеспечением стыковки торцов ответных друг другу наконечников 5, 6 световодов 3, 4. Степень сжатия пружины 10 регулируется гайками 13 до достижения полного соприкосновения торцевых поверхностей корпусов 1, 2 вилки и розетки. Для преодоления сопротивления трения при незначительных несоосностях оптических центраторов 8 и наконечников 6, торцы оптических центраторов могут иметь заходные фаски.

Данное техническое решение минимизирует количество стыковочных поверхностей, обеспечивающих надежную стыковку керамических наконечников световодов многоканального оптоволоконного соединителя и обеспечивает эксплуатационную надежность в условиях воздействия повышенного рабочего давления. Предложенный оптоволоконный соединитель, по сравнению с прототипом, прост в конструктивном исполнении за счет исключения из конструкции устройства феррул вилки с радиальными уплотнителями, а также плавающих муфт розетки и связанных с этим деталей, требующих высокоточного оборудования для изготовления. При этом заявляемая конструкция не содержит органические материалы (резиновые кольца, клей), что исключает регламентное обслуживание. Общий срок службы значительно увеличивается. Конструкция предлагаемого изобретения позволяет изготовление деталей производить на универсальном программном металлорежущем оборудовании, что значительно удешевляет стоимость.

Кроме того данный оптоволоконный соединитель возможно использовать в оптико-электрическом соединителе, где электроды для электрических линий также впаивают по технологии металлостеклянных спаев. Причем впайку электродов и наконечников световодов вилки проводят одновременно по единому технологическому процессу.

На предприятии был изготовлен опытный образец, который подтвердил работоспособность заявляемого устройства. Многоканальный оптоволоконный соединитель был применен для стыковки кабельных линий, соединяющих переборки глубоководного аппарата. Результаты испытаний подтвердили при простоте конструктивного исполнения обеспечение эксплуатационной надежности в условиях воздействия повышенного рабочего давления с сохранением надежности стыковки световодов.

Представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:

- заявляемый многоканальный оптоволоконный соединитель относится к разъемным соединителям оптических линий передачи информации;

- заявляемое устройство при использовании способно обеспечить эксплуатационную надежность в условиях воздействия повышенного рабочего давления с сохранением надежности стыковки световодов многоканального оптоволоконного соединителя при простоте конструктивного исполнения;

- для заявляемого 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, заявляемое устройство соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к разъемным соединениям оптических линий передачи информации. Многоканальный оптоволоконный соединитель, состоящий из вилки и розетки, содержащих корпуса, выполненные цилиндрическими и за единое целое, размещенные в отверстиях корпусов световоды с наконечниками, и оптические центраторы наконечников световодов вилки и розетки, при этом в отверстия корпуса розетки установлены феррулы для световодов розетки, подружиненные пружинами. Каждый наконечник световода розетки одним концом жестко закреплен в ферруле, а другим концом введен в оптический центратор с обеспечением стыковки торцов ответных друг другу наконечников световодов вилки и розетки, отличающийся тем, что каждый наконечник световода вилки одним концом герметично закреплен в отверстии корпуса вилки с помощью индивидуального стеклоизолятора, а другим концом введен в оптический центратор, поджатый к корпусу вилки при помощи гайки. Технический результат – обеспечение эксплуатационной надежности в условиях воздействия повышенного рабочего давления с сохранением надежности стыковки световодов многоканального оптоволоконного соединенителя при простоте конструктивного исполнения. 1 ил.

Многоканальный оптоволоконный соединитель, состоящий из вилки и розетки, содержащих корпуса, выполненные цилиндрическими и за единое целое, размещенные в отверстиях корпусов световоды с наконечниками, и оптические центраторы наконечников световодов вилки и розетки, при этом в отверстия корпуса розетки установлены феррулы для световодов розетки, подружиненные пружинами, причем каждый наконечник световода розетки одним концом жестко закреплен в ферруле, а другим концом введен в оптический центратор с обеспечением стыковки торцов ответных друг другу наконечников световодов вилки и розетки, отличающийся тем, что каждый наконечник световода вилки одним концом герметично закреплен в отверстии корпуса вилки с помощью индивидуального стеклоизолятора, а другим концом введен в оптический центратор, поджатый к корпусу вилки при помощи гайки.