Датчик предельных ускорений Российский патент 2025 года по МПК G01P15/04 G01N3/30 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в проникающих зондах или пенетраторах для исследования процесса высокоскоростного проникания в преграду, а также в изделиях одноразового применения, обеспечивающих преодоление различных преград и гарантированную выдачу исполнительных команд при действии «критического» уровня перегрузок, независимо от длительности и направления действующих ускорений.

В настоящее время постоянно расширяется круг задач по изучению свойств различных преград, исследуемых в условиях высокоскоростного соударения, в том числе грунтов небесных тел, а также изучению ударных процессов в конструкции зондов при их взаимодействии с преградами.

Известно техническое решение, описанное в патенте RU №2287756, МПК G01N 3/30, опубл. 20.11.2006 под названием «Устройство проводной электрической связи для метаемого тела и способ испытаний метаемых тел с непрерывной регистрацией баллистических параметров», предназначенное для лабораторных и полигонных условий измерения параметров интенсивных ударных нагружений.

Основным недостатком указанного устройства является низкая надежность проводной электрической линии связи, вероятность обрыва которой определяется множеством факторов: ее длиной, сечением и прочностью проводов, величиной и длительностью действующих перегрузок, характеристиками преграды и параметрами образующейся каверны.

Известен пенетрометр, описанный в патенте US №4492111, МПК G01N 3/00, опубл. 08.01.1985 , предназначенный для одновременного определения характеристик грунта во время проникновения, а также в состоянии покоя после полного проникания. Устройство содержит прочный корпус, в котором размещены бортовой источник питания и множество чувствительных датчиков, подключенных к телеметрическому оборудованию для генерации характеристик грунта и передачи таких сигналов на поверхность по радиорелейной линии связи.

Недостатком указанного устройства является то, что его надежность будет ограничена работоспособностью телеметрического оборудования, содержащего радиоэлектронные компоненты и являющегося наиболее слабым звеном в конструкции устройства.

Известно техническое решение, описанное в патенте RU №2111476, МПК G01N 3/30, 3/48, E02D 1/00, опубл. 20.05.1998 г. под названием «Зонд для исследования свойств грунта», использующийся для дистанционного определения физико-механических и прочностных свойств грунта, содержащий носовую часть, корпус с регистрирующей аппаратурой, отделяющийся хвостовик-стабилизатор с передающей радиоаппаратурой и узел проводной линии связи между ними.

К недостаткам устройства следует отнести то, что регистрирующая аппаратура размещена непосредственно в носовой части зонда, подверженной максимальному воздействию ударных нагрузок. Кроме того, процесс отделения регистрирующей аппаратуры, размещенной в хвостовике-стабилизаторе, недостаточно регламентирован и определяется сочетанием множества факторов: конструктивным исполнением, величиной и длительностью действующих перегрузок, характеристиками преграды и параметрами образующейся каверны. При резком увеличении перегрузки, например, при попадании зонда в скальный грунт, высока вероятность отказа регистрирующей аппаратуры при достижении на ней критических значений перегрузки, при этом хвостовик-стабилизатор может еще не отделиться от корпуса, хотя возможно сохранение его конструктивной целостности. В этом случае, для обеспечения регламентированного отделения хвостовика-стабилизатора целесообразно использование в составе зонда датчика предельных ускорений, обеспечивающего своевременное формирование соответствующей команды.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению, принятому в качестве прототипа, является зонд для исследования высокоскоростного проникания в преграду, описанный в патенте RU №2729976, МПК G01N 3/30, 3/48, опубл. 13.08.2020 г., содержащий корпус, во внутренней полости которого с осевым и радиальным зазорами размещена полезная нагрузка, закрепленная к корпусу посредством разрушаемого крепежного элемента, выполненного в виде шаровой опоры, регистрирующую аппаратуру, отделяющийся хвостовик с передающей аппаратурой, соединенной с регистрирующей аппаратурой линией связи.

К недостаткам прототипа следует отнести то, что центр масс инерционного чувствительного элемента, которым является собственно контейнер, смещен относительно центра шаровой опоры. При действии составляющей ударного ускорения в поперечном направлении в начальный момент, когда шаровая опора, в силу инерционности всей системы, еще не обеспечила требуемую ориентацию оси в направлении суммарного вектора ускорений, разрушаемый крепежный элемент может быть подвергнут дополнительному изгибающему моменту. Это может привести к нерасчетному усилию его разрушения и, как следствие, к снижению точности регистрации заданного порога действующих ускорений. Другим недостатком указанного технического решения, используемого в качестве датчика предельных ускорений (ДПУ), является отсутствие устройства, следящего за взаимным положением контейнера, являющегося инерционным чувствительным элементом, и корпуса зонда, обеспечивающего формирование исполнительной команды при их взаимном смещении. Принципиально, в указанном устройстве эту функцию может выполнять проводной датчик, размещенный в центральном отверстии разрушаемого крепежного элемента, однако время срабатывания такого датчика регламентировать достаточно сложно, так как это будет зависеть от множества факторов: типа провода, условий его закрепления, скорости деформации и др.

Задачей изобретения является создание ДПУ для использования в составе высокоскоростных проникающих зондов или изделий одноразового применения, обеспечивающего высокие характеристики надежности, быстродействия срабатывания и выдачу исполнительной команды при действии «критического» уровня перегрузок для полезной нагрузки в заданных диапазонах величин, независимо от длительности и направления действующих ускорений, при одновременном повышении стойкости к воздействию внешних факторов, в том числе вибрационных и ударных нагрузок.

Технический результат, который позволяет решить поставленную задачу, заключается в том, что удалось исключить наличие резонансных явлений при воздействии вибрационных и ударных нагрузок, за счет отсутствия в исходном состоянии между отдельными составными частями конструкции зазоров и упругих элементов, а это, в свою очередь, повысило точность регистрации заданного порога действующих ускорений. Кроме того, удалось исключить воздействие изгибающего момента на слабое сечение разрушаемого крепежного элемента за счет максимального приближения его к центру масс инерционного чувствительного элемента (ИЧЭ), а коммутирующее устройство обеспечило отслеживание взаимного положения ИЧЭ и корпуса ДПУ и формирование исполнительных команд при их взаимном смещении.

Это достигается тем, что в датчике предельных ускорений, содержащем корпус, во внутренней полости которого с осевым и радиальным зазорами размещена полезная нагрузка, закрепленная к корпусу посредством разрушаемого крепежного элемента, выполненного в виде шаровой опоры, линию связи в виде токопровода, согласно изобретению, полость корпуса закрыта крышкой с электрическими контактами, шаровая опора снабжена втулкой, выступы которой расположены оппозитно относительно сферы шаровой опоры, продольная ось втулки проходит через центр сферы шаровой опоры, на внешней поверхности первого выступа втулки, обращенного ко дну полости, размещена полезная нагрузка, содержащая инерционный чувствительный элемент, установленный с возможностью перемещения вдоль ее оси и зафиксированный на ее торце в исходном положении, на внешней поверхности первого выступа втулки выполнена проточка со слабым сечением, причем ее расположение максимально приближено к центру масс инерционного чувствительного элемента, в продольном отверстии втулки установлен стержень, один конец которого закреплен к торцу первого выступа втулки, а другой конец стержня снабжен электрическими контактами и взаимодействует с соответствующими электрическими контактами коммутирующего устройства, закрепленного на втором выступе втулки и содержащего токопровод, соединенный с электрическими контактами крышки, при этом между первым торцом втулки и дном полости размещен арретир, фиксирующий полезную нагрузку в исходном положении вдоль продольной оси датчика.

Кроме того, с целью обеспечения регламентированного разрушения слабого сечения при действии «критического» уровня перегрузок, втулка выполнена из непластичного материала, например, чугуна.

Кроме того, с целью фиксации ИЧЭ вдоль продольной оси датчика в исходном положении и ориентации ИЧЭ по вектору суммарного ускорения при срабатывании датчика, арретир выполнен в виде трубки из эластичного материала, например, капрона.

Кроме того, с целью обеспечения формирования исполнительных команд, коммутирующее устройство выполнено в виде замыкающего или размыкающего контакта.

Кроме того, с целью обеспечения возможности перемещения ИЧЭ вдоль оси втулки, а также поворота оси ИЧЭ и ее ориентации по направлению суммарного вектора ускорения в полости датчика при воздействии поперечной составляющей перегрузки, инерционный чувствительный элемент выполнен в виде усеченного конуса, содержащего центральное отверстие, соответствующее диаметру втулки, при этом меньший диаметр конуса направлен ко дну полости.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, а определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «новизна» по действующему законодательству.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию изобретательского уровня заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, результаты которого показывают, что заявленное изобретение не следует для специалиста явным образом из известного технического уровня техники.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует требованию «изобретательский уровень».

Предлагаемое изобретение проиллюстрировано следующим чертежом, на котором представлено поперечное сечение датчика предельных ускорений.

На чертеже введены следующие обозначения:

1 - корпус;

2 - полость;

3 - осевой зазор;

4 - радиальный зазор;

5 - инерционный чувствительный элемент (ИЧЭ);

6 - разрушаемый крепежный элемент;

7 - шаровая опора;

8 - гайка;

9 - втулка;

10, 11 - выступы втулки;

12 - резьбовое кольцо;

13 - проточка;

14 - слабое сечение;

15 - стержень;

16 - винт;

17 - контакты стержня;

18 - коммутирующее устройство;

19 - контакт коммутирующего устройства;

20 - контакт с токопроводом;

21 - центральный контакт;

22 - боковой контакт;

23 - контактная поверхность осевая;

24 - контактная поверхность боковая;

25 - крышка;

26 - дно;

27 - арретир;

28 - паз дна.

ДПУ содержит корпус 1 с внутренней полостью 2, в которой с осевым 3 и радиальным 4 зазорами размещена полезная нагрузка с ИЧЭ 5, закрепленная с помощью разрушаемого крепежного элемента 6, выполненного в виде шаровой опоры 7, поджатой к корпусу 1 гайкой 8 и снабженной втулкой 9 с двумя выступами 10 и 11, расположенными оппозитно относительно шаровой опоры 7. ИЧЭ 5 выполнен в виде усеченного конуса, содержащего центральное отверстие, соответствующее диаметру втулки, при этом меньший диаметр конуса направлен ко дну полости. Продольная ось втулки 9 проходит через центр шаровой опоры 7. На внешней поверхности выступа 10 втулки 9 выполнена проточка 13 со слабым сечением 14, обеспечивающим требуемое усилие разрушения, и установлен ИЧЭ 5. В исходном положении перемещение ИЧЭ ограничено резьбовым кольцом 12, а при срабатывании датчика ИЧЭ имеет возможность перемещения вдоль оси втулки 9. Расположение слабого сечения максимально приближено к центру масс ИЧЭ 5. Втулка 9 изготовлена из непластичного материала, например, чугуна, и в ней выполнено центральное отверстие с размещенным в нем стержнем 15, закрепленным к торцу выступа 10 винтом 16. Стержень 15 снабжен контактами 17, обеспечивающими его взаимодействие с соответствующими контактами 19 и 20 коммутирующего устройства 18, установленного на выступе 11 втулки 9. Коммутирующее устройство 18 выполнено в виде размыкающего контакта и содержит контактные поверхности 23 и 24, взаимодействующие с соответствующими контактами 21 и 22 крышки 25. Для обеспечения совпадения осей ИЧЭ 5 и корпуса 1 при транспортировании и эксплуатации ДПУ, на дне 26, закрывающем полость 2 корпуса 1, в пазе 28 установлен арретир 27, выполненный в виде трубки из эластичного материала, например, из капрона, и взаимодействующий с соответствующим пазом резьбового кольца 12.

В исходном состоянии между отдельными составными частями ДПУ отсутствуют зазоры и не содержатся упругие элементы, что полностью исключает наличие резонансных явлений при воздействии вибрационных и ударных нагрузок, а это, в свою очередь, повышает точность регистрации заданного порога действующих ускорений.

Инерционный чувствительный элемент 5 охватывает слабое сечение 14 втулки 9, при этом его центр масс максимально приближен к проточке 13, что практически исключает воздействие изгибающего момента на слабое сечение 14 при действии составляющей ударного ускорения в поперечном направлении в начальный момент, когда еще не обеспечена требуемая ориентация оси ИЧЭ 5 в направлении суммарного вектора ускорений. Это реализует воздействие на втулку 9 только усилий растяжения, что обеспечивает расчетное усилие разрушения ее слабого сечения 14 и приводит к повышению точности регистрации заданного порога действующих ускорений.

Работа устройства заключается в следующем.

При воздействии ускорения, вектор которого совпадает с осью ДПУ, происходит воздействие перегрузки на ИЧЭ 5, при этом инерционное усилие передается на втулку 9, вызывая растяжение ее слабого сечения 14. При превышении регламентированного уровня перегрузки происходит разрушение слабого сечения 14 и ИЧЭ 5 начинает движение вдоль оси втулки 9 в полости 2, при этом арретир 27 деформируется и не препятствует движению ИЧЭ. Одновременно с ИЧЭ 5 начинает движение стержень 15 с контактами 17, разрывая электрическую цепь и обеспечивая формирование исполнительной команды, фиксирующей срабатывание ДПУ.

Быстродействие ДПУ зависит от факторов, которые достаточно точно прогнозируются: скорость разрушения крепежного элемента 6 регламентируются свойствами материала и заданным уровнем «критической» перегрузки; время срабатывания коммутирующего устройства 18 также зависит от скорости разрушения крепежного элемента 6 и конструктивного исполнения размыкающего контакта.

При воздействии ускорения, вектор которого не совпадает с осью ДПУ, арретир 27 выходит из зацепления с пазом 28 дна 26, при этом за счет поперечной составляющей перегрузки посредством шаровой опоры 7 происходит поворот оси ИЧЭ 5 и ее ориентация по направлению суммарного вектора ускорения. Далее функционирование ДПУ происходит в указанном выше режиме.

На предприятии проведена проектно-конструкторская проработка различных вариантов датчика предельных ускорений, определено перспективное направление разработки, предусмотрено изготовление опытного образца и его экспериментальные исследования с целью подтверждения проектных характеристик.

Заявляемое устройство обеспечивает стойкость к воздействию внешних факторов, высокую надежность и быстродействие срабатывания, а также гарантированную выдачу исполнительных команд при действии «критического» уровня перегрузок, независимо от длительности и направления действующих ускорений.

Заявляемое устройство может быть использовано в составе проникающих зондов для изучения свойств различных преград в условиях высокоскоростного соударения, в том числе грунтов небесных тел, для изучения ударных процессов в конструкции зондов при их взаимодействии с преградами, а также в других изделиях для обеспечения выдачи исполнительных команд при действии на их составляющие «критического» уровня перегрузок.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью выше описанных конструктивных решений, а именно получен датчик предельных ускорений с улучшенными характеристиками. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в проникающих зондах или пенетраторах для исследования процесса высокоскоростного проникания в преграду, а также в изделиях одноразового применения, обеспечивающих преодоление различных преград. Технический результат заключается в исключении наличия резонансных явлений при воздействии вибрационных и ударных нагрузок за счет отсутствия в исходном состоянии между отдельными составными частями конструкции зазоров и упругих элементов, повышении точности регистрации заданного порога действующих ускорений. Исключение воздействия изгибающего момента на слабое сечение разрушаемого крепежного элемента достигается за счет максимального приближения его к центру масс инерционного чувствительного элемента (ИЧЭ), а коммутирующее устройство обеспечивает отслеживание взаимного положения ИЧЭ и корпуса датчика предельных ускорений (ДПУ) и формирование исполнительных команд при их взаимном смещении. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Датчик предельных ускорений, содержащий корпус, во внутренней полости которого с осевым и радиальным зазорами размещена полезная нагрузка, закрепленная к корпусу посредством разрушаемого крепежного элемента, выполненного в виде шаровой опоры, линию связи в виде токопровода, отличающийся тем, что полость корпуса закрыта крышкой с электрическими контактами, шаровая опора снабжена втулкой, выступы которой расположены оппозитно относительно сферы шаровой опоры, продольная ось втулки проходит через центр сферы шаровой опоры, на внешней поверхности первого выступа втулки, обращенного ко дну полости, размещена полезная нагрузка, содержащая инерционный чувствительный элемент, установленный с возможностью перемещения вдоль ее оси и зафиксированный на ее торце в исходном положении, на внешней поверхности первого выступа втулки выполнена проточка со слабым сечением, причем ее расположение максимально приближено к центру масс инерционного чувствительного элемента, в продольном отверстии втулки установлен стержень, один конец которого закреплен к торцу первого выступа втулки, а другой конец стержня снабжен электрическими контактами и взаимодействует с соответствующими электрическими контактами коммутирующего устройства, закрепленного на втором выступе втулки и содержащего токопровод, соединенный с электрическими контактами крышки, при этом между первым торцом втулки и дном полости размещен арретир, фиксирующий полезную нагрузку в исходном положении вдоль продольной оси датчика.

2. Датчик предельных ускорений по п. 1, отличающийся тем, что втулка выполнена из непластичного материала, например чугуна.

3. Датчик предельных ускорений по п. 1, отличающийся тем, что арретир выполнен в виде трубки из эластичного материала, например капрона.

4. Датчик предельных ускорений по п. 1, отличающийся тем, что коммутирующее устройство выполнено в виде замыкающего или размыкающего контакта.

5. Датчик предельных ускорений по п. 1, отличающийся тем, что инерционный чувствительный элемент выполнен в виде усеченного конуса, содержащего центральное отверстие, соответствующее диаметру втулки, при этом меньший диаметр конуса направлен ко дну полости.