Патент на изобретение №2150166

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГЕРМЕТИЧНОГО КАБЕЛЬНОГО СОЕДИНИТЕЛЬНОГО УЗЛА

(57) Реферат:

Изобретение относится к технологии изготовления герметичного кабеля для гидроакустических антенн и глубоководных устройств, работающих при высоких напряжениях и частотах в десятки кГц. Сущность способа изготовления герметичного кабельного соединительного узла состоит в том, что каждую пару соединяемых токопроводящих элементов вводят с разных сторон в глухие осевые отверстия цилиндрического контактного стержня, предварительно обвулканизованного по боковой поверхности слоем резины, соединяют токопроводящие элементы со стержнем опрессовкой последнего в квадрат на концевых участках за пределами слоя резины, после чего все сростки размещают в резиновом массиве с последующей вулканизацией, при этом используют контактные стержни, каждый из которых выполнен с двумя радиальными каналами, сообщающимися с глухими осевыми отверстиями в зоне их донной части, и после опрессовки осуществляют дополнительное соединение токопроводящих элементов с контактными стержнями пайкой через радиальные отверстия припоем с температурой плавления ниже температуры вулканизации слоя резины, нанесенного на среднюю часть контактного стержня, но выше температуры вулканизации резинового массива, причем опрессовку в квадрат осуществляют путем одновременного приложения равных сжимающих усилий с четырех сторон. Технический результат, достигаемый при реализации заявленного изобретения, состоит в повышении надежности при использовании для глубоководных кабелей. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к технологии изготовления оконцевателей глубоководных кабелей для гидроакустических антенн и глубоководных устройств, работающих при высоких напряжениях и частотах в десятки кГц. Изобретение можно использовать во многих отраслях народного хозяйства для изготовления оконцевателей герметичных кабельных трасс в устройствах с высокими требованиями к электрическим параметрам при работе в агрессивных средах или в условиях высокой влажности. Конструктивно наиболее простым и надежным является герметичный оконцеватель в виде закрепленного на конце кабеля монолитного резинового корпуса – массива с герметично выведенными из него проводами, которые электрически подключены узлами соединения к жилам кабеля. Доступ внутрь такого оконцевателя без разрушения корпуса невозможен. Поэтому расположенные внутри массива соединения жил должны быть исключительно надежны, чтобы обеспечить высокие электрические параметры при длительной эксплуатации (10 лет и более) в морской воде под давлением (15 – 30 МПа). Это тем более необходимо, т. к. устранить допущенный при изготовлении дефект можно только путем отрезки дефектного оконцевателя от кабеля и проводов, изготовления и установки взамен дефектного нового оконцевателя с последующими испытаниями в корабельных условиях мест сращивания кабелей и проводов. Эксплуатационные характеристики оконцевателя, которые должны быть обеспечены в процессе изготовления, определяются:
– величинами следующих электрических параметров:
электрической прочности, сопротивления изоляции, переходным сопротивлением в соединениях токопроводящих элементов, стабильностью переходного сопротивления во времени;
– сохранностью электрической цепи при воздействии вибраций в широком диапазоне частот;
– возможностью передачи через оконцеватель высоких электрических мощностей без выделения в монолитный массив тепла в количестве, снижающем электроизолирующие свойства оконцевателя;
– стойкостью к воздействию высоких гидростатических давлений, 15 МПа и более. Указанные параметры в значительной степени определяют живучесть гидроакустических антенн, в целом. Высокие эксплуатационные хараткеристики оконцевателей и каждого из узлов соединений жил весьма важны, особенно ввиду их большого количества в гидроакустических антеннах. Так, одна антенна с 37-жильными кабелями содержит примерно 200 – 300 оконцевателей, а общее количество узлов соединения жил в них достигает 10 – 20000 и более. При этом отказ даже нескольких оконцевателей приводит к выходу из строя всей гидроакустической антенны.

Известен способ изготовления оконцевателей глубоководных кабелей, используемый при изготовлении герметичных неразъемных кабельных соединений по ОСТ 5.6167-80 “Соединения кабелей герметичные неразъемные. Типовые технологические процессы” (см. стр. 58, черт. 4), разработанному ЦНИИ СЭТ (Центральный научно-исследовательский институт судовой электротехники). По этому способу каждый узел соединения жил выполняют по ГОСТ 23469.3-79 методом обжима гильзы пуансоном с использованием точечной пластической деформации гильзы и вставленных в нее жил. Точечная деформация гильзы и входящих в нее тонких проволочек жилы (стренг) приводит к неравномерному распределению механических напряжений между стренгами в результате локализации пластической деформации жилы. Это снижает нагрузочную (механическую) способность жилы и увеличивает вероятность обрыва жил при выполнении последующих операций изготовления оконцевателя, особенно ввиду больших давлений, развивающихся в процессе вулканизации внутри пресс-формы в массиве разогретой, вязкой резиновой смеси. Узлы соединения с точечным обжимом гильз обеспечивают хороший электроконтакт с низким переходным сопротивлением. Однако при изготовлении монолитного оконцевателя методом вулканизации в результате воздействия атомарной серы и органических газообразных веществ, выделяющихся в массиве вулканизуемой резины, на контактных поверхностях жил с гильзой образуются окисные и органические пленки с высоким омическим сопротивлением, которые резко ухудшают важный электрический параметр оконцевателя, – переходное сопротивление контактов. В процессе эксплуатации в зонах плохого контакта при передаче больших токов и высоких мощностей (в активном режиме антенны) повышается температура, ускоряется старение резины и снижается сопротивление изоляции. При использовании таких контактов в приемных антеннах на повышенном переходном сопротивлении контакта происходит падение напряжения входного сигнала, что при большом числе контактов (порядка нескольких тысяч) снижается чувствительность всей гидроакустической антенны.

Известен также способ изготовления оконцевателей глубоководных кабелей, разработанный ЦНИИ СЭТ, принятый нами за прототип, и используемый при изготовлении герметичных неразъемных кабельных соединений по ОСТ 5.6167 “Соединения кабелей герметичные неразъемные. Типовые технологические процессы” (см. стр. 67, черт. 7). По известному способу (см. приложение 2, обязательное, стр. 76) узлы соединения токопроводящих жил сечением до 1 мм² выполняют пайкой со скруткой, а узлы соединения жил сечением от 1,5 до 2,5 мм² – пайкой жил, расположенных во втулке. Недостатком известного способа является то, что узлы пайки жил, выполняемые скруткой и пайкой, могут иметь торчащие из узла стренги жил, подкрепленные припоем, или капли припоя в виде острых конусов на узлах пайки в местах касания паяльником. Эти элементы, являясь концентратами механических и электрических напряжений, могут при воздействии внешнего гидроакустического давления “проколоть” монолитный корпус и создать в массиве корпуса зону перегрева при передаче через оконцеватель больших электрических мощностей. Кроме того, на поверхностях узлов соединения жил, особенно выполненных во втулке и размещенных внутри отверстий изоляционных разделителей, образуются небольшие воздушные пузыри из-за плохих условий проникновения резиновой смеси в процессе вулканизации всего пакета внутрь отверстий разделителя и недостаточной адгезии к поверхностям токопроводящей втулки (стержня). В результате в местах расположения пузырей вокруг токопроводящих стержней локализуются зоны повышенной электроэрозии изоляционной резины. Причем, попытка использования низкотемпературной резины для устранения размягчения узлов пайки при температуре вулканизации оказывается безуспешной, так как в процессе вулканизации ввиду большей вязкости, чем у высокотемпературных резин, низкотемпературная резина хуже заполняет несплошности в массиве резины, заполняющей пресс-форму. Все это вызывает снижение сопротивления изоляции и электрической прочности глубоководного оконцевателя, которые для обеспечения заданных электрических параметров должны иметь большие запасы, поскольку в соответствии с ГОСТ В 20.57-310-76 (раздел 6, табл. 3) испытательное напряжение для оконцевателей определяется зависимостью
U_исп = 2U_раб + 1000 В,
где U_раб – рабочее напряжение оконцевателя.

С учетом того, что концентратор повышает напряжение в 5-7 раз, в зонах расположения концентраторов при испытании на электрическую прочность создаются высокие локальные напряжения, порядка 15 – 30 кВ. Это приводит к электрическим пробоям полностью изготовленных оконцевателей. Брак монолитного оконценвателя после пробоя неисправим, поэтому при большом проценте брака это существенно увеличивает трудоемкость изготовления известным способом партии оконцевателей и гидростатической антенны в целом. Кроме этого, пайка токопроводящих жил, особенно оловом или припоями типа ПОС-61, обеспечивающими наименьшее переходное сопротивление контакта, неизбежно приводит к охрупчиванию участков жил вблизи зоны пайки из-за диффузии олова в медь с образованием хрупкой фазы сплава меди с оловом. При изготовлении известным способом монолитного резинового корпуса оконцевателя при воздействии на охрупченные участки жил давления прессования ( 15 МПа) возникают обрывы жил из-за смещения этих участков в массиве резины в процессе вулканизации. Существует и еще одна причина, снижающая электрические параметры оконцевателей при изготовлении их известным способом. Дело в том, что температуры вулканизации промышленных марок резин, используемых для изготовления корпуса, – 170 – 180^oC, температура плавления применяемых припоев – порядка 183^oC, а размягчение припоя наступает при еще более низкой температуре. Вследствии этого при вулканизации происходит размягчение узлов пайки, а нередко и расплавление их с нарушением электрического контакта. При этом ввиду погрешностей термодатчиков, методов контроля температуры и неконтролируемых перегревов вулканизуемого массива корпуса оконцевателя вероятность разрушения узла пайки увеличивается. В процессе вулканизации непредсказуемые величины давления в замкнутом объеме пресс-формы, зависящие от массы навески резиновой смеси, значительные усилия, необходимые для эвакуации лишней резиновой смеси через литьевые отверстия пресс-формы, создают на токопроводящих жилах узлов соединений значительные механические усилия, которые вызывают обрывы жил и исчезновения электроконтакта. Это при использовании известного способа увеличивает в производстве количество дефектных оконцевателей, имеющих зачастую скрытые дефекты, так как иногда жилы при вулканизации оконцевателей обрываются неполностью, а имеют только надломы стренг (проволочек, образующих токопроводящую жилу). В результате брак оконцевателей с обрывом электроцепей образуется и обнаруживается много позже – при монтаже или эксплуатации оконцевателей в составе гидроакустических антенн, доступ к которым в корабельных условиях весьма затруднен. При этом замена оконцевателя связана с вырезкой электросваркой из прочного корпуса сальника, вварка нового и герметизация кабеля в сальнике. Указанные недостатки снижают основные электрические параметры оконцевателя и повышают трудоемкость его изготовления.

Цель данного изобретения – улучшение электрических параметров оконцевателя при одновременном уменьшении трудоемкости его изготовления.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе изготовления оконцевателя глубоководного кабеля, включающем изготовление изоляционных разделителей методов вулканизации, пайку соединяемых токопроводящих жил кабеля и проводов, размещение узлов соединения в отверстиях разделителей и вулканизацию совместно с невулканизованной резиновой смесью всего пакета в пресс-форме.

Применена новая операция изготовления узлов соединений с использованием токопроводящего стержня новой конструкции, форма которого изменяется при формировании узлов соединений, а также введены изменения условий пайки жил и температурного режима вулканизации, заключающиеся в том, что формируют узлы соединения, каждый из которых содержит соединяемые жилы и токопроводящий цилиндрический стержень, предварительно обвулканизованный по боковой поверхности в средней части высокотемпературной электроизоляционной резиновой смесью при температуре вулканизации, превышающей температуру плавления припоя для пайки жил, и имеющей на торцах глухие осевые отверстия и два симметричных радиальных отверстия, соединенных с концами глухих отверстий, для чего устанавливают в приспособление стержни радиальными отверстиями вверх, вставляют в осевые отверстия до упора соединяемые жилы и закрепляют жилы в стержнях, пластически деформируя сечения концов стержней с жилами в квадратные путем одновременного приложения к боковой поверхности каждого стержня равных сжимающих усилий приспособлением со встречно-поступальным перемещением пуансонов, после чего через радиальные отверстия производят пайку закрепленных жил, а вулканизацию всего пакета производят при температуре меньшей, чем температура плавления припоя для пайки жил. Сущность предлагаемого способа изготовления кабельного оконцевателя заключается в том, что формирование узлов соединения жил с помощью предварительно обвулканизованных стержней предложенной конструкции позволяет производить вулканизацию оконцевателя в 3 этапа: вначале, как и в известном способе, вулканизуются изоляционные разделители, на 2-ом этапе производят – до пайки жил – предварительную обвулканизацию стержней высокотемпературной электроизоляционной резиновой смесью с температурой вулканизации выше, чем температура плавления припоя для пайки жил к стержням, и на 3-м этапе вулканизуют весь пакет – после пайки – при температуре меньшей, чем температура плавления припоя в узлах пайки жил. Такие температурные режимы вулканизации и порядок операций изготовления полностью устраняют перегревы узлов пайки, а предварительная обвулканизация стержней высокотемпературной резиной исключает образование воздушных пузырей и участков с плохой адгезией резины к стержням, а также возможность возникновения под таковой нагрузкой при высоких частотах электроэрозии изоляции в зонах пузырей и плохой адгезии резины к поверхности стержней. При этом предложенная конструкция стержней совместно со специальным приспособлением позволяет перед пайкой обжать концы стержней с жилами внутри них равномерно по сечению одновременно с 4-х сторон. Обжатие перед пайкой предохраняет наиболее ранимые узлы оконцевателя – узлы пайки – от механического повреждения жил во время внутренних перемещений в массиве резины под действием высоких давлений, возникающих в массиве корпуса оконцевателя в процессе вулканизации всего пакета – завершающей операции изготовления оконцевателя. В результате операций обжатия стержня с жилами и последующей пайки фиксированных жил образуется токопроводящий узел соединения жил, обладающий высокими токопроводящими свойствами – низким переходным сопротивлением контакта в узле пайки жил, а также способностью противостоять высоким давлениям прессования при последующей вулканизации за счет обжатия и фиксации внутри осевых отверстий стержней ослабленных пайкой (в результате охрупчивания) участков спаянных жил. Авторам не известны технические решения, содержащие признаки, отличающие предлагаемое решение от прототипа, что позволяет считать его отвечающим критерию “существенные отличия”. Сущность изобретения поясняется чертежами, где изображены на:
фиг. 1 – изоляционный разделитель:
фиг. 2 – продольный разрез узла соединения жил после обвулканизации стержня, обжима его концов и пайки жил;
фиг. 3 – поперечное сечение стержня в месте обжима;
фиг. 4 – инструмент для равномерного по сечению обжима конца стержня;
фиг. 5 – общий вид изготовленного оконцевателя;
Изготовление оконцевателя предлагаемым способом производят следующим образом.

– Вначале изготавливают путем вулканизации в пресс-форме из невулканизованной резиновой смеси с высокими электроизоляционными свойствами изоляционный разделитель (фиг. 1) с отверстиями 2 для установки узлов соединения жил.

– Затем обвулканизовывают все токопроводящие стержни 3 в средней части длины электроизолирующей резиновой смесью 4 (см. фиг. 2) с температурой вулканизации, превышающей температуру плавления припоя для пайки жил.

Вулканизацию проводят в многоместных пресс-формах. В известном (по ОСТ 5.6167-80) способе изготовления стержни (втулки) перед пайкой не обвулканизовывались. Это приводило к образованию в местах контакта поверхности стержня с изоляционной резиной массива оконцевателя к образованию зон, склонных к электроэрозии изоляции под токовой нагрузкой. Это объясняется тем, что после длительного хранения большой партии стержней и после контакта с руками электромонтажника поверхность стержня окислялась или покрывалась тонким слоем жира, масла и т.п., после чего ухудшалась адгезия стержня к резине. Как показало предварительное макетирование, только слой высокотемпературной изоляционной резины, навулканизованной на поверхность стержня заранее до пайки, способен длительно сохранять высокие электроизоляционные свойства при повышении температуры (во время пайки или под действием токовой нагрузки), а также обеспечить отсутствие зон, склонных к электроэрозии под напряжением с высокой частотой. В гидроакустических антеннах, для которых предназначены оконцеватели глубоководных кабелей, частота достигает десятков кГц.

– Далее устанавливают в приспособление стержни 3 радиальными отверстиями вверх, вставляют в глухие осевые отверстия на торцах стержней соединяемые жилы 5 кабелей 6 (фиг. 5), жилы 7 проводов 8 (фиг. 5) до упора и закрепляют все жилы в стержнях, пластически деформируя цилиндрические поверхности концов стержней с жилами в них в квадратные в сечении (см. фиг. 3) путем одновременного приложения к цилиндрической поверхности стержней 4-х равных сжимающих усилий приспособлением (фиг. 4) со встречно-поступательным перемещением пуансонов.

Инструмент (фиг. 4) представляет собой рычажный механизм, у которого при сжатии ручек губки, имеющие в форме половины квадрата, разрезанного по диагонали, перемещаются параллельно друг другу и при смыкании образуют квадратное отверстие. Вкладыши губок – сменные. Инструмент позволяет равномерно обжать конец заполненного стренгами жил стержня четырьмя равными силами одновременно с 4-х сторон боковой поверхности конца стержня, причем обжатие получается равномерным по сечению стержня. В известном из прототипа способе изготовления по ОСТ 5.6167-80 обжатие втулок с установленными в них жилами проводят по ГОСТ 23469.3-79 в нескольких точках инструментом с одним пуансоном, который не обеспечивает равномерную по сечению пластическую деформацию жил внутри втулки (стержня), что снижает механическую нагрузочную способность жил и увеличивает вероятность их обрыва в процессе вулканизации оконцевателя. Поэтому этот вид опрессовки используется для жил сечением не менее 1 мм². (см. 23469.3-79 “Гильзы кабельные соединительные медные, закрепляемые опрессовкой”). Равномерное по сечению обжатие жил внутри стержня специальным инструментом (фиг. 4) увеличивает механическую прочность жил в узле соединения по сравнению с известным способом и применению на жилах с сечением до 0,35 мм².

– После этого через радиальные отверстия на концах стержней производят пайку жил 5 и 7. При этом в отличие от прототипа – способа изготовления по ОСТ 5.6167-80 (стр. 58, черт. 4), пайку жил в предлагаемом способе узел пайки выполняют без скрутки даже при сечении жил меньше 1 мм², т.е. прямые жилы перед пайкой только вставляются в осевые отверстия стержней. Это исключает возможность образования после скрутки “острых элементов” из проволочек жил, которые могут проколоть слой изоляции оконцевателя под действием внешнего гидростатического давления. Кроме того, обжатое сечение стержня не позволяет припою вытекать через осевое отверстие стержня в процессе пайки, что при большом количестве стержней сокращает расход дефицитного припоя типа ПОС-61, содержащего серебро.

– Затем размещают узлы соединения жил 9 в отверстиях 2 изоляционных разделителей 1, обматывают сверху разделители 1 с узлами соединения 9 вначале листами невулканизованной резиновой смеси с высокими электроизоляционными свойствами, затем – листами резиновой смеси, стойкой при работе в агрессивных средах, в том числе морской воде, и затем вулканизуют весь пакет в пресс-форме при температуре, не превышающей температуры плавления припоя, которым выполнена пайка в узлах соединения жил.

– После выема из пресс-формы и обрезки облоя изготовленный оконцеватель (фиг. 5) готов к испытаниям и эксплуатации.

Технический эффект от использования изобретения заключается в том, что предлагаемый способ изготовления позволяет повысить основные электрические параметры оконцевателя по сравнению с изготовленным известным способом; снизить в 1,5 – 2 раза переходное электрическое сопротивление контакта, обеспечив стабильность его значения во времени за счет исключения влияния на этот параметр окисных и органических пленок в зоне контакта жил со стержнем, увеличить в 1,2 – 1,3 раза сопротивление изоляции и электрическую прочность оконцевателя за счет предварительной обвулканизации стержня высокотемпературных оконцевателей за счет увеличения механической прочности и повышения надежности при эксплуатации наиболее уязвимых и ответственных мест оконцевателя – узлов соединения жил кабелей с жилами проводов. При этом предлагаемый способ повышает надежность оконцевателя за счет увеличения стойкости узлов соединений жил при работе в условиях вибраций в широком диапазоне частот благодаря надежному креплению жил к токопроводящим стержням с одновременным использованием пайки и обжима жил внутри стержней. Использование предлагаемого способа изготовления оконцевателей позволяет снизить трудоемкость и себестоимость изготовления оконцевателей за счет экономии дефицитных припоев, исключения выпуска дефектных оконцевателей, в том числе и со скрытыми дефектами, которые при известном способе изготовления дают обрывы электрических цепей при эксплуатации в морской воде под давлением 15 МПа и более. В настоящее время разработана конструкторско-технологическая документация предлагаемого способа изготовления оконцевателей, изготовлена опытная партия оконцевателей с глубоководными кабелями типа СМПВГ и проводами ПГШ.

Формула изобретения

1. Способ изготовления герметичного кабельного соединительного узла, заключающийся в том, что каждую пару соединяемых токопроводящих элементов вводят с разных сторон в глухие осевые отверстия цилиндрического контактного стержня, предварительно обвулканизованного по боковой поверхности слоем резины, соединяют токопроводящие элементы со стержнем опрессовкой последнего в квадрат на концевых участках за пределами слоя резины, после чего все сростки размещают в резиновом массиве с последующей вулканизацией, отличающийся тем, что используют контактные стержни, каждый из которых выполнен с двумя радиальными каналами, сообщающимися с глухими осевыми отверстиями в зоне их донной части, и после опрессовки осуществляют дополнительное соединение токопроводящих элементов с контактными стержнями пайкой через радиальные отверстия припоем с температурой плавления ниже температуры вулканизации слоя резины, нанесенного на среднюю часть контактного стержня, но выше температуры вулканизации резинового массива.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что опрессовку в квадрат осуществляют путем одновременного приложения равных сжимающих усилий с четырех сторон.

РИСУНКИ