Кабельный ввод

 

Изобретение относится к области электротехники и касается особенностей выполнения кабельных вводов, работающих в жидких и газообразных средах, которые обеспечивают герметичность и надежность работы в условиях высоких давлений внешней среды, обладают. простой и технологичной конструкцией, что и составляет технический результат, получаемый от использования данного изобретения. Сущность изобретения состоит в том, что кабельный ввод с кабелем в полимерной оболочке содержит цилиндрический корпус с фланцем и цилиндрический уплотнитель в поджатом состоянии. Корпус изготовлен из пластичного металла, его цилиндрическая часть выполнена тонкостенной, а уплотнитель поджат пластической деформацией наружной поверхности тонкостенной части корпуса с образованием на ней по крайней мере двух кольцевых канавок, имеющих в продольном сечении форму равнобочных трапеций, суммарная длина малых оснований которых не превышает половины длины тонкостенной части корпуса. При этом один торец уплотнителя упирается в буртик внутреннего отверстия во фланце корпуса, а второй конец уплотнителя свободен, причем длина уплотнителя превышает длину тонкостенной части корпуса не менее чем на величину наружного диаметра кабеля. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к кабельным вводам, работающим в жидких и газообразных средах в различных устройствах, в том числе и в устройствах для определения уровня раздела сред в закрытых емкостях акустическим методом.

Характерной особенностью работы таких устройств, например при определении границы раздела сред в хранилищах сжиженного газа, является наличие высокого статического давления и необходимость обеспечения обслуживания, ремонта и замены их составных частей непосредственно в условиях эксплуатации.

Известны кабельные вводы (см. патенты США NN2.269.194, 2.352.159, 2.424.067, патенты ФРГ NN1.289.165, 1.023.108, а. с. СССР N 1735917 и N1809467). Несмотря на конструктивное разнообразие известных вводов, герметичность и устойчивость кабелей к внешнему давлению обеспечиваются одним способом - созданием на оболочке кабеля радиального контактного давления необходимой величины и сил трения, удерживающих кабель от осевого перемещения под действием осевого усиления, воспринимаемого кабелем от воздействия давления внешней среды.

Конструктивно в известных вводах это достигается обеспечением условий всестороннего сжатия сальников - эластичных уплотнителей с помощью осевого перемещения нажимных гаек с шайбами в резьбовом гнезде корпуса ввода. Преимущества таких вводов - простота конструкции, технологии изготовления и малая стоимость. Однако общеизвестны и недостатки этих вводов.

Сальник, сжатый осевым перемещением нажимной гайки, создает на податливой оболочке кабеля неравномерно распределенное по длине кабеля контактное давление. В результате сальник, приобретая корсетную форму (выпуклую в сторону кабеля), создает на кабеле кольцевую перемычку - "талию". Это ведет к повреждению оболочки кабеля и даже обрыву жил.

Эти недостатки усугубляются при использовании современных кабелей с оболочками из полиэтилена, фторопласта, поливинилхлорида, которые обладают высокими электроизоляционными свойствами, но при этом имеют высокую хладотекучесть. В результате через определенное время давление в зоне контакта падает до нуля.

На практике периодически подтягивают нажимные гайки таких вводов для увеличения контактного давления на кабель, что ведет к уменьшению диаметра кабеля в зоне "талии" и увеличивает вероятность разрушения шланговой оболочки и обрыва токоведущих жил кабеля.

Стремление увеличить длину уплотнителя (см. например, патент ФРГ N1.127426) или число уплотнителей (патент США N3.057.951) позволяет достичь результат только на кабелях с резиновой оболочкой, но сопровождается усложнением конструкции и повышает стоимость вводов.

При этом попытки создать в таких вводах радиальные давления на кабель, воздействуя в осевом направлении на эластичный уплотнитель большой длины, неэффективны из-за наличия сил трения при контакте сжатой части уплотнения с кабелем, нажимной гайкой и корпусом. Это не позволяет создать нужное радиальное давление уплотнителя большой длины особенно в зонах, удаленных от нажимной шайбы.

Известны также вулканизированные вводы для современных кабелей с оболочками из поливинилхлорида, полиэтилена и фторопласта (см. а. с. СССР N658604 от 09.03.76 г., N 173262 с приоритетом от 02.07.81 г., N260469 с приоритетом от 26.05.86 г. ), в которых стойкость кабелей к высоким внешним давлениям, герметичность и высокая надежность работы достигнуты путем использования сил адгезии резиновых смесей к указанным материалам шланговых оболочек. Однако резиновые смеси с трудом адгезируются с хладотекучими материалами и это вынуждает в производстве применять сложные и дорогие технологии, неприменимые в условиях эксплуатации устройств.

Наиболее близок по конструкции к предлагаемому кабельный ввод по патенту США N2823248 (фиг. 1), состоящий из кабеля 1, эластичного уплотнителя 2 в виде шайбы, корпуса 3 с фланцем для крепления к прибору, а также устройства для сжатия уплотнителя в виде нажимной гайки с шайбой.

Такой ввод и в настоящее время используется промышленностью, он конструктивно прост и сравнительно дешев, но в сочетании с кабелем, имеющим хладотекучую оболочку, не обладает стойкостью к осевому давлению, не обеспечивает длительную герметичность и надежность в работе.

Задачей настоящего изобретения является создание кабельного ввода для кабелей в полимерных оболочках, в том числе и для кабелей в оболочках из хладотекучих материалов, который обеспечивает герметичность и надежность работы в условиях высоких давлений внешней среды, обладает простой конструкцией и несложной технологией, позволяющей изготовить ввод в условиях эксплуатации.

Для решения поставленной задачи в кабельном вводе, содержащем кабель в полимерной оболочке, цилиндрический уплотнитель в поджатом состоянии и цилиндрический корпус с фланцем, введены новые признаки, а именно: корпус изготовлен из пластичного металла и цилиндрическая часть корпуса выполнена тонкостенной, а уплотнитель поджат пластической деформацией наружной поверхности тонкостенной части корпуса с образованием на ней по крайней мере двух кольцевых канавок, имеющих в продольном сечении форму равнобочных трапеций, суммарная длина малых оснований которых не превышает половины длины тонкостенной части корпуса. Кроме того, одним торцом уплотнитель упирается в буртик внутреннего отверстия во фланце корпуса, а второй торец уплотнителя свободен, при этом длина уплотнителя превышает длину тонкостенной части корпуса не менее чем на величину наружного диаметра кабеля.

Конструктивная форма кольцевых канавок в виде равнобочных трапеций обеспечивает наличие в продольных сечениях линейных участков, на которых создается заданное контактное давление, что позволяет исключить возникновение точечных контактов деформируемой тонкостенной части корпуса с эластичной частью корпуса с непредсказуемо высокими контактными давлениями, которые могут быть источниками повреждения шланговой оболочки кабеля.

Кроме того такие канавки создают высокое сопротивление перетекания хладотекучей оболочки кабеля в осевом направлении, что создает дополнительную силу, противостоящую воздействию на кабель осевого усилия, создаваемого внешним давлением.

Наличие по крайней мере двух канавок позволяет реализовать по крайней мере один кольцевой объем А (фиг. 3), замкнутый между двумя кольцевыми канавками Б, в котором реализуются условия всестороннего сжатия объема А эластичного уплотнителя, а условие, что суммарная длина малых ("обжатых") оснований трапеций не превышает половину длины тонкостенной части корпуса, обеспечивает достаточный суммарный объем "необжатого" уплотнителя, аккумулирующего энергию сжатия для компенсации релаксационных явлений в уплотнителе. Для компенсации релаксационных явлений в последнем "необжатом" и "разомкнутом" объеме уплотнителя длина уплотнителя должна превышать длину тонкостенной части корпуса по крайней мере на величину диаметра кабеля. Все это обеспечивает длительную равномерность распределения контактного давления наполнителя по всей длине тонкостенной части корпуса на оболочку кабеля.

Технический эффект от использования изобретения заключен в следующем.

На участке податливой шланговой оболочки кабеля от начала первой кольцевой канавки до конца последней создано радиальное контактное давление, равномерное на всей длине, за счет того, что в конструкцию ввода введен корпус из пластически деформируемого металла (нержавеющая сталь, титановые сплавы, латунь и т.д.) с кольцевыми канавками на тонкостенной части корпуса.

Равномерность распределения контактного давления по всей длине обжимаемого участка обеспечена следующим.

В промежутке между двумя соседними кольцевыми канавками образован кольцевой массив А из эластичного материала, обжатого тонкостенной частью корпуса (фиг. 3). Материал массива А конструктивно замкнут с 4-х сторон и поэтому постоянно находится в состоянии всестороннего сжатия. Для этой конструкции ввиду замкнутости объема А оболочка кабеля из хладотекучего материала не снижает со временем давление в объеме А и радиальное контактное давление на оболочке кабеля остается практически постоянным, т.к. хладотекучая оболочка кабеля не имеет возможности вытекать из-под протяженного уплотнителя, находящегося на всей своей длине под давлением, которое выбрано по результатам расчета и проверено монтированием ввода. На "необжатом" участке В между канавками уплотнитель создает такое же давление, как и на "обжатых" участках Б, т.к. весь массив эластичного уплотнителя находится в состоянии всестороннего сжатия и ведет себя подобно несжимаемой жидкости.

Равномерное контактное давление на оболочку кабеля практически не изменяется во времени даже при использовании современных кабелей с оболочками из хладотекучих материалов.

Поскольку величина допустимого осевого усилия на кабель в основном зависит от числа и геометрических размеров уплотнителя и кольцевых канавок, возможно создание ряда предлагаемых вводов для работы в широком диапазоне внешних давлений. Предлагаемый ввод прост в изготовлении и имеет малую стоимость, поскольку для его окончательной сборки требуется только одно обжимаемое приспособление в виде несложных матрицы и пуансона с формообразующими поверхностями по размерам и формам кольцевых канавок.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, 2, 3, где на фиг.1 изображен продольный разрез кабельного ввода по патенту США N2823248, на фиг.2 - продольный разрез предлагаемого кабельного ввода, на фиг.3 - участок кабельного ввода между двумя кольцевыми канавками.

Кабельный ввод (фиг.2) содержит многожильный кабель 1 со шланговой оболочкой из полимера, цилиндрический эластичный уплотнитель 2, надетый на кабель 1 в виде втулки из резины, цилиндрический корпус 3, изготовленный из обожженной меди, поддающейся пластической деформации, с цилиндрической тонкостенной частью 4 (толщина стенки 1 мм, диаметр 30 мм) и фланцем 5 для крепления ввода. На фланце 5 установлены уплотнительные кольца 6. Фланец крепится к прибору с помощью мелкой резьбы 7, отвечающей требованиям взрывозащиты.

С помощью такого ввода можно вводить кабели со шланговой оболочкой из полиэтилена, фторопласта, поливинилхлорида, которые обладают высокой хладотекучестью.

Выбор материала, геометрические размеры (диаметры, длина) и число кольцевых канавок уплотнителя 2 и тонкостенной части корпуса 4 (в пределах заявленных соотношений) зависят от диаметра, материала шланговой оболочки и марки кабеля 3, а также от величины внешнего давления среды, в которой работает кабель.

В рассмотренной конструкции кабельного ввода на тонкостенной части корпуса выполнено 3 трапецеидальных канавки (увеличение числа канавок нецелесообразно, поскольку может привести к возникновению опасно больших напряжений в тонкостенной части корпуса), отношение суммарной длины меньших оснований трапеций к длине тонкостенной части корпуса составляет 0,45, а длина уплотнителя превышает длину тонкостенной части корпуса 4 на два диаметра кабеля, что позволяет также избежать недопустимых изгибов кабеля.

Конфигурация и размеры фланца 5 (фиг. 2) определяются конструкцией прибора, на котором установлен кабельный ввод, и техническими требованиями к прибору в части параметров внешней среды и рабочей среды внутри прибора.

В зависимости от этого выбирают тип уплотнителя между фланцем 5 и корпусом прибора (например уплотнительные кольца 6 из резины) и тип элементов целевой защиты, если к прибору предъявлены требования взрывобезопасности (например, резьба 7 с мелким шагом).

Кабельный ввод работает следующим образом. Силовая (токовая) нагрузка или рабочий сигнал подается по жилам кабеля 1, подсоединенным к клеммам внутри кабельной коробки (на фиг. 2 не показаны). Давление среды создает на кабеле 1 осевое усилие, стремящееся сместить кабель относительно уплотнителя. Но уплотнитель 2, обжатый кольцевыми канавками на тонкостенной части 4 корпуса 3, создает на контактной поверхности кабеля с уплотнителем 3 необходимое контактное давление, которое поддерживается на заданном уровне, полученном при обжатии тонкостенной части корпуса с образованием кольцевых канавок, и обеспечивает возникновение силы трения, противодействующей осевому усилию, созданному давлением среды. Правильный выбор контактного давления обеспечивает герметичность кабельного ввода, препятствуя прохождению среды, находящейся под большим давлением по контактной поверхности между уплотнителем 2 и кабелем 1.

Таким образом заявленный кабельный ввод устойчив к значительным осевым давлениям на кабель, достаточно прост по конструкции и может быть изготовлен без потери качества в условиях эксплуатации.

Формула изобретения

Кабельный ввод, содержащий кабель в полимерной оболочке, цилиндрический уплотнитель в поджатом состоянии и цилиндрический корпус с фланцем, отличающийся тем, что корпус изготовлен из пластичного металла и цилиндрическая часть корпуса выполнена тонкостенной, а уплотнитель поджат пластической деформацией наружной поверхности тонкостенной части корпуса с образованием на ней по крайней мере двух кольцевых канавок, имеющих в продольном сечении форму равнобочных трапеций, суммарная длина малых оснований которых не превышает половины длины тонкостенной части корпуса, при этом один торец уплотнителя упирается в буртик внутреннего отверстия во фланце корпуса, а второй торец уплотнителя свободен, причем длина уплотнителя превышает длину тонкостенной части корпуса не менее чем на величину наружного диаметра кабеля.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3