DE2317930A1 - Verfahren und vorrichtung zum trennen eines mechanischen teils durch verwendung der energie eines sprengstoffes - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum trennen eines mechanischen teils durch verwendung der energie eines sprengstoffes

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Description

Verfahren und Vorrichtung zum Trennen eines mechanischen Teils durch Verwendung der Energie eines Sprengstoffes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zum Trennen eines mechanischen Teils, beispielsweise eines Drahtes, eines Stabes, einer Platte usw. unter Verwendung der Energie eines Sprengstoffes.
Dieses Verfahren wird mit einar Vorrichtung durchgeführt, die eine Kammer besitzt, in die das zu trennende Teil sowie eine Sprengladung eingebracht wird, die so angeordnet ist, daß sie direkt oder indirekt über ein zwischengelegtes Teil auf das zu trennende Teil infolge der durch die Explosion freigewordenen Gase einen Scherdruck ausübt.
Mit der Erfindung ist es möglich,. das Zerteilen eines metallischen Teils und ggf. die Bewegung des abgetrennten Teils übe:r eine gewisse Strecke mit einer Ansprechzeit von etwa 10" s von dem Zeitpunkt des Anlegens des Zündbefehls an zu erreichen.
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Mit der Erfindung v/erden weiterhin solche Betriebsbedingungen geschaffen, daß gleiche Trennvorrichtungen in der Ansprechzeit nur um einige Mikrosekunden voneinander abweichen.
Diese hervorragenden Eigenschaften, die, soweit bekannt, bisher noch nicht erreicht wurden, bieten neue Verwendungsmöglichkeiten, wie sie aus dem Nachstehenden hervorgehen, und erfordern eine Kombination von Mitteln, von denen eines die Verwendung eines Sprengstoffes hoher Leistung ist, der schwierig industriell zu benutzen ist.
Die Erfindung ermöglicht es jedoch, die Bedingungen für die Benutzung eines solchen Sprengstoffes ohne Beschädigung der Vorrichtung und ohne besondere Schutzmaßnahmen zu schaffen.
Mit der Erfindung werden schließlich diese Bedingungen in einer Vorrichtung mit beschränkten Abmessungen geschaffen, die im Nachstehenden bei Ausführungsbeiepielen angegeben werden und die die Verwendung dieser Vorrichtung in elektrischen Anlagen, beispielsweise in Unterbrechern, gestatten.
Nach der Erfindung ist ein Verfahren zum Trennen eines mechanischen Teils , beispielsweise eines Drahts, eines Stabs oder einer Platte dadurch gekennzeichnet, daß das Trennen des Teils durch reine Scherbelastungen unter der Wirkung von Scherkräften erfolgt, die durch die Explosion von Sprengstoffen erzeugt v/erden, die eine Masseenergie von mehr als 1000 Joule/Gramm , vorzugsweise 2 000 bis 5 000 J/g, und eine Detonationsgeschwindigkeit von mehr als 3 000 m/s, vorzugsweise 7 000 bis 8 000 m/s haben, daß die Ladung in einer Aussparung angeordnet wird, die auf eine begrenzte Fläche des zu trennenden Teils oder eines direkt oder indirekt auf einer begrenzten Fläche des zu trennenden Teils aufliegenden, beweg-
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lichen Teils ausmündet und daß das Anfangsvolumen der Explosionsgase höchstens gleich dem Volumen ist,'das von der begrenzten, der Aussparung der Ladung benachbarten Fläche während der Nutzbewegung des abgetrennten Teils oder des beweglichen Teils bestrichen wird.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, unter anderem die außerordentliche Wirksamkeit der reinen Scherung für die maximale Begrenzung der Energie und die Schneidzeit zu verwenden.
Wenn nämlich Δ a das elastische Gleiten ist, das durch eine Schneidkraft T verursacht wird, die bei einem gegebenen Querschnitt der Scher-Bruchkraft P entspricht, erhält man:
Aa _ P
a ~ G*
Darin sind;
a: Dicke des zu trennenden Teils,
G: Schubelastizitätsmodul = 0,38 E, E: Young-Modul,
Bei Messing : P = 350 Newton/mm2
G = 40 000 N/mm2.
Aq
Wird angenommen, daß P und —-- v/ährend der Scherung konstant
Aa-?
bleiben, so ist ~~ ^'1'1O . Die Scherung wird also erreicht, sobald die Kristalle sich in der Scherebene um eine Strecke von etwa a 10 bewegt haben. Die Scherenergie beträgt
T'ac10""2 T :
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Der Schervorgang ist infolge der geringen Strecke, auf der er stattfindet, äußerst schnell. Er tritt ein, sobald die Scherbeanspruchung eine Schwelle überschreitet, die also schnell erreicht werden muß, wozu erfindungsgemäß ein Sprengstoff mit einer hohen Detonationsgeschwindigkeit, die höher als 3 000 m/s , vorzugsweise 7 000 bis 8 000 m/s, ist und einer Masseenergie von mehr als 1 000 J/g, vorzugsweise 2 000 bis 5 000 J/g, benutzt wird, so daß der direkt oder indirekt auf das abzutrennende Teil einwirkende Gasdruck vor jeder geometrischen Veränderung der Trennvorrichtung durch Bewegung dieses Teils in einer Zeit von weniger als einer Mikrosekunde auf eine Höhe gebracht wird, die über der der Scherschwelle entsprechenden Höhe liegt und während der für diesen Prozeß erforderlichen Zeit auf dieser Höhe gehalten wird.
Um jede Beschädigung der Trennvorrichtung durch die Verwendung von Sprengstoff mit hoher Detonationsgeschwindigkeit und hoher innerer Energie zu vermeiden, ist es von Bedeutung, daß der größte Teil dieser Energie in dem Schervorgang und ggf. Scher- und Bewegungsvorgang schnell benutzt wird. Diese Erwägung führt dazu, daß einerseits dem abgescherten Teil die geringste Masse gegeben wird und daß andererseits die Vorrichtung so ausgebildet wird, daß der Yizrkungsgrad der Umformung der inneren Energie des Sprengstoffes in mechanische und kinetische Energie maximal ist.
Aus Untersuchungen ergab sich, daß dieses Ergebnis praktisch erreicht vri.rd, wenn das dem Gas vor jeder Bewegung gebotene Anfangsvolumen höchstens gleich dem Volumen ist, das von dem Gas während der Nutzbewegung des abgescherten Teils bestrichen wird.
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Das Anfangsvolumen kann höchstens gleich dem Kovolumen des Sprengstoffes seinj deshalb wird erfindungsgemäß vorzugsweiss ein Sprengstoff mit hoher Masseenergie und gleichzeitig mit hoher Detonationsgeschwindigkeit benutzt, wie er im Handel unter der Bezeichnung Hexogen, Oxtogen, Pentrit, Tetryl, Trinitrotoluol usw. bekannt ist.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. Darin zeigen:
Fig.1 eine Schnittansicht eines Schnellunterbrechers für hohe Stromstärken gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
Fig.2 eine Schnittansicht eines Schnellunterbrechers für hohe Stromstärken gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Der in Fig.1 dargestellte Unterbrecher besitzt zwei Klemmen und 2, Die Klemme 1 ist auf einem metallischen Körper 3 montiert und ist von diesem durch einen Satz Isolierscheiben 4 und 5 isoliert, die durch zwei Muttern 6 festgepreßt werden. Die Klemme 2 ist auf einer metallischen Kappe 8 montiert, von der sie ebenfalls durch einen. Satz Isolierscheiben 4 und 5 isoliert ist, die durch zwei Muttern 6 festgepreßt werden. Mit der Klemme 1 ist ein elektrisches Kontaktglied 7 elektrisch verbunden, das aus Abschnitten besteht, die aus einem Zylinder durch eine Reihe von Schlitzen ausgeschnitten wurden und durch eine Feder 9 festgeklemmt sind. Auf die Klemme 2 ist ein Metallteil 10 aufgeschraubt, das unter Reibung in das Kontaktglied 7 eintritt, wenn die Kappe 8 auf den Körper 3 geschraubt wird. Auf dem Metallteil 10 sind zwei Sollbruchstellen bildende Nuten 11 und vorgesehen, die den Bereich der Scherwirkung bestimmen.
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In dem Metallteil 10 ist eine Aussparung 13 vorgesehen, in der sich eine Sprengladung 14 und ein Zündblock 15 befinden, der mit Anschlüssen versehen ist, die durch den Körper 3, das Kontaktglied 7 und das Metallteil 10 hindurchgehen.Die Sprengladung 14 ist von dem Zündblock 15 technologisch unabhängig, damit die beidenTeile erst in dem Augehhlick vor dem Schließen der Vorrichtung vor einer möglichen Benutzung in Kontakt gebracht werden (Sicherheit bei der nandhabung) und damit andererseits zusammen mit einem gegebenen Zündblock 15 jeder beliebige Sprengstoff benutzt werden kann (Standardisierung). Zwischen zwei zueinander koaxialen Teilen der Klemme 2 und des Metallteils 10 ist ein Isolierring 16 eingesetzt. Im Inneren des Kontaktglieds 7 ist ein Bleiring 17 vorgesehen. Wenn der Zündbefehl durch die Anschlüsse auf den Zündblock 15 übertragen wird, explodiert die Sprengladung 14. Der Gasdruck setzt das Metallteil 10 in den durch die Nuten 11 und 12 bestimmten Bereich Scherkräften aus. Der Bruch durch Scherung findet statt, sobald diese x».räfte eine gewisse Höhe überschreiten. Der obere Teil des Metallteils 10 wird nun mit großer Geschwindigkeit nach oben getrieben. V/enn es sich in einem ausreichenden Abstand von dem verlassenen Kontakt befindet, wird es durch den Bleiring 17 abgestoppt, v/obei seine kinetische Energie dank des Endes des oberen Teils des Metallteils 10, das ein Profil mit einem dreieckigen Rand besitzt, in eine bleibende Verformung dieses Bleirings 17 umgewandelt wird.
Ein derartiger Unterbrecher, der die Form eines Zylinders mit einem Durchmesser von 45 bis 50 mm und einerLänge von 75 mm hat, für eine Dauerstromstärke von 600 bis 800 Ampere bemessen ist und mit 100 mg Pentrit geladen ist, führt die unterbrechung in 150 Mikrosekunden von dem Zündbefehl an aus. Unter Unterbrechung wird die Abscherung des Teils, der durch die um 1,5 bis 2 mm voneinander entfernten Nuten 11 und
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abgegrenzt wird, und dann die Abtrennung und der Vortrieb des beweglich gewordenen oberen Teils des Metallteils 10·über eine Strecke von etwa 5 mm verstanden.
Der in Fig.2 dargestellte Unterbrecher bewirkt den Bruch einer kalibrierten Lamelle oder Platte durch Abscherung und durch bewegung des abgescherten Teils. Die kalibrierte Lamelle oder Platte kann ein kalibrierter prismenförmiger Schmelzeinsatz sein.
Der Unterbrecher besitzt einen metallischen Körper 21, in dem ein metallisches i'eil22 vorgesehen ist, das mit einer Aussparung 23 versehen ist. In dieser Aussparung sind ein Glühdrahtzünder 24 , eine Sprengladung 25 und ein aus MetalL bestehender Amboß 26 vorgesehen. In dem Metallteil 22 sind zwei Bohrungen für die Durchführung der Anschlußdrähte des Zünders vorgesehen. Der Zünder 24 und die Sprengladung 25 sind aus den bei der Beschreibung der vorhergehenden Vorrichtung genannten Gründen technologisch voneinander getrennt. Über dem Amboß 26 ist ein Teil 27 aus Isoliermaterial, beispielsweise Nylon, Celoron u.dgl., angeordnet, das die Form eines Parallelepipeds hat und eine Aussparung aufweist, in die der Kopf des Ambosses 26 eingesetzt ist.
Der zu trennende Leiter 28 besteht aus einem kalibrierten Schmelzeinsatz mit einer Breite von 25 mm und einer Stärke von 2,5 mm, der zwei Reihen von in einer Linie angeordneten Perforierungen aufweist, die um die Breite des Teils 7 voneinander entfernt sind und sich gegenüber zwei parallelen Rändern des Teils 7 befinden. Auf den Körper 21 ist ein Deckel 29 aus Isolierstoff, beispielsweise aus Nylon oder Celoron, aufgeschraubt, der zwei Öffnungen 30 für die Durchführung des Leiters 28 und eine Aussparung 31 aufweist.
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Wenn der Zündbefehl durch die Anschlüsse auf den Zünder 24 übertragen wird, schmilzt der Draht augenblicklich und bewirkt die Explosion der Sprengladung 25· Der Druck der Explosionsgase schleudert den Amboß 26 und das Teil 27 nach oben, der kalibrierte Leiter wird an der Stelle der Perforationslinien abgeschert , der abgescherte Teil des Leiters 28 sowie das isolierende Teil 27 werden in die Aussparung 31 getrieben und das.isolierende Teil 27 schiebt sich zwischen die Enden des kalibrierten Leiters, so daß die Gefahr eines Überschlags begrenzt wird.
Ein derartiger Unterbrecher, der die Form eines Zylinders mit einem Durchmesser von 55 mm und einer Höhe von 45 mm hat und mit 20 mg Bleinitrid und 20 mg Pentrit geladen ist,bewirkt die Unterbrechung eines kalibrierten Schmelzeinsatzes oder Leiters mit einer Nutzbreite von 20 mm und einer Stärke von 2,5 mm in 155 MikrοSekunden, wobei unter Unterbrechung die Abscherung des Leiters und die geradlinige Bewegung des abgescherten Teils um 5 mm verstanden wird. Ja nach seiner Beschaffenheit kann das Isolierteil 27 auf seiner mit dem Leiter in Berührung stehenden Seite mit einer Metalllamelle belegt sein, die die Abscherung erleichtert.
Die Trennenergie kann dadurch verringert werden, daß der zu trennende Schmelzeinsatz dem Überstrom ausgesetzt wird, auf den die Trennvorrichtung reagiert. Die in dem Schmelzeinsatz entwickelte Wärmeenergie verringert die Scherenergie.
Erforderlichenfalls kann der abgescherte Teil des Leiters am Hubende mit zwei Polen in Berührung kommen und dadurch einen Steuer- oder Meßkreis schließen.
Neben dem Vorteil, daß sie in einer sehr kurzen Zeit von weniger als 1o" sund mit Abweichungen der Betriebszeit von
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weniger als einigen Mikrosekunden arbeiten, besitzen die erfindungsgeinäßen Vorrichtungen den Vorteil, daß sie in all den Fällen benutzt werden können, in denen die Schaltorgane während des Betriebs unzugänglich sind, beispielsweise bei Unterwasserarbeiten in großer Tiefe,' bei unterirdischen Arbeiten und auf dem Gebiet der Raumfahrt. Sie können in jedem elektrischen Kreis benutzt werden, der einen sehr schnellen Schutz bei einer zufälligen überlastung erfordert. Die sehr geringe Abweichung in der Betriebszeit derartiger Vorrichtungen gestattet ferner ihre Anordnung in Reihe; der fast gleichzeitige Betrieb gestattet auf diese Weise die Durchführung von Unterbrechungen oder den Anschluß einer wesentlich höheren Leistung, als es mit einer einzigen Vorrichtung möglich wäre.
Patentansprüche
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    Λ Verfahren zum Trennen eines mechanischen Teils, beispielseise eines Drahts, eines Stabs oder einer Platte, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennen des Teils durch reine Scherbelastungen unter der Wirkung von Scherkräften erfolgt, die durch die Explosion von Sprengstoffen erzeugt werden, die eine Masseenergie von mehr als 1 000 Joule/Gramm, vorzugsweise 2 000 bis 5 000 J/g, und eine Detonationsgeschwindigkeit von mehr als 3 000 m/s, vorzugsweise 7 000 bis 8 000 m/s, haben, daß die Ladung in einer Aussparung angeordnet wird, die auf eine begrenzte Fläche des zu trennenden Teils oder eines direkt oder indirekt auf einer begrenzten Fläche des zu trennenden Teils aufliegenden, beweglichen Teils ausmündet und daß das Anfangsvolumen der Explosionsgase höchstens gleich dem Volumen ist, das von der begrenzten, der Aussparung der Ladung benachbarten Fläche während der Nutzbewegung des abgetrennten Teils oder des beweglichen Teils bestrichen wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es für das Trennen eines von einem elektrischen Strom durchflossenen Leiters angewendet wird.
    J. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu trennende Teil einen metallischen Zylinder aufweist, der durch einen Kranz verlängert ist, dessen Innendurchmesser im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser des Zylinders ist und der an einer elektrischen Klemme befestigt ist, daß der Zylinder mit einer zweiten Klemme in elektrischem Kontakt steht, daß in dem Verbindungsbereich zwischen dem Zylinder und dem Kranz durch zwei zueinander koaxiale Nuten mit demselben Durch-
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    messer'eine Sollbruchstelle gebildet ist, und daß der Zylinder eine Aussparung für eine Sprengladung und ihren Zünder aufweist.
    A. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Kontakt zwischen dem Zylinder und der zweiten Klemme über ein mit der zweiten Klemme verbundenes Kontaktglied gebildet ist, das die Form eines Ringes hat, der durch eine Reihe von Schlitzen in Abschnitte geteilt ist, die durch eine ringförmige Feder festgeklemmt sind.
    5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Kontaktgliedes ein verformbarer , beispielsweise aus Blei bestehender Ring zur Dämpfung der kinetischen Energie desZylinders angeordnet ist.
    6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Klemmen auf einem metallischen Körper montiert ist, von dem sie isoliert ist, daß die andere Klemme auf einer Kappe montiert ist, von der sie ebenfalls isoliert ist, und daß der Körper und die Kappe miteinander fest verbunden sind.
    7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu trennende Teil die Form einer Lamelle hat, die den isolierenden Deckel eines Gehäuses durchquert, das aus einem metallischen Körper und einem isolierenden, an dem metallischen Körper angeschraubten Deckel besteht, daß in dem Körper ein Metallteil angeordnet ist, das mit einerAussparung zur Aufnahme einer Sprengladung, ihres Zünders und eines auf der Sprengladung angeordneten, metallischen Ambosses versehen is ο, und daß zwischen dem Amboß und dem zu trennenden Teil ein Isolierteil angeordnet ist.
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    8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Lamelle die Oberfläche des Isolierteils bedeckt.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zu trennende Teil dem Überstrom ausgesetzt ist, auf den die Trennvorrichtung anspricht. .
    10. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprengladung von ihrem Zünder, mit dem sie in Berührung steht, technologisch unabhängig ist.
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