Результат интеллектуальной деятельности: НИЗКОВОЛЬТНЫЙ ЭЛЕКТРОДЕТОНАТОР

Изобретение относится к области безопасных средств взрывания, а именно к низковольтным мостиковым электродетонаторам с использованием вторичных (бризантных) взрывчатых веществ (ВВ), и может быть применено в качестве малогабаритного средства инициирования зарядов ВВ промышленного назначения, используемым в горнорудной, угледобывающей и других отраслях промышленности, а также в военной отрасли.

В настоящее время промышленные ЭД, широко используемые при проведении взрывных работ в горнорудной и угледобывающей промышленности, геофизических взрывов, обладают повышенной чувствительностью к внешним воздействиям (блуждающие токи, заряды статического электричества и др.), что заметно повышает стоимость добычи полезных ископаемых и ухудшает условия техники безопасности из-за возможных преждевременных взрывов зарядов.

В последние десятилетия опасность возникновения преждевременных взрывов сильно возросла. Это вызвано тем, что на объектах, на которых производится электровзрывание, стало значительно больше электрифицированных механизмов, а также в большом количестве применяются изделия из синтетических материалов (трубопроводы, шланги, транспортные ленты и др.), способные при определенных условиях накапливать электростатические заряды.

Электротяговые блуждающие токи и токи утечки из электрических установок при добыче полезных ископаемых могут достигать значения до 1А.

Таким образом, в настоящее время существует необходимость в создании ЭД с пониженной чувствительностью к блуждающим токам, зарядам статического электричества, а также с пониженной чувствительностью к механическим и тепловым воздействиям ЭД. Это необходимо как для модернизации штатных ЭД, так и для создания нового поколения безопасных ЭД, не содержащих в своем составе инициирующих взрывчатых веществ.

Использование ЭД связано с опасностью преждевременного срабатывания под воздействием блуждающих токов наводки или зарядов статического электричества. Для предупреждения этой опасности были предложены как различные типы воспламенительных составов, так и различные конструктивные решения ЭД. Все известные способы защиты ЭД от зарядов статического электричества и блуждающих токов можно подразделить на две группы: предотвращение прохождения искрового разряда через воспламенительный состав ЭД и исключение воспламенения состава при прохождении через мостик накаливания или разрядный промежуток внутри ЭД.

К первой группе можно отнести различные способы изоляции воспламенительного состава от гильзы ЭД путем покрытия воспламенительного состава изолирующими лаками и эмалями или с помощью трубок и втулок (патент ЧССР 152844 от 15.04.74, кл. F42B 3/18), а также за счет нанесения электропроводного покрытия на воспламенительный состав, отводящего разряд от состава на провода ЭД (патент Австрии 291076 от 15.10.70, кл. С06С 3/02).

Эти способы в определенной степени защищают воспламенительный состав ЭД от разрядов статического электричества, однако не защищают от блуждающих токов (не увеличивают безопасный ток).

Ко второй группе способов защиты ЭД от зарядов статического электричества, а также от блуждающих токов можно отнести применение мостиков накаливания увеличенных диаметров (нихром, константан), шунтирования мостика накаливания вне воспламенительного состава с помощью отрезка проволоки (патент ЧССР 101556, кл. 78е³, 1961), а также применения воспламенительных составов с пониженной чувствительностью к тепловому импульсу.

Однако, как показывает анализ литературных данных, с помощью увеличения диаметра мостика накаливания, а также его шунтирования нельзя повысить безопасный ток до 0,8-1 А без существенного увеличения импульса воспламенения и уменьшения количества изделий, подрываемых в группах.

Известен ЭД с электровоспламенителем (ЭВ), обладающим повышенной устойчивостью к зарядам статического электричества и блуждающим токам (патент США 3286628 от 22.11.66, кл. 102-28). Сущность изобретения заключается в использовании воспламенительных составов бор - окись свинца, бор - свинцовый сурик (В - Pb₃O₄), которые обладают высокими уровнями напряжения пробоя.

Недостатком является сложность конструкции изделия, поскольку состав является малогазовым; необходима новая конструкция ЭВ. Низкая чувствительность к тепловому импульсу воспламенительного состава требует большой энергии воспламенения, которая не может быть обеспечена взрывными приборами при групповом подрыве изделий.

Известен электродетонатор мостикового типа Dynawell 1018 НМХ фирмы Dynaenergetics, применяемый для прострелочно-взрывных работ в нефтяных скважинах. В его конструкцию включено дополнительное сопротивление, увеличивающее общее сопротивление изделия до 50 Ом.

За счет этого безопасная мощность увеличена до 1 Вт, но безопасный ток составляет только 0,2 А.

К недостаткам термостойкого электродетонатора следует отнести низкую инициирующую способность частиц продуктов взрыва мостика и инициирующего заряда, что обуславливает необходимость увеличения габаритов основного заряда, а также низкую защиту от блуждающих токов, которая составляет 0,2 А.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является электродетонатор, описанный в патенте РФ №2389971 МПК F42C 19/12, опуб. 20.05.2010. Рассматриваемый электродетонатор относится к низковольтным мостиковым электродетонаторам и может быть использован в качестве малогабаритного средства инициирования при проведении взрывных работ. Электродетонатор содержит гильзу с вкладышем, в котором размещен заряд ВВ, выполненный в виде навесок выходной из вторичного ВВ высокой плотности, и, сопряженной с ней промежуточной навеской из дефлагрирующего ВВ низкой плотности, которая, в свою очередь, граничит с инициирующей навеской из дефлагрирующего ВВ высокой плотности и с инициатором, установленным на колодке, разделенной разрядником с токовыводами, ЭД безотказно срабатывает при подаче тока 1 А за время от 10 до 12 мс.

Однако ЭД, выбранный в качестве прототипа обладает рядом недостатков: так, применение в его конструкции герметизирующей колодки с токовыводами, оборудованной разрядником, усложняет его конструкцию, приводит к увеличению габаритов, и, как следствие, увеличивает его стоимость, а использование взрывающегося мостика накаливания приводит к повышенному энергопотреблению ЭД и дороговизне изготовления. Следует также отметить низкую безопасную мощность, рассеиваемую на мостике при пропускании безопасного тока, она составляет 0.25 Вт; слабая защищенность от блуждающих токов: величина безопасного тока составляет 0.4 А.

Задача настоящего изобретения состоит в повышении стойкости электрических средств задействования к электрическим воздействиям, создании электродетонатора, имеющего безопасный ток не менее 1 А и безопасную мощность не менее 1 Вт, уменьшение энергопотребления и габаритов ЭД, удешевление технологии изготовления, повышение быстродействия и чувствительности к инициирующему импульсу с сохранением безопасности при эксплуатации.

Технический результат заключается в том, что удалось уменьшить энергоемкость ЭД, перейдя к низковольтному инициированию за счет использования в качестве инициирующей навески из дефлагрирующего ВВ; уменьшить количество тепла, передаваемого от резистивного слоя в воспламенительный состав, за счет отвода тепла в колодку из диэлектрического материала; уменьшить время конвективного горения и повысить быстродействие ЭД за счет перехода от инициирующего заряда к промежуточному заряду, выполненному со ступенчатым падением плотности запрессовки, увеличить безопасное значение тока и безопасной мощности за счет использования мостика накаливания в виде слоя из резистивного материала (с высоким удельным сопротивлением), нанесенного на диэлектрическую колодку. Дополнительным результатом является удешевление технологии изготовления за счет упрощения конструкции мостика накаливания.

Это достигается тем, что в низковольтном электродетонаторе, содержащем гильзу с вкладышем, в котором размещен заряд ВВ, выполненный в виде навесок выходной из вторичного ВВ высокой плотности, и, сопряженной с ней промежуточной навеской из дефлагрирующего ВВ низкой плотности, которая, в свою очередь, граничит с инициирующей навеской из дефлагрирующего ВВ высокой плотности и с инициатором, установленным на диэлектрической колодке, разделенной разрядником с токовыводами, согласно изобретению, на поверхности колодки, граничащей с инициирующей навеской, расположен инициатор, в виде мостика накаливания из резистивного материала в виде слоя, нанесенного на колодку, высота которого по оси определяется по формуле

d=(5…7,5)S⋅10^-3, мкм, где

S - толщина диэлектрической колодки, мм;

при этом инициирующая навеска выполнена с плотностью запрессовки, уменьшающейся в направлении промежуточной навески.

Кроме того, с целью удешевления и увеличения безопасной мощности, мостик накаливания выполнен из материала с высоким удельным сопротивлением.

Кроме того, с целью увеличения безопасного тока, отвода тепла и хорошей адгезии для мостика накаливания, диэлектрическая колодка выполнена из керамики.

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».

Изобретение проиллюстрировано на чертеже, где

1 - гильза низковольтного ЭД;

2 - вкладыш (металлическая втулка);

3 - выходная навеска ВВ;

4 - промежуточная навеска ВВ;

5 - инициирующая навеска;

6 - диэлектрическая колодка;

7 - металлическая прокладка;

8 - гермоввод;

9 - токовыводы;

10 - инициатор;

11 - разрядник.

Низковольтный электродетонатор состоит из гильзы 1, вкладыша (металлической втулки) 2, завальцованного в гильзу 1, с зарядом ВВ в виде навесок: выходной 3 из вторичного ВВ высокой плотности, сопряженной с ней промежуточной 4 из дефлагрирующего ВВ низкой плотности и инициирующей 5 из дефлагрирующего ВВ высокой плотности, выполненной с плотностью запрессовки, уменьшающейся в направлении к промежуточной навеске, запрессованными непосредственно во вкладыш 2 и гильзу 1, гермовводу 8, приваренному лазерной сваркой к гильзе 1 и содержащему токовыводы 9, при этом колодка 6 установлена между инициирующей навеской 5 и гермовводом 8 через металлическую прокладку 7, которая создает воздушную прослойку для гарантированной защиты от разряда статического электричества различной полярности. На диэлектрическая колодке 6, со стороны, граничащей с инициирующей навеской 5, расположен инициатор 10, а на противоположной - разрядник 11. Инициатор 10 выполнен в виде мостика накаливания из резистивного материала в виде слоя, нанесенного на колодку, высота которого определяется из математического выражения и зависит от толщины диэлектрической колодки и может быть изготовлен с помощью хорошо известных процессов, включая фотолитографическое маскирование, химическое осаждение из газовой фазы и т.д., для точного контроля толщины, формы в каждом слое материала, обеспечивая однородность характеристик для большого количества мостиков накаливания.

Работа низковольтного электродетонатора осуществляется следующим образом. При подаче подрывного электрического импульса на инициатор 11 происходит его взрыв (раскаленные частицы внедряются в ВВ), инициирование навески 5 из вторичного ВВ (возникновение стадии конвекционного горения, предшествующей детонационному превращению и переходящей в детонацию) и последовательное срабатывание последующих навесок промежуточной 4 и выходной 3. При подаче напряжения U=20 B (I=10 А) время работы составляет tp=10 мкс, а выходное давление Р=20-23 ГПа.

Мостик накаливания имеет толщину слоя 4-6 мкм из резистивного материала при соотношении длины к ширине в пределах от 1:1,5 до 1:2,5.

Высота слоя из резистивного материала определяется по формуле:

d=(5…7,5)S⋅10^-3, мкм, где

d - высота слоя из резистивного материала, составляет 4-6 мкм, при толщине диэлектрической (керамической) колодки S=0,8 мм и определяется из математического выражения, выведенного экспериментальным путем.

Значение 5…7,5 в формуле определения толщины слоя из резистивного материала выбрано в результате проведенных экспериментов, данные которых приведены в таблице (курсивом выделены оптимальные значения высоты слоя d по оси), в скобках приведены соответствующие значения коэффициентов.

При толщине d<4 мкм слоя из резистивного материала не происходит зажигания прилегающей к нему инициирующей навески 5.

Из таблицы видно, что оптимальные значения d лежат в указанном диапазоне.

Примером конкретного выполнения может являться устройство, в котором гильза 1 выполнена металлической, в качестве гермоввода 8 - металлостеклянный элемент (типа КТ-1, КТ-2) с токопроводящими элементами 9, к которому присоединена вышеописанная колодка 6 с инициатором 10 из титана или сплава ОТ4-1 (металлы с высоким удельным сопротивлением).

В качестве инициирующей навески 5 и промежуточной навески 4 использовалось дефлагрирующее ВВ (диперхлорат нитратетрозолатопентаамминкобальта). ВВ инициирующей навески 5 выполненно со ступенчатым падением плотности запрессовки в сторону промежуточной навески 4. Выходная навеска 3 выполнена из вторичного ВВ высокой плотности (циклотетраметилентетранитрамин, пентаэритриттетранитрат).

Использование данного изобретения позволит повысить эффективность задействования, безопасность, быстродействие и надежность низковольтного ЭД на основе мостика накаливания из материала с высоким удельным сопротивлением и диэлектрической колодки, а также снизить энергопотребление, что существенно уменьшает габариты подрывного оборудования.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных конструктивных решений и способность обеспечения достижения указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».