Результат интеллектуальной деятельности: СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ИЗДЕЛИЙ НА УДАРНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ. РАЗГОННОЕ УСТРОЙСТВО СТЕНДА. ТОРМОЗНОЕ УСТРОЙСТВО СТЕНДА

Изобретения относятся к области испытаний. Преимущественная область применения - испытание ракетно-артиллерийского вооружения.

Испытания изделий на стойкость к ударным воздействиям, имитирующим стартовые ускорения при выстреле, занимают значительный объем при отработке вновь разрабатываемых образцов вооружений и при защите партий изделий, изготавливаемых в производстве.

Особенно остро стоит этот вопрос при отработке артиллерийских управляемых ракет (АУР), так как при этом необходимо обеспечить не только механическую прочность элементов ракеты, но и работоспособность многочисленных элементов электроники при воздействии больших ускорений.

Одним из аналогов предлагаемого изобретения выбран стенд для испытаний изделий на ударное воздействие (см. Бураго А.Н. Стенды для испытаний изделий на ударные воздействия, "Ленинградский дом научно-технической пропаганды", Л., 1960 г., стр.18, абзац 3).

Стенд содержит тросовые (выполненные из стальных канатов) направляющие длиной 78 м, натянутые вертикально на станине. Рабочий стол (каретка) закреплен на раме, которая может перемещаться по направляющим.

Раму удерживает отдельно перемещающая балка с блоком, через который перекинут трос. Далее трос проходит через блоки, укрепленные на станине, и наматывается на барабан лебедки с электродвигателем. Электродвигатель имеет электромагнитный тормоз, точно останавливающий в нужный момент стол при его подъеме на заданную высоту. Приспособление для удержания рамы со столом имеет электроспуск, разжимающий захваты и освобождающий раму со столом для падения. Внизу к раме со столом прикреплен стальной стержень. На основании стенда уложена подушка, выполненная из свинца.

При проведении испытаний рама со столом с закрепленным на нем изделием поднимается на требуемую высоту. Затем включается электроспуск, разжимающий захваты, удерживающие раму, которая начинает падать. В конце падения стальной стержень проникает в свинцовую подушку, где начинает тормозиться. При этом на раму со столом воздействует требуемое ускорение. Величина ускорения зависит от высоты подъема рамы, диаметра стержня и его формы.

Трение свинца о поверхность стержня демпфирует вибрации, в том числе нежелательные боковые колебания.

Величина пиковых ускорений колеблется от 200 до 2000 мс^-2.

При выстреле величины ускорений АУР лежат в широком диапазоне от 15000 мс^-2 дo 150000 мс^-2, что недостижимо при использовании рассматриваемого стенда.

Кроме того, при испытаниях на этом стенде изделие сначала подвергается ускорению на этапе разгона и только затем подвергается воздействию требуемого ускорения на этапе торможения. В натурных условиях стартовые ускорения воздействуют на неподвижную ракету.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является выбранный в качестве прототипа стенд для исследования процесса разделения метаемого объекта (см. патент России №2153155, МПК 7 G 01 M 7/08, 08.05.1998 г., дата публикации 20.07.2000).

Данный стенд содержит основание, на котором установлено разгонное устройство, выполненное в виде ствола и источника давления, размещенный в стволе поршень, устройство для закрепления метаемого объекта (каретки) и тормозное устройство, расположенное перед срезом ствола. Устройство для закрепления метаемого объекта выполнено в виде установленных снаружи ствола направляющих, продольные оси которых расположены попарно в плоскостях, пересекающихся по линии, совпадающей с продольной осью ствола, и выполненных с возможностью соединения с метаемым объектом кареток. При этом в каретках соосно с направляющими установлены демпферные втулки из пластичного материала, выполненные с утолщениями в направлении движения метаемого объекта. Каретки размещены на направляющих с обеспечением возможности перемещения каждой из частей метаемого объекта по определенной паре направляющих.

Длина поршня выбрана из условия обеспечения контакта одной из частей метаемого объекта с передним по направлению движения торцом поршня.

Тормозное устройство выполнено в виде установленных на направляющих металлических втулок, профиль наружной поверхности которых может иметь форму усеченного конуса, обращенного меньшим основанием в сторону метаемого объекта.

Длины металлических втулок для каждой отдельной пары направляющих выбраны из условия обеспечения торможения метаемого объекта без соударения друг с другом. Металлические втулки установлены на направляющих с возможностью ограничения их перемещения в направлении движения объекта.

Функционирование стенда осуществляется следующим образом.

При подаче электрического импульса на инициирующее устройство пороховой заряд, размещенный в зарядной камере, воспламеняется. Образующиеся при этом пороховые газы давят на поршень, размещенный в стволе. Поршень, опирающийся своим передним торцом в заднюю часть метаемого объекта, надетую на ствол, толкает метаемый объект. Под действием перегрузки, возникающей при разгоне метаемого объекта, срабатывает пиротехнический механизм разделения, продукты сгорания которого разделяют переднюю часть от задней по достижению заданной величины давления. Перемещения частей метаемого объекта в процессе совместного разгона, разделения и последующего автономного движения осуществляется по своей паре направляющих. После достижения каретками установленных на их пути металлических втулок начинается их торможение.

Длины металлических втулок выполнены такими, чтобы торможение обеих частей метаемого объекта начиналось одновременно или первой начинала тормозиться задняя часть метаемого объекта, а затем передняя. Благодаря этому обеспечивается безударное торможение частей объекта. Торможение осуществляется за счет деформации демпферных втулок при их взаимодействии с металлическими втулками, установленными на направляющих, причем сначала демпферная втулка перемещается по конусной части металлической втулки (демпферное устройство), что снижает величину перегрузки в начале торможения, чему способствует также выполнение демпферных втулок из пластичного материала. Далее втулки каретки перемещаются по цилиндрической части металлических втулок (поглотитель энергии), где кинетическая энергия движущейся каретки окончательно расходуется на преодоление сил трения.

Недостатками известного стенда являются:

- наличие мощного фундамента, так как основание воспринимает большие усилия и импульс отдачи во время выстрела;

- нестабильная работа разгонного устройства, особенно при использовании зарядов большой массы, так как мощность электровоспламенителя недостаточна для воспламенения всего заряда и, вследствие, большие разбросы задаваемых ускорений;

- невозможность получения требуемых ускорений при торможении из-за ограниченной длины направляющих и отсутствии устройства регулирования по длине.

Решаемой технической задачей предлагаемого изобретения является получение возможности испытаний изделий на ударное воздействие в широком диапазоне ускорений при минимально возможных ускорениях при торможении, получение стабильных значений требуемых ускорений ударного воздействия при минимальных затратах.

Технический результат - получение информации о прочности и работоспособности изделий и их элементов при ударном воздействии в широком диапазоне ускорений, как осевых, так и поперечных, в условиях, максимально приближенным к реальным.

Задача решается за счет того, что в стенде для испытаний изделий на ударное воздействие, содержащем разгонное устройство в виде стволика с пороховым зарядом и инициатором, каретку для установки испытуемого изделия, соединенную с помощью проушин с направляющими, и тормозное устройство, разгонное устройство установлено на стволе артиллерийского орудия через опору, оправку и хомут, а направляющие выполнены гибкими из стальных канатов, пропущенных через пазы в опоре и натянутых вдоль ствола орудия, при этом они выполнены расходящимися под углом друг к другу в направлении движения каретки, а опорная поверхность проушин взаимодействует с направляющими по лучу их расхождения к продольной оси стенда.

Такая конструкция стенда позволяет проводить испытания изделий с небольшой массой и относительно малыми ускорениями порядка до 15000 мс^-2, когда каретка с изделием тормозится за счет расхождения канатов, сводя их вместе, и кинетическая энергия каретки, приобретенная при выстреле, расходуется на трение и деформацию.

При этом используются пороховые заряды малой массы и электроинициатора достаточно для обеспечения стабильности работы заряда, чем обеспечивается приемлемый разброс задаваемых ускорений.

Если требуется испытывать изделия на ударное воздействие с ускорением 30000...130000 мс^-2, разгонное и тормозное устройства выполняются более сложными.

Задача решается следующим образом.

В разгонном устройстве стенда для испытаний изделий на ударное воздействие, содержащем стволик с камерой сгорания с размещенным в ней пороховым зарядом, инициирующим устройством и донной крышкой, инициирующее устройство выполнено в виде форкамеры с пороховым зарядом и электровоспламенителем, установленной перпендикулярно оси стволика и сообщающейся радиальным каналом с кольцевой полостью, образованной внутренней цилиндрической поверхностью камеры и кольцевой проточкой с угловой перемычкой со стороны зарядной камеры, проточка выполнена на боковой поверхности донной крышки, причем в перемычке по периметру выполнены отверстия, сообщающие кольцевую полость с камерой сгорания.

В тормозном устройстве стенда для испытаний изделий на ударное воздействие, содержащем демпферное устройство и поглотитель энергии, демпферное устройство установлено за тормозным участком и выполнено в виде надетых на каждую направляющую втулок, соединенных между собой упругой связью, например, из амортизированного шнура, при этом связь выполнена из нескольких звеньев разной жесткости, а в звеньях с меньшей жесткостью установлен стальной канат, длина которого равна длине звена при максимальной деформации звена, причем направляющие пропущены через блоки, установленные на основании в виде рамы в конце тормозного участка, а поглотитель энергии выполнен в виде ленты из эластичного материала, инерционная масса которой распределена по длине тормозного участка по закону, обеспечивающему требуемое ускорение каретки с изделием при торможении, причем концы ленты соединены стальными канатами с одной стороны с кареткой, охватывая ее по внешней цилиндрической поверхности под углом к оси каретки в сторону, противоположную движению, а с другой стороны - с основанием, а в конце тормозного участка установлен уловитель ленты.

Использование гибких направляющих упрощает монтаж стенда, они могут быть выполнены значительной длины, что дает возможность снизить ускорения торможения.

Выполнение направляющих расходящимися под углом друг к другу обеспечивает автоматически торможение каретки.

Использование артиллерийского орудия в качестве основания устраняет потребность в мощном фундаменте и обеспечивает оптимальную работу разгонного устройства.

Выполнение проушин удлиненной формы и различной длины передних и задних устраняет возможность заклинивания каретки и повышает ее устойчивость при движении по направляющим.

Введение в конструкцию разгонного устройства форкамеры и кольцевой полости обеспечивает не только стабильное горение метательного заряда и, как следствие, получение ускорения ударного воздействия на изделия с приемлемым разбросом, но и позволяет испытывать изделие на воздействие знакопеременных поперечных ускорений вследствие воздействия поперечного импульса форкамеры на стволик. В результате этого возникают колебания стволика и каретки с испытуемым изделием относительно друг друга.

Наличие поглотителя энергии в виде ленты, масса которой распределена по определенному закону на длине тормозного участка, и упругих связей между направляющими позволяет создавать требуемые ускорения торможения и расходовать значительную кинетическую энергию, приобретенную кареткой с изделием при выстреле.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где показаны:

на фиг.1 - стенд для испытаний изделий на ударное воздействие на базе пушки-гаубицы Д-30 (вид сбоку);

на фиг.2 - то же (вид сверху);

на фиг.3 - разгонное устройство, каретка с испытуемым изделием, крепление разгонного устройства на стволе пушки-гаубицы (полностью орудие не показано) в разрезе (вид сверху);

на фиг.4 - каретка (вид спереди);

на фиг.5 - разгонное устройство стенда для испытаний изделий на ударное воздействие в разрезе (п.2 формулы);

на фиг.6 - тормозное устройство стенда для испытаний изделий на ударное воздействие с гибкими направляющими (орудие не показано), вид сбоку (п.3 формулы);

на фиг.7 - тормозное устройство стенда для испытаний изделий на ударное воздействие с гибкими направляющими, вид сверху (п.3 формулы);

на фиг.8 - демпферное устройство тормозного устройства (вид перпендикулярно плоскости направляющих);

на фиг.9 - демпферное устройство тормозного устройства стенда (вид по оси направляющих).

Заявляемый стенд включает в себя артиллерийское орудие 1 (пушку-гаубицу Д-30), установленную в штатном положении для стрельбы. На стволе 2 орудия 1 закреплено разгонное устройство 3 в виде короткого стволика 4, который с помощью переходника 5, опоры 6, оправки 7, хомута 8 и болтов 9 притягивается к торцу ствола 2 орудия 1.

Внутрь стволика 4 входят задняя часть каретки 10 в виде поршня 11 с выполненным на его внешней поверхности лабиринтным уплотнением 12. Между торцами поршня 11 и дном стволика 4 выполнена зарядная камера 13 с размещенным в ней пороховым зарядом 14 и электроинициатором 15. На каретке 10 выполнены проушины 16, которыми она взаимодействует с гибкими направляющими 17 из стальных канатов по лучу их расхождения. Направляющие натянуты вдоль ствола 2 орудия 1 и стволика 4 и пропущены через пазы в опоре 6. От опоры 6 направляющие 17 расходятся под углом α друг к другу. Концы 18 направляющих 17 закреплены с помощью опор 19 на основании. В конце тормозного участка 20 направляющие 17 пропущены через блоки 21, установленные на раме 22.

В разгонном устройстве (п.2 формулы изобретения) перпендикулярно оси стволика 4 установлена форкамера 23 (Фиг.5) с дополнительным зарядом 24 пороха и электровоспламенителем 25. Форкамера 23 соединена радиальным каналом 26 с кольцевой полостью 27, образованной внутренней цилиндрической поверхностью зарядной камеры 13 и выполненной на боковой поверхности донной крышки 28 кольцевой проточкой 29 с угловой перемычкой 30 со стороны камеры 13. Кольцевая полость 27 соединена с камерой 13 отверстиями 31, выполненными в перемычке 30 по периметру.

Тормозное устройство стенда (п.3 формулы изобретения) состоит из демпферного устройства 32, выполненного за тормозным участком 20 после блоков 21, и поглотителя энергии 33 в виде ленты 34 из эластичного материала (Фиг.6 и 7).

Демпферное устройство (Фиг.8 и 9) состоит из втулок 35 в виде катушек, надетых на направляющие 17, и переходников 36. Втулки 35 с переходниками 36 между собой соединены звеньями 37 из нескольких витков 38 амортизационного шнура.

На переходниках 36 закреплены концы стального каната 39, длина которого равна длине звена при максимальной деформации шнура. Лента 34 поглотителя энергии 33 уложена на основании вдоль оси стенда. Задний конец 40 ленты 34 сдвоенным стальным канатом 41 соединен с кареткой 10, охватывая ее по внешней поверхности 42 под острым углом 43 к ее продольной оси в сторону, противоположную ее движению (петля каната 41 охватывает каретку и уложена в ручьи-ложементы, выполненные на боковой поверхности каретки; ручьи-ложементы образованы фигурными скобами, приваренными к боковой поверхности каретки, обеспечивая расположение ветвей каната под острым углом 43 и возможность проскальзывания петли каната по ручьям-ложементам), а передний конец 44 - с основанием канатами 45.

В конце тормозного участка 20 установлен уловитель 46 ленты 34 в виде бетонной стены 47 с установленным на ней амортизатором 48, предназначенный для остановки ленты 34.

Масса ленты 34 распределена по длине тормозного участка по закону, обеспечивающему требуемые ускорения при торможении.

Это достигается за счет профиля ленты и при необходимости выполнение ленты многослойной.

Лента 34 прошивается стальным канатом 49.

Работа на стенде проводится следующим образом.

Испытуемое изделие 50 устанавливается в каретке 10. В камеру 13 стволика 4 помещается пороховой заряд 14. Поршень 11 каретки 10 вдвигается в стволик 4 до упора. Затем устанавливается электровоспламенитель. Электровоспламенитель 15 перед выстрелом подключается к источнику электрического тока. После выполнения подготовительных операций подается электрический сигнал на электровоспламенитель 15, который срабатывает и поджигает пороховой заряд 14. Пороховые газы, образующиеся при этом, создают необходимое давление в камере 13 и ускоряют каретку 10 с испытуемым изделием 50 с требуемым ускорением. Величина ускорения (давления) регулируется массой порохового заряда 14 и объемом камеры 13.

После выстрела каретка 10 тормозится за счет расходящихся направляющих 17, сводя их вместе.

Усилия импульса отката, возникающие во время выстрела, воспринимаются откатным устройством пушки

При выстреле регистрируется давление в камере, на испытуемом объекте могут быть установлены датчики, измеряющие величину ускорения в интересующих исследователя местах.

По величине давления Р, массе m (весу ω) подвижной части стенда (каретка с испытуемым изделием) и площади S поперечного сечения поршня 11 по формуле , определяют ускорение (перегрузку), действующее на изделие.

При использовании разгонного устройства, выполненного в соответствии с п.2 формулы изобретения, при подаче электрического сигнала на электровоспламенитель 25 воспламеняется дополнительный пороховой заряд 24 в форкамере 23. Образовавшиеся при этом газы через радиальный канал 26 попадают в кольцевую полость 27, заполняя ее. Из полости 27 газы через отверстия 31, выполненные в перемычке 30, направляются на основной заряд 14, поджигая его.

При этом воспламенительные газы охватывают весь заряд 14, обеспечивают надежное его воспламенение и, следовательно, стабильную работу с приемлемым разбросом давления.

Торможение каретки с изделием после выстрела при использовании тормозного устройства по п.3 формулы изобретения происходит следующим образом.

При движении каретка 10 ускоряет сначала стальные канаты 41, а затем эластичную ленту 34.

Так как они уложены навстречу движению каретки, то их масса подключается к движению постепенно, при этом увеличивается не только суммарная масса, но масса в зависимости от времени (длины), чем достигается заданный закон торможения. При этом энергия каретки 10 в основном расходуется на ускорение ленты 34.

Часть энергии расходуется на трение, деформацию направляющих 17 и демпферного устройства 32.

Энергия, приобретенная лентой 34, поглощается в уловителе 46 при ударе в него.

При движении каретки 10 по направляющим 17 они сводятся вместе. Угол α расхождения направляющих 17 по мере продвижения по ним каретки 10 возрастает, плавно увеличивая силу торможения и вызывая деформацию (удлинение) направляющих 17.

При отсутствии демпферного устройства в направляющих 17 могут возникать опасные напряжения, что требует ограничения усилий при натяжении канатов.

При наличии демпферного устройства 32 удлинение направляющих 17 на тормозном участке происходит за счет деформации его упругих связей (амортизационного шнура), которые допускают значительные величины деформации. Кроме того, демпферное устройство позволяет оптимизировать условия движения каретки по направляющим в начале ее движения, убирая провисание (колебания) канатов перед кареткой.