Тормозная колодка для башмаков ракетных кареток
BRAKE SHOE FOR ROCKET CARRIAGE SHOES

Предлагаемое изобретение относится к испытательной технике, конкретно - к оборудованию для высокоскоростных трековых испытаний, и может быть использовано в конструкции тормозного устройства, используемого для торможения ракетных кареток.
При трековых испытаниях различных объектов они устанавливаются на каретке ракетного трека и разгоняются с ее помощью до заданной скорости, после чего осуществляется торможение каретки с одновременной отстыковкой от нее объекта, и дальнейший его свободный полет, - вплоть до запланированного взаимодействия с преградой.
Для торможения ракетных кареток при проведении экспериментальных исследований на ракетном треке применяются преимущественно два типа тормозных устройств.
Первый тип тормозных устройств - гидродинамические, в которых торможение высокоскоростных объектов осуществляется жидкостью, преимущественно водой.
Так, например, в устройствах /1, 2/ торможение разогнанного объекта предложено осуществлять встречным потоком воды.
Данные устройства хорошо работают для торможения в основном малоразмерных объектов. Однако, их недостатком является потребность в дополнительном насосном оборудовании, а применительно к ракетным трекам - необходимость в наличии больших объемов воды.
В устройствах /3, 4/ предложено торможение каретки осуществлять исходно неподвижной жидкостью, размещенной в специальном лотке.
Так в устройстве /3/ при достижении ракетной кареткой тормозного участка трека она попадает в лоток, частично погружается в находящуюся в нем воду, и вследствие гидродинамического взаимодействия погруженных элементов каретки с водой осуществляется ее торможение. Недостатком данного устройства является то, что для полного торможения каретки с помощью воды оно должно иметь большую длину, вплоть до нескольких десятков метров. В устройстве /4/ в предложено заполнять лоток дилатантными или электрореологическими средами. Этот лоток обеспечивает меньшую длину тормозного участка, однако, потребности в достаточно больших количествах воды не исключает.
Кроме того, все гидротормозные устройства подобного типа имеют ограниченное применение при отрицательных температурах окружающей среды.
Второй тип тормозных устройств основан на фрикционном взаимодействии соответствующих элементов каретки с направляющими.
В устройстве /5/ направляющие выполнены гибкими из натянутых стальных канатов, расходящихся под углом друг к другу в направлении движения каретки. Каретка с объектом испытаний тормозится за счет расхождения канатов, сводя их вместе, и кинетическая энергия каретки расходуется на трение и упругую деформацию направляющих. При осуществлении торможения с применением этого устройства здесь, наряду с фрикционным износом направляющих, также может проявляться некоторая потеря прочностных характеристик направляющих за счет накопления усталостных явлений при обратимых деформациях.
В устройстве /6, 7/ для торможения ракетных кареток использован тормозной башмак, приводимый в действие пороховым аккумулятором давления (ПАД). При срабатывании пиропатрона, находящегося в закрытой цилиндрической газовой полости тормозного цилиндра, воспламеняется пороховая шашка. Пороховые газы толкают поршень, действующий на рабочую среду в рабочей полости тормозного цилиндра, посредством которого передается усилие на фрикционные элементы, контактирующие с рельсом. Причем, в конечном итоге, передача давления от пороховых газов на фрикционные элементы, в целом осуществляется весьма быстро, и занимает порядка нескольких миллисекунд, а силовое воздействие на рабочие элементы тормозной системы остается большим и практически неизменным на протяжении всего процесса торможения.
Недостатки данного устройства в первую очередь связаны с использованием традиционных конструкций тормозных колодок с накладками, имеющими постоянные фрикционные характеристики.
Для торможения разогнанной до высокой скорости (сотни метров в секунду) ракетной каретки, естественно, необходимо в тормозных устройствах использовать фрикционные накладки с достаточно высоким коэффициентом трения. Однако, при быстром нагружении рельса фрикционной накладкой с заведомо высоким коэффициентом трения наблюдались эффекты взаимного прихватывания материала накладки с рельсом, приводящие как к аварийным ситуациям, так и к повышенному износу рельсовых направляющих трека при торможении ракетной каретки.
Аналогичные эффекты наблюдались также на двухрельсовом треке при рассинхронизации срабатывания ПАДов и сопутствующем рассогласованном действии тормозных башмаков, что приводило к повреждению рельсового пути, сходу каретки с направляющих и последующему неконтролируемому ее движению.
Для устранения подобных ситуаций, естественно, целесообразно торможение кареток осуществлять в относительно «плавном» режиме, когда сила фрикционного взаимодействия их тормозных элементов с рельсовым полотном трека будет увеличиваться по мере снижения скорости (кинетической энергии) ракетной каретки. Регулировка давления в тормозной системе, генерируемого ПАД'ом, и соответственно усилия прижатия тормозной колодки к контртелу - рельсу, представляет большую сложность. В то же время, начало торможения надо осуществлять достаточно быстро, что хорошо обеспечивается использованием ПАД'ов в качестве источника силового воздействия на рабочие элементы тормозной системы. Поэтому в качестве возможного варианта решения данной проблемы предполагается изменение конструкции тормозных колодок.
Чаще всего тормозная колодка представляет из себя металлическую пластинку, являющуюся основой, на которой закреплена фрикционная накладка /8/. Колодка с накладкой повторяют форму поверхности, к которой они прижимаются. Фрикционная накладка на основе закрепляется заклепками или специальным клеем.
В качестве материалов современных фрикционных накладок применяются керамика, специальные смолы, синтетический каучук, органические и минеральные волокна, наполнители и модификаторы.
Недостатком подобных традиционных конструкций тормозных колодок, ограничивающим целесообразность их использования в конструкциях тормозных систем ракетных кареток, является постоянство коэффициент трения.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является тормозная колодка /9/, содержащая металлический каркас и расположенную на нем фрикционную накладку, состоящую из нескольких отдельных элементов с разными коэффициентами трения. Фрикционная накладка данной тормозной колодки выполнена из нескольких соединенных слоев, каждый состоит из полимерной матрицы и наполнителя (или наполнителей) с разным их соотношением. Слои в накладке расположены параллельно, а процентное соотношение ответственного за фрикционные характеристики наполнителя здесь послойно уменьшается от рабочего слоя к слоям более близким к каркасу.
Недостатком данной конструкции тормозной колодки является то, что несмотря на возможность изменения режима трения по мере износа фрикционной накладки, в условиях торможения в ней исходно предполагается работа слоя с заведомо высоким коэффициентом трения, т.е. плавного режима торможения при постоянном усилии воздействия на нее, она не обеспечит.
Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение режима плавного торможения ракетных кареток с приводом тормозных механизмов на основе пороховых аккумуляторов давления.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известной тормозной колодке, содержащей металлический каркас и расположенную на нем фрикционную накладку, состоящую из нескольких отдельных элементов с разными коэффициентами трения, в соответствии с изобретением элементы фрикционной накладки с разными коэффициентами трения расположены на металлическом каркасе последовательно с образованием общей рабочей поверхности, часть общей рабочей поверхности элемента накладки с большим коэффициентом трения имеет исходно меньший размер, чем остальная -элемента накладки с меньшим коэффициентом трения, при этом накладки выполнены с переменным по толщине размером продольного сечения.
Необходимость и достаточность вышеуказанных отличительных признаков предложенного технического решения может быть пояснена следующим образом.
Как уже описывалось выше, при использовании ПАД'ов в качестве источника силового воздействия на рабочие элементы тормозной системы, процесс этого воздействия на тормозные колодки, и посредством их фрикционных накладок на контртело - рельс, осуществляется за доли секунды, и с большим, причем практически неизменным усилием. При достаточно большом коэффициенте трения тормозных накладок возможны эффекты взаимного прихватывания материала накладки с рельсом, приводящие к нежелательным аварийным ситуациям.
В случае использования предложенной конструкции тормозной колодки, с фрикционными накладками, расположенными на металлическом каркасе последовательно с образованием общей рабочей поверхности, с исходно разными по величине участками рабочей поверхности и имеющих разные коэффициенты трения, а также переменный по толщине размер продольного сечения, процесс торможения будет осуществляться сначала преимущественно за счет поверхности накладки с меньшим коэффициентом трения. Затем, вследствие интенсивного износа поверхностей, коэффициент трения накладки будет возрастать т.к. при этом будет осуществляться увеличение поверхности с большим коэффициентом трения, и соответственно уменьшаться поверхность с меньшим коэффициентом трения. Т.е. торможение будет осуществляться в плавном режиме при постоянном усилии, приложенном к тормозной колодке.
Конструкция и работа устройства поясняется следующей графической информацией:
На фиг. 1…3 представлены схемы математической модели движения тела с различными фрикционными характеристиками контактной поверхности.
На фиг. 4 - также схема к математической модели для пояснения работы колодки с простым вариантом ее конструкции.
На фиг. 5 - вариант исполнения тормозной колодки.
На фиг. 6, 7 схематично представлен вариант работы механизма торможения. ПАД и элементы поршневой системы здесь условно не показаны.
1
1
тр1
Рассмотрим наиболее простой пример движения тела с учетом силы трения. Для обеспечения состояния равномерного прямолинейного движения со скоростью v под действием силы F тела массой М (фиг. 1) необходимо выполнение условия равенства тянущей силы и препятствующей движению силы трения F.
1
1
2
Сила трения при этом определяется как произведение реакции опорной поверхности N на коэффициент трения между этой поверхностью и опорной поверхностью тела - μ. С учетом того, что в данном случае реакция опоры численно равна весу тела, данное условие описывается зависимостью (1), где g=9,81 м/с - ускорение силы тяжести.
2
2
Если к этому телу присоединить посредством жесткой тяги, массу которой считаем бесконечно малой, второе - массой М и с коэффициентом трения по опорной поверхности μ (фиг. 2), то условие равномерного движения второго тела будет, по аналогии с первым, описываться зависимостью (2).
А общее для обоих тел - зависимостью (3):
Или в несколько преобразованном виде:
Соединим тела (Фиг. 3) вместе (длина жесткой тяги равна нулю). Тогда суммарная масса  нового тела составит:
м
Введем коэффициент соотношения масс K<1 составного тела, пусть
тогда
м
Суммарная сила трения с учетом коэффициента K будет выглядеть:
Или
1
2
м
где  - некое приведенное значение коэффициента трения, зависящее от исходных значений коэффициентов трения μ, и μ, а также коэффициента соотношения масс составного тела - K.
1
2
M
1
2
Зависимость (9) справедлива для постоянных значений усилий от весов составного тела - М⋅g и М⋅g, взаимодействующих с опорной поверхностью, т.е. при неизменной величине коэффициента K, и соответствующих им коэффициентов трения μ, и μ.
1
2
2
Рассмотрим более сложный случай, когда эти усилия непостоянны. Например, силовые факторы М⋅g и соответственно убывают, а М⋅g (и соответственно N) возрастают.
Это достижимо посредством изменения исходной конструкции опорных элементов движущегося тела.
Один из возможных вариантов (наиболее простой) такой конструкции представлен на фиг. 4, где в качестве опорной поверхности тела использована тормозная колодка предложенной конструкции.
T
1
2
2
1
T
Тормозная колодка, нагруженная усилием Р, содержит каркас 1 и расположенную на нем составную фрикционную накладку длиной , шириной b и толщиной h, состоящую из двух соединенных призматических элементов 2 и 3 с переменным по толщине размером сечения (соответственно - треугольного и трапецеидального) с разными коэффициентами трения μ и μ (μ>μ). Торможение осуществляется посредством одновременного взаимодействия накладок 2 и 3 с контактирующей поверхностью - рельсом ракетного трека 4. Суммарную массу  колодки с тормозными накладками считаем пренебрежимо малой по сравнению с усилием Р.
T
Усилие Р здесь по сути эквивалентно весу  по схеме на фиг. 3. Из условия равномерного нагружения составной накладки по аналогии с (5) его можно представить как сумму
T1
T2
р
где Р и Р - усилия нагружения соответствующих частей составной фрикционной накладки. Также по аналогии с (6) можно ввести коэффициент K.
Тогда в соответствии с (8) сила трения при торможении опишется как
а приведенный коэффициент трения:
р
Из условия равномерного нагружения составной накладки и ее прямоугольной формы, коэффициент K на момент начала торможения может быть представлен в виде соотношения:
1
р
где  и  - соответственно общая длина составной фрикционной накладки, и текущая длина ее части с коэффициентом трения μ. Определим, как изменяется величина K с течением времени. Для упрощения дальнейших выкладок считаем, что полного износа составляющих накладку тормозной колодки элементов с разными коэффициентами трения вплоть до полного останова каретки не происходит, и что износ при трении поверхностей составной фрикционной накладки  одинаков для обеих ее составляющих частей и описывается зависимостью [10]:
u
где k - коэффициент износа поверхностей накладок, a v - скорость перемещения накладки по контактной поверхности. Из схемы (фиг. 4) следует, что
Тогда
откуда, с учетом того, что  т.е. величина отрицательная
н
0
к
Для упрощения дальнейших выкладок, с учетом того, что скорость тела до полного останова изменяется от некоторой начальной величины v=v до конечной v=0 примем в выражении (18)
В результате интегрирования (18) с учетом (19) имеем:
где С - постоянная интегрирования.
0
p
Po
p
В момент времени t=0 коэффициент K(t)=K, и тогда итоговая зависимость K(t) будет описываться выражением:
или, несколько упрощая
Таким образом зависимость силы трения от времени будет выглядеть
0
Динамика торможения тела массой М, предварительно разогнанного до скорости v, описывается как
где а - отрицательное ускорение. Из выражения (22) следует
Используя это выражение можно определить характер изменения скорости тела при торможении:
1
где С - постоянная интегрирования.
0
0
1
0
В момент времени t=0 скорость v=v, подставляя в (24) t=0 определим С=v и итоговая зависимость v(t) будет описываться выражением:
В свою очередь, зная что скорость тела определяется как  где r - его перемещение, можно также определить и характер изменения величины перемещения тела во времени:
2
где С - постоянная интегрирования.
0
2
Пусть в момент времени t=0 перемещение от момента торможения r=0, подставляя в (26) t=0 находим С=0 и итоговая зависимость r(t) будет описываться выражением:
0
Представленная выше упрощенная математическая модель достаточно адекватно описывает поведение тела, разогнанного до исходной скорости v,
при торможении одной тормозной колодкой.
T
Для оценки торможения ракетной каретки в реальных условиях, естественно, в качестве тормозного усилия Р следует учитывать суммарное от воздействия всех задействованных в башмаке тормозных колодок, а также и количество башмаков в конструкции каретки.
1
2
На фиг. 5 представлен более сложный вариант исполнения тормозной колодки. Здесь, с образованием общей рабочей поверхности, на каркасе 1 размещено несколько последовательно расположенных элементов фрикционной накладки 2 и 3 с разными коэффициентами трения μ и μ, и с переменными по толщине размерами продольных сечений (трапецеидальных).
Работа тормозных колодок осуществляется следующим образом (фиг. 4, 6, 7).
Перед началом торможения тормозные колодки с каркасными частями 1 и расположенными на них последовательно с образованием общей рабочей поверхности фрикционными накладками 2, 3, имеющими исходно разные по величине участки рабочей поверхности и коэффициенты трения, а также переменный по толщине размер продольного сечения (см. фиг. 4) расположены относительно контртела - головки рельса 4 с некоторым зазором (фиг. 6).
Механизм управления перемещением тормозных колодок до контакта их фрикционных накладок 2, 3 с поверхностями головки рельса 4 и необходимого прижатия к ним, как вариант, может быть выполнен рычажно-шарнирным 5. При этом отдельные элементы механизма могут использоваться в качестве каркасов 1 для размещения фрикционных накладок 2, 3. Как выше отмечено, ПАД и элементы поршневой системы, осуществляющие силовое воздействие на элементы рычажно-шарнирного механизма, здесь условно не показаны. Также условно не показаны усилия взаимодействия фрикционных накладок с соответствующими поверхностями головки рельса - верхней, боковых и нижних.
T
Ti
1
При срабатывании ПАД'а усилием Р (фиг. 7) со стороны тормозного цилиндра осуществляется воздействие на элементы рычажно-шарнирного механизма 5, и через него соответственно на тормозные колодки 1 с фрикционными накладками 2, 3. Фрикционные накладки 2, 3 прижимаются к вертикальной, боковым и нижним поверхностям головки рельса 4, и таким образом торможение ракетной каретки начинается. В связи с тем, что фрикционные накладки 2, 3 имеют исходно разные по величине участки рабочей поверхности и коэффициенты трения, сила трения в начальный период торможения будет преимущественно определяться долей усилия прижатия накладок от суммарного P, приходящегося на большие поверхности накладок 3, имеющие меньший коэффициент трения μ (см. зависимость (13) и. фиг. 4).
Т.е. сила трения относительно будет не столь велика, как в случае использования тормозных колодок традиционной конструкции, с фрикционными накладками с большим коэффициентом трения.
2
1
По мере перемещения тормозимой каретки по рельсам 4 трека, вследствие интенсивного износа поверхностей фрикционных накладок 2, 3 приведенный коэффициент трения накладок  будет возрастать, т.к. при этом будет осуществляться увеличение поверхности с большим коэффициентом трения μ, и соответственно уменьшаться поверхность с меньшим коэффициентом трения μ.
Поэтому, несмотря на исходно большие и постоянные усилия, приложенные к тормозным колодкам, обеспеченные срабатыванием ПАД'а и далее поршневой и рычажно-шарнирными группами тормозного механизма, торможение будет осуществляться в плавном режиме. В результате каретка тормозится вплоть до полного ее останова практически с постоянным замедлением.
Таким образом предлагаемая конструкция тормозной колодки для башмаков ракетных кареток обеспечивает режим надежного и безопасного плавного торможения высокоскоростных рельсовых ракетных кареток с приводом тормозных механизмов на основе пороховых аккумуляторов давления.
Источники информации, принятые во внимание при оформлении заявки:
1) Патент Франции 22534649, F16F 9/00, F42B 13/00, G01M 19/00, Method and device for recuperating projectiles, 1984.
2) Патент Японии №3028700, F42B 35/00, GO IP 3/66, Bullet body speed measuring device for scoop type soft recovering apparatus, 1991.
3) Патент РФ №112420, G01M 15/02, Мобильное устройство для обогрева тормозного участка ракетного трека, 2012.
4) Патент РФ №2710870, F42B 35/00, G01M 7/08, Лоток для торможения разгонных кареток, 2020.
5) Патент РФ №2235302, G01M 7/08, G01N 3/313, Стенд для испытаний изделий на ударное воздействие, разгонное устройство стенда, тормозное устройство стенда, 2004.
6) В.А. Балакин. Ракетные треки - М.: Наука и жизнь, №2, 2006 г., - с. 38-39.
7) Ю.А. Крутецкий. Становление и развитие динамических испытаний боеприпасов и ракетных систем на Софринском научно-испытательном полигоне. - Красноармейск Мос. обл.. изд. ФКП «НИИ «Геодезия». - 2018 г. -с.64.
8) https://ru.wikipedia.org/wiki/Topмoзнaя_кoлoдкa (Дата обращения 07.03.2022)
9) Патент РФ №2283973, F16D 69/02 Фрикционное изделие, 2006 – прототип.
10) Проников А.С. Надежность машин. - М.: Машиностроение, 1978, - 592 с. ил.