Устройство для торможения баллистического маятника (варианты)
DEVICE FOR BRAKING OF BALLISTIC PENDULUM (VERSIONS)

Изобретение относится к области испытательной и измерительной техники, конкретно к устройствам для измерения характеристик взрыва боеприпаса или заряда взрывчатого вещества (ВВ), в так называемой ближней зоне от поражаемого объекта (мишени), когда расстояние от боеприпаса/заряда (далее по тексту - изделия) до мишени не превышает 10 калибров, и мишень подвергается совокупному воздействию газообразных продуктов взрыва, фрагментов (корпуса/оболочки) и ударной волны (УВ).
Одним из известных устройств для определения характеристик изделий и их поражающих элементов является баллистический маятник, конструктивно представляющий собой удлиненное массивное тело, подвешенное посредством жестких тяг к неподвижной опоре, перед испытаниями находящееся в неподвижном состоянии равновесия.
При испытании различных изделий, под воздействием на торцовую часть маятника (носок) УВ или продуктов взрыва, маятник получает соответствующий импульс и отклоняется на некоторый угол с одновременным горизонтальным перемещением. По величине измеренного с помощью простейших устройств углового (линейного) перемещения тела маятника с учетом его конструктивных факторов (масса, длина тяг подвеса) расчетным путем определяют характеристики испытуемого изделия.
Традиционные конструкции баллистических маятников рассчитаны преимущественно на испытания небольших по массе экспериментальных изделий, а при воздействии на них нагрузки от поражающих факторов взрыва реальных безоболочечных изделий, артиллерийских боеприпасов и мин тело баллистического маятника может отклоняться на большой угол при одновременном перемещении на большое расстояние по горизонтали, что создает большие неудобства при испытаниях. Простое же увеличение массы тела маятника, как показали предварительные расчеты, для устранения данного недостатка нерационально, т.к. потребует утяжеления и усложнения металлоконструкций испытательного оборудования.
Для устранения данного недостатка был разработан ряд способов и реализующих их технических устройств, предполагающих принудительное ограничение перемещения тела баллистического маятника торможением.
Например, в способе /1/ предложено осуществлять торможение тела баллистического маятника посредством введения в его конструкцию устройства ограничения величины горизонтального перемещения, - накопителя энергии, преобразующего кинетическую энергию движущегося тела маятника, вплоть до его полной остановки, в накопленную потенциальную.
Принцип действия устройства, реализующего данный способ основан на обратимой деформации механических упругих элементов (пружин), сжатия газа в герметичном сосуде, перекачки несжимаемой жидкости с одновременным подъемом ее на некоторую высоту и т.п.
Недостатком данного способа и, соответственно, реализующего его устройства является во-первых некоторая инертность при срабатывании тормозных устройств, а во-вторых - отсутствие возможности регулирования условий торможения тела маятника.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ торможения баллистического маятника /2/ посредством кратковременного импульсного воздействия на его тело внешней силовой нагрузки в направлении, противоположном направлению движения, в котором после достижения телом маятника максимальной скорости осуществляют его принудительное торможение «встречным» взрывом заряда ВВ, размещаемого по отношению нему со стороны тыльного носка, противоположной испытываемому заряду.
Устройство для осуществления данного способа содержит тормозной механизм, представляющий собой жесткозакрепленную баллистическую мортиру, в ствольном отверстии которой размещен «тормозной» заряд ВВ.
Благодаря импульсному взрывному воздействию инертность срабатывания, присущая решению-аналогу /1/ практически устраняется, однако данный способ и реализующее его устройство также не дают возможности регулирования условий торможения тела маятника, а кроме того необходимость подрыва дополнительного («тормозного») заряда ВВ, здесь является фактором более высокой опасности при проведении испытаний.
Технической задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности регулирования условий торможения тела маятника, а также повышение безопасности при проведения испытаний по сравнению со способом-аналогом.
Решение задачи достигается тем, что в известном способе торможения баллистического маятника посредством импульсного воздействия на его тело внешней силовой нагрузки в направлении, противоположном направлению движения, в соответствии с изобретением силовую нагрузку на тело маятника осуществляют магнитным полем.
При этом магнитное поле, осуществляющее силовую нагрузку на тело маятника может быть сгенерировано с применением магнитных систем как постоянного, так и переменного электрического тока.
В свою очередь тормозной механизм для осуществления предложенного способа может быть выполнен в нескольких вариантах.
По первому варианту в устройстве для осуществления предлагаемого способа торможения баллистического маятника, содержащем непосредственно массивное тело маятника, подвешенное посредством жестких тяг к неподвижной опоре, и размещенный со стороны тыльного носка маятника тормозной механизм, в соответствии с изобретением тормозной механизм выполнен в виде системы встречно включаемых соленоидов с ферромагнитными сердечниками, один из которых размещен на теле маятника вблизи его тыльного носка, а второй - на жесткой опоре.
По второму варианту в устройстве для осуществления вышеуказанного способа, содержащем непосредственно массивное тело маятника, подвешенное посредством жестких тяг к неподвижной опоре, и размещенный со стороны тыльного носка маятника тормозной механизм, в соответствии с изобретением тормозной механизм выполнен в виде совокупности статорных обмоток линейного электродвигателя (ЛЭД), расположенных вблизи тела маятника, а тело маятника или его конструктивный элемент при этом является подвижным рабочим органом ЛЭД.
Таким образом, основным отличительными признаками предлагаемых технических решений являются:
- осуществление тормозящей силовой нагрузки на тело маятника магнитным полем (генерируемым постоянным или переменным током);
- исполнение тормозного механизма в виде системы встречно включаемых соленоидов с ферромагнитными сердечниками, с размещением одного из них на теле маятника вблизи тыльного носка, а второго - на жесткой опоре;
- исполнение тормозного механизма в виде совокупности статорных обмоток ЛЭД, расположенных вблизи тела маятника, с использованием тела маятника или его конструктивный элемента в качестве подвижного рабочего органа ЛЭД.
Необходимость и достаточность вышеуказанных основного и дополнительных отличительных признаков предложенного технического решения может быть пояснена следующим образом.
Осуществление тормозящей силовой нагрузки на тело маятника магнитным полем, генерируемым электромагнитными системами постоянного или переменного тока, позволит осуществлять в заданный момент времени включение тормозного механизма практически мгновенно, с заданной величиной силового взаимодействия, а также при необходимости управлять этим взаимодействием по заданной программе.
Использование в тормозном механизме системы встречно включаемых соленоидов с ферромагнитными сердечниками (с размещением одного из них на теле маятника вблизи тыльного носка, а второго - на жесткой опоре) позволит осуществлять сначала резкое торможение тела маятника, т.к. при данном подключении соленоидов создаваемые ими магнитные силы будут иметь встречное направление. По мере убывания зазора между телом маятника и сердечником закрепленного на опоре неподвижного соленоида это отталкивающее усилие будет возрастать вплоть до полной остановки тела маятника. После остановки тела маятника полярность включения неподвижного соленоида может быть изменена на противоположную, и в данном случае он может выполнять сначала дополнительную функцию механизма фиксации маятника в крайнем положении, а затем, посредством управляемого снижения силы тока в обмотке - еще и механизмом возврата маятника в рабочее положение.
Использование в тормозном механизме принципа действия ЛЭД, - совокупности неподвижных статорных обмоток, расположенных вблизи тела маятника, и тела маятника или его конструктивный элемента в качестве подвижного рабочего органа ЛЭД, позволит при подаче на статорные обмотки переменного тока сгенерировать бегущее навстречу движению тела маятника магнитное поле, которое взаимодействуя с металлическим телом маятника осуществит его торможение и остановку. Последующим изменением направления бегущего статорного магнитного поля можно осуществить сначала удержание тела маятника в крайнем положении, а затем и его возврат в рабочее положение. То есть в данном варианте исполнения тормозной механизм также может выполнять дополнительные функции механизма фиксации и механизма возврата.
В качестве примера возможностей ЛЭД можно, в частности, привести компанию "Sodick", которая «организовала на своих заводах серийный выпуск широкой гаммы ЛЭД с характеристиками: с ходом подач от 100 до 2220 мм, с максимальной скоростью перемещения РО (рабочий орган) до 180 м/мин с ускорениями до 20 G (!!!) при точности исполнения заданных перемещений (в нормальном режиме работ) равной 0,0001 мм (0,1 мкм). Нагрев этих ЛЭД при работе не превышает +2°С от температуры помещения. Обеспечивается практически мгновенная остановка РО, реверс, моментальная реакция привода на команды системы ЧПУи т.д.» /3/.
Изобретение поясняется следующей графической информацией:
На фиг. 1 в качестве примера представлена принципиальная схема осуществления способа торможения баллистического маятника с применением устройства по первому варианту, - с тормозным механизмом на основе встречно включаемых соленоидов.
На фиг. 2 - принципиальная схема осуществления способа торможения баллистического маятника с применением устройства по второму варианту, - с тормозным механизмом на основе ЛЭД (изображение дано в трех проекциях - виды сбоку, сверху и слева).
Устройство для осуществления способа торможения баллистического маятника по первому варианту (фиг. 1) содержит непосредственно массивное тело маятника 1, подвешенное посредством жестких тяг 2 к неподвижной опоре 3. Тормозной механизм выполнен в виде системы встречно включаемых соленоидов с ферромагнитными сердечниками, один из которых размещен на теле маятника вблизи его тыльного носка, и содержит обмотку 4 и сердечник 5 (здесь - часть тела самого маятника), а второй, также имеющий обмотку 6 и сердечник 7, размещен на жесткой опоре 8. Выводы встречно включаемых обмоток соленоидов обозначены знаками «+» и «-» (подразумевается, что направление намотки у соленоидов одинаковое).
По второму варианту исполнения (фиг. 2) устройство для осуществления способа торможения баллистического маятника также содержит непосредственно массивное тело маятника 1, подвешенное посредством жестких тяг 2 к неподвижной опоре 3. Тормозной механизм здесь выполнен в виде совокупности статорных обмоток 9 (А~, В~, С~), размещенных в статоре 10 ЛЭД, расположенного вблизи тела маятника, а тело маятника 1 при этом является подвижным рабочим органом 11 ЛЭД.
С применением устройства по первому варианту исполнения торможение баллистического маятника осуществляется следующим образом.
При взрывном нагружении рабочего носка тело маятника 1 в результате сначала осуществляет ускоренное движение, а затем приобретает некоторую конечную скорость Vм, что фиксируется соответствующей контрольно-измерительной аппаратурой (жесткие тяги 2, прикрепленные к телу маятника и к неподвижной опоре 3 отклоняются на некоторый угол). В данный момент на обмотки соленоидов 4 (с сердечником 5) и 6 (с сердечником 7), закрепленного на жесткой опоре 8, подается постоянное напряжение в соответствии с обозначенной полярностью. В силу того, что направление намотки у соленоидов одинаковое, при данном подключении соленоидов создаваемые ими магнитные силы Fc.м (соленоид на маятнике) и Fc.o (соленоид на неподвижной опоре) имеют встречное направление, т.е. осуществляется их отталкивание.
По мере убывания зазора между телом маятника 1 (5) и сердечником 7 закрепленного на опоре 8 неподвижного соленоида 6 отталкивающее усилие возрастает, а скорость маятника снижается вплоть до полного останова тела маятника 1. После останова тела маятника 1 полярность включения неподвижного соленоида 6 изменяется на противоположную, - в данном случае он сначала выполняет дополнительную функцию механизма фиксации маятника в крайнем положении, а затем, посредством управляемого снижения силы тока в обмотке - еще и механизмом возврата маятника в рабочее положение.
С применением устройства по второму варианту исполнения торможение баллистического маятника также начинает осуществляться при достижении им некоторой конечной скорости Vм (или отклонении на некоторый угол жестких тяг 2, прикрепленных к телу маятника и к неподвижной опоре 3), что фиксируется соответствующей контрольно-измерительной аппаратурой. В данный момент на статорные обмотки 9 (А~, В~, С~), размещенные в статоре 10, расположенном вблизи тела маятника 1, подается переменный ток генерирующий бегущее со скоростью Vмп навстречу движению тела маятника магнитное поле. Взаимодействуя с металлическим телом маятника 1, одновременно являющимся и рабочим органом 11 ЛЭД, бегущее магнитное поле статорных обмоток 9 осуществляет его торможение и останов.
Последующим изменением направления бегущего статорного магнитного поля осуществляется сначала удержание тела маятника 1 в крайнем положении, а затем и его возврат в рабочее положение. В данном варианте исполнения тормозной механизм также может выполнять дополнительные функции механизма фиксации и механизма возврата.
Таким образом, предложенный способ торможения баллистического маятника встречной силовой нагрузкой на его тело, осуществляемой магнитным полем, а также реализующие способ варианты технических устройств, обеспечивают возможность регулирования условий торможения тела маятника, а также повышение безопасности при проведения испытаний изделий различной массы без существенного увеличения массы тела маятника.
Источники информации, принятые во внимание при оформлении заявки:
1) Патент РФ №2672897 от 14.02.2018 г. «Баллистический маятник», F42B 35/00, G01L 5/14.
2) Патент РФ №2676299 от 28.03.2018 «Способ определения импульса взрыва заряда взрывчатого вещества/боеприпаса в ближней зоне», F42B 35/00, G01L 5/14. - прототип.
3) https://electroprivod.ru/linear_public.htm. Линейные двигатели - статья.