Особенности использования силовых приводов наведения в перспективных системах высокоточного оружия

УДК 623.4.027

ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИЛОВЫХ ПРИВОДОВ НАВЕДЕНИЯ В ПЕРСПЕКТИВНЫХ СИСТЕМАХ ВЫСОКОТОЧНОГО ОРУЖИЯ

О.В. Горячев, В.К. Гаврилкин, В. А. Мальцев

Рассматривается одна из наиболее эффективных схем построения высокоточных комплексов - комбинирование ракетного и пушечного вооружения, что позволяет повысить вероятность поражения цели как в дальнем, так и в ближнем радиусе действия. Для обеспечения высокоточного наведения используются силовые привода различных типов (электрогидравлический, электропривод с асинхронным двигателем и электропривод с моментным двигателем). Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Проводится анализ разнообразных типов силовых приводов наведения, приводятся их достоинства и недостатки, происходит их сравнение друг с другом.

Ключевые слова: силовой привод, электрогидравлический привод, электрический привод, электропривод, вертикальный канал наведения, горизонтальный канал наведения, полезная мощность, потребляемая мощность, коэффициент полезного действия (КПД), механическая передача.

Повышение скоростей движения, маневренности целей, расширение диапазона рабочих температур определяют необходимость разработки новых перспективных комплексов, к характеристикам которых предъявляют жесткие требования по скорости, ускорению, энергопотреблению и точности. Выполнение указанных требований во многом зависит от типа силовой системы приводов, используемых для построения боевых модулей. Поэтому на начальном этапе проектирования необходимо выбрать тип силовой системы, обеспечивающий выполнение требований по энергетическим, динамическим, массогабаритным характеристикам и сохраняющий свою работоспособность в широком диапазоне температур.

В современных зенитных комплексах в качестве силовых приводов используются электрогидравлические (Тунгуска, Панцирь) или электрические приводы (Каштан, Machbet, LAV-AD, Blazer, ADATS). [4, 6] Каждый из типов приводов обладает своими достоинствами и недостатками.

К основным достоинствам электрогидравлического привода можно отнести следующее: способность удерживать значительную (близкую к номинальному моменту привода) статическую нагрузку в течение длительного времени, большие крутящие моменты, высокое быстродействие. В то же время привод состоит из технологически сложных и дорогих комплектующих (гидравлических машин), требует периодической замены масла после определенного времени, характеристики рабочего тела (масла) существенно зависят от изменения температуры и происходят утечки рабочей жидкости.

Основными достоинствами электрического привода или сокращенно электропривода являются: стабильность характеристик в широком диапазоне температур, высокий коэффициент полезного действия, недорогие комплектующие. Вместе с тем к недостатку классического редукторного электропривода относится неспособность удерживать значительную (близкую к номинальному моменту привода) статическую нагрузку в течение длительного времени.

Силовые электроприводы можно разделить на два вида, классифицируя их по исполнительному двигателю: асинхронный трехфазный двига-тель(АТД) и моментный двигатель. Дополнительно стоит заметить, что каждый из двигателей имеет свои достоинства и недостатки по отношению друг к другу. К достоинствам использования моментного двигателя можно отнести высокую точность из-за отсутствия редуктора и повышенный КПД, а к недостаткам - высокая стоимость двигателя и сложность, возникающая при конструкции привода. К самым главным достоинствам АТД по сравнению с моментным двигателем относятся низкая стоимость.

Учитывая указанные достоинства и недостатки электрогидравлических и электрических приводов, выбор типа исполнительного двигателя должен осуществляться на основе глубокого анализа требований и характеристик приводов, а также с учетом системного подхода к синтезу контура управления систем наведения и стабилизации вооружения. На практике же выбор типа приводной системы зависит от предпочтений разработчиков, имеющегося научно-практического задела и школы подготовки специалистов, материально-технической базы и традиций в проектировании. Данный подход не является рациональным, т.к. препятствует внедрению передовых идей в приводные системы. В связи с этим актуальной задачей является формирование рекомендаций по выбору предпочтительной схемы в зависимости от требований, предъявляемых к статическим, динамическим, массогабаритным и эксплуатационным характеристикам.

Рассмотрим подробнее каждый из типов силовых приводов наведения, сравнив их КПД и массогабаритные характеристики.

Определим потребляемую мощность от источника питания по формуле:

N

N =—полез.

потр. 77 '

/привода

где N^2^ -полезная мощность от источника питания для горизонтального или вертикального канала наведения, Лпривода - КПД привода горизонтального или вертикального канала наведения.

КПД приводов определяется их составом. Обобщенная функциональная схема электрогидравлического привода представлена на рис. 1 [2, 3].

Рис. 1. Функциональная схема электрогидраелического привода

Электрогидравлический привод для горизонтального канала наведения состоит из блока пускозащитного, блока управляющего, приводного электродвигателя, гидропривода, редуктора. Блок пускозащитный служит для ограничения пусковых токов приводного двигателя, являющегося источником механической энергии для гидронасоса. Гидромотор является исполнительным двигателем. Для согласования скоростей и моментов гидропривода с заданными значениями служит редуктор.

Электрогидравлический привод для вертикального канала наведения состоит из тех же компонентов, что и электрогидравлический привод для горизонтального канала.

Блок пускозащитный представляет собой инвертор напряжения, у которого КПД составляет около 95 %. Приводной электродвигатель имеет КПД 92 %. КПД гидронасоса составляет 90 %. КПД гидромотора - 90 %. Объемный КПД системы также равен 90 %. Таким образом, КПД гидравлической части составляет 0,9-0,9-0,9 = 0,729, т.е. 72,9 %. У редуктора, который представляют собой набор зубчатых колес, КПД составляет88 % [1]. В результате общий КПД электрогидравлического привода составит 0,95-0,92-0,729-0,88 = 0,56, т.е. 56 %.

Обобщенная функциональная схема электропривода с использованием асинхронного трехфазного двигателя представлена на рис. 2.

Электропривод с использованием АТД состоит из инвертора напряжения, исполнительного электродвигателя и механической передачи. Инвертор напряжения служит для управления моментом и скоростью исполнительного электродвигателя. Исполнительный двигатель является преобразователем электрической энергии в механическую. Механическая передача служит для связи исполнительного электродвигателя с нагрузкой

[5, 7].

Рис. 2. Функциональная схема электропривода с АТД

КПД инвертора электропривода составляет 95 %. Электродвигатель имеет КПД 92 %. У механической передачи, обеспечивающей соединение электродвигателя с нагрузкой, КПД составляет 88 % при использовании зубчатой передачи для горизонтального канала наведения и 90 % при использовании шариково-винтовой передачи для вертикального канала.

Обобщенная функциональная схема электропривода с использованием моментного двигателя представлена на рис. 3.

Рис. 3. Функциональная схема электропривода с моментным

двигателем

Электропривод с использованием моментного двигателя состоит из инвертора напряжения (КПД составляет 95% [9]), исполнительного моментного двигателя (имеет КПД 92%) и, иногда, из редуктора (на рис. 3 он

130

не указан). Инвертор напряжения служит для управления моментом и скоростью исполнительного электродвигателя. Присутствие редуктора обусловлено сложностью реализации привода.

Рассчитаем КПД приводов вертикального и горизонтального каналов наведения. Расчет производится для разных типов приводов по следующей формуле:

Л привод = •••• ЛП ,

где пь П2 , • • • Пп - КПД составных частей привода. Получаем:

Лгидр.пр. ЛинвЛдвигЛгидрЛмех.пер. ,

Лэлект.пр. Линв^двиг^мех.пер. ,

лмом. двиг. _л л

Iэлект.пр. 'инв. 'двиг.,

Л ЛАТД Лмом. двиг. тгтттт

где Iгидр.пр.,Лэлект.пр., Лэлект.пр. - КПД электрогидравлического привода,

электропривода с использованием АТД и электропривода с использованием моментного двигателя для вертикального и горизонтального каналов

наведения, Т]инв. - КПД инвертора напряжения, Л двиг. - КПД электродвигателя, Лгидр. — КПД гидравлической части привода, Лмех пер.- КПД механической передачи привода.

В результате проведенного расчета по данным формулам получаем результаты, приведенные в табл. 1.

Ориентировочно оценим массу различных типов приводов с одинаковой полезной мощностью.

Рассмотрим электрогидравлический привод горизонтального канала наведения. Блок пускозащитный имеет приблизительную массу 30 кг. Для приводного электродвигателя мощностью 22 кВт масса составляет 230 кг. Гидропривод имеет ориентировочную массу 380 кг. Механическая передача по приблизительным подсчетам составляет 700 кг. Суммарная масса составит 1340 кг.

Перейдем к электроприводу горизонтального канала наведения с использованием АТД. Исполнительный электродвигатель имеет массу 160 кг. Масса инвертора напряжения приблизительно составляет 110 кг. Механическая передача имеет ту же массу, что и для электрогидравлического привода горизонтального канала наведения.

131

Таблица 1

Рассчитанные КПД

^^^^^^^^Канал наведения Тип привода ^^^^^ Горизонтальный канал наведения Вертикальный канал наведения

Электрогидравлический привод 0,56 0,64

Электропривод с использованием АТД 0,77 0,79

Электропривод с использованием моментного двигателя* 0,77.0,874 0,77.0,874

* Примечание. Самая малая величина соответствует моментному двигателю с редуктором из-за особенностей конструкции, а большая - моментному двигателю без редуктора.

Рассмотрим электропривод с использованием моментного двигателя горизонтального канала наведения. Исполнительный электродвигатель мощностью 23,6 кВт имеет массу 279 кг. [8] Масса инвертора напряжения приблизительно составляет 110 кг. Масса редуктора по приблизительным подсчетам составляет 700 кг.

Сложив представленные массы составляющих элементов для каждого из приводов, получаем данные, приведенные в табл. 2.

Таблица 2

Ориентировочные массы приводов

^Гиппривода" " " -—-— Горизонтальный канал наведения

Электрогидравлический привод , кг 1340

Электропривод с АТД, кг 970

Электропривод с моментным двигателем, кг* 389...1089

* Примечание. Самая малая величина соответствует моментному двигателю без редуктора, а большая - моментному двигателю с редуктором из-за особенностей конструкции.

Рассмотрим особенности эксплуатации электрогидроприводов и электроприводов, не рассматривая отдельно привод с АТД и привод с мо-ментным двигателем.

При работе электрогидропривода в условиях изменяющейся температуры окружающей среды наблюдается изменение вязкости рабочей жидкости, что в конечном счете приводит к ухудшению показателей переход-

132

ных процессов в системе. Требуется периодическая замена рабочей жидкости и соблюдение ее чистоты от примесей в виде мелкодисперсных частиц, воды и воздуха. Материалы уплотнений и рукавов высокого давления требуют также особого внимания, т.к. они очень подвержены влиянию температур окружающей среды. [10]

При рассмотрении эксплуатации электроприводов следует заметить, что при изменении температуры окружающей среды изменяется электрическое сопротивление обмоток статора и ротора двигателя (для моментного двигателя - только сопротивление обмотки статора). Это приводит к ухудшениям показателей переходных процессов системы, но оно легко нивелируется с помощью правильно спроектированной системы управления приводом, учитывающей данную проблему.

В результате проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

- коэффициент полезного действия электроприводов с АТД (на 37,5 % для горизонтального канала наведения и на 23 % для вертикального канала)и электроприводов с моментным двигателем (на 37,5...56 % для горизонтального канала наведения и на 23.36,6 % для вертикального канала) выше, чем у электрогидравлического привода, что позволяет использовать электродвигатели меньшей мощности и уменьшить потребление энергии от источника питания;

- масса электроприводов с АТД меньше на 28 % и масса электроприводов с моментным двигателем - на 244 % (в расчетах не учитывались элементы конструкции, необходимые для полноценного монтажа), чем у электрогидравлического привода, что обеспечивает соответствующую экономию материалов;

- электроприводы также могут работать в большом диапазоне температур без значительного изменения характеристик в отличие от электрогидравлического привода, у которого характеристики зависят от температуры вследствие изменения вязкости рабочей жидкости;

- с точки зрения эксплуатации электрогидравлический привод требует замены масла после определенного времени, а электропривод - нет.

Таким образом, для построения системы наведения и стабилизации вооружения силового привода, работающего в расширенном диапазоне температур окружающей среды, с учетом достоинств и недостатков, а также жестких ограничений, предъявляемых к массогабаритным и эксплуатационным характеристикам, наиболее предпочтительным вариантом на текущий период является применение электрического следящего привода с использованием АТД.

Список литературы

1. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: в 3-х т. Т.3. М.: Машиностроение, 2006. 928с.

133

2. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. М.: Машиностроение, 1972. 672 с.

3. Гамынин Н.С. Основы следящего гидравлического привода. Обо-ронгиз, 1962. 395 с.

4. Лихтеров В.М. Высокоточное оружие зарубежных стран. Том3. «Зенитные ракетные комплексы наземного базирования ближнего действия» (обзорно-аналитический справочник). Тула: Анкил, 2014. 644 с.

5. Новиков В. А. Электропривод в современных технологиях: учебник для студ. учреждений высш. образования. М.: Издательский центр «Академия», 2014. 400 с.

6. Панов В.В. Высокоточное оружие зарубежных стран. Т. 4. Зенитные ракетные комплексы наземного базирования малой, средней и большой дальности (обзорно-аналитический справочник). Тула: ООО «Бест Продакшен», 2015. 516 с.

7. Чемоданов Б.К. Следящие приводы. В 3 т. 2-е изд., доп. и пере-раб. Т.2. Электрические следящие приводы. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. 880 с.

8. Промышленная автоматика. Моментные двигатели 1FW3. [Электронный ресурс]. URL: http://www.promautomatic.ru/moment%20dvigatel .html

9. SINAMICSS120. 1FW3 complete torque motors. Configuration Manual 07/2011 [Электронный ресурс]. URL: http s: //cache. industry .siemens.com/ dl/files/103/51670103/att 111084/v1/1FW3 en-US.pdf (дата обращения: 10.11.2017).

10. Особенности эксплуатации гидропривода в условиях низких температур [Электронный ресурс]. URL: http://www.resamgn.ru/articles.php? id=59 (дата обращения: 10.11.2017).

Горячев Олег Владимирович, д-р техн. наук, проф., зав. каф. САУ, olegvgor@rambler.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Гаврилкин Виктор Константинович, асп., gugo2040@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Мальцев Владимир Алексеевич, д-р техн. наук, проф., начальник центра подготовки специалистов, olegvgor@rambler.ru, Россия, Тула, АО "КБП"

FEATURES OF THE USE OF POWER DRIVE GUIDANCE IN ADVANCED HIGH-PRECISION WEAPONS SYSTEMS

O.V. Goryachev, V.K. Gavrilkin

At present, one of the most effective schemes for constructing high-precision complexes is the combination of missile and cannon armament. This makes it possible to increase the probability of target damage both in the far and near range of action.

134

To ensure high-precision guidance, power drives of various types are used (electro-hydraulic, electric drive with an asynchronous motor and an electric drive with a torque motor). Each of them has its advantages and disadvantages.

In this article, we analyze various types of power drives of guidance, give their advantages and disadvantages, and compare them with each other.

Key words: power drive, electrohydraulic drive, electric drive, electric drive, vertical guidance channel, horizontal guidance channel, useful power, power consumption, efficiency factor, mechanical transmission.

Goryachev Oleg Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, Head of Department. SAU, olegvgoraramhler.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Gavrilkin Viktor Konstantinovich, postgraduate student. gugo2040@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University

Maltsev Vladimir Alekseyevich, doctor of technical sciences, professor, chief of the center of training of specialists, olegvgoraramhler. ru, Russia, Tula, JSC KBP

УДК 623.46

АВТОНОМНЫЕ ОТСЕКИ УПРАВЛЕНИЯ С АППАРАТУРОЙ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ ДЛЯ 122-ММ РЕАКТИВНЫХ СНАРЯДОВ. КОМПЛЕКСНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

О.В. Коротков, В.В. Долгов

Предложено техническое решение по снижению ошибок наведения 122-мм реактивных снарядов за счет установки автономного отсека управления (ОУ) с аппаратурой спутниковой навигации. Представлена комплексная полноразмерная математическая модель полета реактивного снаряда, оснащенного отсеком управления.

Ключевые слова: реактивная система залпового огня, повышение точности, автономный отсек управления, интегрированная система наведения, спутниковая радионавигация, инерциальная навигационная система, активное демпфирование, стабилизация по крену, комплексная математическая модель.

На вооружении большинства армий находятся РСЗО (реактивная система залпового огня). Особенно большое распространение получили 122 мм реактивные системы [1-3]. Однако ошибки стрельбы РСЗО велики [4]. Вероятное (срединное) отклонение достигает 1 % от дальности стрельбы. Для решения боевой задачи требуется очень большой расход боеприпасов. При этом возможны большие разрушения инфраструктуры и гибель гражданского населения.