Гидродинамический стенд
HYDRODYNAMIC BENCH

Изобретение относится к области экспериментальной техники и может быть использовано для опытного определения динамических характеристик моделей подводных аппаратов, например снарядов.
Известна гидродинамическая установка по патенту РФ №2203469, МПК F41F 3/10, состоящая из водяного резервуара с поперечным набором, в верхней части которого прикреплена продольная балка с траверсами на ее концах, пусковой трубы, тормозного и регулирующего устройства. Между траверсами натянуты два расположенных один над другим троса с установленной на роликах моделью снаряда. Пусковая труба выполнена в виде двух охватывающих тросы полуцилиндров, прикрепленных шарнирно к установленным на балке кронштейнам и связанных рычагами с тягой привода раскрытия-закрытия трубы. Тормозное устройство выполнено в виде уложенного на роликах горизонтально поперек направления движения модели снаряда тормозного троса, к концам которого на пружине прикреплен груз чашеобразной формы. Ролики установлены на консольных стойках, прикрепленных к траверсе балки. Захватное устройство тормозного троса выполнено в виде двух установленных по центру носовой оконечности модели снаряда подпружиненных пластин с роликом. Осциллограф регистрирующего устройства соединен электрически с фотодиодом и с электролампочкой, между которыми установлен с возможностью вращения диск с прорезями, а на скрепленный с диском барабан намотан тросик. Общими существенными признаками аналога и заявленного изобретения являются: водяной резервуар с поперечным набором; пусковая труба, тормозное и регулирующее устройство, регистрирующее устройство.
Основным недостатком установки является инерционная система определения скорости и вследствие этого:
- недостаточная точность определения скорости перемещения модели подводного снаряда, обусловленная тем, что перемещение модели осуществляется блочной системой, включающей взаимосвязанные между собой тросы, ролики, барабан, которые в своей совокупности не обеспечивают реальных (штатных) условий движения модели, и, как следствие, возникает суммарная погрешность при определения скорости перемещения модели;
- ограниченные технологические возможности: конструкция установки не обеспечивает определения отрицательного ускорения движения модели и ее геометрических параметров, так как регистрирующее устройство выполнено в виде диска с прорезями, скрепленного с барабаном с намотанным тросиком, конец которого через направляющий ролик присоединен к кормовой оконечности модели снаряда. При снижении скорости тросик провиснет и система остановится. Таким образом, конструкция не предназначена для определения отрицательного ускорения, а также геометрических параметров модели.
Если при снижении скорости перемещения модели барабан по инерции не крутится, значит, он подторможен, что отрицательно влияет на движение модели и точность определения скорости.
Ближайшим аналогом к заявленному изобретению по совокупности признаков, близких к совокупности существенных признаков заявленного изобретения, является известный в уровне техники гидродинамический стенд по патенту РФ №2449254, МПК G01M 10/00, относящийся к области экспериментальной техники, для опытного определения динамических характеристик пусковых устройств подводных аппаратов.
Гидродинамический стенд содержит камеру с торцевыми переборками, заполненную жидкостью, и направляющими элементами для подводного аппарата, устройство для его торможения, воздушную демпфирующую полость, систему установки гидростатического давления и узел крепления пускового устройства подводного аппарата. Торцевая переборка камеры с размещенным в ней пусковым устройством выполнена съемной, а тормозное устройство штангами жестко позиционировано с пусковым устройством. При этом по меньшей мере на двух штангах закреплены конструкции с направляющими элементами в виде рамочных кронштейнов и по меньшей мере на одной из них установлены датчики для фиксации положения (движения) подводного аппарата при пуске, кабельные связи которых с измерительно-регистрирующей аппаратурой размещены внутри штанги.
Общими существенными признаками ближайшего аналога и заявленного изобретения являются: камера, заполненная рабочей средой, жестко позиционированные между собой пусковое устройство с затворными элементами, узел направления движения подводного аппарата, устройство торможения подводного аппарата, датчики, фиксирующие положение движущегося подводного аппарата, герметично закрепленные в камере с расположением параллельно вектору движения подводного аппарата и связанные с измерительно - регистрирующей аппаратурой.
Данный гидродинамический стенд имеет ряд недостатков: Магниточувствительный датчик (геркон), который используется в прототипе, не является средством измерения, т.е. не занесен в реестр средств измерений.
Магниточувствительный датчик (геркон) "видит" только магнитную метку, и, как правило, "нечетко". Магниточувствительные датчики (герконы) срабатывают на очень малых расстояниях от магнитной метки, поэтому на каждое контролируемое изделие необходимо наносить магнитную кольцевую метку и с высокой степенью точности настраивать и контролировать расстояние от датчика до метки.
Зона срабатывания датчика "размыта", поэтому невозможно с достаточной точностью определить положение подводного аппарата, т.е. скорость перемещения объекта определяется с погрешностями.
При изменении диаметра контролируемого изделия необходимо переустановить и проконтролировать точность установки магниточувствительных датчиков положения подводного аппарата относительно переднего среза пускового устройства и их срабатывание, проконтролировать расстояние от каждого датчика до метки.
Это приводит к повышению трудоемкости процесса перенастройки направляющих элементов гидродинамического стенда для подводного аппарата другого калибра.
Не обеспечивает определение ускорения перемещения подводного аппарата, так как конструкцией предусмотрена установка датчиков в двух контрольных точках, а именно - на переднем и конечном срезах направляющих элементов, что не является достаточным условием для определения ускорения.
Не обеспечивает сканирование геометрического профиля подводного аппарата, т.к. геркон в принципе не предназначен для измерения расстояний, у него два состояния - «замкнут» в магнитном поле или «разомкнут» без поля.
Задачей изобретения является: повышение точности измерения гидродинамических характеристик подводного аппарата с использованием средств измерения, находящихся в государственном реестре средств измерения, расширение технологических возможностей установки - возможность определения как скорости, так и ускорения движения подводного аппарата, его геометрических параметров, повышение надежности конструкции, снижение трудоемкости проведения испытаний.
При решении поставленной задачи достигаются следующие технические результаты:
- повышение точности измерения гидродинамических характеристик перемещения подводного аппарата за счет использования лазерных датчиков, их позиционирования относительно друг друга в гидродинамической установке с помощью элементов позиционирования (отражателей);
- определение как скорости, так ускорения движения объекта на различных участках пути перемещения, его геометрической формы поверхности за счет возможности фиксации лазерными датчиками положения на всем пути перемещения объекта;
- не требуется перенастройка датчиков при смене подводного аппарата на другой калибр;
- возможность монтировать датчики на жесткой съемной раме, которая в случае открытого резервуара (открытой камеры) погружается в воду и позиционируется относительно узла направления движения подводного аппарата;
- возможность монтировать датчики снаружи в местах прозрачных смотровых технологических окон в случае закрытого резервуара (камеры закрытого типа при увеличении давления для имитации погружения).
- повышение надежности в работе, упрощение процесса проведения ремонтных работ контрольно-измерительной и управляющей системы за счет возможности размещения датчиков на корпусе или за корпусом;
- возможность определения геометрических параметров объекта за счет использования лазерных датчиков, позволяющих с высокой точностью измерять расстояние до контролируемого объекта для определения его профиля.
- применение лазерных датчиков положения со встроенной микропроцессорной системой управления позволяют с высокой точностью измерить расстояние до контролируемого объекта. Обеспечивает в промышленных системах контроля определение геометрических параметров и параметров, рассчитываемых на их основе. Датчики позволяют измерять расстояние до объекта, непрямолинейность поверхности и профиль объекта.
В предложенном гидродинамическом стенде применены лазерные датчики LS5, которые "видят" от 0,5 мм до 1700 мм, погрешность измерения расстояния составляет от 7,5 мкм до 1,5 мм (в зависимости от модели).
Лазерный датчик "видит" весь профиль изделия последовательно - и нос, и корму, и отсутствие изделия, то есть, он сканирует профиль изделия, измеряя расстояние до него.
Поставленная задача и технические результаты достигаются тем, что гидродинамический стенд содержит заполненную рабочей средой камеру, жестко позиционированные между собой пусковое устройство с затворными элементами, узел направления движения подводного аппарата, устройство торможения подводного аппарата, датчики, фиксирующие положение движущегося подводного аппарата. Датчики герметично закреплены в камере с расположением параллельно вектору движения подводного аппарата и связаны с измерительно-регистрирующей и управляющей аппаратурой. В качестве датчиков использованы лазерные датчики, закрепленные на заданных расстояниях друг от друга с обеспечением перпендикулярности лазерных лучей вектору перемещения подводного аппарата, а напротив лазерных датчиков в камере установлен элемент их позиционирования относительно вектора перемещения.
Отличительные признаки гидродинамического стенда: в качестве датчиков использованы лазерные датчики, закрепленные на заданных расстояниях друг от друга с обеспечением перпендикулярности лазерных лучей вектору перемещения подводного аппарата, а напротив лазерных датчиков в камере установлен элемент (отражатель), позволяющий их позиционировать относительно вектора перемещения.
Заявленный в качестве изобретения гидродинамический стенд характеризуется новой совокупностью и взаимосвязью существенных известных и отличительных признаков, являющихся необходимыми и достаточными для решения поставленной задачи и обеспечения вышеуказанных технических результатов, не присущих ближайшим аналогам.
На фиг. 1 представлен гидродинамический стенд для модельных испытаний подводных аппаратов, вид спереди (камера открытая - вариант 1).
На фиг. 2 представлен стенд - вид сверху (камера открытая - вариант 1).
На фиг. 3 представлен гидродинамический стенд, вид сверху (камера закрытая - вариант 2).
Гидродинамический стенд (фиг. 1 - вид спереди) содержит камеру 1, заполненную рабочей жидкостью. В камере 1 на платформе 2 установлены жестко позиционированные между собой пусковое устройство 3, узел 4 направления движения подводного аппарата 5, устройство 6 торможения.
В камере 1 герметично закреплены лазерные датчики 7 на заданных расстояниях друг от друга и расположены параллельно вектору движения подводного аппарата 5, при этом обеспечивается перпендикулярность лазерных лучей вектору перемещения подводного аппарата 5. Лазерные датчики 7 связаны с измерительно-регистрирующей и управляющей аппаратурой 8. В зависимости от условий испытаний выбирают тип камеры (открытая или закрытая) и определяют места закрепления лазерных датчиков в камере.
В камере 1 открытого типа лазерные датчики 7 могут быть закреплены, например, на рамочном приспособлении 9 (вариант 1 - фиг. 1). Рамочное приспособление 9 позиционировано относительно узла 4 направления движения подводного аппарата 5. Напротив лазерных датчиков 7 в камере 1 установлен отражатель 10 (фиг. 2 - вид сверху) для позиционирования датчиков 7 относительно вектора перемещения аппарата 5. Отражатель 10 может быть выполнен в виде отдельных пластин или цельной пластины с разметкой (например, в виде линейки).
В камере 1 закрытого типа при увеличении давления для имитации погружения лазерные датчики 7 могут быть закреплены снаружи на стенке камеры 1, например, в местах прозрачных смотровых технологических окон (вариант 2 - фиг. 3).
Гидродинамический стенд работает следующим образом.
Корпуса лазерных датчиков 7 установлены на заданных расстояниях между собой и на равном расстоянии до отражателя 10 (обеспечивается конструкцией). Перед проведением испытаний включают лазерные датчики 7 и производят позиционирование лучей лазерных датчиков 7 посредством отражателя 10 перпендикулярно вектору перемещения подводного аппарата 5.
Камеру 1, в которой на платформе 2 установлены - пусковое устройство 3 с установленным в нем подводным аппаратом 5, узел 4 направления движения подводного аппарата 5 и устройство 6 торможения, заполняют рабочей жидкостью. В случае с закрытой камерой внутри нее создают избыточное давление в соответствии с требованиями условий испытаний. Включают лазерные датчики 7. Лазерный излучатель датчика 7 создает через толщу воды световую метку на поверхности отражателя 10. По показаниям измерительно-регистрирующей и управляющей аппаратуры 8 проверяется готовность установки к проведению испытаний. По команде с пульта управления регистрирующей и управляющей аппаратуры 8 срабатывает пусковое устройство 3. Движение подводного аппарата 5 фиксируется лазерными датчиками 7, выставленными по пути движения подводного аппарата 5. По полученным показаниям расстояния и времени изменения расстояний ДО ближайшего предмета на каждом последовательном участке движения определяют (рассчитывают) скорость и ускорение движения подводного аппарата 5.
После завершения движения подводного аппарата 5 в устройстве 6 торможения регистрирующая измерительная аппаратура 8 выдает окончательные результаты параметров скорости и ускорения. Кроме того, по линейному графику изменения расстояний от лазерного датчика 7 до поверхности корпуса подводного аппарата 5 регистрирующая измерительная аппаратура 8 определяет непрямолинейность поверхности и профиль подводного аппарата 5.
Лазерные датчики 7 и система регистрации измерений 8 (комплекс MIC-200) как средства измерения, находящиеся в государственном реестре средств измерений, позволяют производить ответственные измерения на уровне самых высоких стандартов по качеству и точности измерений и обработке информации.
Лазерные датчики 7 имеют высокую скорость срабатывания и широкий диапазон измерения, что позволяет повысить качество и точность замеров.
Количество устанавливаемых датчиков 7 зависит от условий испытаний - чем выше требования к точности замеров ускорения, тем большее количество датчиков должно быть установлено. Скорость, ускорение, непрямолинейность поверхности и профиль подводного аппарата 5 можно определить с помощью одного комплекта: датчика 7 с отражателем 10.
Заявленный гидродинамический стенд по сравнению с прототипом обеспечивает повышение точности измерения гидродинамических характеристик перемещения подводного аппарата, снижение трудоемкости проведения испытаний, более надежна по конструкции, имеет расширенные технологические возможности, а именно, определение, как скорости, так и ускорения движения подводного аппарата и его геометрических параметров.