Условия создания эффекта электромагнитного сопротивления движению откатных частей импульсных тепловых машин

Семенов А.А., Савицкий В.Я. УСЛОВИЯ СОЗДАНИЯ ЭФФЕКТА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЮ ОТКАТНЫХ ЧАСТЕЙ ИМПУЛЬСНЫХ ТЕПЛОВЫХ МАШИН

Тенденция увеличения энергии порохового заряда при неизменных габаритно-массовых характеристиках импульсных тепловых машин (ИТМ) сохраняется. При этом остается неизменным подход к преобразованию кинетической энергии откатных частей ИТМ с помощью специальных гидропневматических устройств (ГПУ), представляющих собой раздельные конструкции гидравлического тормоза (ГТ) и пневматического демпфера (ПД).

Закономерное снижение импульса откатных частей в ГТ осуществляется за счет создания сопротивления пробрызгивания рабочей жидкости через калиброванные отверстия и канавки с заданным профилем. В пневматическом демпфере энергия откатных частей (ОЧ) гасится за счет ее преобразования в работу по сжатию воздуха. Перспективы в решении проблемы повышения эффективности ИТМ при наличии указанных противоречий видятся в новом подходе к проектированию демпфирующих устройств, основанном на реализации альтернативных физических принципов.

Целью проводимых исследований был поиск конструкторских решений по управляемому снижению импульсного воздействия на ОЧ и конструкцию ИТМ в целом с помощью эффекта электромагнитного сопротивления.

При проектировании ГПУ ИТМ изменение силы сопротивления откату Р(1) задается с учетом конкретного типа ИТМ и реализации принятого закона. Закон изменения Р(1) должен удовлетворять следующим требованиям:

- максимальное значение силы сопротивления откату не должно нарушать условия устойчивости ИТМ при откате и прочности деталей лафета;

- торможение ОЧ должно быть плавным, а их энергия должна поглощаться полностью на заданной длине отката и в определенное время.

С учетом перечисленных требований закон изменения Р(1) при откате должен иметь вид, показанный на рис.1, где Ро, Ртах, Рл — соответственно начальное, максимальное и конечное значения силы сопротивления откату.

Рис. 1 График силы Р(1) в ГТ

Используя методику расчета параметров отката и наката, представленную в работе [1], был проведен расчет этой силы. Расчету ГТУ предшествовало баллистическое проектирование и расчет параметров так называемого свободного отката. Полученные результаты расчета были использованы в качестве следующих исходных данных:

скорость снаряда при максимальном давлении пороховых газов = 454 м/с; дульная (начальная) скорость снаряда * Vо = 1040 м/с;

относительный путь снаряда в канале ствола в момент наибольшего давления пороховых газов 1т =

0,82 м;

относительный путь снаряда в канале ствола в момент прохождения снарядом дульного среза 1а == 4,95 м;

дульное давление ра = 114 МПа;

площадь поперечного сечения канала ствола = 5,89 •Ю-3 м2; объем зарядной камеры Wо = 8,04 •Ю-3 м3 ; вес снаряда q = 93 Н; вес заряда о = 57,5 Н;

эффективность дульного тормоза £ = 0,65; вес откатных частей Qо == 12600 Н; вес ИТМ в боевом положении Qб == 24000 Н; предельный угол устойчивости фпр = 0°; максимальный угол наклона ОЧ фпр = 35°; плечо действия силы Р Ьпр = 0,85 м; плечо действия силы Qо Во = 3,23 м; длина отката Л = 0,5 м.

Основные параметры определялись по формулам:

- продолжительность периода последействия

т = 2,3Ь^0,5ра ,

где Ра - дульное давление; Ь - параметр в законе последействия;

- скорость ОЧ W и путь свободного отката Ь в конце третьего периода соответственно

ь

і

Ш — Ш + V-----------М1 - е ь ) ;

М0

ь ~1

L — Ld + + %-р<і\ґ — Ь(1 — е ь)] ,

Мп

где Иа - скорость ОЧ при ра: % ” импульсная характеристика дульного тормоза; Мо текущее время периода.

Результаты расчета И и Ь сведены в табл. 1 Таблица 1 Выходные параметры свободного отката

масса ОЧ; С

Время t,c Скорость движения ОЧ W, м/с Путь отката L, м

0,0109 10 0,047

0.0168 6 6 8 0,202

0,0335 8,48 0,343

0,053 8,45 0.528

Алгоритм расчета торможенного отката по периодам включал определение следующих параметров А. Первый период

1. Начальная сила сопротивления откату

Яо = По + К/ — Qosvnфпр ,

где По = 1,12о(зіпфшах+ f cosфшsx+vV - начальная сила накатника;

Я/ = Qо(/еозфшах+^) - сила трения в направляющих люльки и в уплотнениях ГПУ; / - коэффициент трения в направляющих люльки;

V - коэффициент трения в уплотнениях ГПУ.

2. Наибольшая допустимая сила сопротивления откату

R „

: Rvh — “

о,5Mо^ - о,5^°и)2 ________________M о

X - Ld + Wd

3. Скорость отката в момент наибольшего давления пороховых газов

I В

Vv = Wm------

Mo к

. R max+ Ro „ R max- Ro , Ж

где A =------------; B =------------; k = — .

2 2 td

4. Путь отката в момент наибольшего давления пороховых газов

II В

Xm = Lm------[— Atm2-----—

M o 2 k2

где Lm - путь свободного отката при максимальном давлении пороховых газов рт

5. Скорость отката в момент вылета снаряда из канала ствола

R max+ RО

Vd = Wd------------td .

2M o

6. Путь отката в момент вылета снаряда из канала ствола

Xd = Ld-----(0,35Ro + 0,15Rmax) ,

M о

где Ld - путь свободного отката.

7. Сила сопротивления откату в момент наибольшего давления пороховых газов

Rv = A-В cosktm

Б. Второй период

8. Скорость отката в конце периода

R

Vrd, = Wrd, — (Wd — Vd)-maxr ,

M o

где WTBT - скорость свободного отката в конце второго периода.

9. Путь отката в конце периода

R max 2

Xd = Ld —

2M o

где L^ - путь свободного отката в конце периода.

10. Скорость и путь отката в периоде

R

Vdt = Wdt — (Wd — Vd)-maxt ;

M o

Xa = Ldt - (Ld - Xd) - (Wd - Vd)t--------------------12

2M о

Результаты расчета сведены в табл. 2. Таблица2

Выходные параметры торможенного отката

2

Период отката Время внутри периода Время от начала отката м Vr м/с Rr Н

I 0 0 - - 22661

tm= 0, 00568 0,00568 0,0075 4,15 52484

td = 0,0109 0,0109 0,045 9,56 103976

II 0,0168 0,0277 0.191 7,18 103976

0,0335 0,0444 0,300 6.14 103976

Т = 0,0530 0,0639 0,390 5,3 103976

III 0,0129 0,0768 0,407 4,24 103976

0,0258 0.0897 0,427 3,17 103976

0,0387 0,1026 0,437 2,11 103976

0,0516 0,1155 0 1,04 103976

0,0643 0,1282 0 0 103976

В. Третий период

Уравнение движения откатных частей имеет вид

^ йУ

М 0- = ~Я та* .

йь Я

Интегрируя уравнение

М о

X = X,+ V,t-12 .

2M о

При V = 0 продолжительность третьего периода составит

M oV, 128,5 • 5,3

R max _ 10599

Полное время отката Тотк = td + т + t3 = 0, 0109+0, 0530 + 0, 0643 = 0, 1069 с. График зависимости V(::) представлены на рис. 2.

t3 = —— = = 0,0643с.

Рис. 2 График У

15. Откатные части при прохождении пути X обладают определенной кинетической энергией, которая должна гасится противодействующей силой сопротивления Кшак на участке пути (А - X).

М^У— = Я тх

откуда скорость отката

I—R max

V = \пгг~

V M 0

Алгоритм расчета ПД включал определение следующих параметров:

1. Начальная сила ПД

По = 1,1<20

2. Конечная сила ПД

Пя = тП ,

где ш =2,5 - степень сжатия воздуха в ПД.

3. Приведенная длина начального объема газа

Sо =-------,

1 —г

mn

где n = 1,3 - показатель политропы.

4. Переменная сила ПД

П = П о

S 0 - X

Рис.3 Переменная сила ПД

Полученная информация была использована при расчете принципиально новой конструкции магнитодинамического тормоза (рис. 4).

4 32156 78 9

Рис. 4 Магнитодинамический тормоз:

1 - наружный цилиндр; 2 - межцилиндровая обмотка; 3 - шток поршня;

4 - уплотнение штока; 5 - перепускные отверстия головки поршня; 6 - рабочий цилиндр; 7 - обмотка поршня; 8 - рубашка поршня; 9 - упругий демпфер

Определим количество витков межцилиндровой обмотки П1 (первого соленоида) и поршня П2 (второго соленоида), принимая ток в соленоидах 10А.

При расчёте магнитодинамического тормоза (МДТ) были приняты следующие допущения:

- витки соленоидов намотаны плотно;

- краевые эффекты пренебрежимо малы.

Межцилиндровая обмотка создает через каждый виток второго соленоида магнитный поток Ф21 = ЦоП111Бп2Х,

где Цо = 4п10-7 Гн/м - магнитная постоянная; Б - площадь поперечного сечения первого соленоида; II - ток межцилиндровой обмотки.

Тогда взаимная индуктивность будет равна 1^21 = Ф21 /II = Ц0П1БП2Х, (24) где X - длина смещения поршня по цилиндру.

Тогда сила взаимодействия между соленоидами равна Гх = 1112^12/бХ = Ц0П111П212 , (25) где 12 - ток обмотки поршня.

Если токи имеют одинаковое направление, то 1112 > 0, Fx > 0 и следовательно соленоиды отталкиваются . Такое включение тока должно быть при накате. При встречных направлениях токов 1112 < 0, Fк < 0 - соленоиды притягиваются. Такое направление тока необходимо для сопротивления откату.

Максимальное количество витков соленоидов определялась из условия возникновения в ГТ Я.шах = 10397 6Н. Принимая П1 = П2 = п

I ^ (103976 -107

п = /-----=.1------------= 28772 витков.

ЦцоЬП у 12,56 • 10 • 10

Для того, чтобы уменьшить габариты МДТ и исключить воздействие вращательного момента на ОЧ ИТМ от силы Кх в расчетной схеме были предусмотрены два симметрично установленных по линии отката МДТ. При этом количество витков соленоидов для каждого МТД уменьшилось в два раза.

Согласно рекомендациям [2] для проектируемых соленоидов был выбран медный провод площадью поперечного сечения 1 мм2 и диаметром 1,2 мм. Тогда длина поршня составит 240 мм. При этом 14 3 8 6 витков на головке поршня будут уложены в 7 2 слоя. Таким образом, длина катушки поршня составит

2 4 0 мм, а диаметр - 192 мм.

Аналогично были получены габаритные размеры межцилиндровой обмотки: длина - 677 мм, а диаметр

- 4 0 0 мм. Чтобы уменьшить диаметр наружного цилиндра необходимо увеличить длину поршня. Например, увеличивая длину поршня в 2 раза, получим его диаметр 10 8 мм. При этом диаметр цилиндра составит 220 мм, а длина - 0,917 мм.

В соответствии с законом Джоуля-Ленца нагрев одного соленоида за один час работы без учёта теплоотдачи не будет превышать 9 К.

Для смазывания трибосопряжения «цилиндр-поршень» в качестве смазочно-охлаждающей жидкости предусмотрено применение трансформаторного масла типа Т - 250.

Для обеспечения установленного закона отката мгновенные значения силы тока будут составлять

1 =

У ^0П\П2 Таблица 4

Расчетные зависимости параметров магнитодинамического тормоза

Длина отката Х,м 0,0075 0,045 0.191 0,300 0,390 0,407 0,427 0,437

Сила сопротивления откату Й,Н 22661 52484 103976 103976 103976 103976 103976 103976

Ток соленоидов при откате I, А 4,7 7,1 10 10 10 10 10 10

Сила наката П, Н 15696 15990 16677 19718 24035 25702 27959 30509

Ток соленоида при накате 1,А 3,89 3,92 4,00 4,35 4,81 4,97 5,12 5,42

Для питания соленоидов используется постоянный ток бортовых аккумуляторных батарей. Регулирование тока осуществляется с помощью вентильным устройством рис. 5.

Рис. 5 Схема вентильного устройства

источник питания; 2- регулятор напряжения; 3- силовая часть регулятора; 4- блок управления; 5-датчик перемещения; 6- датчик тока; 7,8 - формирователи сигнала; 9- логическая схема; 10- цепь управления (задающий сигнал); 11- блок стабилитронов; 12- силовой вентиль; 13- формирователь им-

пульсов; 14 - регулятор скважности; 15- намотка межцилиндровой катушки

Анализ приведенного расчета обусловил создание эффекта электромагнитного сопротивления движению ОЧ ИТМ. При этом МДТ обладает преимуществами перед традиционными конструкциями ГПУ:

Упрощается конструкция ГПУ.

Исключается мониторинг состояния рабочих жидкостей и газов.

Повышаются противокоррозионные свойства рабочей жидкости.

Появляется возможность управлять режимами работы МДТ.

Литература

1. Гордиенко Н.И., Жуков И.И., Осипович Б.Н. Теория и расчет артиллерийских орудий. / Учебник.

- Пенза: ПВАИУ,1967. - 504 с.

2. Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм. / Учебное пособие.- М.: Высшая школа, 1983. - 463

с.