Устройство и способ снижения ударной нагрузки на объект испытаний
DEVICE AND METHOD FOR REDUCING IMPACT LOAD ON TEST OBJECT

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для динамических испытаний объектов на воздействие ударных перегрузок.
Известна установка (стенд) для испытаний изделий на ударное воздействие, содержащая разгонное устройство в виде стволика, зарядную камеру с пороховым зарядом и инициатором, каретку для установки испытываемого изделия, соединенную с помощью проушин с направляющими, и тормозное устройство, содержащее демпферное устройство и поглотитель энергии, при этом демпферное устройство установлено за тормозным участком и выполнено в виде надетых на каждую направляющую втулок, соединенных между собой упругой связью, причем направляющие пропущены через блоки, установленные на основании в конце тормозного участка, а поглотитель энергии выполнен в виде ленты из эластичного материала, инерционная масса которой распределена по длине тормозного участка по закону, обеспечивающему требуемые ускорения каретки с изделием при торможении, причём концы ленты соединены стальными канатами с одной стороны с кареткой, охватывая ее по внешней цилиндрической поверхности под острым углом к оси каретки в сторону, противоположную ее движения, а с другой стороны – с основанием, а в конце тормозного участка установлен уловитель ленты. Патент РФ № 2235302, МПК G01М 7/80, G01N 3/313, 27.08.2004.
Такая установка, содержащая в себе систему направляющих и тросов, обладает неустойчивостью в направлении разгона объекта при высокоинтенсивном ударном нагружении короткой длительности, что может привести к разрушению направляющих и нештатному ударному воздействию на объект.
Известна установка (стенд) для моделирования ударной нагрузки на объект испытаний, содержащая узел формирования внешнего ударного воздействия, контейнер в виде полого поршня и стол, предназначенный для закрепления объекта испытаний, размещенный в контейнере с возможностью перемещения вдоль его продольной оси и связанный с контейнером посредством упругой связи. Упругая связь выполнена в виде набора упругих колец, расположенных последовательно и соосно с продольной осью контейнера с возможностью деформации в радиальном направлении и контактирующих друг с другом по плоской поверхности, и вставки в виде жесткого кольца, вложенного в крайнее кольцо набора упругих колец. Патент РФ № 2611695, МПК G01М 7/00, 28.02.2017.
Это изобретение имеет следующие недостатки:
- устройство требует достаточно высокую точность изготовления нескольких отдельных колец;
- конструкция устройства предполагает центровку колец, обеспечивающую их соосное расположение друг относительно друга и относительно вставки в виде жесткого кольца;
- при интенсивных ударных нагрузках в кольцевой системе могут возникнуть зазоры, при закрытии которых осуществляется внутреннее ударное взаимодействие колец, что приводит к дополнительному ударному воздействию на объект испытаний;
- кроме того, необходимо предусматривать дополнительные элементы фиксации колец при различных условиях ориентации устройства в поле сил тяготения, так как сила тяжести или внешнее воздействие, не превышающее порог срабатывания устройства, может привести к относительному смещению колец.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение эксплуатационных возможностей объекта за счет обеспечения требуемого уровня ускорения объекта испытаний, уменьшения числа изготавливаемых элементов конструкции и, как следствие, отсутствие необходимости центровки элементов, а также отсутствие внутренних зазоров между кольцами и дополнительного ударного воздействия на объект испытаний.
Известен способ разгона объекта испытаний реактивным аппаратом и стенд для его осуществления, заключающийся в разгоне объекта испытаний при помощи ракетного поезда, представляющего собой одно- или многоступенчатый реактивный аппарат – ракетную систему, установленную с возможностью перемещения по рельсовым направляющим ракетного трека, тормозное устройство в виде газодинамического тормоза, включающего в себя основание, взаимодействующее посредством фрикционных башмаков с рельсовыми направляющими ракетного трека, парус в виде плиты, закрепленной на основании напротив сопел ракетного двигателя первой ступени перпендикулярно их продольной оси. Газодинамический тормоз стенда дополнительно может содержать контейнер, жестко закрепленный на основании газодинамического тормоза и заполненный утяжеляющим балластом. Патент РФ № 2369853, МПК G01М 15/00, 10.10.2009.
Недостатком способа является необходимость синхронизации работы ракетного поезда и газодинамического тормоза, а также обеспечение наличия рельсовых направляющих для фрикционных башмаков основания, на котором закреплен объект испытаний.
Известен способ торможения объекта испытаний в ударном стенде, заключающийся в том, что определяют необходимую геометрию и механические свойства материала демпфирующего элемента, устанавливают демпфирующий элемент на подвижной части ударного стенда, разгоняют объект испытаний в контейнере с жестким наконечником, внедряют контейнер с жестким наконечником в подвижный демпфирующий элемент, тормозят контейнер с объектом испытаний до полной остановки. В.А. Афанасьев и др. Экспериментальная отработка космических летательных аппаратов / Под редакцией Н.В. Холодкова. – М.: Изд-во МАИ, 1994. – 412 с .: ил. – С. 127–128.
Недостатком способа являются значительные габариты тормозного устройства, обусловленные уменьшением усилий сопротивления в тормозном устройстве движению контейнера с объектом испытаний при уменьшении скорости контейнера относительно тормозного устройства. При этом на начальном этапе торможения возникает перегрузка торможения, амплитуда которой может значительно превышать уровень допустимого ускорения торможения объекта испытаний.
Кроме того, при использовании в качестве тормозного устройства демпфирующего материала в виде параллелепипеда или цилиндра при внедрении в него контейнера в центре масс объекта испытаний реализуется треугольный закон изменения во времени ударного ускорения. С точки зрения обеспечения минимальных габаритов тормозного устройства и минимума амплитуды ускорения торможения объекта испытаний, квазистатический закон изменения во времени ударного ускорения торможения предпочтителен и позволит уменьшить габариты ударного стенда и амплитуду ударного ускорения при внедрении в тормозное устройство объекта испытаний.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является расширение эксплуатационных возможностей объекта за счет снижения ударного воздействия на объект испытаний при торможении в уловителе и уменьшение габаритов ударного стенда.
Техническим результатом является уменьшение числа изготавливаемых элементов конструкции и габаритов ударного стенда, а также снижение ударного воздействия на объект испытаний при торможении в уловителе.
Поставленная задача достигается тем, что устройство снижения ударной нагрузки на объект испытаний содержит узел формирования внешнего ударного воздействия, контейнер в виде полого поршня, стол, размещенный в контейнере с возможностью перемещения вдоль его продольной оси и предназначенный для закрепления объекта испытаний, связанный с контейнером посредством упругой связи, выполненной в виде полого цилиндра с конической фаской и жесткого кольца, закрепленного на столе соосно с полым цилиндром с возможностью перемещения в направлении продольной оси стенда и деформации полого цилиндра.
Поставленная задача достигается также тем, что устройство снижения ударной нагрузки на объект испытаний содержит уловитель, выполненный в виде полого цилиндра, находящегося в соосном зацеплении на этапе торможения контейнера с объектом испытаний. Уловитель состоит из полого цилиндра и соосно с ним расположенного на контейнере жесткого кольца, перемещающегося совместно с контейнером внутри полого цилиндра, с возможностью деформации полого цилиндра в радиальном направлении.
Технический результат достигается за счет применения способа снижения ударной нагрузки на объекте испытаний на этапе торможения, характеризующегося тем, что выбирают жесткостные характеристики полого цилиндра, объект испытаний размещают в контейнере, на носовой части которого закрепляют жесткий наконечник, контейнер устанавливают в ствол ударного стенда, располагают полый цилиндр на ударном стенде со стороны наконечника соосно с продольной осью объекта испытаний и фиксируют его со стороны, противоположной контейнеру, разгоняют контейнер с наконечником и объект испытаний, внедряют контейнер с жестким наконечником в полый цилиндр.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображено устройство снижения ударной нагрузки на объект испытаний.
На фиг. 2 показаны типовые зависимости от времени ударного импульса внешнего воздействия, реализуемые в местах крепления объекта испытаний к столу; вследствие закона сохранения импульса интегралы от зависимостей по времени внешнего воздействия и реализуемых в местах крепления объекта испытаний равны.
На фиг. 3 показана типовая зависимость от времени ударного импульса торможения, реализуемая в местах крепления объекта испытаний к столу.
К
Т
K
На фиг. 4 изображены элементы полого цилиндра 8 и жесткого кольца 9, имеющих площадь поперечного сечения S, выполненных из материала с пределом прочности на растяжение (сжатие) [σ] и расположенных последовательно и соосно с продольной осью контейнера 1, с возможностью деформации полого цилиндра 8 в радиальном направлении и контактирующих друг с другом по конической поверхности S.
К
Т
K
На фиг. 5 изображены элементы полого цилиндра 7 и жесткого кольца 6, имеющих площадь поперечного сечения S, выполненных из материала с пределом прочности на растяжение (сжатие) [σ] и расположенных последовательно и соосно с продольной осью контейнера 1, с возможностью деформации полого цилиндра 7 в радиальном направлении и контактирующих друг с другом по конической поверхности S.
Устройство снижения ударной нагрузки на объект испытаний содержит контейнер 1 в виде полого поршня, размещенный внутри него стол 2 для закрепления объекта испытаний 3, связанный с контейнером 1 посредством упругого устройства 4, уловитель 5, узел формирования внешнего ударного воздействия 10.
Стол 2 с объектом испытаний 3 имеет возможность перемещения в осевом направлении.
Упругое устройство 4 выполнено в виде размещённых внутри контейнера полого цилиндра 8, расположенного вдоль продольной оси контейнера, и жесткого кольца 9, жестко соединенного со столом 2 с объектом испытаний 3.
Уловитель 5 состоит из полого цилиндра 7 и жесткого кольца 6; кольцо 6 закреплено на контейнере 1 со стороны уловителя и имеет возможность перемещаться с объектом испытаний 3 соосно внутри полого цилиндра 7 на этапе торможения с возможностью деформации полого цилиндра 7 в радиальном направлении.
Снижение ударной нагрузки на объект испытаний при реализации способа с использованием устройства осуществляется следующим образом.
Перед проведением испытаний для заданных массы и требуемых параметров ударного ускорения объекта испытаний 3 выбираются параметры – жесткостные характеристики полого цилиндра 7 в уловителе и полого цилиндра 8 в контейнере. Объект испытаний 3 размещают на столе 2 в контейнере 1; контейнер 1 устанавливают в ствол ударного стенда (на чертеже не показан), на носовой части контейнера 1 закрепляют жесткий наконечник 6, располагают полый цилиндр 7 на ударном стенде со стороны наконечника 6 соосно с продольной осью объекта испытаний и фиксируют его со стороны, противоположной контейнеру 1.
На этапе разгона в результате работы узла формирования внешнего ударного воздействия 10 контейнер 1, как жесткое тело, получает колебательное ударное ускорение с заданными параметрами. Параметры полого цилиндра 8 в контейнере выбираются такими, что на стол 2 и объект испытаний 3 действуют меньшие перегрузки, чем на контейнер 1, в результате чего стол 2 и объект испытаний 3 двигаются с меньшей скоростью, чем контейнер 1. При этом ударное ускорение объекта испытаний 3 и стола 2 уменьшается до величины в n раз меньшей, чем ударное ускорение контейнера 1, причем эта величина регулируется параметрами – жесткостными характеристиками полого цилиндра 8 в контейнере. Длительность действия одиночного ударного воздействия определяется жесткостью полого цилиндра 8 в контейнере.
Таким образом, за счет последовательного упругопластического деформирования полого цилиндра 8 в контейнере обеспечивается преобразование колебательного ударного внешнего импульса в знакоположительное одиночное ударное воздействие на объект испытаний 3 и снижение ударного воздействия по амплитуде.
На этапе торможения контейнер 1 с наконечником 6 внедряют в полый цилиндр 7; контейнер 1 с объектом испытаний 3 с начальной скоростью внедрения проникает соосно в полый цилиндр 7 уловителя и деформирует его в радиальном направлении, обеспечивая контакт наконечника 6 и полого цилиндра 7 по конической поверхности. За счет деформации в радиальном направлении полого цилиндра 7 жестким кольцом 6, закрепленным на контейнере 1, контейнер получает квазистатическое ускорение торможения. Контейнер 1 с объектом испытаний 3 перемещается в полом цилиндре 7, и их скорость снижается до полной остановки.
Амплитуда квазистатического ускорения торможения регулируется параметрами – жесткостными характеристиками полого цилиндра 7 в уловителе 5. Длительность действия квазистатического ударного воздействия торможения определяется жесткостью полого цилиндра 7 в уловителе 5 и габаритно-массовыми характеристиками жесткого кольца 6 и контейнера 1.
Таким образом, за счет последовательного упругопластического деформирования полого цилиндра 7 в уловителе 5 обеспечивается знакоположительное одиночное квазистатическое ударное воздействие на объект испытаний 3, снижение скорости объекта испытаний и его полное торможение.
max
О
К
С
ПЦ
К
Т
Например, для снижения ударной нагрузки (множественный удар, многоимпульсное воздействие), характеризующейся колебательной зависимостью ускорения от времени A(t) с амплитудой А и длительностью действия каждого импульса τ, как показано на фиг. 2, на объекте испытаний массой М, закрепленного внутри контейнера массой М в виде полого поршня на столе массой М, размещенном в контейнере с возможностью перемещения вдоль его продольной оси и предназначенном для закрепления объекта испытаний, связанном с контейнером посредством упругой связи, выполненной в виде полого цилиндра массой М, имеющего (см. фиг. 3) площадь поперечного сечения S и выполненного из материала с пределом прочности на растяжение (сжатие) [σ], параметры силовой характеристики полого цилиндра определяются соотношением:
.
max
Параметры основной нагрузки А и τ определяются уровнем ударного ускорения, реализуемым в местах крепления упругой связи к объекту испытаний, которое может воспроизводиться с достаточно высокой точностью (5%).
max
КС
ЖК
К
Т
тор
тор
ВТ
Для обеспечения одиночного квазистатического ударного ускорения торможения, характеризующегося квазистатической зависимостью ускорения от времени с амплитудой А и длительностью действия импульса τ, как показано на фиг. 2, на контейнере с объектом испытаний суммарной массой М и закрепленным на нем жестким кольцом массой М с возможностью перемещения как твердого тела вдоль продольной оси стенда и деформации полого цилиндра 7 в радиальном направлении и предназначенного для торможения контейнера 1 с объектом испытаний 3 и жестким кольцом 6 в полом цилиндре 7 уловителя 5, имеющем площадь поперечного сечения S (см. фиг. 3) и выполненного из материала с пределом прочности на растяжение (сжатие) [σ], параметры силовой характеристики полого цилиндра 7 в уловителе 5 определяются соотношением:
.
max
тор
тор
Параметры амплитуды квазистатического ускорения торможения А и длительность действия τ определяются начальной скоростью и суммарной массой контейнера 1, объекта испытаний 3 и жесткого кольца 6, которая тормозится в полом цилиндре 7 в уловителе 5, могут воспроизводиться с достаточно высокой точностью (5%).
Таким образом, изобретение позволяет обеспечить снижение параметров ударного импульса на объекте испытаний, преобразование колебаний ударного импульса в знакоположительное одиночное ударное воздействие, реализовать одиночное квазистатическое ударное воздействие торможения, т.е. позволяет расширить эксплуатационные возможности объекта, что достигается в результате снижения уровня реализуемой на нем нагрузки, кроме того, позволяет уменьшить материалоемкость стенда.
Введение упругой связи в виде полого цилиндра в контейнере увеличивает перемещение объекта испытаний относительно контейнера в два раза, что позволяет варьировать колебательную нагрузку по времени на фоне колебательной зависимости от времени основной нагрузки, а также уменьшить примерно в два раза продольные размеры контейнера, что позволяет снизить массу стенда.
Введение уловителя в виде деформируемого полого цилиндра обеспечивает квазистатический характер изменения ударного ускорения торможения, что позволяет варьировать ударную нагрузку торможения по времени, а также варьировать продольные размеры системы спасения, что снижает массу стенда.