Роботизированный комплекс для вырезки образцов топлива из зоны канала твердотопливного заряда, скрепленного с корпусом ракетного двигателя
ROBOTIC COMPLEX FOR CUTTING FUEL SAMPLES FROM THE ZONE OF THE SOLID PROPELLANT CHARGE CHANNEL, FASTENED TO THE ROCKET ENGINE BODY

Изобретение относится к области получения образцов в твердом состоянии путем вырезания, а именно к роботизированному комплексу для вырезки образцов топлива из зоны канала твердотопливного заряда, скрепленного с корпусом ракетного двигателя.
В ракетной технике существует потребность в получении экспериментальной информации о характеристиках крупногабаритных зарядов. Полученная при испытаниях вырезанных образцов информация позволяет оценить представительность методов контроля крупногабаритных зарядов по спутникам-свидетелям, эффекты неоднородности свойств заряда в зоне канала, а также выдать заключения о ресурсе прочностной работоспособности заряда после различных сроков его эксплуатации или после проведения на заряде форсированных испытаний, моделирующих штатную эксплуатацию.
Основные трудности при разработке конструктивного оформления технических решений, направленных на получение образцов топлива из зоны канала твердотопливного заряда, скрепленного с корпусом ракетного двигателя, связаны с необходимостью обеспечения требований по безопасной работе с пожаровзрывоопасным объектом. «Ручная» вырезка образцов из заряда высокоэнергетического топлива на активных связующих недопустима.
Из уровня техники известно устройство УВО-60 вырезки образцов топлива из зоны канала крупногабаритного заряда ракетного двигателя твердого топлива (РДТТ) (Журнал «Физическая мезомеханика», т. 9, №4, 2009 г., с. 93-106), содержащее транспортную тележку, тонкостенный режущий инструмент.
К безусловным достоинствам указанного устройства относятся: снижение до допустимого уровня термосиловых воздействий на твердое топливо при получении образцов из канала заряда и сокращение «ручных» операций (стадия вырезки образца осуществляется дистанционно), повышающие уровень безопасности; отсутствие искажающего влияния на свойства высокоэнергетического конденсированного материала; возможность реализации двухслойной вырезки плоских образцов толщиной 7-8 мм из различных сечений канала заряда твердого топлива; воспроизводимость геометрических параметров вырезаемых образцов из различных зон канала (размеры образца определяются постоянством параметров паза, по которому перемещается ролик шарнира, связанный с тонкостенным режущим инструментом в виде кольцевого ножа).
К недостаткам известного устройства необходимо отнести:
- наличие «ручных» операций при установке и извлечении устройства из канала заряда, а также при извлечении из канала вырезанного образца топлива;
- ограниченные возможности устройства в части движения кольцевого ножа, одновременно совершающего поступательное и колебательное движения исключительно в направлении, параллельном режущей кромке;
- необходимость крепления устройства в канале заряда с помощью пневмоцилиндра;
- использование трех пневмоцилиндров в качестве привода для крепления устройства в канале, привода продольной подачи ножа и привода для сообщения ножу поперечного колебательного движения, не позволяющих реализовать низкие (на уровне 5-20 мм/с) скорости вырезания образцов, что снижает уровень безопасности работ;
- отсутствие средств регистрации положения ножа и видеонаблюдения за процессом вырезки образца топлива, снижающие эксплуатационные возможности и удобства;
- невозможность вырезания образцов топлива толщиной больше 10-15 мм в силу отсутствия возможности регулирования размеров паза, по которому перемещается ролик шарнира, связанный с ножом, и, следовательно, невозможность исследовать эффекты неоднородности свойств в зоне канала, имеющей протяженность по своду до 40-50 мм.
Из уровня техники известен принятый за прототип комплекс для вырезки образцов твердого топлива из зоны канала заряда ракетного двигателя по патенту США №6023983, содержащий цилиндрическую направляющую, узел вырезки, включающий привод перемещения и тонкостенный режущий инструмент.
Анализ прототипа показал, что эксплуатационные возможности и удобства известного комплекса сужены из-за ограниченной маневренности его элементов относительно заряда:
- вырезка образцов топлива может производиться только из области, прилежащей к сопловому торцу канала заряда, при условии наличия в этой области щелей (возможность вырезки образцов топлива из глубинных зон канала заряда отсутствует в виду стационарно заданной угловой ориентации цилиндрической направляющей с помощью монтажного элемента, скрепленного болтами с корпусом ракетного двигателя);
- тонкостенный режущий инструмент может перемещаться при вырезке вместе со штоком привода его перемещения только вперед-назад, что не позволяет варьировать толщиной и формой вырезаемого образца в соответствии с существующей потребностью в процессе вырезки;
- постоянство позиционирования тонкостенного режущего инструмента относительно штока привода его перемещения определяет изменение толщины вырезаемого образца по его длине с увеличением в сторону соплового торца, что приводит к невозможности получить образец-лопатку, имеющую рабочую часть постоянной толщины для оценки механических характеристик материала заряда.
Известный комплекс не позволяет реализовать полностью безопасный процесс вырезки образцов по следующим причинам:
- отсутствие средств регистрации положения режущего инструмента и видеонаблюдения за процессом вырезки образца топлива не позволяет дистанционно управлять процессом вырезки образцов с использованием ЭВМ;
- отсутствие средств регистрации скорости перемещения режущего инструмента при активном применении в составе комплекса пневмоприводов не гарантирует соблюдение требований по обеспечению безопасной скорости вырезки;
- наличие «ручных» операций при установке и извлечении цилиндрической направляющей и режущего инструмента из канала заряда, а также при извлечении из канала вырезанного образца топлива.
Задачей заявляемого технического решения является создание роботизированного комплекса для вырезки образцов топлива из зоны канала твердотопливного заряда, скрепленного с корпусом ракетного двигателя, обладающего расширенными эксплуатационными возможностями и удобствами за счет придания маневренности элементам комплекса по отношению к заряду (способности изменять положение в пространстве и направление движения по командам управления ЭВМ), и одновременно обеспечивающего повышение безопасности процесса вырезки образцов за счет исключения необходимости использования «ручных» операций и обеспечения возможности корректировки скорости вырезки образцов, в соответствии с существующей потребностью в процессе вырезки.
При этом предлагаемый комплекс, являясь адаптивной системой, позволяет учитывать индивидуальную геометрию заряда и механические характеристики топлива, в получении образцов из которого существует потребность, причем комплекс обеспечивает вариативность вырезаемых образцов.
Поставленная задача решается заявляемым роботизированным комплексом для вырезки образцов топлива из зоны канала твердотопливного заряда, скрепленного с корпусом ракетного двигателя, содержащим цилиндрическую направляющую, узел вырезки, включающий привод перемещения и тонкостенный режущий инструмент. Особенность заключается в том, что комплекс содержит транспортную тележку, гидромеханический привод ее перемещения по рельсам, установленные на тележке две стойки, соединенные между собой площадкой, на которой размещен гидропривод вертикального перемещения каретки, с которой скреплена цилиндрическая направляющая, оснащенная гидромеханическим приводом ее осевого перемещения, в направляющей установлен гидропривод, на его штоке закреплен корпус узла вырезки, на котором смонтированы режущий инструмент, лоток для приема вырезанного образца, гидропривод поворота режущего инструмента, датчик поворота и датчик горизонтального перемещения режущего инструмента, датчик его контакта с поверхностью канала заряда, при этом все приводы выполнены с возможностью дистанционного управления оператором с использованием видеокамеры в пожаровзрывобезопасном исполнении, размещенной на цилиндрической направляющей, и ЭВМ, программное обеспечение которой разработано под конкретные геометрические параметры заряда и механические характеристики топлива.
Приводы выполнены с возможностью обеспечения перемещения режущего инструмента в канале заряда со скоростью 1-50 мм/с.
Режущий инструмент выполнен из нержавеющей стали.
Форму, размер, углы заточки, жесткостные характеристики режущего инструмента выбирают в соответствии с требуемой геометрией образцов и механическими характеристиками топлива.
Проведенный анализ уровня техники показывает, что неизвестен роботизированный комплекс для вырезки образцов топлива из зоны канала твердотопливного заряда, скрепленного с корпусом ракетного двигателя, в котором бы имело место предложенное сочетание существенных признаков, но именно такое сочетание обусловило решение поставленной задачи и достижение совокупности технических преимуществ.
Конструкция предлагаемого роботизированного комплекса для вырезки образцов топлива из зоны канала твердотопливного заряда, скрепленного с корпусом ракетного двигателя, иллюстрируется графическими изображениями.
На фиг. 1 представлена фотография общего вида комплекса.
На фиг. 2 представлен вид комплекса сбоку и часть продольного разреза канального заряда, скрепленного с корпусом ракетного двигателя, размещенного на роликовых опорах.
На фиг. 3 представлен узел А на фиг. 2. Роботизированный комплекс содержит транспортную тележку 1, гидромеханический привод 2 ее перемещения по рельсам 3, установленные на тележке 1 две стойки 4, соединенные между собой площадкой 5. На площадке 5 смонтирован гидропривод 6 вертикального перемещения каретки 7, с которой скреплена цилиндрическая направляющая 8. Направляющая 8 оснащена гидромеханическим приводом 9 ее осевого перемещения. В направляющей 8 установлен гидропривод 10, на его штоке 11 закреплен корпус 12 узла вырезки, на котором смонтированы режущий инструмент 13, лоток 14 для приема вырезанного образца, гидропривод 15 поворота режущего инструмента 13, датчики 16 и 17 соответственно поворота и горизонтального перемещения режущего инструмента 13, датчик 18 его контакта с поверхностью канала 21 скрепленного с корпусом 19 заряда 20. Все приводы 2, 6, 9, 10, 15 выполнены с возможностью дистанционного управления оператором с использованием видеокамеры 22 в пожаровзрывобезопасном исполнении, размещенной на цилиндрической направляющей 8, и ЭВМ (условно не показана). Режущий инструмент 13 выполнен, например, из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т или марки 40X13.
Роботизированный комплекс работает следующим образом.
В соответствии с требуемыми размерами и формой образца, свойствами материала заряда 20 и сечениями заряда 20 выбирают режущий инструмент 13. В разработанное программное обеспечение ЭВМ вносят исходные данные, такие как расстояние от режущего инструмента 13 до поверхности канала 21 заряда 20, скорость перемещения режущего инструмента 13.
Оператор дистанционно управляет приводами роботизированного комплекса, находясь в пожаровзрывобезопасном помещении на расстоянии 100 метров от заряда 20. Оператор осуществляет визуальный контроль с помощью видеокамеры 22 за процессом перемещения режущего инструмента 13 и вырезаемого образца с начала и до завершения процесса вырезки.
При подготовке к вырезке образцов корпус 19 размещают на роликовых опорах 23 с достижением соосности с режущим инструментом 13 роботизированного комплекса. При этом обеспечивают неподвижность корпуса 19 с зарядом 20 в вертикальной и горизонтальной плоскостях с помощью устройств и методов, применяемых в отрасли согласно установившейся практике.
После установки корпуса 19 с зарядом 20 осуществляют введение в канал 21 режущего инструмента 13 с помощью перемещения транспортной тележки 1 по рельсам 3 гидромеханическим приводом 2.
При необходимости, в зависимости от расстояния до места вырезки, задействуют гидромеханический привод 9 перемещения направляющей 8.
Гидроприводом 10, установленным внутри направляющей 8, выдвигают узел вырезки, корпус 12 которого размещен на штоке 11 гидропривода 10. При этом режущий инструмент 13 должен находиться в горизонтальном положении.
Каретку 7 с помощью ее гидропривода 6 вместе с направляющей 8 и узлом вырезки перемещают в вертикальном направлении вверх на заданное расстояние до поверхности канала 21 заряда 20, отслеживаемое датчиком 18.
По заданной программе производят вырезку требуемого образца из нужного сечения заряда 20. При этом режущий инструмент 13 врезается в заряд 20 при повороте его с помощью гидропривода 15 в вертикальное положение, которое контролирует датчик 16. При помощи гидропривода 10, установленного внутри направляющей 8, осуществляют движение режущего инструмента 13, положение которого контролирует датчик 17, в направлении торца заряда 20 его ввода и, в зависимости от конфигурации канала 21 заряда 20 (например, как показано на фиг. 3), сразу осуществляют вырезку образца (режущий инструмент 13 выходит из заряда 20 без поворота, так как расширяется канал 21 заряда 20) или дополнительно задействуют гидропривод 15 поворота режущего инструмента 13 (в случае постоянного диаметра канала 21 на всем протяжении зоны вырезки) для вывода режущего инструмента 13 из заряда 20 и завершения вырезки образца. Лоток 14, осуществляющий одновременное движение следом за режущим инструментом 13 (так как оба смонтированы на корпусе 12 узла вырезки), принимает вырезанный образец.
Оператор, маневрируя элементами роботизированного комплекса, извлекает вырезанный образец из канала 21 заряда 20.
При необходимости вырезки каждого следующего образца в том же поперечном сечении заряда 20, скрепленного с корпусом 19, его расфиксируют, поворачивают на роликовых опорах 23 в нужное положение, снова фиксируют корпус 19 и повторяют процесс вырезки.
С целью экспериментальной проверки работоспособности и эффективности предложенного роботизированного комплекса использовали скрепленный с корпусом заряд со сквозным цилиндрическим каналом. В 3-х сечениях заряда (самое удаленное от торца заряда сечение находилось на расстоянии 3000 мм) были вырезаны по 6 образцов размером 50x50x700 мм, разнесенных друг от друга по сечению на 60°.
Вырезку проводили со скоростью 5 мм/с перемещения режущего инструмента.
Поверхность вырезанных образцов была гладкая, без вырывов и «ступенек». Программное обеспечение ЭВМ в процессе вырезки 18 образцов работало без сбоев. Разбросы размеров вырезанных образцов по ширине и толщине не превышают ±0,3 мм.
Предлагаемый роботизированный комплекс практически реализуем, его эффективность и безопасность подтверждена вырезками образцов из четырех крупногабаритных изделий со скрепленным с корпусом зарядом. Вырезка образцов с помощью роботизированного комплекса в Российской Федерации осуществлена впервые.