СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ГИДРОДОМКРАТОВ-ТОРМОЗОВ ПРИ НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ НАГРУЖЕНИЯ

Полезная модель относится к испытательной технике, в частности, к стендам для испытаний при натурных условиях нагружения силового гидропневмооборудования, предназначенного для использования на стартовых ракетных комплексах, и может быть использована при испытаниях гидродомкратов-тормозов, а также гидродомкратов, гидробуферов, пневмогидравлических амортизаторов и демпферов малой и средней мощности.
В состав некоторых стартовых комплексов входят нижние кабельные мачты (НКМ) и устройства направляющие (УН). Во время старта эти элементы отводятся от ракеты-носителя, поворачиваясь относительно своих осей вращения под действием вращающего момента от собственного веса, что обеспечивает уменьшение воздействия высокотемпературных струй работающих двигателей на элементы конструкции и штатное оборудование, установленное на этих элементах. Приведение НКМ и УН в рабочее положение из исходного и защита от ударных нагрузок на конечных участках их перемещения при отбросе от ракеты-носителя обеспечивается гидродомкратами-тормозами (ГДТ), которые снижают пиковые значения воздействия усилия за счет поглощения и рассеивания энергии рабочей жидкостью. Угловые скорости поворота отводимых от ракеты элементов стартового комплекса к моменту прихода их в исходное положение снижаются до безопасных для этих элементов величин благодаря взаимодействию их с ГДТ, работающими в режиме торможения. Максимальные усилия, создаваемые ГДТ НКМ и УН при работе в режиме торможения, достигают значений порядка 10…12,5 тс при величине рабочего хода подвижной части ГДТ относительно опоры 268-575 мм и максимальной скорости ее перемещения 0,48-0,72 м/с. Принцип действия ГДТ НКМ и УН одинаковый, а конструкции их отличаются друг от друга лишь размерами отдельных элементов одинакового назначения.
Для определения работоспособности ГДТ, в том числе и вновь разрабатываемых, необходимо провести их стендовые испытания на циклическое статическое нагружение в режиме подъема/опускания и испытания на динамическую нагрузку в режиме торможения при натурных условиях нагружения.
Известен стенд для испытаний силового гидропневмооборудования стартовых комплексов при натурных условиях нагружения, содержащий основание, на котором размещена силовая рама, на которой закреплены на одной оси напротив друг друга испытываемое гидрооборудование и узел нагружения испытываемого гидрооборудования, выполненный в виде гидроцилиндра, и размещена каретка, установленная с возможностью перемещения вдоль оси в направляющих рамы, соединенная с испытываемым гидрооборудованием, а также гидравлическую систему, включающую источник высокого давления, выполненный в виде емкости высокого давления, а также емкость низкого давления, гидравлический насос, регулятор расхода, систему управления, персональную электронную вычислительную машину (ПЭВМ), датчик перемещения и датчик давления, причем емкость высокого давления через регулятор расхода соединена трубопроводом с полостью нагнетания гидроцилиндра, а емкость низкого давления через гидравлический насос - со штоковой полостью гидроцилиндра, при этом датчик перемещения и датчик давления установлены на испытываемом гидрооборудовании, электрические выходы с которых соединены через ПЭВМ и систему управления с регулятором расхода и запорную арматуру (см. патент на полезную модель №83108, МПК F25D 19/00, 2009 г.).
Стенд обеспечивает нагружение испытываемого оборудования путем перемещения его движущихся частей вертикально вниз с рассчитываемой в процессе испытания скоростью, соответствующей натурному нагружению. Скорость нагружения испытываемого объекта определяется величиной давления рабочей жидкости в рабочем цилиндре гидрооборудования, а также инерциальными и конструктивными параметрами элементов стартового комплекса, защищаемых испытываемым гидрооборудованием. При этом скорость перемещения нагружающего гидроцилиндра определяется расходом рабочей жидкости, поступающей в полость нагнетания гидроцилиндра. В свою очередь расход рабочей жидкости задается регулятором расхода и изменяется в течение времени испытания.
Известный стенд предназначен для испытаний силового гидрооборудования на ударное нагружение, при котором длительность процесса нагружения обычно не превышает 4…5 с. Создание стендом (в рассматриваемой конфигурации) статического (медленно меняющегося) нагружения теоретически возможно, однако на практике его реализация будет затруднена, поскольку нагружение такого типа может быть реализовано в области малых степеней открытия регулятора расхода, и работа системы управления в этом случае может быть неустойчивой.
Таким образом, недостатки известного стенда для испытаний силового гидрооборудования стартовых комплексов применительно к испытаниям ГДТ, заключаются в следующем:
1. Рабочее положение испытываемого гидрооборудования на известном стенде - вертикальное, в то время как рабочее положение ГДТ - горизонтальное, причем, работоспособность ГДТ в вертикальном положении может быть обеспечена только специальными приспособлениями и дегазованной рабочей жидкостью.
2. Проведение требуемых ТУ испытаний на известном стенде при повышенных (+50°С) труднореализуемо, а при пониженных (-50°С) практически нереализуемо.
3. Проведение статических испытаний ГДТ в режиме подъема/опускания на известном стенде нереализуемо без существенной доработки пневмогидравлической системы нагружения, ухудшающей ее рабочие характеристики.
Техническая задача, решаемая полезной моделью, заключается в обеспечении натурных условий нагружения гидродомкратов-тормозов в широком диапазоне заданных значений усилий, упрощение конструкции стенда, его обслуживания и эксплуатации.
Эта задача решается тем, что в известном стенде для испытаний гидродомкратов-тормозов стартовых комплексов при натурных условиях нагружения, содержащего основание, на котором размещена силовая рама, на которой закреплены на одной оси напротив друг друга испытываемое гидрооборудование и узел нагружения испытываемого гидрооборудования, выполненный в виде гидроцилиндра, и размещена каретка, установленная с возможностью перемещения вдоль оси в направляющих рамы, соединенная с испытываемым гидрооборудованием, а также гидравлическую систему, включающую источник высокого давления, выполненный в виде емкости высокого давления, а также емкость низкого давления, гидравлический насос, регулятор расхода, систему управления, ПЭВМ, датчик перемещения и датчик давления, причем емкость высокого давления через регулятор расхода соединена трубопроводом с полостью нагнетания гидроцилиндра, а емкость низкого давления через гидравлический насос - со штоковой полостью гидроцилиндра, при этом датчик перемещения и датчик давления установлены на испытываемом гидрооборудовании, электрические выходы с которых соединены через ПЭВМ и систему управления с регулятором расхода и запорную арматуру, согласно полезной модели силовая рама с испытываемым гидрооборудованием и гидроцилиндром установлена горизонтально, а каретка закреплена на плунжере испытываемого гидрооборудования и снабжена роликами, симметрично установленными относительно оси испытываемого гидрооборудования и взаимодействующими с направляющими рамы, при этом рабочая полость испытываемого гидрооборудования соединена трубопроводом с выходом из гидравлического насоса через запорную арматуру, а на корпусе нагружающего гидроцилиндра установлен датчик перемещения его штока, электрический выход с которого соединен через ПЭВМ и систему управления с регулятором расхода.
На чертеже изображена схема стенда для испытаний ГДТ при натурных условиях нагружения.
Стенд содержит силовую раму 1, установленную горизонтально на опорах 2. В левой части рамы 1 (по чертежу) расположен узел крепления 3 испытываемого ГДТ 4, размещаемого горизонтально, что соответствует его натурному положению. В правой части рамы 1 расположен узел крепления 5 устройства создания усилия нагружения ГДТ 4, выполненного в виде гидроцилиндра 6, жестко закрепленного на силовой раме 1. На свободном конце плунжера 7 ГДТ 4 размещена каретка 8 с роликами 10, установленная с возможностью перемещения в горизонтальном направлении по направляющим 9 рамы 1. Ролики 10 установлены симметрично относительно оси плунжера 7 ГДТ 4 и взаимодействуют с направляющими 9 рамы 1. Кроме того стенд содержит гидравлическую систему, обеспечивающую его работу.
В состав гидравлической системы стенда входит источник высокого давления в виде насоса 11, соединенный трубопроводами с рабочей полостью испытываемого ГДТ 4 и штоковой полостью нагружающего гидропилиндра 6. Насос 11 соединен с емкостью низкого давления 13 с рабочей жидкостью 12. На выходе насоса 11 установлен фильтр 14.
Кроме того гидравлическая система стенда включает источник высокого давления в виде емкости 15 с дегазованной рабочей жидкостью 16, соединенной с системой наддува высокого давления (на чертеже условно не показана). В емкости высокого давления 15 предусмотрено специальное устройство для разделения сред с целью предотвращения недопустимого растворения воздуха в рабочей жидкости (на чертеже условно не показано). Емкость 15 соединена трубопроводом через регулятор расхода 17 (РР) с полостью нагнетания гидроцилиндра 6.
Задорно-регулирующая арматура 18-24 обеспечивает необходимые режимы работы пневмогидравлической системы, которые управляются и контролируются ПЭВМ 25 (электрические связи между арматурой и ПЭВМ 25 условно не показаны). Кроме того электрические выходы РР 17 через систему управления 26 (СУ) соединены с ПЭВМ 25.
Для обеспечения работы стенда он снабжен датчиком давления рабочей жидкости в рабочей полости ГДТ 27, датчиком перемещения ускорительной головки ГДТ относительно плунжера ГДТ 28 и датчиком перемещения штока нагружающего гидроцилиндра 6 относительно его корпуса 29, электрические выходы с которых соединены через ПЭВМ 25 и СУ 26 с РР 17. Датчик давления 27 и датчики перемещения 28 и 29, кроме измерений параметров в течение испытаний, обеспечивают безопасность их проведения: на основе их показаний при возникновении нештатных ситуаций программа ПЭВМ 25 изменяет степень открытия РР 17 вплоть до полного перекрытия расхода рабочей жидкости.
Испытания ГДТ 4 на предложенном стенде осуществляется следующим образом.
1. Испытания гидродомкрата-тормоза на циклическое статическое нагружение в режиме подъема/опускания НКМ (УН):
В исходном положении плунжер 7 размещен внутри кожуха ГДТ 4. Опорная поверхность штока гидроцилиндра 6 (поршень полностью выдвинут) взаимодействует с плунжером 7 ГДТ 4. Вентили 18, 19 и 22 закрыты, а 20, 21, 23 и 24 открыты, РР 17 закрыт, а насос 11 выключен.
В программу ПЭВМ 25, управляющую испытаниями ГДТ 4, занесены характеристики защищаемого ГДТ 4 объекта (НКМ или УН), на основании которых рассчитана функция изменения давления рабочей жидкости в цилиндре ГДТ 4 по перемещению его плунжера 7.
Программа ПЭВМ 25 выдает сигнал на включение насоса 11 и на СУ 26 РР 17. При этом давление в рабочей полости испытываемого ГДТ 4 повышается, и плунжер 7 начинает выдвигаться, перемещая поршень гидроцилиндра 6 и вытесняя рабочую жидкость из его рабочей полости через РР 17 в емкость высокого давления 15. По изменениям показаний датчика давления 27 и датчика перемещения 28 управляющая программа ПЭВМ. 25 постоянно подает команды на СУ 26 РР 17, обеспечивая соответствие давления в рабочей полости ГДТ 4 величине перемещения плунжера 7 в натурных условиях работы ГДТ 4. Таким образом, в течение всего рабочего хода плунжера 7 обеспечиваются натурные условия нагружения ГДТ 4 в режиме подъема.
При достижении плунжером 7 ГДТ 4 крайнего выдвинутого положения управляющая программа ПЭВМ 25 выключает насос 11 и закрывает вентили 20, 21 и 23. Далее дается команда на открытие вентиля 18, и в воздушную полость емкости высокого давления 15 подают воздух высокого давления до расчетного значения, обеспечивающего усилие поджатия плунжера 7 ГДТ 4 на всем его перемещении, равное исходному натурному, определяемому весовыми и конструктивными параметрами защищаемого ГДТ 4 объекта (НКМ, УН). Затем вентиль 18 закрывается. Это положение соответствует готовности стенда к проведению испытаний ГДТ 4 в режиме опускания, имитируя его нагружение при опускание НКМ, УН.
Программа ПЭВМ 25 выдает сигнал на полное открытие клапанов 20 и 22 и затем на частичное открытие клапана 21, который в режиме опускания работает в качестве дросселя, и одновременно команду СУ 26 на открытие РР 17. Давление в рабочей полости ГДТ 4 падает, и его плунжер 7 под воздействием усилия гидроцилиндра 6, обеспечиваемого давлением воздуха в воздушной полости емкости высокого давления 15, перемещается внутрь кожуха. Как и в случае режима подъема, управляющая программа ПЭВМ 25 непрерывно обеспечивает соответствие давления в рабочей полости ГДТ 4 величине перемещения плунжера 7, подавая необходимую команду на СУ 26 РР 17. Таким образом, в течение всего рабочего хода обеспечиваются натурные условия нагружения ГДТ 4 в режиме опускания.
При достижении плунжером 7 крайнего утопленного положения управляющая программа ПЭВМ 25 закрывает РР 17 и открывает дренажный вентиль 19, стравливая избыточное давление из воздушной полости аккумулятора давления в атмосферу. По окончании процесса стравливания дренажный вентиль 19 закрывается. Арматура приводится в положение, соответствующее исходному для испытаний на циклическое статическое нагружение.
2. Испытания гидродомкрата-тормоза в режиме торможения:
В исходном положении плунжер 7 ГДТ 4 полностью выдвинут и упирается в опорную поверхность штока гидроцилиндра 6. В воздушную полость емкости высокого давления 15 подан воздух рассчитанного начального давления, обеспечивающего проведение испытаний ГДТ 4 в режиме торможения. Вентили 18, 19, 21 и 23 закрыты, вентили 20, 22 и 24 открыты, РР 17 закрыт.
Уравнение динамического равновесия защищаемого ГДТ объекта (НКМ или УН) относительно оси вращения имеет следующий вид:
2
K
ГДТ
ГДТ
В уравнении (1) α - угол поворота НКМ или УН, рад; t - время, сек. Величина момента инерции защищаемого ГДТ объекта. J, кг*м, определяется относительно оси вращения. Q - вес НКМ или УН. Плечи действия весовой нагрузки r и усилия Р со стороны ГДТ r рассчитываются по реальным размерам стартовой системы и углу поворота НКМ или УН.
В программу ПЭВМ 25, работающую в режиме реального времени, занесены инерциальные и конструктивные параметры защищаемого оборудования, позволяющие выполнить численное интегрирование уравнения (1).
Программа ПЭВМ 25 выдает сигнал на открытие вентиля 21, и плунжер 7 под воздействием возвратных пружин отводится в предударное положение, при этом рабочая жидкость частично сливается из рабочей полости ГДТ 4 в емкость низкого давления 13.
Программа ПЭВМ 25 выдает сигнал на СУ 26, которая открывает РР 17. При этом шток гидроцилиндра 6 перемещается в сторону ускорительной головки испытываемого ГДТ 4, выбирая зазор и нагружая испытываемый ГДТ 4. Одновременно интегрируется дифференциальное уравнение (1), в результате чего-получена величина угловой скорости защищаемого объекта, по которому определена требуемая линейная скорость перемещения штока гидроцилиндра 6. Реальная скорость перемещения штока гидроцилиндра 6 получается в результате дифференцирования функции перемещения, определенной с помощью датчика перемещения 29. Требуемое (расчетное) и измеренное значения скорости служат основанием для выработки программой ПЭВМ 25 соответствующего сигнала управления для СУ 26 РР 17 в соответствии с алгоритмом пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования.
ГДТ
После соприкосновения бойка штока гидроцилиндра 6 с подушкой ускорительной головки ГДТ 4 давление в рабочей полости ГДТ 4 повышается, его величина фиксируется датчиком давления 27 и принимается работающей программой ПЭВМ 25. По величине давления в рабочей полости ГДТ программа рассчитывает величину усилия со стороны ГДТ Р в правой части уравнения (1). Дифференциальное уравнение (1) интегрируется численно при известной правой части; в результате получаем необходимую скорость перемещения штока гидроцилиндра 6, по величине которой рассчитывается требуемый расход рабочей жидкости, определяемый степенью открытия РР 17. Степень открытия РР 17 корректируется в процессе всего испытания до его завершения программой ПЭВМ 25 по результатам интегрирования дифференциального уравнения (1).
Таким образом, предлагаемый стенд обеспечивает условия нагружения, соответствующие натурным, в процессе всего испытания ГДТ в режиме торможения.
При достижении плунжером 7 крайнего утопленного положения управляющая программа ПЭВМ 25 закрывает РР 17 и открывает дренажный вентиль 19, стравливая избыточное давление из воздушной полости аккумулятора давления в атмосферу. По окончании процесса стравливания дренажный вентиль 19 закрывается.
Использование полезной модели позволит повысить качество и достоверность испытания гидродомкратов-тормозов путем воспроизведения заданных натурных условий нагружения. Кроме того, упрощается конструкция стенда, его обслуживание и эксплуатация. Стенд имеет существенно меньшие габариты и материалоемкость по сравнению с известным стендом. Стенд может быть использован при проведении испытаний гидродомкратов, гидробуферов, пневмогидравлических амортизаторов и демпферов малой и средней мощности. Поскольку заявляемый стенд имеет меньшие габаритно-весовые параметры по сравнению с известным стендом, это позволяет проводить испытания гидрооборудования внутри климатических камер холода и тепла.