Устройство для испытаний на прочность армирующих тарелей эластичного шарнира сопла ракетного двигателя на твердом топливе
DEVICE FOR TESTING STRENGTH OF REINFORCING PLATES OF ELASTIC NOZZLE HINGE OF SOLID-PROPELLANT ROCKET ENGINE

Устройство для испытаний на прочность армирующих тарелей эластичного шарнира сопла ракетного двигателя на твердом топливе
Изобретение относится к области экспериментальной отработки прочности эластичных шарниров (ЭШ) поворотных управляющих сопел ракетных двигателей на твердом топливе (РДТТ) и может быть использовано при оптимизации конструкции ЭШ.
С целью определения коэффициентов запаса прочности ЭШ его нагружают нагрузками, приводящими к разрушению армирующих тарелей, являющихся наиболее слабым его элементом.
Армирующие тарели ЭШ представляют собой тонкостенные оболочки в виде кольцевых сферических поясов, у которых толщина в 30-60 раз меньше размера вдоль меридиана (образующей), длина которого, в свою очередь, в 20-40 раз меньше длины окружности тарели. Это позволяет рассматривать при испытаниях армирующую тарель как кольцо с тонкостенным профилем. Описание конструкции ЭШ приведено, например, в монографии: «Конструкции ракетных двигателей на твердом топливе», под общ. ред. чл.-корр. РАН, проф. Л.Н. Лаврова - М: Машиностроение, 1993, стр. 154, рис. 3.29.
Известна конструкция устройства для испытаний на сжатие образцов различных материалов, применяемых в машиностроении (ГОСТ 25.503-97, приложение В, рисунок В.1).
Недостатком данной конструкции является невозможность обеспечения условий нагружения отдельной тарели ЭШ, соответствующих условиям ее нагружения при работе в составе сопла. Для обеспечения этих условий тарель должна быть нагружена погонным крутящим моментом, распределенным вдоль кольцевой центральной линии тарели.
Технической проблемой данного изобретения является разработка устройства для испытаний на прочность армирующих тарелей ЭШ, позволяющего экспериментально испытать на прочность одну отдельно взятую тарель ЭШ путем нагружения ее погонным крутящим моментом, распределенным вдоль кольцевой центральной линии тарели.
Технический результат заключается в том, что в предлагаемом устройстве тарель испытывается вне конструкции эластичного шарнира осевой сжимающей силой, обеспечивающей нагружение ее погонным крутящим моментом, распределенным вдоль кольцевой центральной линии тарели, в результате чего затраты на отработку прочности ЭШ существенно снижаются, а процесс отработки ускоряется.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для испытаний на прочность армирующих тарелей эластичного шарнира сопла ракетного двигателя на твердом топливе, содержащее кольцевое основание и нагрузочное кольцо, между которыми размещается испытуемая тарель, наружная поверхность кольцевого основания выполнена эквидистантно внутренней поверхности тарели со стороны большего торца с возможностью приложения давления по части внутренней поверхности тарели со стороны ее большего торца, а внутренняя поверхность нагрузочного кольца выполнена эквидистантно наружной поверхности тарели со стороны меньшего торца с возможностью приложения давления по части наружной поверхности тарели со стороны ее меньшего торца, при этом между эквидистантными поверхностями размещены резиновые прокладки.
Отличительные признаки предлагаемого технического решения являются существенными.
Наружная поверхность кольцевого основания вместе с приклеенной к ней резиновой прокладкой эквидистантная по узкой кольцевой площадке внутренней поверхности тарели со стороны ее большего торца обеспечивает при осевом сжатии реакцию на тарель в виде давления по упомянутой выше узкой кольцевой площадке.
Аналогично, внутренняя поверхность нагрузочного кольца вместе с приклеенной к ней резиновой прокладкой эквидистантная по узкой кольцевой площадке наружной поверхности тарели со стороны ее меньшего торца обеспечивает при осевом сжатии реакцию на тарель в виде давления по соответствующей узкой кольцевой площадке.
При плотном, под действием осевого сжатия, контакте, благодаря резиновым прокладкам, давление реакций распределится достаточно равномерно в кольцевом направлении по площадкам контакта практически по нормали к ним. Действуя по внутренней поверхности тарели у ее большего торца и по наружной поверхности тарели у ее меньшего торца, давления реакций образуют погонный крутящий момент относительно кольцевой центральной линии тарели. Величина осевого сжатия, необходимого для создания погонного крутящего момента равного погонному крутящему моменту, действующему на тарель при ее работе в составе ЭШ, определяется по методике, приведенной ниже.
На фиг. 1 показана схема устройства для испытаний отдельной тарели ЭШ погонным крутящим моментом.
На фиг. 2 показана схема распределения давления по газовому тракту сопла для расчета осевой силы, действующей на отдельную тарель в штатных условиях ЭШ при работе РДТТ.
На фиг. 3 показана схема геометрических параметров для определения нагрузки на тарель ЭШ в условиях испытаний (фиг. 1).
На фиг. 1-3 приняты следующие номера позиций для деталей устройства и ЭШ:
1 - испытываемая тарель;
2 - нагрузочное кольцо;
3 - кольцевое основание;
4, 5 - прокладки резиновые для равномерного приложения нагрузки (применяется пластина 1Н-I-ТМКЩ-С-4 ГОСТ 7338 толщ. 4 мм);
6 - резиновые слои в составе ЭШ, обеспечивающие изменение формы ЭШ при отклонении поворотной части сопла РДТТ.
Также принято: ось «х» - ось сопла; точка «О» на оси «х» - центр вращения поворотной части сопла.
Прокладки резиновые 4, 5 приклеиваются соответственно к внутренней поверхности кольцевого уступа нагрузочного кольца 2 и к наружной поверхности кольцевого уступа кольцевого основания 3 (фиг. 1). Контактирующие поверхности прокладок 4, 5 и испытываемой тарели 1 должны быть сухими и очищенными от пыли и грязи.
Для проведения испытаний необходимо определить сжимающее усилие Q (фиг. 1), с помощью которого имитируется характер и величина нагрузок, действующих на рассматриваемую тарель в составе ЭШ при работе двигателя. Это выполняется следующим образом.
H
A
Для рассматриваемой тарели в составе ЭШ находится осевая сила Т, представляющая собой равнодействующую сил внутрикамерного давления, действующих по поверхности газового тракта от точки с радиусом r до среза сопла (радиус r, фиг. 2)
0
A
0
0
где Т - интеграл переменных сил давления, действующих по поверхности газового тракта от среза сопла (радиус r) до сечения по лобовой точке (радиус r), после которой (радиус r≥r) давление по поверхности газового тракта остается постоянным, равным давлению в корпусе двигателя Р;
H
r - наружный цилиндрический радиус рассматриваемой тарели (фиг. 2, 3).
По усилию Т для рассматриваемой тарели определяется величина среднего контактного давления q резины, действующего по сферическим поверхностям тарели (вследствие малости толщины тарели принимается, что давление q одинаково по обеим ее поверхностям)
B
где r - внутренний цилиндрический радиус рассматриваемой тарели (фиг. 2, 3).
Напряженное состояние тарели в составе ЭШ определяется погонным крутящим моментом, распределенным вдоль кольцевой центральной линии тарели и зависящим от угла отклонения сопла δ и начальной геометрической формы ЭШ.
Составляющая погонного крутящего момента на рассматриваемую тарель, зависящая от угла δ, определяется по формуле
где q - среднее контактное давление на тарель по формуле (2);
L - длина сечения тарели вдоль меридиана (фиг. 3);
γ - относительный сдвиг вдоль меридиана в плоскости отклонения ЭШ в резиновых слоях, прилежащих к рассматриваемой тарели (различием в сдвигах этих слоев пренебрегается, формулы для определения γ в зависимости от угла отклонения сопла δ приведены ниже);
p
h - толщина резиновых слоев (фиг. 3);
α - полярный угол, отсчитываемый от плоскости отклонения ЭШ вокруг оси сопла «х».
3
4
Составляющая погонного крутящего момента на рассматриваемую тарель, обусловленная начальными скосами боковых поверхностей резинометаллического пакета ЭШ (углы ϕ, ϕ на фиг. 3), определяется по формуле
T
где h- толщина тарелей (фиг. 3);
3
4
ϕ, ϕ - углы между боковыми поверхностями и сферическими радиусами из центра поворота ЭШ, определяющими рассматриваемую тарель (фиг. 3).
Следовательно, рассматриваемая тарель в сечении по плоскости отклонения ЭШ (α=0) нагружена погонным крутящим моментом
0
1
Так как момент m является осесимметричным (4), a m изменяется плавно пропорционально cos α в направлениях от плоскости отклонения (формула (3)), то принимается, что с точки зрения начала разрушения тарели зависящая от угла α нагрузка по формуле (5) эквивалентна осесимметричной нагрузке по формуле (5) при α=0. Это предположение достаточно хорошо согласуется с опытными данными. Разрушение тарелей имеет место в плоскости отклонения ЭШ (α=0).
При кручении рассматриваемой тарели (угол θ на фиг. 3) под действием момента (5) в точках ее сечения, переходящих на больший цилиндрический радиус, имеет место кольцевое растяжение. В точках сечения, переходящих на меньший цилиндрический радиус, имеет место кольцевое сжатие. При этом величина кольцевых деформаций материала находится по формуле
где θ - угол поворота сечения тарели под действием момента m (5) (на фиг. 3 показано положительное направление угла);
z - координата точки сечения (фиг. 3);
R - сферический радиус тарели (фиг. 3).
Вследствие такого деформированного состояния, в сечении тарели образуется изгибающий момент М, вычисляемый из условия статического равновесия по формуле
где m - погонный крутящий момент по формуле (5);
R - сферический радиус тарели (фиг. 3).
По значению М могут быть определены кольцевые напряжения в сечениях рассматриваемой тарели. Для идеально упругого материала максимальные напряжения определяются по формуле
где  - момент сопротивления сечения рассматриваемой тарели.
При нелинейных соотношениях между напряжениями и деформациями напряжения определяются по значению М из условия, что форма сечения тарели при деформировании не меняется, а кольцевые деформации распределены по сечению по формуле (6).
Из формулы (5) для погонного крутящего момента т следует, что внутренний изгибающий момент М в формуле (7) является переменным в кольцевом направлении, пропорциональным косинусу полярного угла а. Из этого следует, что кроме изгибных напряжений (8) в сечениях тарели будут действовать сдвиговые напряжения, определяемые по формуле Журавского, принимающей в данном случае вид
где для максимального значения τ, имеющего место в середине сечения тарели z=0 (фиг. 3) в плоскости перпендикулярной плоскости отклонения ЭШ (α=π/2), входящие в формулу параметры равны:
- цилиндрический радиус середины сечения тарели (фиг. 3);
- статический момент инерции половины сечения тарели относительно центра тяжести (сечения тарели);
- момент инерции сечения тарели;
q - среднее контактное давление на тарель по формуле (2);
α=π/2-значение полярного угла, при котором максимальна величина
γ - относительный сдвиг резины в плоскости отклонения ЭШ;
1i
2i
ϕ, ϕ - углы, определяющие слой пакета, относящийся к рассматриваемой тарели (фиг. 3).
Как показала практика, учет τ актуален только для тарелей из пластиков. Поэтому прочность пластика на сдвиг в плоскости касательной к сферической поверхности тарели должна быть проверена по формуле (9) с коэффициентом безопасности порядка 2,0.
Значение относительного сдвига γ в резиновых слоях, прилежащих к рассматриваемой тарели, зависит от распределения суммарного угла отклонения ЭШ δ по углам отклонения отдельных резиновых слоев обратно пропорционально их угловым жесткостям. Таким образом, максимальная деформация сдвига в i-ом слое резины, имеющая место в плоскости отклонения ЭШ (при α=0), определяется по формуле
где δ - суммарный угол отклонения ЭШ;
i
R- внутренний сферический радиус резинового слоя (фиг. 3);
p
h - толщина резинового слоя (фиг. 3);
Σ
С- суммарная угловая жесткость ЭШ (формула (11));
i
C -угловая жесткость i-го резинового слоя (формула (12)).
Σ
Из того, что при отклонении ЭШ все резиновые слои нагружены одним и тем же моментом рулевых агрегатов, следует, что суммарная угловая жесткость ЭШ С определяется по формуле
где суммирование выполняется по всем резиновым слоям.
Угловая жесткость отдельного резинового слоя определяется по формуле
где G - модуль сдвига резины;
1i
ϕ - внутренний угол, определяющий резиновый слой (фиг. 3);
2i
ϕ - наружный угол, определяющий резиновый слой (фиг. 3).
ИСП
Приведенное к центральной кольцевой линии рассматриваемой тарели значение погонного крутящего момента m при автономных испытаниях ее усилием Q по схеме на фиг. 1 определяется по формуле
где  - диаметр центральной кольцевой линии тарели (фиг. 1);
1
2
ИСП
s - плечо пары погонных реакций nn, создающих погонный крутящий момент m на рассматриваемую тарель при действии усилия Q (фиг. 1);
1
2
β, β - углы наклона зон контакта рассматриваемой тарели в испытательной оснастке (фиг. 1).
1
2
Принимается, что благодаря слабой сжимаемости резины, реакции n, n (фиг. 1) перпендикулярны поверхности тарели в зонах контакта.
ИСП
Из равенства погонного крутящего момента в испытательной оснастке m (13) погонному крутящему моменту m (5) при α=0, действующему на рассматриваемую тарель в плоскости отклонения при работе ЭШ в штатных условиях, определяется значение усилия Q, при испытании которым в составе оснастки прочность рассматриваемой тарели не должна нарушаться.
При повышении усилия Q до разрушения тарели определяется ее прочность. Необходимо отметить, что усилие Q должно определяться с коэффициентом безопасности ƒ в соответствии с применяемыми при разработке ЭШ нормами прочности (обычно ƒ=1,3).
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет экспериментально испытать на прочность одну отдельно взятую тарель ЭШ путем нагружения ее погонным крутящим моментом, распределенным вдоль кольцевой центральной линии тарели, тем самым заменить испытания конструкции ЭШ в сборе
Данное устройство особенно полезно при разработке конструкции ЭШ с тарелями из пластика, когда возникает задача выбора наиболее подходящей марки пластика из числа предлагаемых промышленностью. В этом случае затраты существенно снижаются, а процесс разработки ускоряется за счет исключения изготовления и испытаний конструкции ЭШ в сборе.