Лоток для торможения разгонных кареток
ACCELERATING CARRIAGES BRAKING TRAY

Предлагаемое изобретение относится к области техники, а конкретно к оборудованию для высокоскоростных трековых испытаниях изделий на ударное воздействие.
При трековых испытаниях различных изделий они устанавливаются на разгонной каретке трека и разгоняются с ее помощью до заданной скорости, после чего осуществляется торможение каретки с одновременной отстыковкой от нее изделия, и дальнейший его свободный полет до соударения с преградой. Для торможения разгонных кареток при проведении экспериментальных исследований на треке применяются различные типы тормозных устройств.
Известно устройство для торможения кареток /1/ - фрикционный башмак, приводимый в действие пороховым аккумулятором давления (ПАД). При срабатывании пиропатрона, находящегося в закрытой цилиндрической газовой полости тормозного цилиндра, воспламеняется пороховая шашка. Пороховые газы толкают поршень, действующий на жидкость в рабочей полости тормозного цилиндра, посредством которой передается усилие на фрикционные элементы, контактирующие с рельсом.
Недостатки данного устройства следующие:
- повышенный износ рельсовых направляющих трека при воздействие на них при торможении фрикционных башмаков;
- сложность осуществления синхронного срабатывания ПАДов при использовании на двухрельсовых треках.
В устройстве /2/ направляющие выполнены гибкими из натянутых стальных канатов, расходящихся под углом друг к другу в направлении движения каретки. Каретка с изделием тормозится за счет расхождения канатов, сводя их вместе, и кинетическая энергия каретки расходуется на трение и упругую деформацию направляющих.
При осуществлении торможения с применением этого устройства здесь, наряду с фрикционным износом направляющих, также может проявляться некоторая потеря прочностных характеристик направляющих за счет накопления усталостных явлений при обратимых деформациях.
Отдельную группу тормозных устройств представляют гидродинамические, в которых торможение высокоскоростных объектов осуществляется жидкостью, преимущественно водой.
Так, например, в устройствах /3, 4/ торможение разогнанного объекта предложено осуществлять встречным потоком воды.
Данные устройства хорошо работают для торможения в основном малоразмерных объектов. Однако, их недостатком является потребность в дополнительном насосном оборудовании, а применительно к большим трекам - необходимость в наличии значительных объемов воды.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является лоток для торможения разгонных кареток /5/, содержащий заполненную энергопоглощающей жидкой средой (водой) полость, образованную днищем, передней, задней и боковыми стенками. При достижении разгонной кареткой тормозного участка трека она попадает в лоток, частично погружается в находящуюся в нем воду, и вследствие гидродинамического взаимодействия погруженных элементов каретки с водой осуществляется ее торможение.
Недостатком данного устройства является то, что для полного торможения каретки с помощью воды оно должно иметь большую длину, вплоть до нескольких десятков метров.
Как уже описывалось выше, при испытаниях изделия на ударное воздействие его сначала разгоняют до заданной скорости с помощью разгонной каретки, а в начале тормозного участка происходит его отстыковка и дальнейший свободный полет до столкновения с преградой. Очевидно, что чем меньше будет расстояние от начала тормозного участка трека до преграды, тем меньше будет потеря скорости изделия при движении в свободном полете, более точным будет его попадание в заданную область преграды, более адекватными и точными будут результаты соответствующих измерений.
Технической задачей предлагаемого изобретения является уменьшение длины тормозного участка трека с обеспечением надежного и безопасного торможения высокоскоростных рельсовых разгонных кареток, а также повышение точности результатов сопутствующих испытаниям измерений.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном лотке для торможения разгонных кареток, содержащем заполненную энергопоглощающей жидкой средой полость, образованную днищем, передней, задней и боковыми стенками, в соответствии с изобретением полость по длине лотка выполнена секционированной посредством поперечных легкоразрушаемых перегородок, а заполняющие отдельные секции жидкие энергопоглощающие среды имеют различные реологические характеристики, - с увеличением коэффициента консистенции и соответствующим изменением индекса течения, в направлении движения разгонной каретки, подлежащей торможению.
Необходимость и достаточность вышеуказанных отличительных признаков предложенного технического решения может быть пояснена следующим образом.
Разделение исходно большой полости лотка на отдельные секции позволит исключить смешение заполняющих их энергопоглощающих жидких сред с различными реологическими характеристиками до начала торможения каретки, а разделяющие секции легкоразрушаемые перегородки не будут препятствовать последовательному перемещении каретки по секциям лотка при ее торможении.
Использование для заполнения секций лотка жидких энергопоглощающих сред с различными реологическими характеристиками позволит обеспечить в них эффективные режимы торможения разгонной каретки, соответствующие ее скорости в текущий момент времени и условиям контактного взаимодействия ее конструктивных элементов со средой.
В качестве энергопоглощающих жидких сред могут быть использованы, например, дилатантные жидкости с различной степенью консистенции, или электрореологические суспензии.
Вязкость дилатантных жидкостей, в отличие он ньютоновских, непостоянна, - увеличивается с ростом градиента скорости сдвига. Дилатантными свойствами обладают глиняные суспензии, системы песок-вода, взвесь крахмала в воде, суспензии силиката калия и т.п.
Электрореологические жидкости обладают способностью к быстрому обратимому изменению вязкости под действием электрического поля. Они представляют собой суспензии, состоящие из частиц поляризующихся материалов, распределенных в диэлектрических жидкостях, например кремнезема с размерами частиц не более 1 мкм. Дисперсионными средами могут служить неполярные или слабополярные органические жидкости с достаточно высоким электрическим сопротивлением, например, керосин, загущенный малыми добавками полиизобутилена, и др. В отсутствие электрического поля электрореологические жидкости ведут себя как большинство обычных суспензий, а при наложении электрического поля в них практически мгновенно происходит резкое (на несколько порядков) увеличение вязкости за счет образования цепочечных структур, направленных параллельно силовым линиям электрического поля.
При использовании для торможения разгонных кареток в качестве энергопоглощающей среды реологической жидкости лоток должен быть снабжен электродами, расположенными с внутренней стороны боковых стенок его секций и соединенных с источником регулируемого постоянного напряжения.
При разгоне каретка приобретает кинетическую энергию:
где М - масса каретки, кг;
Kр
V - скорость разогнанной каретки перед началом торможения, м/с.
Наряду с некоторыми потерями на разрушение передней стенки лотка и затем его перегородок, при торможении в жидкой среде, заполняющей секции лотка, эта энергия расходуется на придание скорости в различных направлениях отдельным объемам жидкости и их перемещение, внутреннюю турбулизацию, волнообразование, приращение свободной поверхности, каплеобразование, нагрев жидкости и элементов каретки и т.п. Полное теоретическое описание этих процессов затруднительно, однако ввиду того, что исходной их причиной служит силовое взаимодействие элементов каретки с жидкостью, процесс торможения качественно может быть проанализирован с учетом указанных силовых факторов.
T
Тормозящая каретку сила сопротивления жидкости F в конкретный момент времени складывается из двух составляющих:
Ф
где F - сила гидродинамического взаимодействия жидкости с фронтальными элементами каретки, Н;
Г+B
F - сила гидродинамического взаимодействия жидкости с горизонтальными и вертикальными элементами каретки, Н.
В силу третьего закона Ньютона равные по величине и противоположно направленные силы действуют со стороны каретки на жидкость, приводя к изменению ее энергетических характеристик.
При использовании для торможения неньютоновских жидкостей, в частности воды, указанные компоненты мгновенной тормозящей каретку силы могут быть описаны как:
Ф
2
где S - площадь взаимодействующих с водой фронтальных элементов каретки, м;
3
ρ - плотность жидкости (воды), кг/м;
K
V - текущая скорость каретки, м/с.
И
где  и m - соответственно количество горизонтальных и вертикальных поверхностей каретки, контактирующих с жидкостью;
Гi
2
S - площадь отдельного взаимодействующего с жидкостью горизонтального элемента каретки, м;
Bj
2
S - площадь отдельного взаимодействующего с жидкостью вертикального элемента каретки, м;
Гi
Bj
τ, τ - касательные напряжения в жидкости, действующие соответственно в горизонтальной и вертикальных плоскостях на взаимодействующие с жидкостью отдельные поверхности каретки, Па;
μ - динамическая вязкость, для ньютоновской жидкости не зависящая от скорости сдвига, Па⋅с;
-1
- градиент скорости сдвига жидкости в направлениях, перпендикулярных скорости движения каретки (вертикальном и горизонтальном), с;
Ф
Ф
Составляющая силы равная F, действующая со стороны каретки на прилегающие слои жидкости, является источником для приведения в движение прилегающего к фронтальным поверхностям каретки некоего объема жидкости, препятствовать чему, в первую очередь, будут возникающие в ней при этом напряжения сдвига (касательные) относительно невозмущенных слоев. Таким образом, уменьшение кинетической энергии каретки и ее торможение (снижение скорости) под действием силы F осуществляется преимущественно за счет преодоления сил внутреннего вязкого трения между слоями жидкости.
Г+B
Г+B
-6
Составляющая F описывает проявление сил вязкого трения, обусловленных действием касательных напряжений на отдельных горизонтальных и вертикальных элементах каретки, при ее движении в жидкости. Т.е. потеря энергии движущейся каретки под действием составляющей F происходит за счет на преодоление сил трения соответствующих элементов каретки о жидкость. Причем, в случае воды, обладающей малой динамической вязкостью μ (например, при температуре 20°С всего 1004⋅10 Па⋅с) вклад указанного силового фактора в торможение каретки весьма мал.
К
Ф
Г+B
Анализ зависимостей (3) и (4) показывает, что по мере снижения, вследствие потери энергии при торможении текущей скорости каретки V, будет соответственно уменьшаться как составляющая тормозящей силы F, так и F.
Если же в качестве тормозящей энергопоглощающей среды использовать неньютоновскую жидкость, обладающую, в частности, дилатантными свойствами, тогда
n
где k - коэффициент консистентности жидкой среды (может быть определен как вязкость среды при градиенте скорости сдвига  равном единице), Па⋅с;
n>1 - индекс течения, определяющий возрастание эффективной вязкости среды при увеличении скорости сдвига.
Если ввести понятие эффективной вязкости
тогда зависимость (5) может быть представлена аналогично (4) в виде
Ф
Г+B
Эффективная вязкость и плотность дилатантных жидкостей (и электрореологических) в силу их состава, существенно выше, чем у воды, поэтому при одинаковых значениях  соответственно выше и их энергопоглощающая способность, обусловленная действием сил вязкого трения, - как межслойного, генерируемого составляющей F, так и по поверхностям каретки под действием составляющей F.
Kp
При первичном контакте каретки с энергопоглощающей дилатантной жидкостью в первой секции лотка, когда скорость каретки V велика, соответственно будет большой и величина  - градиента скорости сдвига жидкости в направлениях перпендикулярных вектору скорости каретки. При достаточно больших значениях величин k и n жидкость по отношению к каретке может проявить себя практически как жестко-упругое тело. Т.е. первый же контакт «каретка-жидкость» будет фактически ударным взаимодействием, что чревато разрушением отдельных элементов каретки, ее опрокидыванию и т.д.
эф
К
Ф
Г+B
Поэтому, заполнение отдельных секций лотка жидкими энергопоглощающими средами, имеющими различные реологические характеристики, - с увеличением коэффициента консистенции и соответствующим изменением индекса течения в направлении движения каретки, подлежащей торможению, позволит обеспечить сначала вход каретки в первую секцию лотка без разрушения ее элементов, а затем, по мере ее движения по лотку с замедлением, поддержание приблизительно одинаковых условий вязкостного трения при перемещении из секции в секцию. Так, если в первой секции по ходу торможения лотка энергопоглощающая жидкая среда имеет реологические характеристики k и n, а в последующих k' и n', k'' и n'' и т.д., то при выполнении условия k<k'<k''<… и n≤n'≤n''≤… в каждой секции лотка можно получить близкие по величине значения эффективной вязкости среды μ (соответствующие величине  (см. (6)), определяемой в свою очередь текущей скоростью каретки V и, как следствие, приблизительно равные тормозные факторы, обусловленные вязкостным трением под действием сил F и F. Т.е. каретка будет тормозиться практически с постоянным замедлением, а тормозной путь вплоть до полного ее останова, и соответственно необходимая длина лотка, будут меньшими, чем в случае лотка с водяным торможением.
При использовании для торможения кареток электрореологических суспензий величина эффективной вязкости возможны два варианта:
1 - секции лотка заполняются суспензиями с разными исходными реологическими характеристиками для каждой секции с выполнением условия k<k'<k''<… и n≤n'≤n''≤…, а на электроды, расположенные с внутренней стороны боковых стенок секций лотка, от регулируемого источника подается постоянное напряжение одинаковой величины для всех секций;
2 - секции лотка заполняются суспензиями с одинаковыми исходными реологическими характеристиками k=k'=k''=… и n=n'=n''=…, в этом случае на электроды, расположенные с внутренней стороны боковых стенок секций лотка, от регулируемого источника подается постоянное напряжение разной величины для всех секций, посредством чего обеспечивается условие k<k'<k''<… и n≤n'≤n''≤…
эф
Как и с дилатантной жидкостью оба этих варианта обеспечат в каждой секции лотка близкие по величине значения эффективной вязкости среды μ, и соответственно приблизительно равные тормозные факторы.
Конструкция устройства поясняется следующей графической информацией (количество секций лотка не ограничивается тремя, представленными на приведенных иллюстрациях только в качестве примера):
На фиг. 1 схематично представлен вид сбоку лотка и разгонной каретки с испытываемым изделием перед торможением в дилатантной эцергопоглощающей среде.
На фиг. 2 также схематично представлен вид сверху лотка и разгонной каретки с испытываемым изделием перед торможением в дилатантной энергопоглощающей среде.
На фиг. 3 схематично представлен вид сверху лотка и разгонной каретки с испытываемым изделием перед торможением в электрореологической энергопоглощающей среде.
Стрелками на иллюстрациях показано направление движения каретки со изделием к устройству торможения.
Лоток для торможения разгонных кареток содержит заполненную энергопоглощающей жидкой средой полость, образованную днищем 1, передней 2, задней 3 и боковыми стенками 4. Полость по длине лотка выполнена секционированной посредством поперечных легко разрушаемых перегородок 5. Отдельные секции лотка заполнены жидкими энергопоглощающими средами 6, 6', 6'' с различными реологическими характеристиками, - коэффициентами консистенции k (k>k'>k'') и индексами течения n (n≥n'≥n''). Каретка 7 разгоняется по рельсовым направляющим 8 посредством реактивных двигателей 9 и несет на себе испытываемое изделие 10.
Для использовании при торможении кареток в качестве энергопоглощающей среды 6, 6', 6'' реологической жидкости (фиг. 3) лоток снабжен электродами 11, 12, 11', 12', 11'', 12'', расположенными с внутренней стороны боковых стенок его секций и соединенными с источником регулируемого постоянного напряжения 13, с возможностью отдельного подключения посредством ключей 14, 14', 14''.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Секции лотка (фиг. 1, 2), образованные общим днищем 1, передней 2, задней 3 и боковыми стенками 4 и внутренними легкоразрушаемыми перегородками 5 перед испытаниями заполняются жидкими энергопоглощающими средами 6, 6', 6'' с различными реологические характеристиками.
Каретка 7 с испытываемым изделием 10 посредством реактивных двигателей 9 движется по рельсовым направляющим 8 трека до зоны торможения, где происходит столкновение каретки с легко разрушаемой передней стенкой лотка 2. В этот момент осуществляется отстыковка изделия 10 от каретки 7 и дальнейшее его движение по заданной траектории вплоть до удара о преграду.
эф
К
Ф
Г+B
При столкновении каретки 7 с передней стенкой лотка 2 стенка разрушается, каретка попадает в лоток, и за счет взаимодействия ее отдельных элементов с жидкой энергопоглощающей средой 6, находящейся в первом отсеке лотка, начинается гидродинамическое торможение. Перемещаясь по лотку каретка, последовательно разрушая перегородки 5, из первой секции попадает во вторую с энергопоглощающей средой 6', затем в третью (с энергопоглощающей средой 6'') и т.д. Энергопоглощающие среды в разных секциях имеют различные реологические характеристики (с увеличением коэффициента консистенции и соответствующим изменением индекса течения, в направлении движения каретки - k<k'<k''<… и n≤n'≤n''≤…), что позволяет получить в них близкие по величине значения эффективной вязкости μ (определяемой текущей скоростью каретки V) сред и, как следствие, приблизительно равные тормозные факторы, обусловленные вязкостным трением под действием сил F и F, вследствие чего каретка 7 тормозится практически с постоянным замедлением.
эф
В случае заполнения секций лотка энергопоглощающими средами 6, 6', 6'', обладающими электрореологическими свойствами (фиг. 3), для обеспечения в них близких по величине значений эффективной вязкости μ, на электроды 11, 12, 11', 12', 11'', 12'', расположенные с внутренней стороны боковых стенок 4 его секций, от регулируемого источника 13 посредством ключей 14, 14', 14'' подается постоянное напряжение.
В результате в обоих случаях каретка 7 тормозится вплоть до полного ее останова практически с постоянным замедлением на меньшем тормозном пути, чем в случае лотка с водяным торможением.
Таким образом предлагаемое устройство обеспечивает надежное и безопасное торможение высокоскоростных рельсовых разгонных кареток с уменьшением необходимой длины тормозного участка трека, т.е. фактически - длины лотка, а также повышение точности результатов сопутствующих испытаниям измерений, в связи с уменьшением дистанции, преодолеваемой испытываемым изделием с момента расстыковки от каретки до преграды, и как следствие, меньшей потере скорости изделия при движении в свободном полете и более точного его попадания в заданную область преграды.
Источники информации, принятые во внимание при оформлении заявки:
1) В. Балакин, Ракетные треки - М.: Наука и жизнь, №2, 2006 г., - с. 38-39.
2) Патент РФ №2235302, G01M 7/08, G01N 3/313, Стенд для испытаний изделий на ударное воздействие, разгонное устройство стенда, тормозное устройство стенда, 2004.
3) Патент Франции 22534649, F16F 9/00, F42B 13/00, G01M 19/00, Method and device for recuperating projectiles, 1984.
4) Патент Японии №3028700, F42B 35/00, G01P 3/66, Bullet body speed measuring device for scoop type soft recovering apparatus, 1991.
5) Патент РФ №112420, Мобильное устройство для обогрева тормозного участка ракетного трека, G01M 15/02, 2012.