Стенд для ударных испытаний

Полезная модель относится к испытательной технике и может быть использована для испытания объектов на высокоскоростное ударное воздействие. Одной из важных задач в испытательной технике является проверка функционирования объектов при высокоскоростном соударении с различными преградами.
Известен стенд для испытаний механических систем на ударное воздействие, содержащий основание, эстакаду, закрепленные на эстакаде направляющие с наклонным и горизонтальным участками, размещенный в направляющих молот в виде тележки, платформу-боек с колесами и устройство для неподвижного закрепления объекта испытаний, установленное неподвижно на конце направляющих. Авторское свидетельство СССР № 1538079, МПК G01М 7/00, 23.01.1990. Недостатком известного стенда является невозможность высокоскоростного соударения. Так, например, для получения скорости ~ 100 м/с потребовалась бы высота эстакады ~ 500 м, что практически нереализуемо.
Известен стенд для ударных испытаний, содержащий основание, направляющие, устройство для закрепления объекта испытаний, установленное неподвижно на конце направляющих, платформу-боек с размещенным по ходу ее движения спереди имитатором преграды, наружная поверхность которого, предназначенная для взаимодействия с объектом испытаний, расположена под заданным наклоном к направляющим и обращена открытой поверхностью к объекту испытаний, устройство для приведения в движение по направляющим платформы-бойка. Платформа-боек установлена на пилонах, снабженных башмаками, под заданным наклоном к направляющим. Платформа-боек заполнена полимеризуемым пенополиуретаном с песком заданной плотности – имитатором грунтовой преграды. Патент РФ № 2244910, МПК G01М 7/08, 20.01.2005.
Недостатком известных стендов является невозможность реализации высокоскоростного соударения объекта с преградой, выполненной из нескольких различных материалов. В реальности, при высокоскоростном соударении, объект испытаний может взаимодействовать с грунтом, затем с бетоном или с бетоном, затем со щебнем и песком. Возможны и другие сочетания преград.
Известен также стенд для ударных испытаний, содержащий основание, направляющие, устройство для закрепления объекта испытаний, установленное на конце направляющих, платформу-боек с размещенным по ходу ее движения спереди имитатором преграды, содержащим установленные друг за другом элементы из разнородных материалов, поверхность каждого из которых, предназначенная для взаимодействия с объектом испытаний, расположена под заданным наклоном к направляющим, и устройство для приведения в движение по направляющим платформы-бойка. Патент РФ на полезную модель № 153459, МПК G01М 7/08, 20.07.2015. Недостатком указанного стенда является относительно низкая достоверность результатов испытаний, так как реальный объект до столкновения с преградой подвергается интенсивному аэродинамическому нагреву при движении в атмосфере с высокой скоростью (см., например, Бажанов В.Л. и др. Расчет конструкций на тепловые воздействия. – М.: Машиностроение, 1969. – 600 с. – С. 106–115). Повышение температуры силовой оболочки объекта вызывает снижение механических характеристик материала, из которого она изготовлена. Например, для алюминиевого сплава АМ6 нагрев до 400 °С приводит к уменьшению предела текучести на 37 %, предела прочности – на 73 %, модуля Юнга – на 13 %. Для стали 1Х18Н9Т при нагреве до 400 °С предел текучести уменьшается на 23 %, предел прочности – на 24 %, модуль Юнга – на 21 % (см.: Бажанов В.Л. и др. Расчет конструкций на тепловые воздействия. – М.: Машиностроение, 1969. – 600 с. – С. 35–45). Снижение механических характеристик материала силовой оболочки объекта может привести к его разрушению до момента срабатывания при столкновении с жесткими преградами, такими, как бетон или стальная плита. Следовательно, необходимо проводить ударные испытания объекта с учетом его аэродинамического нагрева при движении на траектории.
Известен также стенд для ударных испытаний, содержащий основание, направляющие, устройство для закрепления объекта испытаний, установленное на конце направляющих, платформу-боек с размещенным по ходу ее движения спереди имитатором преграды, содержащим установленные друг за другом элементы из разнородных материалов, поверхность каждого из которых, предназначенная для взаимодействия с объектом испытаний, расположена под заданным наклоном к направляющим, и устройство для приведения в движение по направляющим платформы-бойка, включено съемное нагревательное устройство, выполненное в виде двух створок, охватывающих объект испытаний. Патент РФ на полезную модель № 171399, МПК G01M 7/08, 30.05.2017. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является относительно невысокая достоверность результатов испытаний, так как нагревательное устройство стенда обеспечивает нагрев силовой оболочки объекта испытаний до некоторой усредненной температуры. При аэродинамическом нагреве объекта испытаний на его поверхности выделяются характерные области, в которых температура может существенно отличаться. Например, если объект испытаний имеет коническую форму со сферическим притуплением наконечника, то температура в области наконечника будет существенно выше температуры боковой поверхности. (см.: Бажанов В.Л. и др. Расчет конструкций на тепловые воздействия. – М.: Машиностроение, 1969. – 600 с. – С. 108–111). Если объект испытаний конической формы со сферическим притуплением наконечника имеет хвостовой стабилизатор, то максимальные температуры будут в области сферического притупления и у хвостового стабилизатора. Указанное распределение температуры по силовой оболочке объекта испытаний необходимо моделировать в процессе эксперимента.
Техническим результатом полезной модели является повышение достоверности ударных испытаний объекта.
Технический результат достигается тем, что в стенде для ударных испытаний, содержащем основание, направляющие, устройство для закрепления объекта испытаний, установленное на конце направляющих, платформу-боек с размещенным по ходу ее движения спереди имитатором преграды, содержащим установленные друг за другом элементы из разнородных материалов, поверхность каждого из которых, предназначенная для взаимодействия с объектом испытаний, расположена под заданным наклоном к направляющим, устройство для приведения в движение по направляющим платформы-бойка и съёмное нагревательное устройство, выполненное в виде двух створок, охватывающих объект испытаний, нагревательное устройство содержит нагревательные элементы, количество которых равно количеству характерных областей нагрева объекта испытаний, причем каждый нагревательный элемент реализует свою функцию энерговыделения.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен вид стенда сбоку.
На фиг. 2 представлена схема имитатора преграды.
На фиг. 3 представлена схема имитатора аэродинамического нагрева.
Стенд для ударных испытаний содержит основание (на чертеже не показано), прикрепленные к нему рельсовые направляющие 1, установленное неподвижно на конце рельсовых направляющих 1 выполненное в виде фермы устройство 2 для закрепления объекта испытаний 3 в определенном положении под углом α к рельсовым направляющим 1. На рельсовых направляющих 1 на башмаках 4 с возможностью перемещения установлена платформа-боек 5 (далее по тексту «платформа»). На платформе 5 спереди по ходу ее движения размещен имитатор преграды 6, наружная поверхность которого, предназначенная для взаимодействия с объектом испытаний 3, обращена к объекту испытаний 3 и расположена с заданным углом наклона к направляющим 1. На платформе 5 размещено устройство для приведения в движение платформы 5 по рельсовым направляющим 1, выполненное в виде одного или нескольких ракетных двигателей 7.
Имитатор преграды 6 выполнен содержащим установленные друг за другом элементы 8 и 9 из разнородных материалов (в данном примере элемент 8 выполнен из грунта, элемент 9 – из бетона), поверхность каждого из которых, предназначенная для взаимодействия с объектом испытаний 3, расположена под заданным углом к направляющим 1. Элемент 8 может быть закрыт со стороны объекта испытаний 3 тканевым тентом 10. Элемент 9 прикреплен к каркасу платформы 5. Элементы 8 и 9 имитатора преграды могут быть разнесены по ходу движения. Бортовая аппаратура объекта испытаний 3 связана проводной линией 11 с регистрирующей аппаратурой 12.
Для имитации аэродинамического нагрева объект испытаний 3 помещен в нагревательное устройство 13, в котором размещены нагревательные элементы 14 и 15, соединенные кабельными линиями 16 с источником электропитания 17. Нагревательные элементы 14 и 15 реализуют каждый свою функцию энерговыделения для создания в силовой оболочке объекта испытаний требуемого температурного поля. Нагревательное устройство 13 выполнено разъемным, состоящим из двух створок – нижней створки 18 и верхней створки 19, выполненных из керамического материала, в которых проложены нагревательные элементы 14 и 15. Внутренняя поверхность створок 18 и 19 повторяет контуры объекта испытаний 3. Верхняя створка 19 имеет прорезь 20 для элементов крепления объекта испытаний 3 к устройству 2.
Работа стенда осуществляется следующим образом. Перед проведением испытаний для заданных (реальных) условий встречи задают начальное положение объекта испытаний 3 относительно рельсовых направляющих 1, габариты элементов 8 и 9 имитатора преграды 6, их взаимное положение на платформе 5 и положение относительно рельсовых направляющих 1. В зависимости от разгоняемой массы и скорости встречи объекта испытаний 3 с первой преградой 6 выбирают тип ракетного двигателя 7, их количество, начальное расстояние от имитатора преграды 6 до объекта испытаний 3. Затем объект испытаний 3 помещают в нагревательное устройство 13 и осуществляют его нагрев. Регулируя потребляемую мощность нагревательных элементов 14, 15 и время нагрева, создают в силовой оболочке объекта испытаний 3 температурное поле, имитирующее результат аэродинамического нагрева. Затем отключают электропитание и снимают с объекта испытаний 3 нагревательное устройство 13. Запускают ракетный двигатель 7, разгоняют платформу 5 с имитатором преграды 6 по рельсовым направляющим 1 до заданной скорости. Затем происходит последовательное взаимодействие объекта испытаний 3 с элементами 8 и 9 имитатора преграды 6. При этом осуществляется передача информации о функционировании объекта испытаний 3 с борта объекта испытаний 3 по проводной линии 11 на регистрирующую аппаратуру 12.
Таким образом, предложенный стенд для ударных испытаний обеспечивает повышение достоверности испытаний по сравнению с прототипом.