Разработка и обоснование компоновочной схемы проекта

Под нераздельными понимаются противооткатные устрой­ства, в которых преобразователи и аккумуляторы энергии конструктивно и функционально объединены.Основная особенность расчета таких ПОУ заключается в необходимости учета температурного изменения энергетичес­ких характеристик сжатого газа накатника вследствие постоянного контакта его с рабочей жидкостью. Другие осо­бенности обусловлены конкретной конструктивной схемой ПОУ.

Рассмотрим порядок проектирования нераздельного ПОУ на примере схемы, показанной на рисунке 2.1.Устройство содержит два цилиндра 1 и 7, соединенных патрубком 6. В цилиндре 1 расположен шток 2 с поршнем 3. Шток 2 закреплен в люльке 8, цилиндр 1 связан с откатны­ми частями. В цилиндре 7 размещены тормоза отката и нака­та, а также накатник. Тормоз отката составляют регулировоч­ное кольцо 11 и втулка 12, на наружной поверхности которой нанесен соответствующий профиль. Шток 13 с модератором 14 и втулка 12, на внутренней поверхности которой нанесены канавки переменной гаубицы, составляют тормоз наката. Часть цилиндра 7, ограниченная поршнем 9 и цилиндром 10, образует полость накатника, заполненную сжатым воздухом. Втулка 12 неподвижно крепится к поршню 9. Кольца 15, 17 и пружина 16 представляют клапанное устройство. Полости I, II, IV, V за­полнены рабочей жидкостью. Для предотвращения истечения воздуха и жидкости из полостей устройства в нем преду­смотрены уплотнения 18, 19, 20, 22.

Рисунок 2.1 – Нераздельное ПОУ

Работа устройства. При выстреле цилиндр 1 совместно с откатными частями перемещается в направлении отката. Жидкость из полости I через каналы 4, 5 и патрубок 6 по­падает в полость III цилиндра 7, а через регулирующий зазор между втулкой 12 и кольцом 11 — в полость IV. Под действием сил р₃S₁ и p₄A_H поршень 9 перемещается, сжимая воздух в полости VI. При этом часть жидкости через отвер­стия 21 в основании втулки 12, воздействуя на боковую по­верхность кольца 15, сдвигает его (на рисунке—влево), обес­печивая проход для заполнения полости V тормоза наката. Тормозящая сила p₁A_Т (р₃А_Т) образуется при создании давле­ния жидкости в

полостях I, III вследствие дросселирования ее через регулирующий зазор и приложена к переднему дну цилиндра, препятствуя откату. Равная ей по величине, но противоположно направленная сила, приложенная к поршню 3, стремится переместить орудие по основанию в сторону отката и развернуть относительно линии сошниковых опор (на ри­сунке не показано).

При накате под действием пружины 16 кольцо 15 пере­крывает канал 21, и жидкость из полостей IV, V дроссели­рует под действием усилия сжатого воздуха в полости VI, перемещающего поршень 9, в полость III через зазор между кольцом 11 и втулкой 12, а также через канавки переменно глубины на внутренней поверхности втулки 12. Попадая далее через патрубок 6, каналы 5 и 4 в полость I, она воздействует на переднее дно цилиндра 1, заставляя его пе­ремещаться совместно с откатными частями в исходное до выстрела положение. Характер силового воздействия на ору­дие тот же, что и при откате, но отличается меньшим дина­мизмом.

Достоинства указанной схемы определяются следующим:

- силовое взаимодействие между элементами в цилиндре 7 не влияет на устойчивость орудия при выстреле, что обуслов­лено замкнутостью этой системы. Поэтому на всем периоде отката — наката силовое воздействие в цилиндре 1 характе­ризуется знакопостоянством;

- сборка в цилиндре 7 может быть размещена практичес­ки в любом месте лафета, что снимает трудности компоновки орудия по части противооткатных устройств;

- длина хода поршня 9 с втулкой 12 управляема, и может быть больше, равна или меньше длины отката. Это также дает определенную свободу в выборе параметров конструкции и ее компоновки на орудии.

Основным недостатком конструкции является отсутствие ограничения движения откатных частей при накате в проме­жуточных положениях, что может привести к образованию вакуума в полости I и неуправляемому движению откатных частей вплоть до удара переднего дна цилиндра 1 в люль­ку 8. Предотвратить подобный эффект можно лишь правиль­ным расчетом характеристик движения жидкости и параметров ПОУ.

Математическая модель такого ПОУ основана на двух уравнениях: Бернулли и сплошности.

Так как по условию функционирования ПОУ р₁=р₃, то

(2.1)

Тогда из (2.1)

(2.2)

Из уравнения сплошности

Получим

(2.3)

Подставляя (2.3) в (2.2), получим

(2.4)

где

Аналогичным образом можно получить зависимость для определения регулирующего зазора тормоза наката. Допол­ненные геометрическими соотношениями, эти зависимости представляют собой математическую модель противооткатного устройства. В качестве частных критериев следует использо­вать массово-габаритные и режимные параметры ПОУ.

Струйные тормоза

Гидравлической струей называется конечный поток жидко­сти, не ограниченный твердыми стенками. Гидро­струи бывают затопленными и незатопленными. Струя, выте­кающая в жидкость, однородную с жидкостью струи, назы­вается затопленной. Струя, вытекающая в атмосферу, назы­вается незатопленной. Функционирование струйного гидротор­моза основано на использовании кинетической энергии струи рабочей жидкости.

Рассмотрим схему простейшего гидротормоза (рисунок 2.2)

Рисунок 2.2 – Схема простейшего гидравлического тормоза

При перемещении цилиндра в направлении отката в рабочей полости образуется давление вследствие гидравлического сопротивления истечению жидкости через отверстие пло­щадью а_х.

Обозначим:

d — диаметр штока;

D — внутренний диаметр цилиндра (наружный диаметр поршня).

Тогда на поршень будет действовать сила

(2.5)

а на дно цилиндра

(2.6)

где R – струи на дно цилиндра.

Определим величину R на основе самых общих сообра­жений. Уравнение сплошности потока имеет вид

(2.7)

где все обозначения соответствуют общепринятым использованным выше.

Тогда из (2.7)

(2.8)

Умножая правую часть уравнения (2.8) на плотность ρ, получим массу жидкости, истекшей за время dt из полости I:

Величина W₂ много больше V, тогда как в рабочей по­лости скорость течения жидкости близка к нулю. Тогда можно записать зависимость для изменения количества движения

откуда

(2.9)

где W₂ определено зависимостью (2.8).

Как следует из (2.9), величина R является переменной и изменяется от нуля в начале отката до R_max при V = V_max и далее - до нуля в конце отката. Для орудия Д-44 R_max = 90 кН, а для Д-30 R_max =130 кН.

Таким образом, разница в усилиях на дно цилиндра и поршень определяется величиной

(2.10)

Практически все современные гидротормоза образуют струйное течение жидкости из рабочих полостей во вновь образуемые при взаимном перемещении элементов тормоза. Следовательно, при постановке гидротормозов на орудие целесообразно в откат пускать цилиндры.

На практике цилиндр имеет два дна, поэтому струя, уда­ряясь о заднее дно, теряет приобретенный импульс. По мере отката полость между поршнем и задним дном запол­няется жидкостью, поэтому струя становится затопленной, ее энергия расходуется на перемешивание жидкости в образуе­мой полости.

Постепенно струя теряет форму. Таким образом, в реальных тормозах величина ΔФ будет меньше, чем это могло бы быть исходя из (2.10)

(2.11)

где R₁(x) — сила воздействия струи на заднее дно цилиндра;

х — путь отката.

При необходимости определения силы R₁(х) можно воспользоваться зависимостями для основных характеристик затопленной струи — скорости на начальном участке и энергии на основном участке (рисунок 2.3).

Рисунок 2.3 – Осесиметричная свободная струя

На основании экспериментальных исследований проф. В.М. Коновалов предложил зависимость для определения осевой скорости струи на начальном участке:

(2.12)

где W₂ – скорость в начальном сечении;

d_H – приведенный диаметр струи. В рассмотренном выше случае

(2.13)

l – длина распространения потока;

т – опытная константа (т =2,9);

d – диаметр струи на расстоянии от начального сечения

(2.14)

Кинетическая энергия струи для основного участка

(2.15)

где Е₀ – кинетическая энергия в начальном сечении.

Описанный выше эффект силового воздействия истекаю­щей струи может быть использован в различных конструк­циях гидротормозов. На рисунке 2.4 показана конструкция, ана­логичная выше рассмотренной.

Рисунок 2.4 – Струйный гидравлический тормоз

Отличие заключается лишь в изменении направления движения струи и использовании ее энергии непосредственно для торможения движения откатных частей.

Изменение количества движения до и после воздействия струи на отбойную тарель

(2.16)

Очевидно, что величина силы R является функцией угла при прочих равных условиях. И при φ = 180° R получает наибольшее значение

(2.17)

где R_c - реакция струи на дно корпуса люльки.

Расход жидкости можно устранить, если использовать конструкцию ПОУ, схема которой показана на рисунке 2.5.

Рисунок 2.5 – Противооткатное устройство

После передачи основной струей импульса движения поршню она рассекается дополнительными струями, что приво­дит к уменьшению скорости ее движения, а наряду с приве­денной компоновкой накатника, обеспечивающего демпфиро­вание силового воздействия скоростной струи на поршень накатника, снижает величину силового воздействия жидкости на заднее дно накатника и всю сборку (накатник—шток-поршень).

Вакуумные противооткатные устройства

Рассмотренные выше противооткатные устройства являются преобразователями энергии с довольно низким кпд ее пере­дачи в атмосферу. За счет значительной разницы времен отката и наката и в силу используемых

принципов преобра­зования энергии, значительная ее часть накапливается в ПОУ, что может вызвать ограничения на режим стрельбы артилле­рийского орудия и как следствие снижение эффективности его боевого применения. В этом плане более предпочтитель­ными могут быть вакуумные противооткатные устройства либо их комбинации с описанными выше.

Рассмотрим конст­руктивные схемы таких устройств.

На рисунке 2.6 показана схема комбинированного ПОУ.

От известных данная схема отличается наличием вакуум­ной камеры 1, в которой размещается охлаждающая жид­кость.

Рисунок 2.6 – Комбинированное ПОУ

При перемещении штока с поршнем в откат жидкость из рабочей полости поступает через клапанный регулятор в полость накатника, перемещает плавающий поршень, сжимая воздух, который аккумулирует энергию, необходимую для возвращения откатных частей в исходное положение. Объем полости I резко возрастает, происходит разрежение располо­женного в этой полости воздуха и испарение охладителя. При этом температура смеси воздуха и паров охладителя резко снижается, на что расходуется часть энергии движущихся откатных частей. В связи с разной интенсивностью процессов отката и наката (t=(5...10)t₀) происходит отвод тепла от нагревающихся при

сжатии воздуха и дросселировании жид­кости, снижается интенсивность накопления энергии противо­откатным устройством, расширяются боевые возможности орудия. В рассмотренной схеме требуемый закон изменения приведенной схемы сопротивления откату обеспечивается клапанным регулятором.

В первом приближении математическая модель может быть получена на основе допущения об изменении состояния воздуха в вакуумных полостях по закону политропы.

Тогда работа по изменению состояния воздуха определя­ется следующими зависимостями:

(2.18)

Где V, p, ρ₁, T – соответственно объём, давление, плотность и температура воздуха в вакуумной камере;

п – показатель политропы;

k – количество вакуумных камер;

R₀ – удельная газовая постоянная;

(2.19)

Сложность реализации зависимостей заключается в необходимости экспериментального определения значения по­казателя политропы п как для отката, так и для наката. Поэтому более правильным был бы подход к проектирова­нию вакуумных ПОУ на основе более общих законов состоя­ния газа. Однако этот вопрос выходит далеко за рамки настоящей работы.

Заключение

Вопрос создания противооткатных устройств и их эксплуатации является многоплановым, конструктивных решений может быть бесчисленное множество.

Процесс проектирования противооткатных устройств со­стоит из ряда последовательно решаемых взаимообусловлен­ных задач и включает этапы, общие для проектирования лю­бого технического устройства. Объединенные вместе, эти этапы представляют алгоритм обобщенного проектирования, реализация которого в значительной мере способствует вы­полнению технического задания.

1. Формирование полного перечня требований, предъяв­ляемых к разрабатываемому устройству с учетом его места в общей структуре орудия; выделение тех требований, которые в основном определяют специфику его функционирования.

Для ПОУ — это набор функциональных, общетехнических и конструктивных требований. Сюда могут добавляться спе­цифичные требования, характерные лишь для данного проек­та. Например, для струйного тормоза может быть обусловле­но требование минимального расхода жидкости.

2. Формирование полного перечня физических законов, использование которых обеспечивает реализацию определяю­щих требований к устройству, обоснование достаточного ми­нимума этих законов и структуры их использования.

Для ПОУ, как правило, представляющих собой механи­ческие системы, таковыми являются общие законы механи­ки — сохранения энергии, импульса, массы.

3. Обоснование технического решения устройства, обеспе­чивающего реализацию необходимых физических законов (процессов), их взаимообусловленность и выполнение комп­лекса определяющих требований.

Для ПОУ (как и для любого устройства) — это либо вы­бор имеющейся, либо изобретение новой конструкции. Сле­дует иметь в виду, что требуемую конструкцию легче придумать (изобрести), чем приспосабливать под новые тре­бования старые конструкции.

Сказанные этапы составляют наиболее трудную в плане формализации часть обобщенного алгоритма — творческую часть.

4. Выбор метода формализации процессов функциониро­вания устройства и формирование на его основе математи­ческой модели.

Для ПОУ, например, для гидравлических тормозов — это аналити­ческие зависимости, описывающие течение жидкости в кана­лах с учетом ее кинематических и физических параметров, геометрических параметров тормоза.

5. Формализация определяющих требований в виде сово­купности частных критериев качества и выбор формы записи обобщенного (интегрального) критерия качества проекта.

Для ПОУ — это, например, минимум массы, объема, максимум (минимум) энергоемкости и т. д. Смысл формали­зации заключается в переводе качественных критериев (требований) в количественные показатели (критерии).

6. Выбор формы реализации математической модели и ее реализация:

- по виду решения (аналитическое, численное диффе­ренцирование, интегрирование, разложение в ряды, по ко­нечным разностям, по

фундаментальным функциям и т. д.);

- по степени автоматизации вычислений.

В конкретных решениях используется, как правило, ком­бинация способов решения и степеней автоматизации, а также их дублирование с целью контроля достоверности получаемых результатов.

7. Выбор формы представления и представление резуль­татов работы.

8. Оценка результатов работы.
Последовательность реализации этапов в принципе может меняться, каждый из этапов может неоднократно повторяться.

Исходя из выше сказанного, можно определить следующие пути совершенствования противооткатных устройств:

- разработка и применение комбинированных нераздельных ПОУ;

- проектирование устройств для стабилизации гидравлического сопротивления потоку жид­кости в канавочных (веретенных) гидротормозах при изменении температуры жидкости;

- применение дополнительных регулирующих устройств в клапанных тормозах отката (наката) и использование пневмобуферов наката, встроенных в цилиндры ПОУ;

- проектирование орудий с выкатом