Пневматические системы торможения
Параметры системы торможения практически не влияют на выбор параметров, определяющих процесс разгона объекта. Поэтому их целесообразно назначать уже после выбора основных параметров системы.
Сначала рассмотрим выбор элементов системы пневматического торможения на примере схемы с байпасными каналами (см. рис. 1.3,в). Размеры окон и проходных сечений каналов определяются на основании газодинамических расчетов. Наиболее точные результаты получаются путем численного решения нестационарных уравнений газодинамики в трехмерной постановке (метод Годунова, пакеты Star CD, Fluent и др.). Но, вследствие нестабильности работы ГГ (прежде всего скорости горения заряда), а также сил трения и утечек через зазоры, разброс выходных параметров (скорость подвижных частей катапульты в начале торможения) может оказаться достаточно существенным. Поэтому при проведении предварительных расчетов можно использовать более простые нульмерные методы, аналогичные описанным выше.Рассмотрим принципы определения основных размеров для схемы, приведенной на рис. 3.2.
На рис. 3.2,о показано положение поршня в момент начала торможения. До этого тормозная камера (на рисунке справа) соединялась с окружающей средой через окна сброса (на рисунке снизу размер Ьс) и отверстие в торце цилиндра (на рисунке справа), а избыток воздуха вытеснялся в атмосферу. В момент начала торможения игла практически полностью перекрывает отверстие, а окна сброса закрываются поршнем. Одновременно поршень начинает открывать окна входа в байпасный канал (размер Сб1), соединяя тормозную камеру с рабочей, давление в которой близко к расчетному. Газ перетекает из рабочей камеры в тормозную, и давления в них практически сравниваются (к этому моменту заряд в ГГ полностью или почти полностью выгорает). Поскольку диаметр иглы во всех случаях меньше диаметра штока, суммарная сила, развиваемая цилиндром, изменяет знак, что приводит к отделению объекта от траверсы.
в
Рис. 3.2. Схема тормозного устройства с байпасными каналами: а - положение перед началом перепуска; б - поперечное сечение; в - положение в конце
перепуска
После этого поршень закрывает окна выхода из байпасного канала (размер Хю) и одновременно открывает окна сброса, соединяющие рабочую камеру с атмосферой (рис. 3.2,в). Газ из рабочей камеры истекает через окна сброса в атмосферу, и давление в ней падает. Отверстие в торце по-прежнему перекрыто иглой, поэтому тормозная камера на этой стадии практически не связана с иными объемами и атмосферой, и давление в ней по мере перемещения поршня возрастает по закону, близкому к адиабатическому.
Оптимальным (с точки зрения минимизации пути торможения при прочностных ограничениях) законом торможения подвижных частей катапульты является торможение при постоянном давлении в тормозной камере. Однако для эффективного торможения необходимо, чтобы давление в ней было существенно выше расчетного давления в рабочей камере [p3], поэтому расчетное давление в тормозной камере выбирается на 5-20% более высоким, чем в рабочей (большее значение относится к большим отношениям массы
подвижных частей катапульты к массе объекта и меньшим давлением в рабочей камере цилиндра). Соответственно стенка тормозной камеры должна быть несколько прочнее, чем рабочей (впрочем, следует учитывать, что из-за малого времени работы тормозной камеры ее стенка практически не успевает прогреться, т.е. коэффициент кт в формуле, аналогичной (3.24), будет значительно ближе к единице, чем у рабочей камеры).
После того как в результате сжатия давление в рабочей камере достигнет расчетного, в отверстие в торце цилиндра входит тонкая часть иглы1. Диаметр иглы при этом подбирается таким образом, чтобы расход газа через зазор между отверстием и иглой компенсировал уменьшение объема тормозной камеры при движении поршня и давление в ней поддерживалось постоянным. Поскольку скорость поршня постоянно уменьшается, в дальнейшем диаметр иглы в сечении, проходящем через отверстие, должен возрастать.
Наконец, в какой-то момент скорость будет настолько малой, что площадь зазора между иглой и отверстием, необходимая для поддержания в камере торможения постоянного давления, окажется соизмеримой с площадью гарантированного зазора между этими элементами. После этого давление в камере торможения будет падать. Модуль ускорения также будет уменьшаться, т.е. полностью затормозить подвижные части катапульты при использовании такой схемы невозможно. Для окончательного торможения может использоваться буфер или сминаемый элемент. Однако энергия, которую поглощает такой элемент, составляет ничтожную часть от общей кинетической энергии подвижных частей катапульты. Остальное гасит пневматическая система.Отметим, что при использовании такой схемы случайный разброс скорости подвижных частей катапульты к моменту начала торможения приведет к соответствующему отклонению давления в тормозной камере и расхода через каналы и зазоры, однако общий путь торможения изменится незначительно
Как показывают расчеты, для снижения пути торможения в данной схеме необходимо, чтобы к моменту закрытия байпасного канала давление в камере торможения достигало 0,9-0,95 от давления в рабочем цилиндре. После этого дальнейшее сжатие газа в
1 Вместо уменьшения диаметра для обеспечения необходимого проходного сечения можно использовать фрезерованный паз. Это менее технологично, но позволяет добиться более высокой точности по площади проходного сечения.
75
камере торможения до предельного давления происходит в адиабатическом режиме (все отверстия в камере торможения закрыты). Если байпасный канал закроется раньше при меньшем давлении, то увеличится длительность адиабатического участка, на котором торможение происходит менее эффективно. Если байпасный канал закроется позже, то увеличится ход торможения. Для повышения площади байпасных окон и окон сброса на единицу длины цилиндра предлагается использовать компоновку, показанную на рис. 3.2. При этом закрытие окон сброса совпадает с открытием байпасного канала и наоборот.
Окна сброса и байпасного канала имеют прямоугольную форму (это позволяет обеспечить максимальный расход). Введем относительную площадь окон
Как показывают расчеты, окна сброса не позволяют стравить газ из рабочей камеры за время, сопоставимое со временем торможения (падение давления составляет всего 15-30 кгс/см2). В этих условиях основным принципом торможения является не снижение давления в рабочей камере, а увеличение давления в камере торможения (тем более что ее площадь больше на величину площади штока). Поэтому при выборе длины участка сброса Ьс следует исходить из длительности процессов истечения газов из рабочей камеры после торможения катапульты. При расчетах длину этого участка можно принималась равной 0,1-0,15 от диаметра силового цилиндра.
Окна сброса должны быть закрыты поршнем в течение всего времени работы байпасного канала (в противном случае перепускаемый газ будет стравливаться в атмосферу). С другой стороны, до открытия байпасного канала они должны обеспечивать истечение газа из камеры торможения (иначе повышенное давление в этой камере будет препятствовать ускорению катапульты), а после закрытия через них газ из рабочей камеры должен стравливаться в атмосферу. Поэтому окна сброса должны закрываться в камере торможения в момент открытия байпасного канала и открываться в рабочей камере в момент его закрытия. Следовательно, расстояния от нижнего края нижних окон байпасного канала до верхнего края окон сброса и от верхнего края верхних окон байпасного ка-
ня определяется по высоте байпасного канала, т.е. исходя из суммарного расхода через байпасный канал, обеспечивающего выравнивание давлений в рабочей камере и камере торможения.
Для повышения эффективности работы байпасного канала необходимо обеспечить требуемый (для выравнивания давления в рабочей камере и камере торможения) суммарный расход на минимальном пути поршня.
Для этого должна быть максимальной средняя (по пути поршня) площадь байпасных каналов при минимальном значении этого пути. Следовательно, необходимо, чтобы нижние отверстия продолжали открываться по крайней мере до тех пор, пока не начнут закрываться верхние. В этом случае до тех пор, пока поршень не займет среднее положение между нижней кромкой нижних окон и верхней кромкой верхних, общая площадь канала (она определяется как меньшая из двух площадей) сначала будет линейно возрастать, а потом линейно уменьшаться.Можно сделать так, чтобы нижнее окно перестало открываться, а верхнее начало закрываться в среднем положении поршня. В
Как уже отмечалось, при использовании данной схемы случайный разброс параметров, вызывающий отклонения от расчетной скорости подвижных частей катапульты, приводит к разбросу давления в камере торможения при достаточно стабильном пути торможения. В тех случаях, когда неконтролируемое повышение давления в тормозной камере недопустимо, вместо веретенного тормоза можно использовать клапан предельного давления на базе тарельчатых пружин (рис. 3.3). Такие клапаны, предложенные в КБСМ для гидравлических демпферов, позволяют за очень короткое время пропускать очень большие расходы жидкости или газа благодаря минимальной инерционности. Давление подается внутрь пакета предварительно сжатых тарельчатых пружин, и по достижении предельного давления происходит поворот (изгиб) пружины как пластинки с отверстием, нагруженной силами давления и шарнирно опертой по внутреннему контуру отверстия (сами пружины при этом остаются на месте и поступательно не перемещаются). Это приводит к открытию щели 5 по наружным кромкам, через которую происходит истечение газа. При этом на выходе из пружины газ достигает звуковой скорости.
Рис. 3.3. Схема клапана предельного давления, использующего набор тарельчатых пружин
Заметим, что по этой причине методики расчета такого клапана, работающего в газе и в жидкости, принципиально различаются.
Скорость газа по мере подхода к наружной кромке увеличивается,79
а давление падает. Степень падения давления зависит от отношения текущей площади к площади наружной кромки. Таким образом, чем больше изгибается (поворачивается) пружина, приближаясь по форме к плоской шайбе, тем больше среднее давление, действующее на элемент пружины, отличается от давления на входе.
При дальнейшем увеличении давления наступает предельное сжатие, при котором площадь кольцевой щели у внутренней кромки (-ndA) сравнивается с площадью щели у наружной кромкип( D5). Дальнейшего сжатия пружины, т.е. увеличения наружной щели, произойти не может, в противном случае критическое сечение переместится с наружной кромки на внутреннюю, течение в зазоре, начиная от внутренней кромки, станет сверхзвуковым, и давление в зазоре будет быстро уменьшаться по мере удаления от внутренней кромки. Это приведет к снижению общей силы давления и уменьшению прогиба пружины. Таким образом, при предельном открытии клапана отношение давления на входе (в камере торможения) к среднему давлению, которое действует на кольцевую поверхность пружины, приблизится к критическому (для продуктов сгорания газогенераторных топлив 1,7—1,8), а скорость течения газа по всему зазору между пружинами окажется близкой к звуковой.
Таким образом, при дальнейшем повышении давления на входе такой клапан перестанет увеличивать проходную площадь и будет работать дроссель постоянного сечения; при этом возможно появление колебаний. Для того чтобы исключить участок предельного сжатия, рабочий ход клапана выбирается достаточно малым (10% от хода, соответствующего предельному сжатию). В некоторых случаях целесообразно использовать специальные тарельчатые пружины, имеющие увеличенную высоту. Для рассматриваемых целей можно использовать тарельчатые пружины по ГОСТ 3057-90.
Так, для пружины П100х60х7х2 без предварительного поджа- тия A = 4 мм. Как показывают расчеты, при предварительном под- жатии каждой пружины на 1,0 мм (поджатие пары 2 мм) наружная щель откроется при давлении 200 кг/см2. Деформация пружин до 5 = 1,2 мм соответствует критическому режиму. Так как желательно, чтобы неравномерность давления при изменении расхода не превышала 10-15%, максимальное давление при работе клапана не должно превышать 230 кг/см2. Сжатие одной пружины при этом давлении 1,15 мм. Предельная величина раскрытия зазора 5 = 0,3 мм (что значительно меньше предельного значения 1,2 мм). В этом случае предельная площадь истечения, которую обеспечивает одна пара тарельчатых пружин, составит 0,94 см2. Во избежание дополнительного падения давления желательно, чтобы площадь внутреннего канала была не менее 2,5-3 площадей истечения. В рассматриваемом случае при d = 60 мм это условие соблюдается, если число пружин в наборе не превышает 20-25 пар пружин.
Основным преимуществом данных клапанов является их высокая собственная частота на воздухе - до 2000 Гц. Однако при расчетах с использованием тарельчатых клапанов необходимо учитывать, что в объем тормозной полости входит объем внутреннего канала в клапанах, который может оказаться значительно больше объема тормозной камеры, что увеличит длину адиабатического участка, а значит, и общий путь томоже- ния. Учитывая, что, обеспечивая стабильность давления, эта система допускает существенный разброс путей торможения, при использовании таких клапанов необходимо увеличивать запас пути Хзап.
3.3.2.