Тормозные устройства катапульты
В процессе разгона изделия разгоняются и подвижные элементы катапульты, такие как поршень, шток, траверса. Если эти элементы не выбрасываются вслед за ускоряемым объектом, то их необходимо затормозить в конце рабочего хода.
Для этого в состав катапульты должно входить специальное тормозное устройство. Ход и усилия торможения, как правило, подбираются таким образом, чтобы динамические нагрузки, действующие на элементы крепления катапульты при торможении, не превышали нагрузки на этапе разгона. Также желательно, в случае если на этапе разгонашток работает на растяжение, при торможении избежать его работы на сжатие.
Типовые схемы тормозных устройств приведены на рис. 1.3. Чтобы облегчить работу тормозного устройства, желательно стравить (выпустить) газы из рабочей полости силового цилиндра перед началом торможения (их давление будет препятствовать торможению). Для этих целей используются окна сброса давления 1 - круглые или прямоугольные отверстия в стенке цилиндра 2 (рис. 1.3,а). При нижнем положении поршня через эти окна выходит воздух, вытесняемый из верхней части цилиндра при движении поршня вверх. После того как нижняя кромка поршня поднимется выше нижней кромки окна, начинается истечение газов из цилиндра. Желательно использовать по возможности большее число окон. Ширина каждого окна при этом будет сравнительно невелика, что снизит износ уплотнений в поршне (металлических колец или резиновых уплотнений обтюрирующего типа).
Рис. 1.3. Схемы тормозных устройств
Достаточно эффективны схемы пневматического торможения (рис. 1.3,а-в). На рис. 1.3,а, после того как верхняя кромка поршня 3 поднимется выше верхней кромки окна, начинается сжатие воздуха в полости, расположенной над поршнем. Если эта полость не сообщается с атмосферой, то давление в ней повышается в соответствии с законом адиабатического сжатия.
Это, однако, приводит к неэффективному режиму торможения, так как давление в верхней полости p изменяется пропорционально 1/xk, где х - расстояние от поршня до верхней крышки цилиндра (рис. 1.3,а), k - показатель адиабаты. При этом максимальное давление в десятки раз превышает среднее, что вызывает появление значительных динамических нагрузок на завершающем этапе торможения при достаточно большом пути торможения.Оптимальным законом торможения является равнозамедленное движение подвижных частей катапульты: в этом случае они тормозятся на минимальном пути при приемлемом значении давления (а значит, и ускорений). Повысить эффективность пневматического тормоза и приблизиться к такому режиму можно, стравливая воздух из верхней полости через отверстие переменного сечения. Для этого на поршне устанавливается профилированная «игла» 4, которая входит в отверстие, расположенное в верхней крышке. Первоначально диаметр иглы близок к диаметру отверстия и истечение воздуха незначительно, что приводит к повышению давления. После того как оно достигает расчетной величины, соответствующей заданному ускорению торможения подвижных частей, диаметр иглы уменьшается (проходное сечение возрастает). Диаметр на этой стадии выбирается таким образом, чтобы сжатие воздуха из-за уменьшения объема компенсировалось утечкой через зазор, т.е. давление поддерживалось близким к постоянному. Поскольку при торможении скорость подвижных частей катапульты будет уменьшаться, для поддержания постоянного давления далее необходимо уменьшать площадь зазора, т.е. увеличивать диаметр иглы. В конце зазор снова должен быть минимальным. Расчеты показывают, что такая схема обладает эффектом саморегулирования: разброс начальных скоростей подвижных частей компенсируется соответствующим увеличением или уменьшением давления в верхней полости и путь торможения изменяется мало.
Недостатком такой системы является сложность обеспечения малых значений зазоров. Если минимальный зазор слишком большой, система торможения будет неэффективной в конце торможения (при малых скоростях подвижных частей) и произойдет удар.
В качестве альтернативной схемы для сброса давления можно воспользоваться клапаном предельного давления (рис. 1.3,6). Основная проблема при разработке такого клапана - обеспечение его быстродействия. Анализ показывает, что при использовании традиционных цилиндрических пружин решить эту проблему невозможно. Нужны более сложные клапаны, в которых пружину заменяет сжатый воздух или газ. В качестве клапана сброса давления может использоваться быстродействующий дифференциальный клапан (рис. 1.4). Особенностью данной схемы является то, что управляющее давление ру может создаваться за счет перепуска газов из силового цилиндра. На входе в подводящий трубопровод устанавливается дроссель, размер которого подобран таким образом, чтобы к началу торможения давление в рабочей полости клапана сравнялось с давлением в силовом цилиндре, а за время торможения практически не изменилось. Площадь седла клапана выбирается исходя из потребной площади истечения. Основное требование к клапану - уменьшение массы узла «поршень- седло».
Рис. 1.4. Быстродействующий дифференциальный клапан
Общим недостатком схем а и б является низкая эффективность торможения на начальной стадии: в начальный момент давление в тормозной полости равно атмосферному. При рабочем давлении 20 МПа отношение хода катапульты, на котором давление будет возрастать по адиабате, к пути, на котором оно будет поддерживаться постоянным и равным предельному, составляет 43, т.е. фактически игла в схеме а и клапан в схеме б работать не будут. Решить проблему позволяет схема, показанная на рис. 1.3,в, в которой может использоваться как игла 4, так и клапан, аналогичный схеме б. При торможении одновременно с открытием окон сброса 1 открываются нижние окна байпасных каналов 5, которые на этой стадии соединяют рабочую камеру катапульты с тормозной. В результате давление в этих камерах становится одинаковым. Далее поршень проходит верхние окна байпасных каналов, разрывая соединение камер, и дальнейшее торможение управляется истечением газа через зазор вокруг иглы или клапана.
Определенную проблему представляет то, что, в отличие от предыдущих вариантов, через зазор или клапан истекают газы, имеющие высокую температуру.Помимо пневматических, для торможения катапульты можно применять гидравлические тормозные устройства, дополнительным достоинством которых является то, что жидкость в них можно применить для впрыска в истекающие газы с целью их охлаждения. На рис. 1.3,г представлена схема такого тормоза. Здесь используется дополнительный поршень 6, вставленный с небольшим натягом в гидроцилиндр. К поршню крепится профилированная «игла», которая входит в отверстие, закрытое разрывной мембраной 7. После прохождения основным поршнем 3 окон сброса давление воздуха в области, расположенной между поршнями, увеличивается, дополнительный поршень страгивается с места и плавно ускоряется. Игла протыкает мембрану, и начинается истечение жидкости, причем профиль иглы выбирается таким образом, чтобы обеспечить давление жидкости постоянным и близким к расчетному. Можно использовать схему, в которой мембрана разрывается давлением жидкости и лишь потом в отверстие входит игла. К недостаткам данной схемы можно отнести то, что при ускорении поршня 6 может возникнуть колебание давления воздуха между поршнями, которое приведет к колебаниям штока, сопровождающимся повышенными динамическими нагрузками. Для уменьшения колебаний целесообразно к поршню 6 прикрепить пластический элемент, поглощающий энергию удара, по аналогии с элементом 2 (см. рис. 1.5). При большой скорости соударения поршней возможен заброс давления в гидроцилиндре, связанный с волновыми процессами в жидкости и задержкой времени установления истечения через зазор.
Общим недостатком схем а-г является то, что при торможении шток испытывает значительные сжимающие нагрузки и для
обеспечения его устойчивости необходимо увеличивать его диаметр, что соответственно увеличит диаметры цилиндров. Пневматическая схема торможения катапульт для выброса объектов большой массы, в которой при торможении шток не нагружается, приведена ниже в разд.
6.К другим видам тормозных устройств относятся устройства, работающие на принципе поглощения энергии при пластической деформации специального тормозного элемента. Тормозной элемент изготавливается из высокопластичных марок сталей (малоуглеродистая или аустенитная). Основные требования - малый участок упругих деформаций, постоянство и стабильность усилия на пластическом участке деформации, максимальная величина отношения длин в исходном состоянии и при разрушении. На рис. 1.3,д показаны элементы, в которых основные пластические деформации происходят при сжатии элемента 8. В тормозном элементе дорнового типа (рис. 1.3,е) тормозное усилие возникает вследствие окружных пластических деформаций втулки 9 при углублении в нее конического штока 10. Преимущество таких тормозных элементов - простота конструкции. Однако они требуют экспериментальной отработки конструкции тормоза и обеспечения высокой стабильности механических свойств используемых материалов. Небольшие отклонения от заданных размеров, технологии изготовления и требуемых свойств материала могут привести к заметным отклонениям тормозных характеристик (закона изменения тормозного усилия от пути). К недостаткам таких устройств следует отнести и то, что после использования катапульты ее необходимо полностью разбирать и устанавливать новые тормозные элементы, причем разборка элемента типа «дорн» может вызвать определенные сложности.
1.4.