6. УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЕ СХЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ ПНЕВМАТИЧЕСКИОЙ СИСТЕМЫ ТОРМОЖЕНИЯ ПОДВИЖНЫХ ЧАСТЕЙ КАТАПУЛЬТЫ
Эффективность мощных короткоходовых катапульт, предназначенных для выброса тяжелых изделий, например ракеты космического назначения из самолета, во многом определяется эффективностью системы торможения.
Увеличение пути торможения из-за неэффективности работы тормоза приводит к заметному уменьшению скорости выброса. Для таких катапульт в БГТУ была разработана схема пневматического тормоза, расположенного в нижней (штоковой части катапульты), в которой предварительное давление создается за счет подачи газов из рабочих полостей цилиндров. При выборе размеров тормозной камеры учитывалось, что площади окон сброса обычно не превышают 15-20% от площади боковой поверхности цилиндра (такие окна незначительно уменьшают рабочий ход катапульты), т.е. время торможения оказывается значительно меньше времени сброса давления из основного цилиндра. Поэтому можно считать, что давление в основном цилиндре в процессе торможения меняется незначительно (возможность уменьшения давления за счет использования форсированного сброса давления рассмотрим ниже). Таким образом, при торможении сила, развиваемая тормозом, должна быть больше силы, развиваемой основным цилиндром, причем торможение поршня и штока будет происходить под действием разности этих сил. В быстродействующих газовых системах достаточно сложно обеспечивать разность давлений, а следовательно, и разность сил. Поэтому чем с меньшим ускорением (чем на большем пути) будет тормозиться катапульта, тем больше будут относительная погрешность суммарной силы, разбросы скорости в конце торможения и вероятность появления случайных ударных нагрузок. По этой причине разность сил, которая обеспечивает торможение, не должна составлять менее 50% от силы, развиваемой основным цилиндром. Если принять, что при торможении сумма сил, действующих на цилиндр, равна силе при разгоне, но направлена в другую сторону, а давления в рабочей и тормозной камерах близки, то площадь тормозного цилиндра должна быть в два раза больше рабочей площади основного цилиндра.Вариант конструкции тормозного устройства, установленного в нижней части катапульты, показан на рис. 6.1. Диаметр тормозной камеры D4 больше диаметра рабочего цилиндра D3. Сварной корпус камеры торможения 12 является передней крышкой силового цилиндра и изготавливается из двух деталей. Основная деталь - поковка, на которую после предварительной обработки и сверления отверстий (D0) надевается и приваривается несимметричное кольцо с отверстием под подводящий трубопровод (D2) от ГГ. После сварки производится окончательная обработка. Если байпасная проточка 8 для выпуска газов в процессе торможения выполняется соосно с диаметром D4, то ее максимальная высота будет заметно меньше 1 мм, что потребует высокой точности ее изготовления.
Кроме того, под действием давления и при изменении температуры размер D4 будет изменяться на несколько десятых миллиметра, что осложнит отработку системы торможения и уменьшит стабильность ее работы. В более удачном варианте эта проточка растачивается относительно оси А (деталь при этом смещается). При этом растачиваются три-четыре проточки - симметрично расположенные канавки; их глубина будет уже значительно больше 1 мм, что решает проблемы точности и влияния деформаций детали на площадь канала.
Рис. 6.1. Тормоз газовый: 1 - проушина, 2 - сминаемый элемент, 3 - кольцо стопорное, 4 - поршень тормозной, 5 - сминаемый элемент, 6 - коллектор, 7 - болты, 8 - байпасная проточка, 9 - выхлопная труба, 10 - трубопровод (из ГГ), 11 - болты, 12 - корпус цилиндра торможения, 13 - силовой цилиндр, 14 - паз
для газов, 15 - шток
Тормозной поршень 4 для обеспечения прочности при малой массе имеет сферическую форму. Внутри поршня ходит шток катапульты 15. В поршне имеется канавка под уплотнительное резиновое кольцо. Предполагается, что наружная часть штока при эксплуатации покрыта тонким слоем защитной смазки, которая смазывает это кольцо при работе катапульты. В цилиндрическом удлинении поршня 4 имеются два-три паза 14, через которые происходит наддув тормозного цилиндра из полости рабочего цилиндра.
Для того чтобы в конце торможения исключить возможность жесткого соударения поршня 4 со стенкой, используется дополнительный пластически деформируемый тормозной элемент 5.С другой стороны поршня располагается вспомогательный тормозной цилиндр, который предназначен для смягчения удара проушины 1 (к которой крепится траверса) по поршню 4 в начале торможения. Зазор между цилиндрической частью проушины, выполняющей роль поршня, и вспомогательным цилиндром составляет несколько сотен микрометров и выбирается таким образом, чтобы исключить отскок поршня от проушины в процессе торможения. Для этих же целей используется пластически деформируемый одноразовый элемент 2 (толстостенная гофрированная мембрана). Чтобы исключить протечку газа в коллектор 6 до начала торможения, поршень подтягивается к коллектору, сжимая торцевое уплотнительное кольцо, и фиксируется стопорным кольцом 3. Когда поршень 4 начинает двигаться, кольцо выскакивает из канавки.
В коллекторе 6 газы, прошедшие байпасную проточку 8, подводятся к выхлопной трубе 9, которая отводит их таким образом, чтобы исключить воздействие на ускоряемый объект или окружающее оборудование. К листу приварены втулки, внутри которых проходят болты 7 крепления коллектора (давление внутри коллектора может повышаться до нескольких мегапаскалей).
Так как в предлагаемой схеме шток 15 ни при разгоне, ни при торможении не работает на сжатие (что снимает проблему устойчивости), он выполняется из прутка высокопрочной стали (напри- мер,12Х2НФА). Это увеличивает рабочую площадь цилиндра и гибкость штока, что позволяет существенно снизить требования к точности и жесткости всей катапультной системы. Шток шлифуется на установке бесцентрового шлифования, и на его концах нарезаются резьбы.
Принципы выбора параметров такой системы в целом аналогичны рассмотренным в п. 3.3.1. Давление в тормозной камере фактически известно: оно равно давлению в рабочем цилиндре перед началом торможения. Необходимо проверить, достаточна ли площадь пазов 14 для наддува тормозной камеры.
Следует отметить, что при проведении основных расчетов необходимо учитывать объем тормозной камеры и процессы его заполнения через пазы 14. Наличие дополнительного начального объема позволяет уменьшить величину начального всплеска давления. По аналогии с формулой (3.27) можно оценить путь торможения l:
Здесь рц - давление в рабочем цилиндре в момент начала торможение (и равное ему давление в тормозной камере); [рТ] - предельное давление в тормозной камере; F4 и F3 - рабочие площади тормозной камеры и цилиндра (см. рис. 6.1); кз = 0,1 - 0,2 - коэффициент, учитывающий отклонение реальной кривой давления от идеальной.
Далее проводятся расчеты процессов торможения, при которых уточняется зазор между проушиной 1 и цилиндром, в который она входит, а также изменение площади байпасной проточки 8 по длине, обеспечивающее постоянство давления в тормозной камере. В конце расчетов проверяется динамика отскока тормозного поршня, при котором исключается удар поршня 4 о стенку 6. При этом учитываются поступление газа через байпасный канал 8 в объем между поршнем и стенкой 6 и истечение газов из этого объема через отверстия в стенке.
Для уменьшения диаметра тормозного цилиндра можно использовать схему с форсированным сбросом давления из рабочего цилиндра. Для этого рассмотрим подробнее процессы, происходящие при раскрытии окон сброса. Будем рассматривать окна, высота которых не менее 0,3 от диаметра цилиндра, с минимальными перемычками. При открытии окон в силовом цилиндре распространяется пакет волн разрежения. Давление в районе наружной кромки поршня скачком падает до критического (0,5-0,55 от давления, которое действовало на поршень до открытия). Волны разрежения, распространяющиеся в сторону штока, уменьшают давление, действующее на поршень. Эти волны достигают штока через промежуток времени Дх1 = (R - r) / c (R и r - радиусы цилинд
Рис.
6.2. Изменение среднего давления по поршню и дну силового цилиндраКак видно из графика, с t = 0,5L/c до t = L/c между поршнем и дном будет наблюдаться практически постоянная разность давления, несколько меньшая, чем давление перед открытием окон. Если начать торможение в момент времени t = 0,5L/c, то торможение будет происходить практически с постоянным ускорением. В этом случае диаметр тормозного цилиндра будет незначительно превышать диаметр силового цилиндра.
После остановки суммарная сила, действующая на поршень 4 (см. рис. 6.1), будет продолжать оставаться больше, чем сила, действующая на поршень, находящийся в силовом цилиндре, поэтому вся подвижная система катапульты начнет разгоняться в обратном направлении. При этом на первом этапе газ сбрасывается через байпасную проточку 8 в область между поршнем и стенкой коллектора 6, а потом через канал 14 - в рабочий цилиндр. Исключить удар поршня 4 о стенку 6 можно за счет рационального выбора площади отверстий 6 и 14.
В приведенных рассуждениях предполагалось, что сила, действующая на поршень, может только уменьшаться. Это справедливо, если газ сбрасывается в атмосферу. В действительности во многих случаях необходим сброс в длинный трубопровод, в котором волновые процессы аналогичны процессам выхлопа в двигателях внутреннего сгорания (ДВС). Основное требование к выхлопной системе заключается в том, чтобы отраженные от внутренних сопротивлений трубопровода волны, способные повысить давление на поршне, не осложнили торможение поршня. Самый простой вариант заключается в подборе условий, когда отраженные волны достигают поршня уже после того, как он остановится.
Опыт отработки выхлопных каналов ДВС показывает, что после выхлопных окон канал должен иметь плавную форму, без резкого изменения сечения и резких поворотов, причем сечение должно быть заметно больше рабочей площади окон сброса (в противном случае возможно образование местных скачков, отраженные волны от которых могут привести к повышению давления на поршне).
Пусковая ударная волна распространяется по холодному воздуху со скоростью несколько большей, чем скорость звука в воздухе (чем меньше площадь сечения канала, тем скорость больше). Отразившись от конца канала (обычно в конце канала его сечение уменьшается на порядок, и далее канал продолжается в виде газоотводной трубки), скачок давления сначала распространяется навстречу истекающему потоку воздуха со скоростью меньшей, чем скорость звука в воздухе, и далее, навстречу горячему газу, со скоростью меньшей, чем скорость звука в газе. Таким образом, чтобы обеспечить необходимую задержку, длина канала должна составлять около 0,5cAts , где Дт е - время торможения. Возможная форма канала приведена на рис. 6.3.
Рис. 6.3. Выхлопной канал: 1 - направляющие ребра; 2 - поршень; 3 - шток
От верхнего среза силового цилиндра (соответствует стрелке А) отходит выхлопной канал. Размеры силового цилиндра подбираются таким образом, чтобы торможение начиналось после того, как поршень выйдет из верхнего среза. Центрируют поршень на этом отрезке шесть-восемь направляющих ребер. Для улучшения обтекаемости и повышения прочности поршень имеет сферическую форму. Корпус выхлопного канала передает продольные усилия, поэтому должен обладать необходимой прочностью.