RU2799168C1 - Способ и устройство для испытания стрелкового оружия и/или стендовых испытаний ракетных двигателей - Google Patents

Abstract

Способ испытания образцов стрелкового оружия или ракетных двигателей, при котором закрепляют испытуемый образец в каретке, которая вывешена на упругих элементах внутри силового каркаса, а силовые факторы, создаваемые работающим испытуемым образцом, определяют относительно точки приведения, расположенной на каретке и являющейся началом ортогональной системы координат. Проекции силовых факторов на координатные оси и силовые моменты относительно координатных осей определяют с учетом приведенных инерционных, диссипативных и упругих характеристик системы по показаниям датчиков силы, установленных на элементах силового каркаса, к которым посредством сферических шарниров крепятся концы соответствующих упругих элементов. Значения инерционных, диссипативных и упругих характеристик испытательной системы определяются по результатам статической и динамической градуировки механической системы. Устройства для испытания ракетных двигателей и образцов стрелкового оружия отличаются друг от друга узлом крепления испытуемого образца в каретке. В каретке, предназначенной для установки в ней испытуемого ракетного двигателя, имеются упоры для закрепления двигателя. В каретке, предназначенной для установки в ней образца стрелкового оружия, имеется узел для закрепления образца с необходимым для испытаний угловым позиционированием испытуемого образца относительно координатных осей, а также узел управления автоматической стрельбой образца. Устройства снабжены системами их статической и динамической градуировки. Технический результат – повышение точности определения силовых характеристик испытуемого образца. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для проведения различных испытаний и исследовательских работ по стрелковому оружию и стендовых наземных испытаний ракетных двигателей.

Определение силовых характеристик, в том числе динамических характеристик, образцов стрелкового оружия, а особенно ракетных двигателей, проводится в специальных силоизмерительных стендах, в составе которых используются датчики силы, которые накладывают связи на испытуемый образец. Примером многокомпонентного стенда может быть указан многокомпонентный стенд для измерения силомоментных нагрузок по авторскому свидетельству СССР № 1633296 [1]. Целью изобретения является повышение точности определения компонент (проекций) вектора силы при гидродинамических и аэродинамических исследованиях. С этой целью в стенд введен рычажный механизм, представляющий собой моментный измеритель с преобразователями перемещения в электрический сигнал, два коромысла, связывающие между собой жесткие перемычки, соединяющие равножесткие упругие элементы, механизм поворота изделия, измерительный преобразователь момента дрейфа, соединенный с силоизмерительной рамой и с испытуемым изделием через механизм его поворота. Стенд содержит основание, с установленными на нем симметрично осям координат четырьмя равножесткими упругими элементами, шарнирно соединенными попарно жесткими перемычками, которые жестко связаны друг с другом. Все элементы стенда образуют силовую упругую систему стенда, имеющую пять степеней подвижности в направлении измерения пяти силовых характеристик. При этом для обеспечения отсутствия взаимовлияния измеряемых силовых компонентов в преобразователях обеспечивается большой разножесткостью и симметричным расположением его упругих элементов. Т.е. с этой целью фактически кинематическая схема стенда создается таким образом, чтобы силовые факторы определялись бы относительно, как правило, трех ортогональных осей (три силы и три силовых момента), чтобы определить все составляющие вектора силы, создаваемой испытуемым образцом, например, ракетным двигателем. Это требование приводит к существенному усложнению конструктивно-компоновочной схемы силоизмерительного устройства. При этом поскольку ортогональные силовые характеристики имеют отличающиеся номинальные (максимальные) значения на порядок и более, что соответственно, приводит к использованию в системе (в стенде) датчиков силы с отличающимися на порядок жесткостными характеристиками.

Эти особенности свойственны практически всем известным конструктивно-компоновочным схемам силоизмерительных многокомпонентных стендов, многие из которых приведены в работах [2, с. 26-46; 3, с. 85-99; с. 109-132; с. 142-145]. При этом каждый из каналов измерения той или иной составляющей вектора силы представляет собой оппозитно установленные посредством сферических шарниров на испытуемом образце и силовой раме стенда упругие элементы, один из которых является датчиком (преобразователем) силы, а второй упругий элемент - компенсирующая пружина. В результате система измерения силовых испытуемых объектов (ракетных двигателей) является достаточно громоздкой со многими степенями свободы [4, с. 91-109], что значительно снижает точность определения составляющих вектора тяги: многозвенность канала замера приводит к тому же к возможности возникновения люфтов в механических элементах канала, а в результате, к росту погрешности измерения силового фактора.

Более того, при обеспечении ортогональности возможных перемещений подвижной части стенда (динамической платформы) ввиду значительной разности упругих характеристик (жесткостных характеристик) по различным каналам замера, датчики силы с малой жесткостью реагируют на силовые воздействия, действующие по каналам замера с большой жесткостью даже при отсутствии воздействия по каналу с малой жесткостью. То есть, в стендовой системе возможна перекачка энергии из одного канала замера в другой канал. Это явление при определенных характеристиках, как стендовой системы, так и испытуемого двигателя, в системе может вызвать параметрический резонанс, приводящий к разрушению стенда [2, с. 90-104; с. 141-149; 3, с. 206-217, с. 251-266]. Причиной возникновения параметрического резонанса являются пульсации давления в двигателе и деформации его соплового блока [2, с. 96-104; 3, с. 218-225]. Более того, даже при испытаниях ракетных двигателей в одностепенных стендах, проводимых с целью определения их тяговых характеристик [3, с. 236-250], в стендовой системе может возникнуть параметрический резонанс.

С другой стороны, наличие в стендовой системе упругих элементов-датчиков силовых характеристик, которые, фактически, являются связями, наложенными на подвижную часть стенда, динамическую платформу с закрепленным в ней двигателем, и определяют ее возможные перемещения. Тем самым реальное перемещение динамической платформы, с установленным в ней испытуемым двигателем, заменяется ее перемещениями вдоль ортогональных осей, соответствующих возможным перемещениям и вращениям вокруг них, что приводит к росту погрешности определения составляющих вектора силы тяги. Более того, в многокомпонентных силоизмерительных системах характеристики вектора силы, ее составляющие определяются в виде номинальных моделей (регрессионных) с учетом линейных составляющих и парных комбинаций значений сигналов, снимаемых с датчиков усилий [2, с. 115-126; 3, с. 150-162] по каждому из каналов замера сил. Для построения регрессионных математических моделей определения силовых характеристик проводят статическую градуировку стенда путем приложения по каналам замера силовых параметров регламентированных силовых факторов в соответствии с теорией планирования эксперимента.

При испытаниях ракетных двигателей в силоизмерительных стендах могут быть определены динамические характеристики испытуемого двигателя, для чего проводится динамическая градуировка силоизмерительного устройства [2, с. 127-132; 3, с. 176-182]. По результатам динамической градуировки могут быть определены инерционные характеристики динамической платформы с установленным в ней двигателем и диссипативные характеристики системы. При этом схемы многокомпонентных силоизмерительных устройств, отмеченные выше, позволяют определять характеристики и стрелкового оружия.

Характеристики испытуемых ракетных двигателей или образцов стрелкового оружия определяются по математическим моделям, представляющим собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений, в которых числовые постоянные коэффициенты определяются по результатам статической и динамической градуировки силоизмерительного устройства с установленным (вывешенным) в нем динамической платформой с испытуемым образцом. В качестве аргументов в систему дифференциальных уравнений входят перемещения, скорости перемещений и ускорения перемещений по базовым осям и характеристики вращения относительно этих осей (угол проворота, скорость и ускорение проворота) динамической платформы. То есть силовые характеристики определяются по параметрам перемещения динамической платформы, для чего используются датчики усилий, деформация которых главным образом и будут характеризовать перемещение динамической платформы, поскольку жесткости датчиков во много раз превышают жесткости компенсирующих пружин. Либо эти перемещения могут быть определены оптическим путем, когда на динамическую платформу наносятся маркеры, перемещение которых в пространстве фиксируется видеокамерами.

Недостатки первого способа (использование датчиков усилий) были отмечены выше. Основным недостатком второго способа является сложность математического аппарата для обработки результатов фиксации перемещений динамической платформы видеокамерами с целью определения силовых характеристик испытуемого образца. Суть недостатка в том, что перемещения малы по абсолютной величине, поэтому и точность этого способа низка.

Аналогом может быть и способ, состоящий в испытаниях ракетного двигателя или образца стрелкового оружия в силоизмерительном устройстве, динамическая платформа которого вывешена в корпусе на упругих элементах, в состав которых входит датчик силы, количество которых определяет число степеней свободы динамической платформы. Тем самым количество датчиков определяет число замеряемых компонентов вектора силы, создаваемой испытуемым образцом. Ввиду большой жесткости датчиков силы, такая конструкция стенда не может быть использована для проведения испытаний образцов с высокими динамическими характеристиками, т.е. может быть использована только для определения статических характеристик, для чего конструкция такого стенда должна быть оснащена системой его статической градуировки. Примером реализации такого способа может быть названо шестикомпонентное силоизмерительное устройство, изображенное на рис. 4.5 [2], где изображена не только конструктивно-компоновочная схема устройства, но и его система градуировки. При этом динамическая платформа вывешивается внутри силовой рамы на шести тягах. Для поиска шести составляющих вектора силы, создаваемой испытуемым образцом, закрепленным в динамической платформе, в состав каждой тяги входит датчик силы. Недостатком этого способа является невозможность проведения испытаний образцов вооружения, обладающих высокими динамическими характеристиками, например, образцов автоматического стрелкового оружия, обладающими ударными нагрузками на динамическую форму. Аналогично, ударный характер воздействия на динамическую платформу оказывает и испытуемый ракетный двигатель в момент его запуска. То есть, конструктивно-компоновочная схема силоизмерительного устройства, взятого за прототип, не позволяет производить испытания высокодинамичных объектов, поскольку в системе невозможны колебательные процессы, что связано с особенностями тяг.

За прототип принят способ испытания ракетных двигателей и/или образца стрелкового оружия по заявке на предполагаемое изобретение РФ № 2022106092 от 05.03.2022 [9], в соответствии с которым испытания проводятся в механическом колебательном контуре с несколькими независимыми степенями свободы, количество которых соответствует определяемых в процессе испытаний составляющих тензора силы, создаваемой кареткой с закрепленным в ней испытуемым образцом, которая является подвижным элементом контура и вывешена на упругих элементах. Упругие элементы, выполняя роль механических связей, формируют направления возможных перемещений каретки за счет деформации упругих элементов под действием силового тензора, создаваемого кареткой с испытуемым образцом. При этом о составляющих силового тензора судят по деформациям упругих элементов с учетом приведенных инерционных, диссипативных и упругих характеристик колебательного контура относительно каждой из ортогональных координатных осей для выбранной точки приведения, а определение характеристик контура проводят по результатам статической и динамической градуировок колебательного контура. В ходе проведения статической градуировки на каретку по каждой из координатных осей оказывают регламентируемое силовое воздействие, или регламентируемый силовой момент, которые приводят к перемещению каретки и деформации упругих элементов колебательного контура. При проведении динамической градуировки на каретку оказывают импульсное силовое воздействие с номинальными значениями и в направлениях приложения, аналогичных проведению статической градуировки, которые приводят к колебательным процессам в каждом из упругих элементов, а, соответственно, к пространственным колебательным перемещениям каретки. По перемещениям каретки при статической и динамической градуировках судят об инерционных, диссипативных и упругих характеристиках колебательного контура относительно каждой из выбранных координатных осей. Перемещения каретки определяют величинами деформации упругих элементов механического колебательного контура, а о силовых характеристиках испытуемого образца при его функционировании судят по пространственным перемещениям каретки с установленным в ней испытуемым образцом и приведенным инерционным, диссипативным и упругим характеристикам. Основным недостатком способа, взятого за прототип, является сложность определения величин перемещений каретки относительно координатных осей.

В способе - прототипе [9] этот вопрос решается за счет конструктивно – компоновочной схемы стенда и специальной оптической системы измерения перемещений каретки.

При этом в прототипе по настоящей заявке дается описание и устройства для реализации способа. Устройство для испытания ракетных двигателей с целью определения силовых факторов, создаваемых работающим ракетным двигателем, состоит из пространственной силовой рамы внутри которой на упругих элементах (пружинах) вывешена каретка, которая состоит из двух оппозитно расположенных в параллельных плоскостях бандажных колец, соединенных друг с другом с помощью лонжеронов. Внутри бандажных колец с помощью распорок закреплен испытуемый двигатель, причем бандажные кольца вывешиваются в силовой раме на упругих элементах (пружинах), количество которых для каждого бандажного кольца должно быть не менее трех, а бандажные кольца и лонжероны формируют конструктивно-компоновочную схему (каркас) каретки и определяют ее жесткостные (прочностные) характеристики, при этом бандажные кольца устанавливаются таким образом, чтобы одно из бандажных колец располагалось бы вблизи переднего днища двигателя, а второе бандажное кольцо располагалось бы вблизи заднего днища двигателя, где расположен сопловой блок. К бандажному кольцу переднего днища прикреплена плоская рама П-образной формы, плоскость которой перпендикулярна плоскости бандажного кольца, а центральная точка полки П-образной рамы является точкой приведения системы сил, действующих на каретку, и началом ортогональной системы координат относительно осей которой определяются проекции вектора силы и силовые моменты, а одна из осей системы координат совпадает с продольной осью испытуемого двигателя. Лонжероны, образующие каркас каретки, устанавливаются попарно оппозитно так, что каждая такая пара лонжеронов, как пара параллельных линий, определяет (задает) плоскость, проходящую через эти линии.

Устройства для испытания ракетных двигателей и образцов стрелкового оружия отличаются друг от друга узлом крепления испытуемого образца в каретке. Так в каретке , предназначенной для установки в ней образца стрелкового оружия имеется узел для закрепления образца с необходимым для испытаний угловым позиционированием испытуемого образца относительно координатных осей, а также узел управления автоматической стрельбой образца. В материалах заявки – прототипа [9] даются более подробные описания этих узлов. При этом устройства снабжены системами их статической и динамической градуировки.

Величины пространственных перемещений каретки по заявке [9] на изобретение определяются с помощью видеокамер, либо по перемещениям световых пятен отраженных от светоотражательных (зеркальных) поверхностей, закрепленных на ортогональных поверхностях каретки, световых лучей от когерентных источников света, по плоскостям с мерительными линейками. Позиционирование зеркальных поверхностей и плоскостей с мерительными линейками характеризуют точность и достоверность определения силовых характеристик испытуемых образцов.

Тем самым основным недостатком способа – прототипа испытания ракетных двигателей и образцов стрелкового оружия и устройства прототипа, реализующего способ, является сложность определения силовых характеристик испытуемых образцов за счет опосредованного вычисления этих характеристик по пространственным перемещениям каретки, с установленным в ней испытуемым образцом, для чего используется сложная оптическая система фиксации таких перемещений.

Современная практика испытаний ракетных двигателей и образцов стрелкового оружия основана на широком использовании для определения их силовых характеристик датчиков усилий (силовых факторов), но отмеченные выше недостатки этих технологий так же приводят к значительному снижению эффективности таких испытаний.

От отмеченных недостатков аналогов и прототипа способов определения силовых характеристик испытуемых образцов будет свободен стенд (силоизмерительное устройство), у которых тяги представляют собой упругое тело с постоянной жесткостью по его длине. В качестве такого тела может быть взята пружина, например, витая цилиндрическая. На таких упругих элементах (пружинах) вывешивается внутри корпуса силоизмерительного устройства каретка (динамическая платформа). Одним своим концом упругий элемент (пружина) посредством сферического шарнира крепится к динамической платформе, а другим своим концом через сферический шарнир упругий элемент (пружина) крепится к датчику силового усилия (датчик силы), который жестко закреплен на корпусе силоизмерительного устройства.

Исходя из законов механики, на концы каждого из упругих элементов (пружин) действуют одинаковые по модулю, но противоположно направленные действующие по одной линии силы.

Если тем или иным способом определить силы, соответствующие силовому воздействию на динамическую платформу (каретку), для каждого из упругих элементов в любой заданный момент времени, то воспользовавшись условиями силового равновесия динамической платформы (каретки), можно определить характеристики силового тензора, создаваемого испытуемым образцом, закрепленным в динамической платформе (каретке). Определение силы (сил) действующей в упругом элементе можно измерить с помощью датчика усилий, установленного на корпусе силоизмерительного устройства, причем датчик усилий (датчик силы) выполнен в том или ином виде.

Датчик силы, закрепленный на корпусе силоизмерительного устройства воспринимает не только силовые воздействия, обусловленные весом динамической платформы, силой, создаваемой испытуемым образцом, но и инерционные силы, обусловленные динамикой подвижной части силоизмерительного устройства – динамической платформой (кареткой) с установленным в ней испытуемым образцом. Поскольку испытуемые образцы обладают полигармонической составляющей в создаваемом ими силовом тензоре, каждый из датчиков силы будет также нагружен полигармонической силой. Механическим аналогом каретки с установленным в ней испытуемым образцом, вывешенной на упругих элементах в корпусе силоизмерительного устройства, будет являться многостепенной (не более шести степеней свободы) пространственный колебательный контур. В связи с этим, для определения силовых характеристик испытуемого образца в ходе получения паспорта силоизмерительного устройства, с установленным в нем испытуемым образцом, необходимо проводить статическую и динамическую градуировку силоизмерительного устройства, процедура которых подробно описана в монографиях [2, 3] и как это имеет место быть для прототипа [9].

Тем самым предлагается способ испытания стрелкового оружия и (или) стендовых испытаний ракетных двигателей с целью определения их динамических (силовых) характеристик, заключающийся в установке испытуемого образца в каретке (динамической платформе), которая вывешивается в корпусе силоизмерительного устройства на упругих элементах, выполненных, например, в виде витых цилиндрических пружин, количество которых определяется числом замеряемых силовых параметров. Один конец каждого из упругих элементов закреплен посредством сферического шарнира на корпусе каретки, а другой конец упругого элемента посредством сферического шарнира закреплен на датчике усилий, жестко установленном на корпусе силоизмерительного устройства. При этом пространственная ориентация упругих элементов и их жесткостные характеристики определяются целями и задачами испытаний, а силовые факторы определяются по показаниям датчиков усилий, исходя из уравнений равновесия каретки с установленным в ней образцом, относительно точки приведения, для чего проводится относительно этой точки приведения статическая и динамическая градуировка силоизмерительного устройства.

Предложенный способ поясняется схемой, приведенной на фиг. 1, где приведена схема силоизмерительного устройства, предназначенного для испытаний ракетных двигателей.

На схеме, приведенной на фиг. 1, позициями обозначено: 1 – испытуемый ракетный двигатель с соплом 2 и элементами системы управления вектором тяги 3. Двигатель закреплен в бандажных кольцах 4 и 5, установленных вблизи переднего днища (бандажное кольцо 4) и заднего днища (бандажное кольцо 5) с помощью упоров 20 (узлов крепления). На бандажных кольцах посредством сферических шарниров закреплены шесть упругих линейных элементов в виде шести цилиндрических пружин 6-10 (одна пружина не показана на фиг.1), причем попарно оппозитно закрепленные на бандажных кольцах упругие элементы (цилиндрические пружины) лежат в одной плоскости, а углы, образованные точками закрепления упругих элементов расположены по бандажным кольцам, образуя углы друг относительно друга в 120 градусов. При этом одна пара упругих элементов расположена в вертикальной плоскости, перпендикулярной плоскости горизонта – упругие элементы (цилиндрические пружины 10 и 9). Другими своими концами упругие элементы (пружины) 6-10 посредством сферических шарниров закреплены на шести датчиках силы 11-15 (один датчик силы на фиг. 1 не показан), каждый из которых закреплен на корпусе 19 силоизмерительного устройства. Бандажные кольца соединены друг с другом лонжеронами 16, которые совместно с бандажными кольцами 4 и 5 образуют каркас каретки (динамической платформы). При этом к бандажному кольцу 4 прикреплена П-образная рама 18, лежащая в плоскости расположения пружин 9, 10. Точка «О» на П-образной раме 18 является следом от продольной оси двигателя 1, может быть взята за точку приведения силовых факторов. Именно к этой точке может быть привязана ортогональная система координат, ось Z которой совпадает с продольной осью двигателя 1, а ось Y лежит в плоскости, проходящей через точку «О» и точки закрепления элементов 9 и 10 на бандажных кольцах 4 и 5. Ось координат Х лежит в плоскости, перпендикулярной плоскости YOZ.

Градуировка силоизмерительного устройства, схема которого приведена на фиг 1, проводится в соответствии с методами, приведенными в [2,3]. В частности, для проведения градуировки к каретке стенда прикладываются силовые усилия, в двух точках, лежащих в каждой из ортогональных плоскостей. Для плоскости ZOX это точки А и В, лежащие на лонжероне 16, лежащем в плоскости, что позволяет задавать не только силовой фактор по оси Х, но и силовой момент относительно точки «О», в плоскости ZOX.

В плоскости YOZ, это точка С и D, которые позволяют моделировать силовое воздействие по оси Z, а также силовой момент относительно точки «О» в плоскости YOZ, относительно оси Х. В плоскости YOZ это точки E и F. В каждой из названных точек прикладываются силовые усилия вдоль соответствующих осей, для чего могут быть использованы динамометры или устройства для градуировки силоизмерительных устройств, схемы которых, например, приведены в авторских свидетельствах СССР № 1816979 и № 1816982 [4,5], которые прикладываются в соответствующих точках, параллельно соответствующей оси в положительном и отрицательном ее направлении, как это показано на фиг. 1. Статическая градуировка позволит определить упругие характеристики испытуемого образца. Для определении динамических характеристик силоизмерительного устройства проводится динамическая градуировка силоизмерительного устройства, которая проводится путем приложения к точкам А, В, С, D, Е, F (фиг. 1) импульсных силовых воздействий в направлении параллельном, соответствующей координатной оси. Для этого в качестве инициатора (механического источника) импульсного воздействия может быть использовано устройство для метания шарика по авторскому свидетельству СССР № 1716342 [6]. При этом при прикладывании как статических, так и динамических усилий только к одной из точек А, В, С, D, Е, F все датчики усилий реагируют на эти усилия.

В результате проведения статической градуировки в первом приближении можно построить модель расчета силовых характеристик в виде полиномов

где:

- значение сигнала, снимаемого с

- го датчика, который, как правило, пропорционален силовому фактору, воспринимаемому датчиком;

- силы, действующие в направлении осей выбранной базовой ортогональной системы координат с вершиной в точке «О» (фиг. 1);

- силовые моменты, действующие относительно соответствующих осей выбранной ортогональной системы координат с вершиной в точке «О» (фиг. 1);

- const, полученные в резукльтате обработки данных статической градуировки.

При этом при испытаниях образцов, при их работе, в значения силовых факторов, действующих на каретку, входят как силовые факторы, создаваемые испытуемым двигателем, так и силы инерции, действующие на каретку силоизмерительного устройства, в том числе и диссипативные силы, обусловленные особенностями конструктивно-компоновочной схемы силоизмерительного устройства.

Константы, входящие в модель (1), определяются геометрическими и жесткостными характеристиками силоизмерительного устройства, в первую очередь идет речь о пространственном позиционировании упругих элементов, на которых вывешена каретка. Выбор этих параметров обуславливает точность нахождения силовых характеристик испытуемого образца (ракетного двигателя или автоматического стрелкового оружия). Выбор оптимальных характеристик силоизмерительного устройства можно определить, решая соответствующую задачу оптимизации, аналогично задаче оптимизации для трехкомпонентного стенда, приведенной в монографии [6, с. 213-226]. Более того, использование методов матричного исчисления не только для выбора оптимальных параметров силоизмерительного устройства, но и для обработки результатов его градуировки, позволит построить более сложные, чем модель (1) полиноминальные модели определения силовых характеристик, как это отмечается в работах [2, с. 115-126; 3, с. 150-162].

Для определения числовых значений величин

как при градуировке силоизмерительного устройства, так и при непосредственном испытании образца, в конструктивно-компоновочной схеме силоизмерительного устройства, приведенной на фиг. 1, используются датчики усилий, например тензометрического типа. В этом случае под действием сил деформируются тензоэлементы и происходит изменение электрического сопротивления, лежащего в основе их тензоэлемента, по которому судят о величине силового воздействия на датчик.

Пример компоновочной схемы закрепления тензометрического датчика усилий на корпусе силоизмерительного устройства приведен на фиг. 2.

На схеме, приведенной на фиг. 2, обозначено: 21 – упругий элемент (пружина), имеющая на конце стержень 22 с наружной резьбой, который проходит через сферический шарнир 23. Положение стержня 22 в теле сферического шарнира 23 определяется прижимными шайбами 24 и 25, которые фиксируются прижимными гайками 26 и 27. Сферический шарнир 23 вложен в обойму 28, которая жестко закреплена на торце тензометрического датчика 29, в свою очередь установленного на корпусе 30 силоизмерительного устройства.

При этом плоскости, соответствующие обойме 28, торцам тензодатчика силы 29 и опоры корпуса 30 перпендикулярны продольной оси упругого элемента 21.

Другим возможным вариантом исполнения датчика усилий может быть способ восстановления вектора силы с использованием оптического тактильного датчика по патентам на изобретения РФ №№ 2354943, 2358247 [7, 8]. Заявленный в [7, 8] способ характеризуется использованием цветных маркеров при помощи перемещения которых определяют распределение векторов силы. При этом для определения компонентов вектора силы используют передаточную функцию, связывающую значения перемещения маркеров под действием векторов силы со значениями указанных векторов силы. При этом технический результат – увеличение быстродействия способа при условии большой площади контактной поверхности датчика или высокой плотности измерений. Фактически оба отмеченных патента относятся к оптическому тактильному датчику, а точнее к способу восстановления вектора силы с использованием оптического тактильного датчика.

Адаптация оптических тактильных датчиков к процессу испытаний высокодинамичных объектов в силоизмерительных устройствах не входит в цели и задачи настоящего изобретения и может рассматриваться как вариант исполнения датчика силы для подобных силоизмерительных устройств.

Полный паспорт силоизмерительного устройства, составленный по результатам проведения статической и динамической градуировки, причем и статическая градуировка и динамическая градуировка могут быть проведены по аналогии с выполнением этих процедур по прототипу [9], будет иметь вид

(2)

где:

- cиловые факторы, действующие на каретку;

- const, получаемые в результате обработки данных статической градуировки силоизмерительного устройства;

- величина сигнала, снимаемого с j-ого датчика;

- const, полученные в результате проведения динамической и статической градуировки силоизмерительного устройства;

- скорость изменения сигнала, снимаемого c J-ого датчика силы;

- const, полученные в результате проведения динамической и статической градуировки силоизмерительного устройства;

- ускорение изменения величины сигнала, снимаемого с J-ого датчика силы.

Процессу испытаний образца вооружений в соответствии с изложенным выше способом в устройстве, схема которого приведена на фиг.1, предшествует процесс подготовки устройства к испытаниям. Процесс состоит из нескольких этапов:

1. В каретке силоизмерительного устройства устанавливается испытуемый образец, например, испытуемый ракетный двигатель 1 с сопловым блоком 2 и жестко фиксируется в бандажных кольцах 3 и 4. Аналогичным образом при испытаниях стрелкового оружия, в каретку устанавливается станок, в который закрепляется испытуемый образец стрелкового оружия и механизм воздействия на спусковой крючок для стрельбы очередью, аналогичные узлам, описанных в заявке - прототипе.

2. Исходя из теоретических значений характеристик испытуемого образца, целей и задач испытаний, выбираются жесткостные характеристики и геометрия упругих элементов (цилиндрических витых пружин) 6-10, а также позиционирование упругих элементов в силоизмерительном устройстве, исходя из которых выбираются точки (места) установки датчиков силы 11-16 на корпусе 17 силоизмерительного устройства и производится закрепление датчиков.

3. На бандажных кольцах 3 и 4 посредством сферических шарниров закрепляются упругие элементы 5 и 9. В результате закрепления других концов упругих элементов 5 и 9 посредством сферических шарниров (позиции 22,27 на фиг. 2) в вертикальной плоскости вывешивается каретка с испытуемым образцом.

4. В соответствующих точках бандажных колец 3 и 4 посредством сферических шарниров, которые не показаны на фиг. 1 отдельными позициями, закрепляются упругие элементы 6, 7 и 8, 10 одним из своих концов. Другой конец упругих элементов с резьбовым элементом 21 (фиг. 2), вводится в сферический шарнир 22, 27 (фиг. 2), закрепленного на датчике усилий 28 (фиг. 2). Далее, с помощью гаек 26 производится натяг упругих элементов 5-10 (цилиндрические витые пружины). При этом величина натяга обеспечивает силовое воздействие на датчик (каждый датчик) для всего возможного диапазона изменения силовых факторов, создаваемых испытуемым образцом.

5. Далее производится статическая градуировка силоизмерительного устройства с вывешенной в нем кареткой, в которой закреплен испытуемый образец. Для этого в точке

прикладываются усилия в положительном и отрицательном направлении относительно координатных осей, создающие относительно точки приведения «О» (фиг. 1) различные комбинации силовых факторов

на которые соответствующим образом реагируют датчики силы 11-16 -

. Обработка полученных матриц силовых факторов, создаваемых в процессе градуировки силоизмерительного устройства

, и сигналов, снимаемых с датчиков усилий

, методами матричного исчисления [2, с. 121-126], позволяет построить модель вида (1), которая фактически является паспортом силоизмерительного устройства в статической постановке.

6. Проводится отработка испытуемого образца, в ходе которой синхронно производится «опрос» всех датчиков усилий в известные моменты времени с необходимой (заданной) частотой опроса , а полученные массивы данных значений силовых факторов

(

- время), подставленные в модель (1) позволяют определить, в том числе в режиме «онлайн», законы изменения по времени номинальных значений силовых факторов:

(3)

Модель (1) может быть построена с учетом взаимного влияния каналов замера друг на друга, при этом в первом приближении это могут быть парные комбинации сигналов, снимаемых с датчиков усилий [2, с. 121-126].

Ввиду того, что жесткость упругих элементов (винтовых пружин), на которых вывешена каретка с испытуемым образцом много меньше жесткости датчиков усилий (силовых факторов), эти упругие элементы будут выполнять роль фильтров для колебательных полигармонических процессов, действующих на датчики усилий. По этой причине математическая модель вида (1), паспорт силоизмерительного устройства, для определения силовых характеристик испытуемого образца при оптимальном выборе конструктивно – компоновочной схемы вывешивания каретки на упругих элементах – пружинах внутри корпуса силоизмерительного устройства, может оказаться значительно более достоверной и точной. А поскольку эта модель (1), этот паспорт, строится только по результатам статической градуировки и является более простым, чем модель вида (2), то это является еще одним положительным моментом предлагаемого технического решения. Отказ от проведения динамической градуировки силоизмерительного стенда (устройства) и построения более сложного его паспорта зависит от выбора жесткостных характеристик упругих элементов и пространственного их позиционирования в составе силоизмерительного устройства, что является самостоятельной задачей и не входит в цели настоящего изобретения.

Тем самым предлагаемый способ испытания ракетных двигателей и/или образцов стрелкового оружия отличается от способа-прототипа тем, что определяемые силовые характеристики испытуемых образцов вычисляются опосредовано не по величинам перемещений каретки с установленным в ней испытуемым образцом, а по силовым параметрам, фиксируемым датчиками силы, входящие в состав упругих элементов, на которых вывешена каретка. Отсутствие в предлагаемом устройстве для испытания ракетных двигателей и/или образцов стрелкового оружия оптической системы фиксации перемещений каретки, что имеет место для силоизмерительного устройства – прототипа, а также наличие в составе упругих элементов датчиков силы, являются отличительными признаками предлагаемого устройства от устройства – прототипа.

Таким образом, предлагаемый способ определения силовых характеристик испытуемого образца (ракетный двигатель, стрелковое автоматическое оружие) состоит в размещении испытуемого образца в каретке, вывешенной на упругих элементах (цилиндрических витых пружинах) в корпусе силоизмерительного устройства, причем на других концах упругих элементов установлены датчики усилий, закрепленные на корпусе силоизмерительного устройства, и в проведении статической и динамической градуировки силоизмерительного устройства, что позволяет составить паспорт силоизмерительного устройства, представляющий собой систему уравнений, каждое из которых с учетом характеристик снимаемых с датчиков усилий сигналов позволяет определить отдельную составляющую силового тензора.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР № 1633296. Многокомпонентный стенд для измерения силомоментных нагрузок: МПК G 01 L 5/16. Авторы: В.Г. Петров; Л.В. Холоменкова; В.Е. Янченкова.

2. Черепов В.И. Идентификация силовых характеристик объектов машиностроения / В.И. Черепов, Н.П. Кузнецов, В.И. Гребенкин – Москва-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2002. – 200 с.

3. Испытания ракетных двигателей / В двух частях. Часть вторая. – Стендовые огневые и летные испытания / Под общей редакцией Н.П. Кузнецова. – М. – Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2011. – 668 с.

4. Авторское свидетельство СССР № 1816979. Устройство для градуировки силоизмерительных систем / Н.П. Кузнецов. – МПК G 01 M 9/00. Опубл. 23.05.93. Бюл. № 19.

5. Авторское свидетельство СССР № 1816982. Устройство для градуировки силоизмерительных систем / Н.П. Кузнецов, А.Г. Камашев. – МПК G 01 M 9/00. Опубл. 23.05.93. Бюл. № 19.

6. Гребенкин В.И. Силовые характеристики маршевых твердотопливных двигательных установок и двигателей специального назначения / В.И. Гребенкин, Н.П. Кузнецов, В.И. Черепов. – Ижевск; Изд-во ИжГТУ, 2003. – 356 с.

7. Патент РФ на изобретение № 2354943. Способ восстановления вектора силы с использованием оптического тактильного датчика / Мизота Теруказу, Камияма Казуто, Кадзимото Хироюки, Каваками Науоки, Тати Сусуму. МПК; G 01 L 5/16.

8. Патент РФ на изобретение № 2358247. Оптический тактильный датчик и способ восстановления распрежедения вектора силы с использованием указанного датчика / Мизота Теруказу, Камияма Казуто, Кадзимото Хароюки, Каваками Наоки, Тати Сусуму. МПК; G 01 L 5/16, G 01 L 1/23; G 01 L 1/14.

Claims (2)

1. Способ испытания ракетных двигателей и/ или образца стрелкового оружия для определения в процессе испытаний составляющих тензора силы, создаваемой кареткой с установленным в ней испытуемым образцом, а сама каретка вывешена на упругих элементах, которые, выполняя роль механических связей, формируют направления возможных перемещений каретки за счет деформации упругих элементов под действием силового тензора, а составляющие силового тензора определяют по паспорту силоизмерительного устройства с учетом приведенных инерционных, диссипативных и упругих характеристик, которые определяются по результатам статической и динамической градуировок силоизмерительного устройства, в ходе которых на каретку по каждой из ортогональных осей, для выбранной точки приведения силовых характеристик оказывают регламентируемые силовые воздействия или регламентируемые силовые моменты, которые приводят к перемещению каретки и деформации упругих элементов, на которых вывешена каретка, а при проведении динамической градуировки на каретку оказывают импульсное силовое воздействие с номинальными значениями и в направлениях приложения, аналогичных проведению статической градуировки, которые приводят к силовым воздействиям на датчики усилий, а по определению этих усилий при статической и динамической градуировках судят об инерционных, диссипативных и упругих характеристиках по каждой из выбранных координатных осей, при этом перемещения каретки характеризуются величинами деформаций упругих элементов, отличающийся тем, что о силовых характеристиках испытуемого образца при его функционировании судят по сигналам, снимаемым с датчиков силовых факторов, в ходе испытания образца, причем каждый датчик силы входит в состав соответствующего упругого элемента – пружины.

2. Устройство для испытания ракетных двигателей и/или образцов автоматического стрелкового оружия, состоящее из пространственной силовой рамы, внутри которой на упругих элементах – пружинах вывешена каретка, которая состоит из двух оппозитно расположенных в параллельных плоскостях бандажных колец, выполненных с возможностью закрепления в них с помощью упоров испытуемого двигателя, соединенных друг с другом лонжеронами, причем бандажные кольца вывешены в силовой раме на упругих элементах – пружинах, количество которых для каждого бандажного кольца должно быть не менее трех, а бандажные кольца и лонжероны формируют конструктивно-компоновочную схему/каркас каретки и определяют ее жесткостные/прочностные характеристики, а при испытании образца автоматического образца автоматического оружия для его фиксации в каретке установлен узел крепления оружия и механизм управления спусковым крючком для начала стрельбы из испытуемого оружия очередями, при этом бандажные кольца установлены таким образом, чтобы одно из бандажных колец было бы расположено вблизи переднего днища двигателя, а второе бандажное кольцо располагалось бы вблизи заднего днища двигателя, где расположен сопловой блок, причем к бандажному кольцу переднего днища прикреплена плоская рама П-образной формы, плоскость которой перпендикулярна плоскости бандажного кольца, а центральная точка полки П-образной рамы является точкой приведения системы сил, действующих на каретку, и началом ортогональной системы координат, относительно осей которой определяются проекции вектора силы и силовые моменты, а лонжероны, образующие каркас каретки установлены попарно оппозитно так, что каждая такая пара лонжеронов, как пара параллельных линий, определяет/задает плоскость, проходящую через эти линии, причем пространственные углы расположения каждого из упругих элементов – пружин выбраны из условия оптимальности определения силовых характеристик испытуемого двигателя, и с учетом номинальных – расчетных значений силовых характеристик испытуемого образца, а сами упругие элементы являются связями, накладываемыми на каретку, к которой упругие элементы – пружины крепятся одним из своих концов посредством сферических шарниров отличающееся тем, что другими своими концами посредством сферических шарниров упругие элементы, выполненные в виде цилиндрических пружин, крепятся к датчикам усилий, жестко закрепленных на корпусе силоизмерительного устройства.

Images