sbornik2011.pdf (страница 353) Скоромолов И.О

индуктивностью. Однако особенность рельсового ускорителя в том, что он способен разгонять сверхмалые массы до сверхбольших скоростей.

2)Рельсы изготавливают из бескислородной меди, покрытой серебром, в качестве снарядов используют алюминиевые брусочки или проволоку, в качестве источника питания — батарею высоковольтных электрических конденсаторов, генераторы Маркса, ударные униполярные генераторы, а самому снаряду перед вхождением на рельсы стараются придать как можно большую начальную скорость, используя для этого пневматические или огнестрельные пушки. В тех рельсотронах, где снарядом является проволока, после подачи напряжения на рельсы проволока разогревается и сгорает, превращаясь в токопроводную плазму, которая далее также разгоняется. Таким образом, рельсотрон может разгонять плазму, однако вследствие её неустойчивости она быстро дезинтегрируется.

3)При разгоне непроводящих тел возникают новые проблемы. Для ускорения снаряд помещается между рельсами, позади снаряда тем или иным способом между рельсами зажигается дуговой разряд, и тело начинает ускоряться вдоль рельсов. Механизм ускорения в этом случае отличается от вышеизложенного: сила Лоренца прижимает разряд к задней части тела, которая, интенсивно испаряясь, образует реактивную струю, под действием которой и происходит основное ускорение тела. КПД ускорения, при разгоне непроводящих тел ничтожно мал [1, п.2].

Принцип действия рельсотрона предельно прост. На рельсы подается сильный электрический ток, между ними располагается подвижный проводящий снаряд. Текущий по проводнику ток создает вокруг него магнитное поле. Линии магнитного поля направлены против часовой стрелки вокруг плюсового рельса и по часовой стрелке вокруг минусового. В результате между рельсами создается общее однонаправленное вертикальное магнитное поле. На проводник, находящийся в электромагнитном поле, действует сила Лоренца, направленная перпендикулярно движению тока и линиям магнитного поля. В результате снаряд, который исполняет роль проводника, начинает разгоняться вдоль рельсов.

Этот простой принцип довольно сложно реализовать на практике. Довести силу Лоренца до требуемой величины можно только удлиняя рельсы или увеличивая ток. Длина рельсов, как правило, ограничена конструктивно, поэтому приходится иметь дело с сотнями тысяч ампер. Нагревание и трение приводят к чрезвычайно быстрому разрушению рельс. На современных экспериментальных установках рельс хватает, в лучшем случае, на несколько выстрелов, а зачастую их приходится менять после каждого запуска. По мере роста скорости снаряда и разрушения рельс нарушается контакт между ними, напряжение падает, а вместе с ним падает и сила Лоренца. В итоге скорость оказывается намного меньше расчетной величины.

Существует несколько подходов к улучшению контакта между рельсами и снарядом. В рельсотронах с плазменным поршнем снаряд закрепляется в диэлектрическом толкателе. При подаче напряжения между рельсами образуется электрическая дуга, на которую также действует сила

90

Лоренца. Она и движет диэлектрический толкатель вперед. На Западе основные результаты получены на рельсотронах с плазменным поршнем. Но у них есть ряд недостатков, главный из которых – вероятность опережения толкателя дугой или возникновения вторичной дуги за снарядом. Кроме того, плазменный поршень с трудом справляется со снарядом большой массы.

Российские разработчики, в частности специалисты Троицкого института инновационных и термоядерных исследований (ГНЦ РФ ТРИНИТИ), предпочитают иметь дело с металлическим контактом, который достаточно надежен на скоростях до 2 км/с. На высоких скоростях он становится квазиметаллическим: между рельсами и толкателем возникают микродуги. В рельсотронах «ТРИНИТИ» применяется толкатель U-образной формы, который раздвигается под действием электромагнитного поля, с силой прижимаясь к рельсам. Благодаря этому в ходе экспериментов удается удерживать напряжение на толкателе в пределах 50 В – это хороший показатель по сравнению с плазменным поршнем, где напряжение доходит до 400 В. Кстати, сильные магнитные поля стремятся оттолкнуть друг от друга и сами рельсы. Способность конструкции рельсотрона удержать их в заданном положении – еще одна серьезная задача для разработчиков.

Главное ноу-хау института ТРИНИТИ – это так называемые многовитковые рельсотроны, в которых вместо одной рельсовой пары используется одновременно несколько пар. Параллельные рельсы позволяют равномерно распределить между ними ток и трение, соответственно снизив приходящуюся на каждый из них нагрузку. В лаборатории института можно увидеть уникальный короткий пятивитковый рельсотрон длиной всего 0,5 м, который разгоняет 1,1-кг снаряд до 1 км/с. При этом рабочий ток установки составляет всего 350 кА [2 ст.37].

Эрозия и абляция (испарение) рельсов, проблемы скользящего контакта и конструктивной прочности – это сущие мелочи по сравнению с отсутствием источников энергии, способных оперативно предоставить в распоряжение стрелка импульс в сотни тысяч ампер. Именно этой проблеме мы обязаны тем, что рейлганы до сих пор не стоят на вооружении.

Сегодня самый распространенный импульсный источник энергии – батарея конденсаторов. Конденсаторы, применяемые в экспериментальных установках, представляют собой огромные цилиндры объемом в несколько кубометров. Они могут часами накапливать электрическую энергию (время заряда зависит от мощности ее источника), чтобы затем разом направить ее на рельсы.

Наиболее перспективный источник энергии для рэйлгана называется СПИН – сверхпроводящий индуктивный накопитель. Энергия в нем запасается в виде магнитного поля, возникающего в процессе циркуляции постоянного тока в катушке из сверхпроводника. Основные компоненты СПИН – сверхпроводящая катушка, система индуктивной зарядки/разрядки и система охлаждения, поддерживающая в катушке критическую температуру перехода в состояние сверхпроводимости. Потери энергии при зарядке/разрядке СПИН не превышают 5% – это рекордный показатель. Но

91

определенное количество энергии расходуется на работу мощной системы охлаждения. К примеру, критическая температура для обмоточных сверхпроводников на основе сплава NbTi или NbTri составляет около 10 К (–263˚С). Применение высокотемпературных сверхпроводников может снизить энергетические расходы на охлаждение – им требуется температура в районе –100˚С [2 с.38].

Первая крупномасштабная рельсовая пушка была спроектирована и построена в 1970-х годах Джоном П. Барбером из Канады и его научным руководителем Ричардом А. Маршаллом из Новой Зеландии в Исследовательской школе физических наук Австралийского национального университета. В качестве источника энергии в конструкции был использован униполярный генератор «Марк Олифант» с 500 МДж запасённой энергии.

Россия довольно далеко продвинулась в вопросе применения рельсотрона в мирных целях. Федеральный центр двойных технологий «Союз», институт ТРИНИТИ, НИИФА имени Ефремова и Курчатовский институт объединили усилия для создания системы предварительного электродинамического разгона ракеты для вывода полезного груза на околоземную орбиту.

По словам специалиста ГНЦ РФ ТРИНИТИ Анатолия Константиновича Кондратенко, проектный образец разгонной секции, предложенный институтом, представляет собой гигантский многовитковый рельсотрон с размерами канала 1,5х2 м. Ускорительный комплекс будет состоять из набора секций длиной по 10–20 м, к каждой из них будет подводиться коммутируемый импульс от накопителя СПИН. Общая длина комплекса составит до 3,7 км. Рельсотроны будут разгонять космический аппарат, заключенный в специальный обтекатель, до скорости 2 км/с. Это именно та скорость, до которой сохраняется надежный металлический контакт, необходимый для разгона тяжелой полетной сборки.

Основное препятствие на пути применения систем предварительного разгона – это колоссальные перегрузки (до 60 g), действующие на космический аппарат. Выдержать такие перегрузки не могут не только люди, но и ракетные двигатели. И все же игра стоит свеч: предварительный разгон полетной сборки до 2 км/с обещает вдвое снизить стоимость доставки 1 кг груза на орбиту [2, с.38].

Полетная сборка представляет собой собственно космический аппарат и пару разгонных ступеней, заключенных в аэродинамический обтекатель. Обтекатель устанавливается внутри первой разгонной секции на специальные опоры, за ним располагается металлический толкающий якорь. В момент запуска на разгонные секции длиной 10–20 м каждая подается ток. Секции включаются по очереди по мере продвижения полетной сборки. Каждую из них питает собственный накопитель СПИН, что позволяет отказаться от длинных высоковольтных токопроводов, в которых неизбежны энергетические потери. Общая длина разгонной системы достигает 3,7 км. После того как полетная сборка покидает рельсотрон на скорости 2 км/с, аэродинамический обтекатель раскрывается и отделяется от космического

92

аппарата. Включается двигатель разгонной ступени, и аппарат выводится на орбиту.

С целью проверки принципа действия создана экспериментальная установка, имитирующая действие ускорителя масс. Для запасания электроэнергии использованы два конденсатора емкостью по 220 мкФ и суммарным напряжением 900 вольт. Для зарядки подключен зарядочный контур, чтобы ЭДС конденсатора было выше ЭДС источника тока. В целях безопасности, цепь замыкается с помощью автомобильного реле для разрядки конденсаторов. Собраны две алюминиевые рельсы, замыкаемые лишь разгоняемым снарядом. Поверхность рельс отполирована для улучшения контакта. После замыкания цепи, конденсаторы разряжаются через рельсы и тело, лежащее на них. Тело под действием силы Лоренца импульсно ускоряется.

Литература

1.Свободная энциклопедия Wikipedia [Электрон. ресурс] / Рельсотрон - электрон. дан. – режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Рельсотрон

2.Апресов, С. По рельсам в ад: Сверхзвуковой экспресс смерти / С. Апресов// Популярная Механика. – 2008. – № 8. – С. 37-38.

М.А. Самсонов, В.А.Папшев

ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК В УДАРНЫХ

СИСТЕМАХ ДИАГНОСТИКИ

Научный руководитель: В.А. Папшев, к.т.н., доцент

Самарскийгосударственныйтехническийуниверситет,г.Самара [e-mail]

Многие современные приборы и устройства в реальных условиях эксплуатации подвергаются воздействию ударных нагрузок. Традиционно оцениваются ударопрочность конструкции (способность выдерживать заданный уровень ударного воздействия) и удароустойчивость (способность нормально функционировать во время и после воздействия ударной нагрузки). Целью данной разработки является обеспечение стабильности параметров ударных воздействий и исключение повторных несанкционированных ударов в ударных системах диагностики. Сущность разработки заключается в возбуждении тарированных ударных воздействий с помощью колебательной системы с ударником, раскачиваемым до удара на резонансной частоте, а освобождаемым при достижении заданной скорости в заданном направлении и исключении повторного несанкционированного удара с помощью устройства остановки ударника. На рисунке 1а представлена принципиальная схема предлагаемого генератора ударов, на

93

рисунке 1б – временные диаграммы работы блока анализа направления движения ударника. Генератор ударов содержит возбудитель колебаний 1, связанную с ним колебательную систему в виде маятника 2 с ударником 3, подвижную платформу 4, установленную с возможностью взаимодействия с ударником 3, первый (основной) датчик скорости 5 ударника 3, подключенное к выходу датчика 5 пороговое устройство 6, второй (дополнительный) датчик скорости 7 ударника 3, подключенное к выходу датчика 7 пороговое устройство 8, блок анализа направления движения 9 ударника 3. К выходу порогового устройства 6 подключен формирователь импульсов 10 заданной длительности (например, одновибратор из серии микросхем К155АГ1), а к выходу порогового устройства 8 подключен формирователь импульсов 11 заданной длительности.

Рис. 1 Структурная схема устройства

Выходы формирователей импульсов 10 и 11 связаны с двумя входами логического элемента 12, выполняющего логическую функцию «И». Выход логического элемента 12 связан со входом формирователя импульсов 13 заданной длительности, выход которого связан с муфтой 14. В качестве возбудителя колебаний 1 использован источник угловых колебаний, охваченный положительной обратной связью, состоящей из датчика 15 и усилителя 16. Устройство остановки ударника содержит установленный на подвижной платформе 4 вибрационный датчик 17 (например, КД-35), своим выходом связанный с блоком управления 18 электромагнита 19, содержащего амортизирующий элемент 20. Временные диаграммы (рисунок 1б) характеризуют: a – моменты времени запуска формирователя импульсов 11,

94

при прямом и обратном ходе ударника (где t1 – время между моментами запуска формирователя импульсов 11 и 10 обусловлено скоростью движения ударника и расстоянием между датчиками); b – моменты времени запуска формирователя импульсов 10, при прямом и обратном ходе ударника; c - момент формирования и продолжительность (t2) действия импульса на выходе формирователя импульсов 11; d – момент формирования и продолжительность (t3) действия импульса на выходе формирователя импульсов 10; e – момент формирования импульса на выходе логического элемента 12; g – момент формирования и продолжительность (t4) действия управляющего импульса на выходе формирователя импульсов 13. Устройство работает следующим образом. Возбудитель периодических колебаний 1 при включенной муфте 14 раскачивает колебательную систему в виде маятника 2 с ударником 3. Вследствие положительной обратной связи амплитуда колебаний возрастает. От датчиков 5 и 7 на входы пороговых устройств 6 и 8 поступают сигналы пропорциональные скорости движения ударника 3. При превышении заданного значения скорости, соответствующего уровню срабатывания пороговых устройств 6 и 8, последние выдают импульсы на формирователи импульсов заданной длительности 10 и 11, последовательность выдаваемых пороговыми устройствами 6 и 8 импульсов зависит от направления движения ударника 3. При осуществлении заданного направления движения («прямого хода») ударника 3, а именно, в сторону подвижной платформы 4, и достижении заданной скорости, блок анализа направления движения 9 ударника 3 сработает следующим образом. Первым сигнал выдает датчик 7, по этому сигналу сработает пороговое устройство 8 и выдаст сигнал на формирователь импульсов 11, который сформирует импульс заданной длительности: длительность выбирается таким образом, чтобы за время действия этого импульса ударник 3 успел достичь зоны действия датчика 5 и тот выдал сигнал на пороговое устройство 6, которое выдает импульс на вход формирователя импульсов 10 и последний выдает короткий импульс. Таким образом, на входах логического элемента 12 появляется одновременно (совпадут по времени) два импульса, вследствие чего реализуется логическая функция «И» и на его выходе появится импульс, запускающий формирователь импульсов 13 заданной длительности (t4); длительность выбирается исходя из условий затухания колебаний ударника 3. Импульс с формирователя импульсов 13 поступает на исполнительный элемент муфты 14 (на рисунке не показан), которая выключается на время действия импульса и отсоединяет возбудитель колебаний 1 от оси маятника 2. Ударник 3, совершая свободное движение в сторону подвижной платформы 4, производит удар по последней, возбуждая в ней затухающие колебания. Колебания воспринимаются вибрационным датчиком 17, закрепленным на подвижной платформе 4. Вибрационный датчик 17 выдает электрический сигнал на блок управления 18 электромагнита 19. Блок управления 18 выдает сигнал на включение электромагнита 19 и выдвижение при этом амортизирующего элемента 20, исключающего возможность повторного

95

несанкционированного удара. Длительность выданного блоком управления 18 сигнала выбирается исходя из условий затухания возбужденных в подвижной платформе 4 колебаний. При противоположном направлении движения ударника 3 («обратный ход») (см. рисунок 1б) и достижении заданной скорости первым выдает сигнал датчик скорости 5 и, следовательно, первым, на входе логического элемента 12 появится короткий импульс, выдаваемый формирователем импульсов 10. Как видно из диаграммы на рисунке 2 («обратный ход») время действия короткого импульса (t3) не совпадет с моментом появления на другом входе логического элемента 12 импульса, выработанного формирователем импульсов 11, и, следовательно, логическая функция «И», подразумевающая одновременное наличие двух сигналов на входах, не реализуется, логический элемент 12 импульс не вырабатывает. Отключение муфты 14 при этом не произойдет и, как следствие, возбудитель колебаний 1 не отсоединится от оси маятника 2.

Таким образом, управление моментом освобождения маятника 2 с ударником 3 обеспечивает стабильность параметров ударных воздействий, а наличие устройства остановки ударника 3 исключает возможность нанесения повторного несанкционированного удара.

М.А. Самсонов

УДАРНАЯ ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Самарскийгосударственныйтехническийуниверситет,г.Самара [e-mail]

Известно, что современные приборы и устройства в реальных условиях эксплуатации подвергаются воздействию ударных нагрузок. Воздействие удара на объект проявляется либо в нарушении механической прочности объекта, либо в функциональном отклонении его эксплуатационных характеристик. Традиционно оцениваются ударопрочность конструкции (способность выдерживать заданный уровень ударного воздействия) и удароустойчивость (способность нормально функционировать во время и после воздействия ударной нагрузки). Эти два показателя определяют основные виды ударных испытаний, проводимых на различных стадиях промышленного производства и эксплуатации различных объектов [1]. В зависимости от характера испытаний различают ударные стенды для испытаний объектов на прочность, для воспроизведения заданного ударного нагружения, для проведения модельных испытаний объектов, для определения частотных характеристик объектов методом ударного возбуждения. Для воспроизведения ударных импульсов при испытаниях необходимо иметь характеристики ударного воздействия в реальных условиях.

96

При определении частотных наиболее удобной количественной декремент, показывающий темп импульсом свободных колебаний [2]:

характеристик механических систем оценкой является логарифмический затухания возбужденных ударным

h T		2 b			b			.
		4ac b2				ac

Не менее важны и такие показатели, как жесткость конструкции, амплитуда и частота колебаний. Целью использования настоящей системы является обеспечение стабильности тестового ударного воздействия и исключение несанкционированного повторного удара.

На рис. 1 представлен центробежный ударный механизм в разрезе [3].

Рис. 1 Центробежный ударный механизм в разрезе

Центробежный ударный механизм содержит корпус 1, размещенный в нем маховик 2 с диаметральным пазом 3 и осевым отверстием 4, бойком 5 и противовесом 6, противорасположенными в диаметральном пазу 3, каждый из которых соединен с гибким элементом 7, узел балансировки, связанный с гибким элементом 7, размещенный в осевом отверстии 4 и выполненный в виде подпружиненного по оси упругим элементом 8 штока 9, двигатель 10, фиксатор 11, оптическую пару 12, зеркало 13, аэродинамические стабилизаторы 14, расположенные на бойке 5, лыску 15, выполненную также на бойке 5, упор 16, испытуемое изделие 17. Центробежный ударный механизм работает следующим образом. При включении двигателя 10 начинается разгон маховика 2, при этом противовес 6 уравновешивает боек 5,

ааэродинамические стабилизаторы за счет набегающего потока воздуха ориентируют его. Когда маховик 2 запасет достаточное количество энергии,

адатчик углового положения, состоящий, например, из оптической пары 12 и

97

зеркала 13, после того как совместится оптическая пара 12 с зеркалом 13 и произойдет отражение луча излучателя оптической пары 12 зеркалом 13 и прием этого луча приемником оптической пары 12, формируется сигнал на освобождение фиксатора 11 с узлом балансировки. Под действием центробежных сил, действующих на боек 5 и противовес 6, шток 9 перемещается, сжимая упругий элемент 8. При этом боек 5 и противовес 6 перемещаются по радиусу маховика 2 от оси вращения, обеспечивая балансировку маховика 2 в процессе выхода бойка на ударную позицию. При касательном ударе бойка 5 по испытуемому изделию 17 происходит разворот бойка 5 вокруг вертикальной оси на угол близкий к 90°, аэродинамические стабилизаторы 14 при этом прижимаются к упору 16 и за счет набегающего потока воздуха удерживают боек 5 в этом положении, лыска 15 при этом оказывается повернутой к испытуемому изделию 17, обеспечивая тем самым исключение несанкционированного повторного удара.

После удара бойка 5 по испытуемому изделию 17 отключается двигатель 10, снижается частота вращения маховика 2, упругий элемент 8 смещает шток 9 в исходное положение, а с ним боек 5 и противовес 6. Фиксатор 11 захватывает узел балансировки и ударный механизм готов к следующему циклу работы. При необходимости изменения энергии единичного удара, а, следовательно, и оборотов маховика 2, необходимо изменить угловое положение на корпусе 1 оптической пары 12, либо зеркала 13 на маховике 2 для гарантированного выхода бойка 5 на ударную позицию.

Проведенные экспериментальные исследования показали высокую эффективность разработанного механизма и способа создания ударных нагрузок. Для прессовых соединений были получены представленные ниже результаты.

Характерный пример для прессового соединения с одновременным контролем ряда параметров в зависимости от глубины запрессовки (ударные воздействия и снятие виброграмм через 5 мм) диаметр соединения 15 мм, натяг 0,01 мм представлен на рисунках 2, 3.

Рис. 2 Виброграмма характерного соединения

98

жесткость

конструкции Е+06

4,2

4

3,8

3,6

3,4

3,2

3

5 мм

10 мм

15 мм

20 мм

25 мм

глубина запрессовки

Рис. 3 Диаграмма зависимости жесткости конструкции от глубины запрессовки

Применение центробежного ударного механизма позволяет, во-первых, стабилизировать параметры ударного воздействия, во-вторых, за счет изменения угла срабатывания задавать требуемые параметры ударного воздействия и, в-третьих, исключить несанкционированный повторный удар бойка по испытуемому изделию, что позволяет существенно повысить качество и воспроизводимость экспериментальных данных.

Литература

1.Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара: Справочник. В 2-х кн. Кн. 2 / Под ред. В.В. Клюева. – М.: Машиностроение, 1978. – 439 с.

2.Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний: Учебное пособие. – 2-е изд., перераб. – М.: Наука. Главная редакция физикоматематической литературы, 1980. – 272 с.

3.Патент РФ 31350 МКИ B25D15/00 Центробежный ударный механизм. / Б.Л. Штриков, В.Г. Шуваев, В.А. Папшев и др. 2003.08.10.

М.А. Самсонов, В.А. Папшев

УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАРЕЗАНИЯ РЕЗЬБЫ МЕТЧИКАМИ С

ПРИМЕНЕНИЕМ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ

Научный руководитель: В.А. Папшев, к.т.н., доцент

Самарскийгосударственныйтехническийуниверситет,г.Самара [e-mail]

Известно, что одним из наиболее перспективных направлений в решении задач разработки новых методов и средств повышения эффективности и качества нарезания резьбы является применение дополнительных ультразвуковых колебаний, накладываемых на основной технологический процесс при резьбонарезании [1]. Введение в зону контакта метчика с заготовкой ультразвуковых колебаний оказывает существенное влияние как на сам технологический процесс резьбонарезания, так и на

99