4. Тормозные устройства

От тормозных устройств во многом зависит возможность вос­произведения ударным стендом заданных импульсов, так как именно эти устройства определяют основные характеристики ударного импульса (форму, пиковое значение ускорения, дли­тельность его нарастания и спада).

Тормозные устройства должны обеспечивать необходимый для заданного ударного нагружения путь торможения подвиж­ной части ударной установки; формировать на этом пути тормо­жения заданный закон нарастания и спада перегрузки (ускоре­ния), действующей на изделие, за счет сил сопротивления де­формированию в процессе соударения; обладать достаточной прочностью и жесткостью при взаимодействии с подвижной частью установки.

По принципу действия тормозные устройства разделяют на необратимо деформируемые и упругодеформируемые устройст­ва. К первым относят устройства, в которых ударный импульс формируется за счет сил упругопластического деформирования тормозного устройства; ко вторым — устройства, в которых ударный импульс формируется за счет сил упругого деформиро­вания тормозного устройства.

Основной характеристикой каждого типа тормозного устрой­ства является зависимость изменения контактной силы от де­формации или ударной перегрузки от пути торможения. Эту за­висимость называют силовой характеристикой тормозного уст­ройства. Она определяет вид и характеристики воспроизводимо­го ударного нагружения. На характер силовой характеристики существенное влияние оказывают форма деформируемого эле­мента и физико-механические свойства его материала. Когда силовые характеристики на активном и пассивном этапах удара одинаковы, тормозное устройство воспроизводит ударную на­грузку симметричных форм. Если силовые характеристики тор мозного устройства на активном и пассивном этапах различны, воспроизводятся ударные нагрузки несимметричных форм.

Необратимо деформируемые тормозные устройства. Харак­терной особенностью этих устройств является наличие деформи­руемого элемента, который при соударении изменяет свою форму в зоне контакта в пределах упругопластических дефор­маций. По виду деформирования элемента эти устройства раз­деляют на устройства смятия, внедрения и проникания.

Передний фронт воспроизводимого ударного импульса фор­мируется на этапе активного нагружения тормозного устройст­ва в процессе соударения за счет упругопластических деформа­ций; максимальная упругопластическая деформация определяет максимальный путь торможения подвижной части ударной ус­тановки. Задний фронт воспроизводимого ударного импульса формируется при разгрузке тормозного устройства в процессе соударения за счет восстановления упругих деформаций. Такая схема работы необратимо деформируемых тормозных устройств показывает, что силовая характеристика устройств нелинейна и обеспечивает в основном воспроизведение несимметричных ударных импульсов с максимальным значением ударной пере­грузки, сдвинутым к концу ударного импульса.

Динамическая силовая характеристика необратимо деформи­руемых тормозных устройств при нагружении в процессе соуда­рения может быть аппроксимирована эмпирической зависимос­тью

В тормозных устройствах смятия ударный импульс формиру­ется за счет смятия деформируемого элемента 1 (например, пластины или прокладки) жестким профилированным в основа­нии ударником 2 (рис. 2.11, а) либо за счет смятия профилиро­ванной части деформируемого элемента 1 (например, коничес­кого элемента) жестким основанием 2 платформы или установки (рис. 2.11, б). Пути торможения невелики, поэтому эти уст­ройства используют для воспроизведения ударных импульсов небольшой длительности (до нескольких миллисекунд), но с большими пиковыми значениями ударного ускорения (до не­скольких десятков тысяч единиц g). Характеристики воспроиз­водимых ударных импульсов существенно зависят от физико-механических свойств материала деформируемого элемента. Де­формируемые элементы могут быть изготовлены из различных материалов (стали, латуни, меди, свинца и т. д.).

В тормозных устройствах внедрения (рис. 2.11, в) ударный импульс формируется в результате внедрения в деформируемый элемент 1 (плиту, шайбу) жесткого ударника 2 с профилирован­ным участком. Силовая характеристика устройства внедрения зависит от материала деформируемого элемента, а также от конфигурации профилированной части ударника. В устройствах этого типа можно получить значительные пути торможения (до нескольких десятков миллиметров), что позволяет воспроизво­дить ударные импульсы с длительным временем нарастания пи­кового значения перегрузки.

Тормозные устройства смятия и внедрения характеризуются тем, что максимальному пути торможения соответствует макси­мальная ударная перегрузка. Они применяются для воспроизве­дения ударных импульсов несимметричных форм.

В тормозных устройствах проникания (рис. 2.11, г) ударный импульс формируется за счет проникания жесткого цилиндри­ческого ударника 2 с профилированным наконечником в плас­тически деформируемую среду 1 (например, свинец). Силовая характеристика устройства проникания состоит из двух участков и зависит от формы профилированной части, диаметра ударника и материала деформируемой среды. Пути торможения могут быть значительными и зависят от скорости соударения. Характерной особенностью устройств проникания является до­стижение максимальной ударной перегрузки на участке внедре­ния в деформируемую среду профилированного наконечника ударника, а затем обеспечение постоянства этого значения на участке проникания в деформируемую среду цилиндрической части ударника. Применение тормозных устройств этого типа может обеспечить получение ударных перегрузок в широком диапазоне значений форм закона изменения во времени с боль­шим временем нарастания, доходящим до десятков миллисе­кунд.

Основные недостатки необратимо деформируемых тормозных устройств: невозможность их повторного использования в связи с изменением формы деформируемого элемента в процессе со­ударения; необходимость большого объема экспериментальных работ по определению геометрических форм и выбору материа­лов соударяющихся элементов, определяющих требуемую для воспроизведения заданного нагружения силовую характеристи­ку тормозного устройства. Для каждого типоразмера ударного импульса необходимо свое тормозное устройство. К преимуще­ствам необратимо деформируемых тормозных устройств следует отнести простоту их конструкции.

Упругодеформируемые тормозные устройства. Характерной особенностью этих устройств является наличие упругодеформируемого элемента, который при соударении изменяет свою форму в пределах упругих деформаций, а по окончании ударно­го процесса восстанавливает свои первоначальные свойства. Это достигается за счет соответствующей силовой характеристики, по виду которой упругодеформируемые тормозные устройства разделяют на устройства с постоянной и переменной силовой характеристикой.

Тормозные устройства с постоянной силовой характеристи­кой (рис. 2.12), как правило, обеспечивают воспроизведение ударных импульсов симметричных форм; при этом максималь­ному пути торможения соответствует максимальная ударная перегрузка. В качестве упругодеформируемого элемента исполь­зуют прокладки и различного рода пружины, обеспечивающие линейную зависимость пути торможения от ударной нагрузки, что позволяет воспроизводить ударные импульсы постоян­ной длительности; при этом пиковые значения ударной перегрузки определяются ско­ростью соударения.

Упругодеформируемые тор­мозные устройства разделяют условно на устройства с "жесткой" и "мягкой" сило­вой характеристикой. Тормоз­ные устройства с "жесткой" силовой характеристикой ис­пользуются для воспроизведе­ния ударных импульсов с вы­сокими пиковыми значениями ударного ускорения (до нескольких десятков тысяч g) и малы­ми длительностями (до нескольких миллисекунд). Ударный им­пульс в таких устройствах (рис. 2.12, а) создается в результате упругого деформирования элемента 1 жестким профилирован­ным в основании ударником 2 при ударе о жесткое основа­ние 3 ударной установки. "Жесткая" силовая характеристика обеспечивается за счет применения в качестве упругодеформи­руемого элемента различных прокладок из высокоплотного вой­лока, высокопрочного пластика или эластомера.

Тормозные устройства с "мягкой" силовой характеристикой используются для воспроизведения ударных импульсов с малы­ми пиковыми значениями ударного ускорения (до нескольких сотен g) и с большими длительностями их нарастания (до не­скольких десятков миллисекунд). "Мягкую" силовую характе­ристику можно получить в тормозных устройствах, выполнен­ных в виде набора прокладок либо в виде пружин. Один из ва­риантов конструктивного исполнения упругодеформируемого устройства с "мягкой" силовой характеристикой представлен на рис. 2.12, б. В этом тормозном устройстве ударный импульс со­здается за счет деформирования упругодеформируемого элемен­та 1 в виде рессоры или тарельчатой пружины, закрепленного на подвижной части 2 ударной установки, при взаимодействии с жестким профилированным основанием 3.

Тормозные устройства с переменной силовой характеристи­кой обеспечивают воспроизведение ударных импульсов с раз­личными длительностями и пиковыми значениями ударной перегрузки, а в отдельных случаях и разных форм за счет кон­структивных или других возможностей изменения силовой ха­рактеристики тормозного устройства.

Структурная схема тормозного устройства с переменной си­ловой характеристикой показана на рис. 2.13. Ударный им­пульс создается при взаимодействии ударной платформы 1 через ударную подушку 2 с тормозным устройством 3, установ­ленным на основании 4. Тормозное устройство состоит из ци­линдра 5 со штоком 6. Верхняя часть цилиндра может быть герметизирована, сообщена с атмосферой или через трубопрово­ды соединена с источниками 7 сжатого газа (например, азота). Нижняя часть цилиндра соединена с резервуарами 8 электро­вязкой жидкости через электрогидравлические клапаны 9. Ре­зервуары можно герметизировать, соединять с атмосферой или источниками сжатого газа. Электрогидравлические клапаны со­единены электрически с блоком управления 10, который фор­мирует выходной импульсный сигнал в соответствии с заданной формой и характеристиками ударного воздействия. Управляю­щий сигнал изменяет напряженность электрического поля в электрогидравлических клапанах в таких пределах, что электровязкая жидкость 11 может превращаться из маловязкой жидкости в практически твердое тело. Схема управления электрогидравлическими клапанами обеспечивает возможность изменения давления рабочего газа 12 в цилиндре таким обра­зом, чтобы можно было воспроизвести ударные импульсы любой заданной формы.

Основным недостатком упругодеформируемых устройств яв­ляется сложность их конструкции, особенно гидравлических, пневматических, гидропневматических устройств. Достоин­ство — возможность их многократного применения и регули­ровки формы и основных характеристик ударного воздействия.

5. Практическая часть

5.1. Используя формулу (2.6) определить скорость подвижной части стенда v и деформацию тормозного устройства x используя значения таблицы 1. Закон изменения ударного ускорения во времени а(t)=3t²+4t-7.

Таблица 1

NN вариантов	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Начальная скорость соударения v0, м/с	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Время t, мкС	100	200	300	400	500	600	700	1500	2500	3500	4500	5500

5.2. Используя формулы (2.11), (2.12) и (2.6) определить скорость подвижной части стенда v,деформацию тормозного устройства x и путь торможения x_мах используя значения таблицы 2.

Таблица 2

NN вариантов	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Пиковое ударное ускорение ап, м/с2	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Длительность переднего фронта ударного ускорения τф, млС	4	3	5	9	1	2	6	8,5	7	9	5,5	22,5
Время t, мкС	100	200	300	400	500	600	700	1500	2500	3500	4500	5500

6. Отчетность по лабораторной работе

Для защиты лабораторной работы занятий студент должен представить отчет, выполненный согласно ГОСТ. Объем отчета должен быть не более 10 листов формата А4, графически он может быть выполнен от руки или напечатан на принтере.

В отчете должны быть представлены:

- титульный лист;

- введение;

- изученный материал;

- практическая часть;

- заключение (вывод);

- список литературы.

Контрольные вопросы:

1. Цели ударных испытаний.

2. Ударный процесс и его характеристики.

3. Когда ЛА подвергается интенсивным ударным нагрузкам в процессе эксплуатации?

4. Методы проведения ударных испытаний.

5. Основные виды ударных стендов.

6. Принципиальная схема и состав ударного стенда (в общем случае).

7. Выбор условий воспроизведения ударных импульсов в лабораторных условиях.

8. Моделирование ударных волн на конструкцию КЛА.

9. Испытания на ударную прочность и ударную устойчивость при многократном воздействии.

10. Испытания на ударную прочность и ударную устойчивость при воздействии одиночных ударов большой интенсивности.

11. Испытания на прочность при транспортировании и падении.

12. Классификация ударных стендов.

13. Тормозные устройства, основные виды и характеристики.

14. Конструктивные элементы ударных стендов.