Анализ схем уравновешивающих механизмов

Введение

 

Уравновешивающий механизм (УМ), является неотъемлемой частью самоходных орудий, компоновка которых не позволяет  использовать грузовое уравновешивание, работы затрачиваемые на вертикальную наводку орудия, является значительной, с учетом того, что в современных орудиях используют электромеханические и другие приводы, потребляемую энергию из источников установки. Задача минимизации затрат энергии на наводку орудий является актуальной.

В данной работе проведен анализ различных схем УМ, построена морфологическая таблица, позволяющая синтезировать УМ для любого типа орудий. Для заданного 152мм орудия синтезируем 6 вариантов механизмов уравновешивания, обеспечивающих минимизацию неуравновешенности качающейся части из которых выбираем наиболее приемлемую.

Проведенные расчеты показывают, что выбранная схема УМ, а именно схема пневматического УМ с нижней подвижной опорой которая перемещается по расчетному профилю, можно использовать для орудий типа- пушка с максимальным углом возвышения .

Результаты расчетов показывают, что использовать такую схему  вполне реально.     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Анализ схем уравновешивающих  механизмов

 

Для танковых и корабельных  орудий грузовое уравновешивание необходимо, так как другие способы будут малоэффективны из за наклона основания и действия неуравновешенных сил инерции при качке и движении. Грузовое уравновешивание является наиболее простым и надежным, поэтому, если есть возможность, нужно стремиться совместить ось цапф с центром тяжести качающейся части.

Необходимость регулировки  УМ обусловлена неизбежными погрешностями изготовления, а также отклонениями в процессе эксплуатации орудия фактической силовой характеристики упругого тела от требуемой по расчету (грузовое уравновешивание: положение оси цапф совпадает с центром тяжести качающейся части, однако при этом происходит утяжеление качающейся части).

В полевых орудиях, где  проблема веса стоит наиболее остро, применяются специальные компенсаторы весового момента уравновешивающие механизмы.

Принцип действия компенсатора основан на том, что его упругий элемент, называемый аккумулятором, при опускании качающейся части накапливает потенциальную энергию, используемою затем при подъеме. (Рисунок 1.1)

Задачей конструирования  и расчета уравновешивающих механизмов является получение такой степени  уравновешенности качающейся части  на всем диапазоне углов вертикальной наводки, при которой усилия на маховике подъемного механизма не превысят допустимых значений.

- расстояние от  оси цапф до центра масс качающейся части;

ɑ -угол между осью канала ствола и направлением из оси цапф на центр масс качающейся части;

h - плечо действия силы уравновешивающего механизма ;

Рисунок 1.1- Схема действия сил на качающуюся часть орудия

 

Виды компенсаторов:

Пружинные уравновешивающие механизмы тянущего типа с качающейся части

Цилиндрические цапфы  О1 колонки шарнирно шатунного механизма соединены со щеками верхнего станка. Сжатая пружина упирается одним торцом в головку штока, другим – в дно цилиндра. Конец штока в точке А шарнирно связан с кронштейном люльки. Реакция пружины передается штоком люльке, действуя на плече h относительно оси цапф О, и создает уравновешивающий  момент =h. Такой механизм теоретически допускает возможность полного уравновешивания качающейся части при всех углах возвышения.

 

Рисунок 1.2 - Схема уравновешивающего механизма тянущего типа с качающейся частью

 

Пружинные механизмы в  сравнении с пневматическими имеют следующие достоинства:

1. возможность лучшего уравновешивания;
2. нечувствительность к колебаниям температуры окружающей среды;
3. простота обслуживания;
4. пружинный механизм практически не требует за собой ухода, высокий кпд доходящий до 98 %;
5. относительно малая чувствительность к внешним повреждениям.

Недостатками пружинных  механизмов являются:

1. трудность изготовления пружин в серийном производстве со стабильными характеристиками. Даже точные пружины имеют разброс по усилиям до , пружины же обычной точности имеют разброс до 8%; неизбежность осадки пружин с течением времени;
2. большие габариты и вес, по сравнению с пневматическими механизмами. При больших весовых моментах пружины получаются весьма большими и тяжелыми. Длина колонки с пружинами в 1.5-2 раза больше пневматической.

Для пружинных механизмов характерна естественная осадка пружины с течением времени, так как они постоянно находятся в сжатом состоянии. Самым распространенным и наиболее простым в конструктивном отношении способом регулировки пружинных УМ является изменение предварительного поджатия пружины, которое достигается увеличением или уменьшением расстоянии между опорами при фиксированном положении качающейся части. В результате такой регулировки усилие механизма изменяется на одну и ту же величину при всех углах возвышения, а уравновешивающий момент получает приращения одного знака. Можно производить регулировку, влияя на жесткость пружины. При этом в одном интервале угла возвышения, при котором регулируется механизм, уравновешивающий момент возрастает, тогда, как в другом уменьшается. Однако реализации способа регулировки изменения жесткости встречает трудности, связанные с изменением количества рабочих витков пружины.

 

Торсионный уравновешивающий механизм

Упругим элементом в торсионном УМ является торсионный валик со шлицевыми головками. Если артиллерийское орудие имеет большие углы возвышения, торсионный валик для обеспечения необходимого угла поворота или должен иметь значительную длину, или возникает необходимость усложнять конструкцию УМ за счет введения в него редуктора, гибкой связи или других устройств. Относительно простым решением является телескопическое торсионное устройство.

Торсион как упругий элемент, может применяться не только для уравновешивания качающейся части, но часто применяется также для уравновешивания отдельных частей артсистем и пусковых установок, например, различных крышек, створок, откидных домкратов и т.д.

 

Рисунок 1.3 - Торсионный валик

 

Существует несколько схем торсионных механизмов:

1. Торсионный механизм с редуктором. Механизм с редуктором можно применять при небольших весовых моментах и ограниченных габаритах, т.к. применение редуктора снижает общий кпд механизма, а при больших моментах резко увеличивается усилия на зуб шестерни (Рисунок 1.4).
2. Торсионный  механизм с копиром. Для обеспечения лучшего уравновешивания могут применяться торсионные механизмы с копиром, подбирая профиль копира можно добиться точного уравновешивания на всех углах (Рисунок 1.5).
3. Телескопический торсионный уравновешивающий механизм. Торсионный стакан изготовлен из пружинной или высоколегированной марки стали. Шлицевая головка стакана может выполняться с мелкими треугольными или с обычными прямоугольными шлицами (Рисунок 1.6).

1- редуктор; 2 – гибкая связь; 3 – шкив;

Рисунок 1.4 - Схема торсионного  механизма с редуктором

 

 

1 – копир; 2 – роли; 3 –  рычаг; 4 – торсион;

Рисунок 1.5 - Схема торсионного  механизма с копиром

 

Расчетные диаметры торсионного  стакана желательно подбирать так, чтобы момент сопротивления на кручении кольцевого сечения был бы равен моменту сопротивления торсиона, когда напряжение в обеих деталях будут одинаковы. Расчет телескопического торсионного механизма производится по тем же формулам, что и обычного механизма, но при определении жесткости и угла закручивания необходимо учитывать жесткость торсиона и стакана.

 

1-валик;2 – стакан;

Рисунок 1.6 - Схема телескопического торсионного уравновешивающего механизма

 

4)   Пучковый торсионный механизм. Пучковый механизм позволяет значительно сократить длину торсионов и уменьшить диаметр единичного валика.

Рисунок 1.7 - Схема пучкового торсионного механизма

 

5)   Пластинчатый торсион. Преимущества пластинчатого торсиона заключается в высокой деформативности, простоте изготовления, удобстве компоновки.

 

1- пластины;2- обоймы;

Рисунок 1.8  –  Схема  пластинчатого торсионно уравновешивающего  механизма

 

Пневматические УМ

В пневматических УМ аккумулятором энергии является сжатый газ (азот или воздух). Поэтому при конструировании УМ необходимо учитывать влияние температуры окружающей среды и скорости процесса сжатия-расширения газа на характер изменения силы, создаваемой аккумулятором. Кроме того, наличие уплотнительных устройств вызывает появление значительных сил трения (Рисунок 1.8).

1-внешний цилиндр; 2-поршень;

Рисунок 1.8 - Схема пневматического  уравновешивающего механизма

 

Критерием правильности регулировки  УМ является усилие на маховике механизма вертикальной наводки. Оно должно лежать в пределах допускаемых величин и быть примерно одинаковым при наводке вверх и вниз, При этом должен быть обеспечен некоторый перевес или на дульную, или на казенную часть ствола для выбора зазора в механизме вертикальной наводки в направлении действия момента от выстрела.

В пневматическом компенсаторе, в качестве упругого тела используется сжатый газ, воздух или азот. Как  правило, компенсаторы на заводе заполняют  нейтральным газом - азотом, предварительно осушенным. В армии при отсутствии азота разрешается заполнять их осушенным воздухом.

В отличие от пружин, сила которых обычно меняется по линейному  закону и не зависит от температуры, сила сжатого газа изменяется по политропическому закону. Для уравновешивающего механизма  принимается уравнение состояния  идеального газа.

                                  (1.1)

Где р – давление;

v- объем газа;

R - газовая постоянная;

             T – абсолютная температуры;

k – показатель полинтропы;

В зависимости от характера  процесса сжатия – расширения величина К может изменяться от К=1 для изотермического процесса до К=1,4 для адиабатного процесса.

Если принять процесс  подъема качающейся части бесконечно длительным, то температура газа будет  выравниваться с температурой внешней  среды, и процесс будет чисто  изотермическим (показатель полинтропы К=1). Если принять время подъема – опускания бесконечно малым, то процесс будет чисто адиабатическим, идущим без теплообмена с внешней средой (показатель адиабаты К=1,4). Почти в чистом виде процесс адиабатического расширения в артиллерийском орудии встречается только при выстреле, когда рассматривается процесс расширения газов в начале канала ствола (длительность процесса измеряется сотыми и тысячными секунды ). Приближается к адиабате также процесс сжатия газа в накатнике при откате (длительность процесса измеряется десятыми долями секунды ).

В уравновешивающем механизме  ни тот ни другой процесс не могут  иметь места. Величина показателя полинтропы будет зависеть от скорости сжатия – расширения, т.е. другими словами, от скорости подъема и опускания качающейся части. В какой – то мере будет влиять также величина теплоотдачи в окружающую атмосферу, зависящая от конструкции механизма.

Для проектировочного расчета  можно принимать следующие значения показателя полинтропы К:

 

Для орудий с ручным приводом и малой скоростью вертикального  наведения 

К = 1,05-1,1

Для орудий со скоростью  вертикального наведения 2-4

К =

Для орудий со скоростью  вертикального наведения 6-10 и более

К =

Кривые изменения газа имеют следующий вид

 

       Рисунок 1.9                   Рисунок 1.10                        Рисунок 1.11

 

В отличии от пружинных компенсаторов, у которых каждому углу возвышения  ᵠ соответствует определенная величина поджатия и усилия пружины, в пневматическом механизме одному и тому же объему газа в цилиндрах, т.е. для каждого угла возвышения, давление газа и усилие в механизме могут быть различными в зависимости от того, с какой скоростью мы ведем наведение.

Если качающуюся часть  из крайнего нижнего положения поднять  в крайнее верхнее положение, затем через определенный промежуток времени с максимальной скоростью  опустить в исходное положение, то кривая давления представит замкнуты цикл 1-2-3-4 как показано на рисунке 1.11

1-2 – расширение и охлаждение  газа;

2-3 – остановка в верхнем  положении, выравнивание температуры;

3-4 – сжатие с нагревом  газа;

4-1 – остановка в нижнем  положении, выравнивание температуры. 

Средняя кривая 1-3 – изотерма.

Величина расхождения  полинтроп 1-2 и 3-4 от изотермы 1-3 зависит от скорости давления качающейся части. Чем больше скорость, тем больше будут участки 2-3 и 1-4 и тем больше будет истинный процесс сжатия – расширения отличаться от изотермического.

В том случае, когда подъем и опускание качающейся части  идет с остановками в промежуточных  положениях, температурные влияния  будут сглаживаться.

Таким образом, в пневматических уравновешивающих механизмах имеются  два вида уравновешивания при  сопоставлении момента веса качающейся части  с моментом, развиваемым  уравновешивающим механизмом:

СТАТИЧЕСКОЕ – когда сопоставляются моменты в состояние покоя,

ДИНАМИЧЕСКОЕ – когда моменты сопоставляются при движении качающейся части в определенном режиме работы.

При расчете необходимо учитывать  оба вида уравновешивания .При этом нужно помнить, что усилие механизма зависит  и от скорости наведения ( при изменении скорости меняется показатель политропы 0 и от режима работы (идет процесс непрерывно или с остановками).

Зависимость усилия от скорости наведения особенно важно для  систем с механическим приводом, имеющий  ручной дублер.

Второй особенностью пневматических компенсаторов является чувствительность их к изменению температуры окружающей среды. С изменением температуры  существенно изменяется давление в  пневмо-цилиндрах.

             (1.2)

При постоянно объеме

     (1.3)

 

     (1.4)

 

             (1.5)

 

     (1.6)

Определим увеличение силы пневматичеческого компенсатора при повышении температуры от +15 до +30, если рабочая площадь поршня

F= 400 с и механизм отрегулирован при давлении = 300

 = 273 + 15=288 К; = 273+ 30 =303К.

Давление в цилиндре будет 

 =30 = 316

Усилие механизма:

При t = +15; =120000 H;

При t = +30; =126400 H;

Естественно, что при таких  расхождениях между фактическим  и расчетным усилием механизма, уравновешенность не может быть обеспечена. Этот органический недостаток пневматических  компенсаторов может быть устранен в значительной степени одним  из следующих способов:

1) На машине устанавливается  баллон высокого давления (рисунок  1.12).

При снижении температуры  производится пополнение цилиндра компенсатора с помощью вентиля. При повышении  температуры излишек газа с помощью  вентиля выпускается в атмосферу. Этот способ достаточно прост и применяется  в тяжелых системах. Основной его  недостаток состоит в невозвратной потере газа при выпуске в атмосферу  и необходимости в следствии этого, периодически подзаряжать или заменять баллон. Для самоходных установок, имеющих компрессор высокого давления, постоянно работающий при работе двигателя, это не является недостатком. Баллон постоянно подзаряжается до максимального давления.

1- баллон высокого давления; 2,3 – вентили;

Рисунок  1.12

 

2) Нужное начальное давление  устанавливается путем выпуска  избыточного количества в атмосферу  или увеличением давления до  требуемого с помощью насоса. Этот способ связан с определенной  затратой времени , что может оказаться недопустимым .

3) Изменение давления  осуществляется путем изменения  расстояния между шарнирами компенсатора (рисунок 1.13 а). При этом способе  изменяются одновременно давление  и объем газа, что увеличивает  возможности регулировки.

1- домкрат

Рисунок 1.13а

 

3) На аккумуляторе устанавливается  специальное устройство для изменения  давления в цилиндре за счет  изменения объема, занимаемого сжатым  газом (рис 1.13б).

Рисунок 1.13б

 

При изменении последних  двух способов вводится переменная ошибка, являющаяся функцией угла возвышения. Следовательно, изменяя объем, занимаемым сжатым газом, можно получить совпадение фактического усилия с расчетной  величиной только для одного значения угла возвышения.

5) На аккумуляторе или  отдельно устанавливается дополнительным  объем воздуха, который соединяется  с рабочим цилиндром через  вентильное устройство. Давление  в дополнительном объеме и  в рабочем цилиндре равны при  средней температуре и среднем  угле возвышения. При изменении  температуры окружающей среды  нарушенное уравновешивание может  быть восстановлено путем перепуска  части воздуха из рабочего  объема в дополнительный или обратно. Для этой цели качающейся части придается угол , при котором результирующее давление в общих объемах при открытом вентиле было бы равно оптимальному давлению, соответствующему данному углу возвышения. После отсечения дополнительного объема от рабочего цилиндра давление в рабочем цилиндре будет оптимальным на всем диапазоне углов.

Величина дополнительного  объема определяется по формуле:

      (1.7)

 

Где - величина дополнительного объема;

       , - наибольшая и наименьшая величины рабочего объема;

       , – наибольшая и наименьшая абсолютная температура окружающей среды;

Если расчетный дополнительный объем велик и требуется  его  уменьшить, то для этой цели может  быть применена схема двухвариантного  заполнения. В этом случае на холодный зимний период задаются одни пределы  температур , на летний период – другие.

Величина определяется по формуле:

;         (1.8)

 

Где  = -- величина перекрытия;

        - наибольшая абсолютная температура для зимнего заполнения;

- наименьшая температура  для  летнего заполнения;

Для определения необходимого угла возвышения, при котором следует  соединять объемы при изменении  температуры окружающей среды, служит специальный график, который строится по следующим зависимостям:

 

 

Для одновариантного заполнения

;            (1.9)

 

Для летнего заполнения

;             (1.10)

 

Для зимнего заполнения

;             (1.11)

 

Для совмещения прямых, изображающих на графике зависимость  от Т, следует масштаб температур брать различными с таким расчетом, что отрезок ,был равен отрезку .

Рядом с осью координат  – шкалой давлений – наносится  неравномерная шкала углов возвышения, определяемая по формуле 

                    (1.12)

Где =

Объединенный график будет  иметь следующий вид

Рисунок 1.14 График зависимости  от Т

Оригинальностью данного  конструктивного решения является возможность быстрого осуществления  необходимой регулировки без  применения каких – либо измерительных средств.

 

 

А- изменение начального давления газа с помощью баллона или компрессора, расположенных на орудии;

Б – изменение базового расстояния между опорами УМ;

В – дополнительное устройство для изменения объема, занимаемого сжатым газом;

Г – дополнительный объем газа, соединяемым с УМ через вентиль;

Рисунок 1.15 - Способы регулировки давлений в пневматическом уравновешивающем механизме

 

Достоинства пневматических механизмов:

1. компактность и меньший вес;
2. возможность компенсации практически любых весовых моментов;
3. широкие возможности для регулировки усилий.

 

Недостатки пневматических механизмов:

1. невозможность обеспечения полного уравновешивания;
2. зависимость усилий от скорости подъема и от режимов работы;
3. зависимость от температуры;
4. большие дополнительные потери на трение в уплотнительных устройствах;
5. большая чувствительность к внешним повреждениям;
6. необходимость постоянного контроля за состояние уплотнений и за давление воздуха.

Для пневматических механизмов на давление газа в колонке большое  влияние оказывает температура окружающей среды. Поэтому здесь регулировка направлена на компенсацию влияния температуры окружающей среды. Давление в колонке восстанавливается изменения количества газа или занимаемого им объема. При частой регулировке, связанной с изменением количества газа в колонке, нарушается нормальная работа вентильного устройства, и сама регулировка требует много времени. От указанных недостатков свободна регулировка давления газа в колонке увеличением или уменьшением занимаемого им объема. Для цели в конструкции УМ обычно предусматривается дополнительным цилиндр с поршнем (рисунок 1.8). При перемещении поршня 5 изменяется давление и объем газа в механизме. Различным значениям температуры окружающей среды соответствуют определенные положения поршня регулировочного устройства.

Иногда для регулировки  пружинных и пневматических механизмов имеется возможность перемещения  их опор на люльке или верхнем станке. Смещение шарнирных опор связано с изменением геометрических параметров схемы уравновешивания и отражается на характере зависимости от угла возвышения усилия механизма и плеча действия его относительно оси цапф.

 

 

1-цилиндр; 2-поршень; 3 - уплотняющее  устройство; 4-вентильное устройство; 5-поршень;

Рисунок 1.16-  Схема пневматического уравновешивающего механизма толкающего типа

 

 

 

 

Пневмопружинные уравновешивающие механизмы .

Пневмопружинные механизмы имеют более сложную конструкцию по сравнению с пружинными и пневматическими механизмами. По конструкции они представляют собой пневматические уравновешивающие механизмы, в которые введены одна или две пружины, вступающие в работу при тех углах возвышения, при которых неуравновешенность наиболее велика.

Здесь наличие пружин уменьшает неуравновешенность. В большинстве случаев удовлетворительный результат достигается с помощью одной контрпружины, которая сжимается только в интервале больших углов возвышения. Контрпружина размещается в цилиндре (Рисунок.1.17, а) или полом штоке (Рисунок 1.17, б). Соответствующими конструктивными решениями можно обеспечить работу одной и той же пружины в начале и  конце диапазона углов возвышения (Рисунок. 1.17, в). При помощи пружины сначала увеличивается усилие, создаваемое газом, а потом уменьшается. Для лучшей корректировки диаграммы изменения усилия пневматического механизма, иногда приходится ставить две пружины (Рисунок.1.11, г). В интервале небольших углов возвышения действует в основном пружина малой жесткости 2, тогда как пружина большой жесткости 1 почти не работает. В среднем интервале диапазона углов возвышения пружины выключаются, а затем частично компенсируют действие сжатого воздуха.

Рисунок 1.17 – Схемы пневпоружинных уравновешивающих механизмов

 

В таблице 1.1 приведены орудия в которых используются различные уравновешивающие механизмы.

 

 

 

 

 

 

Таблица 1.1 – Некоторые  виды артиллерийских орудий в которых используются различные схемы уравновешивающих механизмов

 

Орудие	Калибр, мм	Тип	Количество механизмов на орудии	Расположение механизм
МТ-12	100	Пружинный компенсатор	1	Выше оси цапф на 230 мм , слева от оси ствола на 220 мм
ДТ-74	122	Пневмопружинный	2	Симметрично относительно ствола
Д-30	122	Пневмопружинный	1	Справа относительно ствола
М-46	130	Пневматический толкающего типа	2	Симметрично относительно ствола
2А36	152	Пневматический толкающего типа	2	Симметрично относительно ствола
2А31	122	Пневмопружинный толкающего типа с компенсатором	1	Ниже оси канала ствола , впереди оси цапф
2С3М	152	Пневмопружинный толкающего типа	1	Справа от ствола , сзади оси цапф
2А37	152	Пневматический толкающего типа	2	Симметрично относительно ствола
2А44	203	Пневмопружинный толкающего типа	2	Симметрично относительно ствола

 

 

2. Морфологический анализ схем уравновешивающих механизмов

 

Суть морфологического анализа в следующем

1) В объекте исследования, выполняющем заданную функцию, выделяют группу основных отличительных (классификационных) признаков (конструктивных, функциональных и т.п.) и для каждого из них конкретизируют возможные различные варианты исполнения (альтернативные варианты).

Для этого рассматривают  уже известную совокупность реализаций объекта (в данном случае – уравновешивающий механизм) и анализируют их сходство и различие;

2) Строят морфологическую таблицу с двумя входами: признаки и альтернативные варианты;

3) С помощью морфологической  таблицы получают множество комбинаций  альтернативных вариантов реализации отличительных признаков;