Например, Бобцов

ПРОЕКТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК УСТРОЙСТВА ТОРМОЖЕНИЯ ДВИЖУЩЕГОСЯ ПОДВОДНОГО АППАРАТА

48 А. В. Красильников
УДК 623.5
А. В. КРАСИЛЬНИКОВ
ПРОЕКТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК УСТРОЙСТВА ТОРМОЖЕНИЯ ДВИЖУЩЕГОСЯ ПОДВОДНОГО АППАРАТА
Рассматривается один из важных вопросов технологического обеспечения испытаний пусковых устройств малогабаритных необитаемых подводных аппаратов в условиях производственных помещений. Предлагается иллюстрированная примером методика проектного расчетного обоснования технических характеристик тормозного устройства специализированного гидродинамического стенда.
Ключевые слова: автономные необитаемые подводные аппараты, тормозное устройство, схемотехническое решение, технические характеристики, проектное обоснование.
В последнее время ведущими морскими державами активно развиваются [1, 2] автономные необитаемые малогабаритные подводные аппараты (ПА), называемые в литературе также подводными роботами. Спектр их применения достаточно широк. Прежде всего, речь идет об исследованиях шельфа Мирового океана: картографировании дна, взятии проб грунта, оценке гидрофизических свойств воды в зависимости от глубины и т.д. Также предполагается широкое использование подводных роботов в военных целях: при гидроакустическом наблюдении за подводными целями, для обнаружения и уничтожения мин, для охраны подводных нефте- и газотрубопроводов, для предупреждения террористических актов и т.д. В настоящее время за рубежом активно эксплуатируются более 600 подводных роботов различного целевого назначения.
Для отработки пусковых устройств роботизированных ПА и проверки их работоспособности при различных эксплуатационных условиях создаются специальные гидродинамические стенды [3], в которых аппараты движутся с большой скоростью.
В настоящей статье предлагается методика проектного обоснования гидродинамических характеристик тормозного устройства оригинальной, защищенной патентом РФ [4], конструкции, обеспечивающего торможение и остановку движущегося с большой скоростью подводного аппарата, корпус которого имеет калиброванную часть.
Рассматриваемое тормозное устройство, конструктивная и расчетная схема которого приведена на рис. 1, использует движущийся ПА как плунжер и содержит тормозную трубу 1 с передним 2 и задним 3 упорными элементами. Упорный элемент 2 (шириной b1) имеет входное для плунжера отверстие диаметром d1, а упорный элемент 3 фиксирует герметичную крышку 4, между которой и упорным элементом 2 установлены с помощью распорных втулок 5 сменные обтюрирующие кольца 6 и 7 (шириной b2 и b3 соответственно).
В первом обтюрирующем кольце 6 выполнены отверстие диаметром d2 с заходной фаской и сквозные дросселирующие отверстия диаметром dт (количеством n1) на торцевой поверхности. Второе кольцо обтюрации 7 имеет проходное для ПА отверстие диаметром d3.
Принято, что в тормозной трубе (ТТ) установлены только два кольца обтюрации, а длина калиброванной части ПА-плунжера 8 (диаметром dПА и площадью поперечного сечения fПА) превышает длину ТТ. При этом ПА имеет сферический оголовок радиусом r.
При вхождении в тормозную трубу подводного аппарата, движущегося по инерции с начальной скоростью vПА0, в жидкости возникает обусловливающее торможение ПА давление Pт, избыточное по отношению к внешнему гидростатическому давлению Pвн.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 1

Проектное обоснование характеристик устройства торможения

49

Вследствие этого вытесняемая плунжером жидкость будет вытекать через сечения в кольцах обтюрации, дросселирующие отверстия и кольцевой зазор между упорным элементом 2 и ПА-плунжером 8.

2

5 16

57

53

8 Pвн
b1 d1 f1

b2 d2 f2



b3 d3 f3

4 9

dПА fПА r

а1 а2 а3

Рис. 1
Приведем аналитические зависимости, позволяющие произвести оценку конструктивнотехнологических характеристик тормозного устройства.
Уравнение движения ПА в тормозном устройстве может быть записано в следующем виде:

( )dvПА dt

=

1 mПА +mж

Pвн fПА − Fт − Nн − Rгд

,

(1)

где

dvПА dt

— ускорение аппарата; mПА — масса аппарата; mж — приведенная масса вовлекае-

мой в движение жидкости (воды); Fт — усилие торможения; Nн — сила трения изделия о направляющие, не показанные на рис. 1; Rгд — гидродинамическое сопротивление движению изделия.

При проектном расчете примем следующие допущения:

— жидкость (вода плотностью ρ = 1000 кг/м3) несжимаема;

— масса жидкости изменяется по формуле

mж = ρ(а1 + а2 + а3 – lПА)fПА,
где lПА — расстояние, пройденное аппаратом; — Pвн = const; — длиной зазора в обтюрирующем кольце 6 можно пренебречь; — усилие противоударного амортизатора 9 несущественно. Тормозное усилие Fт определяется соотношениями

⎧πlПА (dПА − lПА )Pт +[ fПА − πlПА (dПА − lПА )] Pвн;
⎪⎪Pт fПА;
Fт = ⎪⎪⎨⎪πPт(lfППАА−+Na1т)6(;dПА +a1 − lПА )Pт +[ fПА − π(lПА − a1)(dПА +a1 − lПА )] P6−7 ; ⎪⎪π(lПА − a1 − a2 )(dПА +a1+a2 − lПА )Pт +[ fПА − π(lПА − a1 − a2 )(dПА +a1+a2 − lПА )] P7−4 +Nт7;
⎪⎩Pт fПА +Nт6 +Nт7 ,

где P6−7, P7−4 — давление между соответственно обтюрирующими кольцами 6, 7 и кольцом 7 и крышкой 4; Nт6, Nт7 — сила трения об обтюрирующие кольца 6 и 7, при соответствующих следующих граничных условиях:

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2012. Т. 55, № 1

50 А. В. Красильников

0 ≤ lПА