Анализ и оптимизация пневматического спасательного линеметательного устройства Пискунов Владимир Александрович

Введение к работе

Актуальность темы. В настоящее время важной задачей машиноведения является создание эффективных пневматических метателей, позволяющих использовать энергию сжатого газа для разгона тел. Один из таких метателей – морской спасательный линемёт. Это особо важное устройство, поскольку от него напрямую зависит жизнь и здоровье людей в случае чрезвычайных ситуаций. Линеметательное устройство предназначено для переброски спасательного линя на судно или спасательного жилета тонущему человеку на расстояние более 260 м. Также линемёты применяются в горной местности и при работе в экстремальном климате.

В настоящее время только линемёт «ИСТА-240» сертифицирован Российским Морским Регистром Судоходства. Однако эксплуатация прибора показала наличие технических отказов, приводящих к полной потере работоспособности. Для усовершенствования существующих и улучшения характеристик вновь проектируемых устройств необходимо проведение научных исследований, которые позволят повысить надежность линемёта, обеспечить соответствие Международной конвенции по охране человеческой жизни на море СОЛАС 74.

Анализ существующей конструкции линемёта, математическое

моделирование его работы, оптимизация параметров, а также верификация результатов расчета представляют большой практический и научный интерес.

Цель работы. Анализ конструктивных элементов пневматического линемёта, разработка методов расчета деталей и узлов линемёта, позволяющих оптимизировать его параметры для повышения надежности, технологичности и конкурентоспособности на мировом рынке.

Задачи исследования

1. Анализ отказов при эксплуатации линемёта, оценка их значимости.

2. Построение математической модели и расчет динамики системы тел линемёта.

3. Анализ напряженно-деформированного состояния колпака быстродействующего клапана при ударе.

4. Анализ прочности деталей быстродействующего клапана линемёта.

5. Создание экспериментального стенда и проведение исследований, позволяющих установить характер влияния параметров линемёта на динамику разгона снаряда в стволе.

6. Выработка рекомендаций по оптимизации линемёта.

Основные положения, выносимые на защиту

7. Постановка и решение задачи динамики тел линеметательного устройства.

8. Методика нахождения модулей упругости композита со сферическими включениями.

9. Математическая модель и расчет удара тел быстродействующего клапана линемёта.

4. Анализ напряженно-деформированного состояния деталей быстродействующего клапана линемёта в статической и динамической постановках.

5. Верификация расчетных данных путем экспериментального исследования внутренней баллистики в пневматическом линемёте.

Методы исследования. Основой математического моделирования в
диссертационной работе является лагранжева механика твердых и упругих тел
в сочетании с компьютерной математикой и экспериментальным

исследованием.

Степень разработанности темы

Доступных литературных источников по пневматическим

линеметательным устройствам крайне мало ввиду узкой направленности изделия, к тому же информация о зарубежных устройствах, ResQmax, Restech Norway, составляет коммерческую тайну.

Существующие инженерные решения для пневматических разгонных установок представлены в работах отечественных ученых, но применяемые в них математические модели непригодны для исследования быстродействующих процессов, протекающих в пневматических линемётах.

Однако в литературе хорошо освещен ряд смежных теоретических исследований, используемых в данной работе.

Проблемы динамики пневматических клапанов, связанные с

уменьшением времени срабатывания, изучаются совместно с вопросами проектирования ударных труб. Такими работами занимались Р.Л. Петров, С.В. Булович, В.Г. Бакута, K.J. Babcock, S.G. Rubin, R.C. Xin, В.И. Звегинцев.

В быстродействующих клапанах особую роль играет материал запирающей детали, поэтому главная деталь клапана линемёта – колпак, выполнен из композита. Проблемам механики композитов посвящены работы Р.Кристенсена, Б.Нотона, Б.Е. Победри, Дж. Седнецки, Т.Д. Шермергора.

Применяемой в диссертации лагранжевой механике и теории оболочек посвящено большое количество трудов, и прежде всего, работы А.И. Лурье, В.В. Елисеева, Я. Г. Пановко.

Теоретическая основа математического моделирования в данной работе базируется на книгах А.И. Лурье, Л.Г. Лойцянского, С.П. Тимошенко, Ю.Н. Работнова, Ф.Р. Гантмахера, А.Л. Гольденвейзера, В.Л. Бидермана. В настоящее время полученные в результате моделирования уравнения эффективно решаются методами компьютерной математики.

Вопросами проектирования новых моделей пневматических линемётов в настоящее время занимаются С.Н. Исаков и С.В. Юркин.

Научная новизна

1. Разработана методика расчета динамики разгона произвольного метаемого тела для пневматического линемёта.

2. Предложена и реализована новая методика расчета эффективных модулей композита со сферическими включениями.

3. Предложена методика расчета полета снаряда линемёта как тела переменной массы.

4. Исследованы волновые процессы, возникающие при ударе конической оболочки, и механические напряжения с использованием дифференциальных уравнений лагранжевой механики тонких оболочек.

5. Исследовано влияние геометрических параметров линемёта на скорость снаряда на срезе ствола линемёта.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена
корректным применением уравнений механики и теории упругости,
использованием проверенных алгоритмов компьютерной математики, а также
хорошим соответствием результатов расчета с полученными

экспериментальными данными.

Соответствие паспорту специальности диссертационной работы имеет место согласно п. 4 паспорта специальности 05.02.02 «Машиноведение, системы приводов и детали машин»: «Методы исследования и оценки технического состояния объектов машиностроения, в том числе на основе компьютерного моделирования». Родственными и смежными являются специальности: 01.02.04 (Механика деформируемого твердого тела), 01.02.06 (Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры), 01.02.05 (Механика жидкости, газов и плазмы), 05.02.11 (Методы контроля и диагностики в машиностроении).

Практическая ценность состоит в разработке методики расчета разгона тела в стволе линемёта, математическом моделировании и расчете всех этапов работы линемёта «ИСТА-240», создании испытательных стендов, определении области оптимальных конструктивных параметров, а также разработке численных алгоритмов для проведения расчета параметров пневматических устройств в программе MathCad.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на

1. Научно-практической конференции «Неделя науки СПбГПУ. ИММиТ». – СПб, 2014.

2. Конференции «Современное машиностроение. Наука и образование». – СПб, 2014.

3. Научно-практической конференции «Неделя науки СПбПУ. ИММиТ». – СПб, 2015.

4. Конференции «Современное машиностроение. Наука и образование». – СПб, 2016.

5. Научно-техническом форуме «Корабельная энергетика». – СПб, 2017.

6. Двух научных семинарах ИПМаш РАН. – СПб, 2017.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 11 статьях, в том числе в 2-х, изданных в журналах из списка ВАК РФ.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, 4 глав и заключения. Ее суммарный объем 118 с., основной текст занимает 101 с. В списке цитируемой литературы 104 наименования. Работа содержит 58 рисунков, 6 таблиц и 4 приложения.