Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование современного состояния науки и техники по вопросу высокоскоростного магнитно-импульсного привода 15
1.1. Общие замечания 15
1.2. Магнитно-импульсный привод для обработки металлов давлением. 11
1.3. Магнитно-импульсный привод для проведения испытаний различных материалов и изделий машиностроения 27
1.4. Применение магнитно-импульсного привода в других областях современной техники 36
1.5. Магнитно-импульсный привод в системах активной защиты объектов особой важности 40
1.5.1. Функциональная схема и принцип действия магнитно-импульсного привода в системах активной защиты 40
1.5.2. Оценка эффективности магнитно-импульсного привода в системах активной защиты 50
1.6. Перспективы развития магнитно-импульсного привода. Цель и задачи исследований 70
Глава 2. Теоретические исследования магнитно-импульсного привода 73
2.1. Физические основы ускорения твердых электропроводящих тел импульсным магнитным полем 73
2.1.1. Основные уравнения теории магнетизма 73
2.1.2. Получение импульсных магнитных полей в системах с конденсаторными накопителями энергии 75
2.1.3. Методика расчета импульсного магнитного поля в зазоре «индуктор-метаемое тело» 85
2.1.4. Электромагнитные процессы, протекающие в метаемом теле. 90
2.1.5. Давление импульсного магнитного поля дд
2.1.6. Силы, действующие на индуктор 97
2.1.7. Обзор методов расчета электромагнитных полей. Метод конечных элементов 100
2.1.8. Уравнения движения метаемого тела 105
2.2. Обзор математических моделей и методик расчета основных параметров процесса магнитно-импульсного ускорения твердых электропроводящих тел в магнитно-импульсном приводе
2.3. Трехмерное математическое моделирование магнитно-импульсного привода 119
2.3,1. Трехмерное математическое моделирование магнитно-импульсного привода в пакете FEMLAB 119
2.3.1.1. Краткий обзор возможностей пакета моделирования FEMLAB 119
2.3.1.2. Трехмерное моделирование импульсного магнитного поля плоского спирального индуктора 125
2.3.1.3. Трехмерное моделирование силового воздействия импульсного магнитного поля плоского спирального индуктора на осесимметрично расположенный индентор 113
2.3.1.4. Трехмерное моделирование силового воздействия импульсного магнитного поля плоского спирального индуктора на индентор, смещенный относительно оси индуктора 135
2.3.2. Трехмерное моделирование в пакете 3D Studio Мах процессов движения индентора в магнитно-импульсном приводе... 137
2.4. Результаты теоретических исследований магнитно-импульсного привода 145
Глава 3. Экспериментальные исследования магнитно-импульсного привода И8
3.1. Задачи экспериментальных исследований 148
3.2. Общее описание опытного образца магнитно-импульсной метательной установки МИМУ-219-1 на основе магнитно-импульсного привода 149
3.3. Силовой блок МИМУ-219-1 154
3.4. Узел индуктора МИМУ-219-1 161
3.5. Пульт дистанционного управления МИМУ-219-1 165
3.6. Метаемое тело (индентор) 169
3.7. Регистрирующая аппаратура 172
3.8. Методика проведения экспериментов 179
3.9.Результаты экспериментальных исследований магнитно-импульсного привода 182
Основные научные результаты и выводы 196
Список литературы 199
- Магнитно-импульсный привод для проведения испытаний различных материалов и изделий машиностроения
- Получение импульсных магнитных полей в системах с конденсаторными накопителями энергии
- Общее описание опытного образца магнитно-импульсной метательной установки МИМУ-219-1 на основе магнитно-импульсного привода
- Пульт дистанционного управления МИМУ-219-1
Введение к работе
Диссертационная работа «Магнитно-импульсная метательная установка для испытаний на ударные воздействия» посвящена вопросам эффективного ускорения макротел (массой до 1 кг) до высоких скоростей с использованием магнитно-импульсного привода в целях воспроизведения в лабораторных условиях высокоскоростных ударных нагрузок, имеющих место при эксплуатации различных изделий и материалов. Кроме того, работа так же посвящена вопросам ускорения групп макротел до высоких скоростей с использованием магнитно-импульсного привода в целях создания систем активной защиты объектов особой важности для повышения антитеррористической устойчивости последних.
Среди целого ряда разнообразных внешних механических воздействий, имеющих место при эксплуатации изделий и материалов, особо выделяют высокоскоростные импульсные ударные нагрузки, характерной особенностью которых является высокий уровень напряжений в материале и малая длительность импульса ударного давления. Задача проведения высокоскоростных ударных испытаний особенно актуальна при проектировании изделий и материалов авиационной, космической, военной техники - тех объектов машиностроения, работа которых происходит в условиях импульсных воздействий высокой интенсивности. Известно, что свойства материалов и конструкций в значительной степени зависят от амплитуды и длительности ударного воздействия.
Цель ударных испытаний - проверка способности изделия выполнять свои функции во время ударного воздействия и после него. Главным условием при проведении испытаний является имитация внешних ударных воздействий таким образом, чтобы они достаточно точно соответствовали ударным воздействиям при определенных условиях эксплуатации изделия. С экономической и методической точки зрения предпочтительно проведение испытаний в лабораторных условиях при наличии универсального устройства, позволяющего воспроизводить широкий набор внешних ударных воздействий.
При экспериментальном исследовании поведения объектов испытаний под действием высокоскоростных импульсных ударных нагрузок используют различные методы разгона тел до требуемых скоростей. Для решения данных задач в настоящее время применяют специальные схемы с использованием энергии удара, взрыва, электромагнитного поля и других источников импульсной энергии. Известные устройства разгона тел (многоступенчатые легкогазовые установки, устройства для взрывного метания, рельсовые треки, рельсо-троны и т.д.) позволяют получить скорости до 15 км/с для тел различных масс. Однако, построенные на основе указанных устройств стенды для проведения ударных испытаний, как правило, не предназначены для применения в лабораторных условиях, поскольку являются громоздкими, достаточно сложными в обслуживании и эксплуатации, а так же экологически вредными. Кроме этого, большинство из подобных устройств ускоряют тела небольших масс (микро-, миллиграммы) [1].
Одним из наиболее перспективных методов решения задач эффективного разгона макротел до высоких скоростей для проведения ударных испытаний является использование энергии импульсного магнитного поля.
Испытательные установки, построенные на основе магнитно-импульсного привода, являются достаточно эффективным средством изучения поведения материалов и изделий при динамических воздействиях в лабораторных условиях. Подобные установки по своим показателям выгодно отличаются от аналогичных устройств высокой степенью воспроизводимости испытаний, высокой производительностью испытаний, бесшумностью и экологично стью процесса испытаний, простотой обслуживания и относительно малыми габаритами, разнообразием форм и размеров метаемых тел и т.д.
Принцип высокоскоростного магнитно-импульсного метания твердых электропроводящих тел, лежащий в основе работы магнитно-импульсного привода, основан на возникновении механических сил отталкивания между проводниками, по которым течет электрический ток - явлении, описываемом законом Био-С авара-Лапласа.
Вопросами физики и техники получения сильных магнитных полей и применения их для метания твердых электропроводящих тел занимались научные коллективы под руководством П.Л. Капицы, Г. Кнопфеля, Г.А. Шнеерсона, В.Н. Бондалетова, А.Н. Андреева, Г.Л. Башарина, К.В. Татмышевского. В дальнейшем данное направление получило свое развитие в исследованиях ряда известных ученых как в нашей стране, так и за рубежом.
Принцип действия магнитно-импульсных приводов, способных сообщать телам высокие скорости (до нескольких километров в секунду), предоставляет широкие возможности их применению в различных областях науки и техники. Подобные привода могут применяться для испытаний средств бронезащиты, для проведений испытаний на ударное нагружение взрывателы-гых устройств боеприпасов и т.д.
В состав магнитно-импульсных приводов входят: накопитель энергии, коммутирующее устройство и индуктор. В качестве накопителей энергии используются емкостные или индуктивные накопители. В качестве коммутирующего устройства в магнитно-импульсных приводах используются различного вида разрядники - вакуумные, высокого или атмосферного давления, с твердым диэлектриком. В качестве индукторов могут использоваться одновитковые соленоиды, многослойные спиральные соленоиды, плоские одновитковые и мно-говитковые катушки - индукторы.
В данной диссертационной работе исследуется магнитно-импульсный привод в качестве индуктора в котором используется плоская спиральная катушка-индуктор, в качестве накопителя энергии - емкостной накопитель (батарея высоковольтных импульсных конденсаторов), а в качестве метаемых тел (инденторов) - твердые электропроводящие тела (рис. 1).
Индуктор является первичным контуром, с которым индуктивно связано метаемое тело (например, пластина), представляющая собой вторичный контур. При разряде емкостного накопителя на катушку-индуктор ток, протекающий в первичном контуре, наводит вихревые токи во вторичном контуре, в результате чего между индуктором и метаемым телом наводятся два противоположных по
направлению магнитных пол5г. Это приводит к возникновению интенсивных пондеромоториых сил, за счет которых метаемое тело приобретает большую начальную скорость. Затем метаемое тело летит свободно до встречи с объектом испытаний. Таким образом, в данном процессе энергия электрического поля емкостного накопителя (батареи конденсаторов) преобразуется в энергию магнитного поля индуктора, а затем в механическую работу выталкивания метаемого тела из зоны индуктивной связи индуктора, а также, частично, в теплоту. Возможны различные схемы метания, в зависимости от конструкции индуктора.
Применение магнитно-импульсных приводов позволяет проводить в лабораторных условиях целый комплекс испытаний - на ударную устойчивость, на ударную прочность, на эрозионное изнашивание и т.д. При этом испытания могут проводиться как методом прямого, так и обращенного пусков. Это в ряде случаев значительно упрощает как проведение испытаний, так и обработку полученной входе проведения испытаний измерительной информации. При испытаниях методом обращенного пуска (например, для испытаний изделий авиакосмической техники) объект испытаний крепится неподвижно, а метаемое тело (плоская пластина в качестве имитатора преграды) разгоняется до требуемой скорости.
.5
л РиС.1.
Схема метода магнитно-импульсного метания твердых электропроводящих тел с использованием п плоской спиральной катушки-индуктора:
- емкостной накопитель;
- коммутирующее устройство; гу 3 - узел индуктора; ^ 4 - метаемое тело (индентор);
5 - объект испытаний
При этом скорость метания определяется напряжением заряда емкостного накопителя. Материал и толщина метаемой пластины-имитатора преграды выбираются такими же, как у реальной преграды. Метание тел плоской формы при испытаниях является наиболее актуальной задачей, т.к. к процессу соударения изделий авиакосмической техники с плоскими листовыми преградами может быть сведена существенная часть испытаний подобных изделий на функциональные возможности.
Кроме этого, как показал анализ, перспективной областью применения магнитно-импульсных приводов являются системы активной защиты объектов особой важности (для круглосуточной внутриобъектовой и наружной охраны).
Магнитно-импульсный привод, как устройство для метания готовых поражающих элементов наиболее полно соответствует требованиям, предъявляемым на данный момент к средствам поражения для систем активной защиты особо важных объектов. Магнитно-импульсный привод для систем активной защиты объектов особой важности обладает; возможностью быстрой автоматической перезарядки; возможностью бесшумного метания групп тел поражающих элементов различной формы; возможностью оперативного регулирования степени воздействия на нарушителя; возможностью управления траекторий поражающих элементов; возможностью применения в закрытых помещениях. При срабатывании магнитно-импульсного привода отсутствуют звук, вспышка, демаскирующие охраняемый объект. Значительно упрощается процедура приведения системы в готовность и, особенно, снятия ее с боевого состояния.
Однако существующие на сегодняшний день математические модели и основанные на них методики расчета магнитно-импульсных приводов позволяют проектировать привода только с осесимметричной конфигурацией системы «индуктор-метаемое тело». Данные модели обладают двухмерным режимом расчета. Они не позволяют производить расчет неосесимметричных моделей; моделей где присутствуют, например, спиральные индукторы у которых образующая рабочей поверхности отличается от плоской, или индукторы сложной формы, а так же комбинации индукторов. Кроме этого, подобные модели не по-
11 зволяют производить расчет процессов ускорения групп тел, а так же тел сложной формы. Перечисленные недостатки существенно сдерживают дальнейшее изучение магнитно-импульсного привода.
Таким образом, на сегодняшний день существует необходимость создания трехмерной математической модели, лишенной вышеперечисленных недостатков, с помощью которой можно было бы адекватно описать широкий спектр процессов магнитно-импульсного ускорения твердых электропроводящих тел, а именно процессов управления траекторией движения метаемых тел с целью формирования заданных траекторий.
Проведенный анализ показывает, что результаты исследований, направленных на изучение эффективного ускорения макротел до высоких скоростейх использованием высокоскоростного магнитно-импульсного привода, могут быть широко использованы как в испытательной технике, так и в технике средств обеспечения защиты и безопасности.
Целью диссертационной работы является создание научно обоснованных методов управления кинетическими параметрами движения метаемых магнитно-импульсным приводом тел.
В задачи диссертации входят:
Анализ физических процессов, протекающих при магнитно-импульсном ускорении твердых электропроводящих тел для выявления факторов влияющих на скорость и начальный угол метания;
Разработка трехмерной математической модели, адекватно описывающей процесс ускорения твердых электропроводящих тел импульсным магнитным полем. Целью математического моделирования является исследование возможности управления траекторией движения метаемых тел с целью формирования заданных траекторий;
Разработка трехмерной математической модели процесса магнитно-импульсного метания индентора (электропроводящей плоской пластины) при смещении индентора относительно оси плоского спирального индуктора с целью управления траекторией движения индентора;
Исследование возможности применения высокоскоростного магнитно-импульсного привода в системах активной защиты объектов особой важности с целью повышения антитеррористической устойчивости последних;
Проведение экспериментальных исследований магнитно-импульсного привода.
Используемые в работе методы основаны на применении теории электродинамики движущихся тел, электромагнитного поля, теоретических основ электротехники, методов вычислительной математики, теории вероятности и математической статистики, теории внешней баллистики, теории раневой баллистики.
Научная новизна работы заключается:
В исследовании возмолшости управления траекторией движения метаемых магнитно-импульсным приводом тел. В разработке трехмерной математическая модели процесса магнитно-импульсного метания индентора (электропроводящей плоской пластины) при смещении индентора относительно оси плоского спирального индуктора;
В получении новых зависимостей углов движения индентора (пластины) от величины смещения индентора относительно оси плоского спирального индуктора;
В разработке методик проведения испытаний методом прямого и обращенного пусков с использованием магнитно-импульсного привода. В экспериментальном исследовании лабораторной магнитно-импульсная метательной установки на основе магнитно-импульсного привода. В экспериментальном исследовании процессов осесимметричыого метания инденторов (плоских
пластин), процессов метания инденторов под углом к оси индуктора, процессов метания групп тел, процессов метания непроводящих тел с помощью специального поддона; 4. В разработке методик оценки эффективности магнитно-импульсного привода в системах активной защиты объектов особой важности.
Практическая ценность работы определяется внедрением и использованием основных положений, выводов и рекомендаций, полученных при исследованиях и разработке магнитно-импульсной метательной установки на основе магнитно-импульсного привода.
Разработана и апробирована лабораторная магнитно-импульсная метательная установка на основе магнитно-импульсного привода для проведения испытаний различных изделий и материалов на динамические воздействия;
Предложены практические рекомендации по выбору конструктивных и энергетических параметров магнитно-импульсного привода и характеристик метаемого тела;
Определены факторы влияющие на углы движения метаемых тел (для индукторов диаметрами 50, 72 и 130 мм);
Разработана схема применения магнитно-импульсного привода в системах активной защиты объектов особой важности;
Разработана программа расчета для оценки эффективности магнитно-импульсного привода в системах активной защиты объектов особой важности.
Разработанные методики испытаний и результаты научных исследований внедрены: в ФГУП «ФЫПЦ «Прибор» (г. Москва) и во Владимирском государственном университете.
Материалы диссертационной работы используются в НИР с ФГУП «ФНПЦ «Прибор» (г. Москва) «Разработка магнитно-импульсного метательного устройства для динамических испытаний выстрелов и их составных частей методом обращенных пусков».
Магнитно-импульсный привод для проведения испытаний различных материалов и изделий машиностроения
При создании машин, агрегатов и элементов их конструкций необходимо учитывать, что их эксплуатация сопровождается воздействием целого ряда внешних факторов различной природы. Виды воздействующих факторов и их значения в зависимости от условий эксплуатации материалов и изделий устанавливаются в стандартах и технических условиях, а для вновь разрабатываемой продукции - в технических заданиях на разработку. Таким образом, возникает необходимость проведения полно факторных испытаний изделий машиностроения для оценки степени воздействия внешних факторов на конструкцию и функционирование испытываемых изделий.
Наиболее часто изделия и материалы машиностроения испытывают механические нагрузки, представляющие собой статические и динамические (вибрационные и ударные) нагрузки, которые вызывают разрушение или деформации изделий вследствие растяжения, сжатия, изгиба, кручения, среза, вдавливания и усталости материала изделия. Для проведения испытаний материалов.и изделий машиностроения на динамические и статические нагрузки используются специальные схемы нагружения, в том числе и на основе магнитно-импульсных приводов.
Так в работе [37] представлены электродинамические ударные стенды, предназначенные для испытаний изделий на воздействие многократных ударных нагрузок, одиночыых и ударных импульсов, а так же для испытаний на прочность при транспортировании, Схема ударного стенда электродинамического типа представлена на рис. 1.6.
Источником энергии служит конденсаторная батарея 1 с системой управления. В диэлектрической смоле 2 залит магнит 3, представляющий собой плоскую круглую катушку из витков медной ленты, разделенных между собой стеклянной лентой. В качестве ударной платформы 4 использован металлический диск, на котором закрепляют испытываемое изделие и ударный акселеро метр 5, соединенный через предварительный усилитель 6 с измерительным усилителем 7. Для приведения ударного стенда в действие ударную платформу с испытываемым изделием помещают на магнит. Конденсаторная батарея разряжается на магнит. Возбуждаемое магнитное поле отталкивает ударную платформу с испытываемым изделием, которая затем падает на демпфер 8, где скорость гасится.
Ударные стенды такого типа позволяют получать ударное нагружение с максимальным ударным ускорением до 10 м/с и длительностью до 100 мкс при энергии накопителя до 50 Дж. Широко применяются магнитно-импульсные устройства для проведения испытаний образцов материалов на сжатие и растяжение. Описанию магнитно-импульсных устройств для проведения испытаний на высокоскоростное нагружение посвящены работы [38, 39]. На рис. 1.7 приведена схема магнитно-импульсного устройства для испытаний образцов материалов на ударное растяжение.
Генератор импульсного тока 1 включает батарею из четырех конденсаторов и высоковольтный источник питания с выпрямителем. Замыкание разрядной цепи происходит с помощью коммутатора контактного типа 2 с пружинным спуском. Индуктор 3 представляет собой катушку со спиральной намоткой из медной проволоки. На торце индуктора установлен боек 4, изготовленный из алюминиевого сплава. Ударник бойка 5 выполнен из ударостойкого материала и служит одновременно направляющим устройством при перемещении бойка по наружной поверхности втулки 7, проходящей через индуктор и закрепленной на станине 8. Внутренняя поверхность втулки 7 служит направляющим устройством волновода 9 с головкой 6, которая в исходном положении лежит на торцовой поверхности втулки 7. Образец 10 закреплен в захватных головках 11, одна из которых соединена с концом волновода, а другая с мерным стержнем Гопкинсона 12 с помощью резьбовых соединений. Мерный стержень с наклеенными тензорезисторными датчиками служит для измерения усилий при ударном нагружении. Для сохранения мерного стержня неподвижным в течение времени всего испытания на его конце закрепляют соответствующую инерционную массу 13.
Получение импульсных магнитных полей в системах с конденсаторными накопителями энергии
Выбор типа генератора импульсного поля определяет, прежде всего, максимум ВП1 и длительность импульса поля тим (см. табл. 2.1, данные взяты из работ [81-85]). При этом следует учитыватв, что чем больше амплитуда поля, тем меньше длительность импульса.
Рассмотрим подробнее генерацию импульсного магнитного поля с помощью соленоидов, питаемых импульсным электрическим током, в системе с конденсаторным накопителем энергии. Конденсаторные батареи уже длительное время используются для получения импульсных магнитных полей. Как показано в работах [86,87] их широкое применение обусловлено главным образом тем, что, во-первых, они обладают высокой эффективностью передачи энергии в индуктивную нагрузку (на практике может быть достигнута 90%-ная эффективность). Во-вторых, они дают возможность изменять длительность импульса поля на несколько порядков (наименьшие длительности составляют несколько микросекунд). Кроме емкостного накопителя на практике используется и индуктивный накопитель энергии. Индуктивные накопители уступают емкостным с точки зрения эффективности передачи энергии, однако плотность энергии, запасаемой на накопительной индуктивности, значительно превышает плотность энергии, запасаемой на конденсаторной батареи.
Из электротехники известно, что первое приближение для решения задач, связанных с разрядом конденсаторной батареи через индуктивную катушку, дается схемой последовательной цепи с постоянными емкостью С, индуктивностью L и сопротивлением R, изображенной на рис. 2.1.
Запасенная в конденсаторной батарее энергия преобразуется при разряде через катушку-индуктор в энергию магнитного поля (формула приведена в работе [88]): здесь С - емкость конденсаторной батареи; U0 - начальное напряжение на конденсаторе; Н - напряженность поля в момент, когда напряжение на конденсаторе обратится в нуль; Ed - энергия, затрачиваемая на нагрев соленоида и проводящих проводов; интегрирование ведется по всему пространству.
Дифференциальное уравнение для тока I, текущего по цепи, показанной на рис. 2.1, записывается следующим образом:
Практический интерес представляет случай колебательного разряда конденсаторной батареи на катушку-индуктор, поскольку именно такой характер разряда используется в магнитно-импульсном приводе. Для этого случая Я 2Л/Ь/С, следовательно, решение уравнения (2.1.12) имеет вид, формулы приведены в работах [89- 91]:
При рассмотрении вопроса генерации импульсных магнитных полей, одними из наиболее важных характеристик цепи являются значение тока в первом максимуме и время его достижения. Для случая колебательного разряда конденсатора при условии постоянства параметров цепи выражения для первого максимума разрядного тока и времени его достижения примут вид (см. работу [84]):
Уравнения (2.1.15) и (2.1.16) позволяют определить оптимальные значения параметров разрядной цепи для получения импульса разрядного тока необходимой амплитуды и длительности. При этом исходными данными являются параметры конденсатора U0 и С, и требуемые характеристики импульса тока Ттах, to.
Оценим энергетические показатели генератора импульсных магнитных полей с конденсаторным накопителем энергии. В момент первого максимума имеем: где Wn =-CU0 =— LI0 - энергия, первоначально запасенная конденсаторной батареей; WRm = R l2dt - энергия, рассеиваемая на активном сопротивлении цепи; WLm=—LIm - энергия, запасенная на индуктивности; WCm = —C(RIm) энергия конденсаторной батареи; 1о - ток разряда цепи без потерь (при R=0).
Из (2.1.17) вытекает, что эффективность передачи энергии от батареи конденсаторов к катушке (без учета паразитных индуктивностей конденсатора и соединительных проводов) в момент максимума можно представить в виде
Общее описание опытного образца магнитно-импульсной метательной установки МИМУ-219-1 на основе магнитно-импульсного привода
Для экспериментальных исследований магнитно-импульсного привода и проверки адекватности предложенной математической модели, разработан опытный образец установки, предназначенный для проведения в лабораторных условиях испытаний различных материалов и изделий на динамические (ударные) воздействия. Основной функциональной частью установки является магнитно-импульсный привод. Структурная схема опытного образца магнитно-импульсной метательной установки МИМУ-219-1 приведена на рис. 3.1. МИМУ-219-1 представляет собой комплекс устройств, включающий следующие компоненты: - силовой блок, в состав которого входят: зарядное устройство, батарея накопительных конденсаторов (емкостной накопитель энергии) и коммутирующее устройство; - съемный узел индуктора, представляющий собой плоскую маловитковую катушку из провода прямоугольного сечения, укрепленную на держателе из изоляционного материала. Форма индуктора (плоская спираль, намотанная по уравнению спирали Архимеда) определяет пространственную конфигурацию магнитного поля, а, следовательно, и форму метаемого тела; пульт дистанционного управления; регистрирующую аппаратуру (бесконтактный измеритель скорости движения тел; аппаратуру для высокоскоростной фоторегистрации процессов свободного движения метаемых тел и взаимодействия их с объектом испытаний).
Вертикальное направление ускорения метаемых тел было выбрано ввиду простоты установки метаемых тел в исходное положение на поверхность плоского индуктора. Внешний вид опытного образца лабораторной магнитно-импульсной метательной установки МИМУ-219-1 на основе магнитно-импульсного привода показан на рис. 3.2. Работа МИМУ-219-1 происходит следующим образом. Перед пуском метаемое тело (или группа тел) устанавливается в узле индуктора. После приведения в готовность измерительной аппаратуры, по команде с пульта дистанционного управления (ПДУ) батарея конденсаторов заряжается до требуемого напряжения, значение которого задается оператором на самом ПДУ в цифровой форме. Затем в автоматическом или ручном режиме ПДУ формирует управляющий импульс на коммутирующее устройство. Это устройство выполнено в виде двух последовательных каскадов усилителей-формирователей. Первый каскад состоит из схемы с тиристорной оптопарой, сигнал на которую подается с ПДУ. Второй каскад выполнен в виде разрядной цепи, которая представляет собой два последовательно соединенных разрядника. Коммутирующее устройство срабатывает и замыкает разрядную цепь. Происходит разряд емкостного накопителя (батареи накопительных конденсаторов) на индуктор, и в окружающем индуктор пространстве возникает импульсное магнитное поле, которое наводит в метаемом теле вихревые токи, В результате взаимодействия этих токов с импульсным магнитным полем индуктора возникает сильное магнитное давление, ускоряющее тело до требуемой скорости. Активное ускорение тела происходит на участке длиной около 0,1 от среднего диаметра индуктора, затем оно летит свободно до встречи с объектом испытаний. Лабораторная магнитно-импульсная метательная установка МИМУ-219-1 имеет следующие технические параметры: В опытном образце установки предусмотрены возможности расширения диапазона скоростей и увеличения массы метаемых тел за счет повышения как емкости накопительных конденсаторов, так и диапазона рабочих напряжений. При этом общая накапливаемая энергия установки может достигать 25-30 кДж. В целях обеспечения безопасности при обслуживании оператором МИМУ, она работает в полуавтоматическом режиме, а для увеличения помехоустойчивости установки возможно вынесение узла индуктора на расстояние до нескольких метров от силового блока. Магнитно-импульсная метательная установка МИМУ-219-1 позволяет метать тела различной формы в широком диапазоне скоростей и воспроизводить процесс их взаимодействия с испытываемым объектом. МИМУ-219-1 позволя ет метать, в том числе, и компактные элементы как естественного дробления, так и готовые элементы с различными параметрами формы. Это могут быть шарики, кубики, пластины, стержни, кассеты и контейнеры с твердыми, жидкими и газообразными наполнителями, штык-ножи, пули, осколки снарядов и так далее. Метание тел из непроводящих (диэлектрических) материалов или сложной формы, а также групп тел может осуществляться с использованием специальных электропроводящих поддонов. Поддон при срабатывании магнитно-импульсной установки через некоторое время тормозится отсекающим устройством, а элементы, расположенные на поддоне, продолжают высокоскоростное движение до встречи с испытываемым объектом. В ходе опытной эксплуатации МИМУ-219-1 были подтверждены следующие достоинства магнитно-импульсного способа метания макротел для проведения испытаний на ударные воздействия различных изделий и материалов: высокая производительность испытаний (до 1 испытания в минуту и более); - воспроизводимость испытаний; - бесшумность процесса испытаний; отсутствие продуктов горения и взрыва в зоне испытаний, что особенно важно в условиях испытательной лаборатории; малый путь разгона метаемого тела до максимальной скорости, который составляет около 0,1 от среднего /диаметра индуктора; относительно высокий к.п.д. преобразования электрической энергии в кинетическую энергию метаемого тела (при оптимальном выборе индуктора и режима разряда к.п.д. может достигать 50-80 %); относительно малые габариты; полная безопасность установки при отключении электрической энергии и разряде батареи накопительных конденсаторов. Однако при эксплуатации МИМУ необходимо учитывать наличие мощного импульса электромагнитных помех в момент срабатывания магнитно-импульсного привода, высокое напряжение в рабочих частях установки, а так же ограниченный срок эксплуатации узла индуктора вследствие воздействия на него сильных механических напряжений
Пульт дистанционного управления МИМУ-219-1
Управление работой силового блока в целях обеспечения безопасности оператора при проведении экспериментов осуществляется по управляющим каналам с помощью цифрового пульта дистанционного управления (ПДУ). ПДУ разработан по аналогии с системой управления на базе микроЭВМ установки для магнитно-импульсной обработки металлов с учетом характерных особенностей магнитно-импульсного метания тел на достаточно большие расстояния с использованием современной радиотехнической базы [152-154]. ПДУ состоит из блока обработки информации (микропроцессора PIC16F877), цепи измерения параметров заряда батареи накопительных конденсаторов силовой схемы, цепи измерения параметров блока управления поджигом игнитрона FV1, кнопки экстренной остановки «STOP», клавиатуры и жидкокристаллического дисплея. Функциональная схема ПДУ представлена на рис. 3.7, электрическая принципиальная схема ПДУ приведена на рис. 3.8, фотография внешнего вида представлена на рис. 3.9. ПДУ выполняет следующие функции: 1. Подача питания на силовой блок; 2. Задание с ПДУ значения напряжения на батарее конденсаторов. Пользователь с помощью наборной клавиатуры вводит необходимое значение зарядного напряжения, при этом на дисплее отражается вводимая информация; 3. Измерение значения напряжения на батарее конденсаторов. В силовую часть схемы МИМУ введен шунт-измеритель, позволяющий контролировать зарядное напряжение на конденсаторном накопителе. В функции ПДУ входит измерение этого напряжение, обработка полученного значения и принятие соответствующего решения; 4. Обеспечение заряда конденсаторов до заданного. Это арифметическая операция сравнения заданного значения и текущего значения напряжения на батареи конденсаторов; 5. Измерение значения напряжения цепи блока управления поджигом игнитрона FV1; 6. Управление разрядом батареи конденсаторов на рабочий индуктор. В момент достижения на конденсаторном накопителе заданного напряжения ПДУ осуществляет выключение силовой части МИМУ и формирует (в автоматическом или ручном режиме) управляющий сигнал на поджиг игнитрона FV2; 7. Аварийный разряд конденсаторов. При возникновении аварийных ситуаций (не заблокирована дверь, имеется какая-либо неисправность в цепях) ПДУ обесточивает МИМУ и обеспечивает аварийный разряд батареи конденсаторов, путем переключения соответствующих ключей.
Алгоритм работы ПДУ вытекает из выполняемых им функций. Работа ПДУ начинается с приведения системы к исходному состоянию: МИМУ обесточена (ключи PI, Р2, KZ разомкнуты). Пользователь вводит необходимое значение зарядного напряжения в киловольтах (1...10 кВ), окончание набора фиксируется кнопкой ENTER.
Далее ПДУ проверяет цепь батареи накопительных конденсаторов и ко-роткозамыкатель SA1. ПДУ замыкает ключ Р1, при этом Р1 и КЗ разомкнуты. Сигнал с шунта-измерителя R1 напряжения на конденсаторном накопителе обрабатывается ПДУ и если напряжение на нем и соответственно на батарее растет, то принимается решение об отключении ключа Р1 и об индикации на дисплее информации о неисправности. В противном случае ПДУ переходит к следующей процедуре.
Далее ПДУ замыкает ключи Р2 и КЗ при разомкнутом Р1. Контролируется напряжение с шунта-измерителя R4 напряжения на блоке управления поджи-гом игнитрона FV1. Если оно достигает определенного значения (в данной схеме силового блока 3,2 В), то принимается решение о замыкании ключа Р1 и заряде батареи накопительных конденсаторов. В противном случае если напряжение на R4 меньше или больше заданного, принимается решении о размыкании ключей Р2 и КЗ и на дисплее индицируется сигнал о неисправности.
Во время заряда предусмотрена возможность отката (клавиша «STOP»), при ее нажатии силовая часть установки обесточивается и МИМУ переводится в исходное состояние.
Когда напряжение достигнет заданного уровня, ПДУ размыкает ключ Р1 и формирует сигнал (в автоматическом или ручном режиме) на поджиг разрядника РУ-62, который запускает игнитрон ИРТ-6. После поджига разрядника ПДУ на короткое время (»2 с) переводится в состояние ожидания, и затем возвращается в исходное состояние.
