CC BY
32
МЕХАНИКА, МАШИНОСТРОЕНИЕ
удк 533.6.011.5 В. Н. БЕЛЬКОВ
В. Л. ЛАНШАКОВ Е. В. ХОДОРЕВА
Омский государственный технический университет
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПУСКОВЫХ УСТАНОВОК
На основе анализа современных зенитных пусковых установок предложены патентоспособные конструктивные разработки газоотражателей, использующие энергию истекающих струй. Рассмотрены вопросы структурного синтеза установок. После выбора ее компоновочной схемы в соответствии с техническим заданием о целевой функции и ограничений проведен параметрический анализ на основе метода условной многопараметрической оптимизации.
В настоящее время вертикальное и горизонтальное наведение ракет (или их установка на постоянные углы стрельбы) на зенитных пусковых установках (ЗПУ) осуществляется посредством специальных механизмов, которые имеют различного типа приводы и источники энергии. Традиционная конструкция ЗПУ содержит следующие основные узлы: основание, вращающуюся часть (ВЧ), опорно-поворотное устройство, балку с направляющими, уравновешивающий механизм, газоотражатель, который может быть связан с вращающейся частью, качающейся частью (КЧ) или основанием, а также может непосредственно размещаться на стартовой позиции.
Патентами на полезные модели защищены устройства наведения ракет или установки ракет на заданные углы стрельбы [1-4]. Предложение заключается в использовании энергии газовой струи стартующей ракеты для осуществления её наведения. Существенное отличие предлагаемой конструкции ЗПУ от известных заключается в расширении функции газоотражателя, связанного с КЧ: наряду с газозащитной функцией он воспринимает силовое воздействие струи ракеты, обусловливая её наведение. Обобщенная конструктивная схема ЗПУ представлена на рис. 1, которая на практике может быть реализована в нескольких вариантах. Но существенным об-
Рис. 1. Обобщенная конструктивная схема ЗПУ: 1 - основание; 2 - вращающаяся часть; 3 - цапфа; 4 - качающаяся часть в виде направляющей балки; 5 - пазы;
6 - газоотражатель; 7 - привод поворота газоотражателя;
8 - дополнительная преграда; 9 - привод поворота дополнительной преграды; 10 — боковая стенка газоотражателя; 11 - упругий элемент.
стоятельством является то, что газоотражатель 6 связан с КЧ 4, которая может пазы 5 для перемещения цапф 3. Это позволяетувеличить грузовой момент при перемещении стартующей ракеты, закрепленной с КЧ 4, что обуславливает снижение перегрузок на ракету до допускаемых величин.
Для осуществления наведения не только в вертикальной, но и в горизонтальной плоскости, газоотражатель 6 (или расположенная на нем дополнительная преграда 8) должен быть установлен несимметрично относительно плоскости стрельбы с помощью соответствующих приводов 7 или 9.
Работа одного из запатентованных устройств происходит следующим образом. После определения углов вертикального и горизонтального наведения эти углы задаются механизмам фиксации, которые соответственно связаны с осями ВЧ 2 и КЧ 4. Затем подаётся команда на поворот газоотражателя 6 на определенный угол специальному приводу 7. После осуществления поворота производят запуск двигательной установки (ДУ) ракеты. Под действием газовой струи газоотражатель вместе с КЧ 4 поворачивается относительно оси цапф 3 в вертикальной плоскости и относительно оси ВЧ 2 в горизонтальной плоскости. Для обеспечения плавного торможения и допустимых конечных перегрузок в вертикальной и горизонталь-: ной плоскостях включение механизмов фиксации, представляющего собой гидравлический или пневматический тормоз, следует проводить на половине требуемого угла наведения. С той же целью производят поворот газоотражателя в обратную сторону на половине угла наведения в горизонтальной плоскости. После достижения заданных углов наведения ракета сходит с направляющих. Затем под действием упругого элемента 11 механизма возврата КЧ 4 опускается в исходное положение. Для обеспечения постоянного ускорения упругий элемент должен быть связан с КЧ гибкой связью через профилированный кулачок. Геометрические параметры кулачка должны обеспечивать величину плеча силы упругого элемента, заранее определённую расчетом, исходя из конструктивных размеров КЧ, ракеты и их расположения относительно оси цапф. Аналогичным образом возможен поворот, торможение и возвращение в исходное положение и ВЧ.
Если рассматривать обычную конструктивную схему ЗПУ, то для снижения нагрузок струи ДУ на газоотражатель его необходимо спрофилировать таким образом, чтобы поверхность была эквидистан-
тной внутренней границе слоя смешения струи, что обеспечит незначительное повышение статического давления на газоотражателе. Важное отметить, что такое конструктивное предложение может реализовано и для других ПУ, осуществляется процесс газоотведения, например, для ракет космического назначения.
Для обоснования другой конструктивной разработки выполнен анализ физической картины течения для безграничного газоотражателя [5-7]. Установлено, что значительная масса отраженного от газоотражателя газа устремляется от плоскости симметрии (центра растекания) к периферии. Размещение на газоотражателе боковой стенки позволит обеспечить мощное прямое, что целесообразно по двум причинам.
1. Защиты элементов ПУ и стартовой позиции от воздействия горячего газа.
2. Увеличение воздействия потока на дополнительную преграду с размещением газоотражателе боковой стенки.
Для разработки математической модели следует учесть следующие результаты выполненного анализа конструкций существующих и перспективных ПУ:
• газоотражатель может быть связан с КЧ или ВЧ;
• привод может осуществлять наведение или устанавливать ракету на определенный угол стрельбы;
• сход ракеты осуществляется при работе приводов, при этом струя воздействует на газоотражатель и КЧ;
• для уменьшения силового воздействия струи на газоотражатель при подъеме ракеты целесообразно уменьшать угол встречи, поскольку при этом снижается локальная нагрузка на газоотражатель и привод (вследствие снижения весового момента и момента инерции).
Ниже представлены системы дифференциальных уравнений движения элементов ПУ для их различных конструктивных вариантов.
1. Спаренная ЗПУ: наведение осуществляется при сходе ракеты, а газоотражатель шарнирно связан с ВЧ.
= Мпод + " К - Мйв - МСт; = Млов + Ыг1г„т + ЫС1Г^Г + «С, - К ~ К:
где индексы виг соответственно относятся к проекции сил на вертикальную и горизонтальную плоскость; N — сила воздействия струи (г — на газоотражатель, с — на КЧ); - момент инерции качающейся часта и ракеты относительно оси цапф; Лг — момент инерции вращающейся части относительно оси горизонтального наведения; 4* — угол вертикального наведения; ст — угол горизонтального наведения; Р — тяга двигателя; 1Н, 1р — плечи соответствующих сил; Мтр — момент трения; Мв — ветровой момент; Мс — весовой момент; Мпод и Мпов — соответственно моменты механизмов подъема КЧ и поворота ВЧ.
Представленная модель учитывает различные варианты работы приводов наведения: при сходе ракеты или при ее неподвижном расположении на КЧ, а также изменение величин воздействующих сил и соответствующих плеч для расчета моментов. Установлено, что для максимального подъема ракеты при изменении угла встречи оси струи с газоотражателем от 90° до 30° мощность приводов наведения снижается на 25%.
2. Поворот на постоянные углы стрельбы (или наведение) без механизмов наведения, газоотражатель
Рис. 2. Выбор оптимального расположения газоотражателя.
связан с КЧ и имеет силовую пластину, причем газоотражатель или пластина могут поворачиваться относительно оси симметрии ЗПУ.
Jb т=N„car+ncC,+RiLr-Ph - К -К-
-Mcvar -M?vm>'
jг ° = NrlrNw + NcíNvar + RJLr - К - Ml - MrTmr;
S — угол поворота газоотражателя относительно своей оси симметрии; R - сила воздействия растекающегося потока на силовую пластину; Мт — тормозной момент;
Следует отметить, что повороты ВЧ и КЧ возможны при неподвижной или сходящей ракете. Для иллюстрации возможности применения предлагаемого способа наведения ракеты и устройства, его реализующего, был проведен оценочный расчет для гипотетической ЗПУ по её массогабаритным и конструктивным характеристикам. К основным исходным данным относятся: Р = 75 кН; G= 12,5 кН; JB = 30000 кгм2с;М| = = 1300 Нм; Мгв = 1150 Нм; М®р = 550 Нм; Мгтр = 730 Н м и другие.
Проведенное исследование показывает, что время поворота вращающейся части на а = 50° и подъёма качающейся части на ^шах = 60° составляет не более 1,5 сек., что значительно превышает время выхода РД на расчетный режим тяги (0,05-0,1) сек.; перегрузки при этом не превышают 10g, что приемлемо для современных ракет. К недостаткам такого привода можно отнести небольшую (до 5%) потерю топлива при нахождении ракеты на балке ПУ. Для сравнения следует отметить, что для достижения указанных
углов вертикального и горизонтального наведения при мощности приводов реальной ЗПУ: вертикального — 3,2 кВт и горизонтального — 1,6 кВт время наведения составляет 20 сек. и 5 сек. соответственно.
Итак, применение данного способа наведения ракет (или подъема КЧ в вертикальной плоскости и поворота ВЧ в горизонтальной плоскости - установка ракеты на определенные углы) в ЗПУ имеет следующие преимущества. Использование энергии газовой струи наводимой ракеты позволяет отказаться от дополнительных источников энергии извне и уменьшить время вертикального и горизонтального наведения ракет. Кроме того, повышается надежность ПУ, увеличивается запас хода для подвижных установок. Исключение из устройстваприводов различного типа позволяет сократить материальные, временные, энергетические затраты на обслуживание ПУ.
Фундаментальные исследования, выполненные в ведущих организациях отрасли, касались формы газоотражательных устройств ПУ [8]. Задачей выполненного исследования являлось определение оптимального варианта расположения газоотражателя на ЗПУ. Каждый из известных вариантов обладает определенными преимуществами и недостатками, соотношение которых обуславливает выбор схемы ЗПУ.
Например, при соединении газоотражателя с качающейся частью он имеет наименьший вес, поскольку в этом случае, передвигаясь вместе с ракетой при ее наведении и старте, он максимально перекрывает зону воздействия истекающей струи на элементы пускового оборудования. Однако при этом возникают значительные нагрузки на приводы наведения. Такие нагрузки исключены в случае соединения газоотражателя с неподвижным основанием. Вместе с
Таблица I
Результаты численного эксперимента
Исходные данные для расчета (параметры ДУ) Результаты, р гаэоотражателы асположение ■того устройства
число Маха М, степень нерасчетное™ п угол полураствора сопла а показатель адиабаты у газовая постоянной Л температура торможения Т расстояние от среза сопла 1 угол наклона к оси струи (р. град,
3,0 1,2 5 1,25 360 2500 6,5 42
3,3 1,1 8 1,25 350 2400 6,8 44
3,5 1.3 20 1,22 360 2600 7,2 45
2,9 0,9 15 1,14 340 3100 6,9 44
3,4 0,8 12 1.15 345 3200 7,2 44,5
тем, для углов стрельбы, изменяющихся в больших диапазонах, его габариты должны быть довольно значительными, что неприемлемо для подвижных ПУ, а также для горизонтального наведения при необходимости осуществления полного оборота вокруг вертикальной оси. Следовательно, целесообразным является крепление газоотражателя к вращающейся части ЗПУ, что дает средние по величине его габариты и нагрузки на приводы наведения по сравнению с двумя рассмотренными вариантами.
В качестве примера на рис. 2 представлен газодинамический модуль проектирования ЗПУ с точки зрения оптимального расположения газоотражателя. Анализ проводится на основе трех основных факторов, к которым относятся: интегральное силовое воздействие струи на газоотражатель для определения нагрузок на приводы наведения и металлоконструкцию ЗПУ, распределение давления по газоотражателю для расчета его на прочность, перегрузки, действующие на ракету при ее повороте (наведении), а также можно добавить: тепловое воздействие образующихся течений на ракету, поскольку ее нагрев строго ограничен. К другим факторам, определяющим безопасный старт ракеты относятся, например, скорость ее схода, жесткость и прочность конструкции КЧ, время посадки газоотражателя на грунт. Но они являются дополнительными к указанным блокам газодинамического модуля.
В качестве целевой функции могут быть приняты габариты ПУ, которые зависят от взаимного расположения ракеты и газоотражателя. Посредством варьирования характеристик I (расстояние от среза сопла ДУ до газоотражателя) и ] (угол встречи оси струи с его поверхностью) осуществляется параметрическая оптимизация, которой предшествует синтез структуры, то есть определение общей компоновочной схемы ЗПУ. Если Техническое задание (ТЗ) невозможно выполнить (например, осуществить наведение ракеты определенного веса за конкретное время) , ТЗ необходимо корректировать. Выше представленное исследование не затрагивало характеристики ракеты. Однако если выбран вариант ЗПУ с использованием энергии струи, то представляется целесообразным установление запаса топлива ДУ или определенного закона его горения.
Для определения минимальных размеров ПУ, обеспечивающих требуемые условия старта ракет, можно использовать различные методы условной оптимизации [9,10]. При этом математическая модель содержит целевую функцию, характеризующую конструктивные параметры ПУ, и ограничения, представ-
ленные на рис. 2. Опыт оптимального проектирования ПУ показывает, что наиболее эффективным является комплексный метод, который является модификацией симплексного метода Нелдера - Мида. При этом в двумерном пространстве симплексом является равносторонний треугольник, а в трёхмерном пространстве — правильный тетраэдр. Идея метода состоит в сравнении значений функции в (п + 1) вершинах симплекса и перемещении симплекса в направление оптимальной точки с помощью итерационной процедуры. В симплексном методе, предложенном первоначально, регулярный симплекс использовался на каждом этапе. При модификации этого метода допускается, чтобы симплексы были неправильными. В результате получен очень надёжный метод прямого поиска, являющийся одним из самых эффективных, если п (количество переменных) не превышает шести. Для учета явных и неявных ограничений Боксом создан комплексный метод который был применен при разработке программы оптимизации ЗПУ,
В работе рассмотрены варианты выполненного численного эксперимента, на основании которого можно сделать вывод о том, что при удовлетворении наиболее важных ограничений у оптимальной по габаритам ПУ газоотражательное устройство располагается в пределах первой ударно-волновой конфигурации струи при угле их встречи в 45 градусов.
Выводы
1. Разработаны различные конструктивные варианты модернизации газоотражательных устройств ЗПУ, которые используют энергию истекающих струй РД. Их полезность подтверждена патентами на полезные модели.
2. Работоспособность представленных конструкций доказана численным экспериментом по разработанным математическим моделям. При этом определено, что время установки (или наведения) ракеты может быть сокращено по сравнению с существующими характеристиками.
3. Созданный газодинамический модуль, входящий в рабочую программу многопараметрической условной оптимизации, позволяет рассчитать оптимальные конструктивные характеристики ПУ. С учетом наиболее важных ограничений оптимальная по габаритам ПУ имеет газоотражательное устройство, расположенное в пределах первой ударно-волновой конфигурации струи при угле их встречи в 45 градусов.
Библиографический список
1. Бельков В.Н., Иванов A.A.., Келекеев Р.В.,ЛаншаковВ.Л., Назарова М.Е, Зенитная пусковая установка. Патент на полезную модель № 42646. Опубл. в бюл. № 34,2004.
2. Бельков В.Н., Иванов A.A.., Келекеев Р.В., Ланшаков В.Л., Назарова М.Е. Зенитная пусковая установка. Патент на полезную модель № 43351. Опубл. в бюл. № 1,2005.
3. Бельков В.Н., Келекеев Р.В., Ланшаков В.Л., Порогин C.B., Царицинский М.П. Зенитная пусковая установка. Патент на полезную модель N» 46344. Опубл. 27.06.2005 в бюл. № 18.
4. Бельков В.Н., Келекеев Р.В., Ланшаков В.Л., Порогин C.B., Царицинский М.П. Зенитная пусковаяустановка. Патент на полезную модель № 46842. Опубл. 27.07.2005 в бюл. №21.
5. Ланшаков В.Л. Структурно-элементное моделирование распространения обратного потока, образующегося при взаимодействии струй с преградами / Омский гос. техн. ун-т. — Омск, 2000. — 12с.: Деп. В ВИНИТИ 30.03.00, №851 -800.
6. Бельков В.Н., Карпеченко А.Г., Келекеев Р.В., Белицкий В Д., Ланшаков В.Л. Исследование воздействия сверхзвуковых неизобарических струй на наклонные преграды. // Омский научный вестник. - Омск, 2004. №3(28). - С. 98-101.
7. Бельков В.Н„ Белицкий В.Д., Келекеев Р.В., Ланшаков В.Л. Физико-математическое моделирование воздействия сверхзвуко-
вых неизобарических струй на наклонные преграды. Мат. секции «Аэрогидродинамика итеплообмен» XXIV Российской школы по проблемам науки и технологий. - Миасс,2004. - С. 34-36.
8. БирюковГ.П., БутА.Б., ХотулевВ.А., ШиловЛ.А.Особенности отработки газодинамики старта ракеты — носителя «Зенит» и использование полученных результатов в рамках проекта «Морской старт» и разрабатываемых перспективных проектов: Ж. «Космонавтика и ракетостроение», № 2(35), 2004. — С. 55-62.
9. БандиБ. Методы оптимизации,-М.: Радио и связь, 1988 -128 с.
10. Реклейтис Г., Рейвиндран А, Рэгсдел К. Оптимизация в технике: В 2-х кн. Кн. 1. Пер.с англ.-М.: Мир, 1986. - 300с.
БЕЛЬКОВ Валентин Николаевич, кандидат технических наук, профессор, декан аэрокосмического факультета.
ЛАНШАКОВ Владимир Лазаревич, доктор технических наук, профессор кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация, сертификация». ХОДОРЕВА Елена Викторовна, студентка 6 курса аэрокосмического факультета.
УДК 65.018: [629 114.4] Q. М. КИРАСИРОВ
Омский государственный аграрный университет
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ РЕМОНТА ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ КРАНОВ_
В статье рассмотрены вопросы организации управления качеством краноремонтного производства в условиях рыночных отношений. Предложены пути повышения качества ремонтных работ, начиная со стадии приемки-сдачи оборудования в ремонт.
Управление качеством продукции - это установление, обеспечение и поддержание необходимого уровня качества при её разработке, производстве и эксплуатации, осуществляемое путём систематического контроля качества на всех этапах производства и целенаправленного воздействия на условия и факторы, влияющие на качество продукции 11 ].
Эксплуатация грузоподъёмных кранов (ГПК) различного технологического назначения как ремонтируемых объектов включает использование по прямому назначению, техническое обслуживания (ТО) и текущие (эксплуатационные) ремонты. Кроме этого, отдельные агрегаты, узлы и детали кранов проходят капитальный ремонт, а для автомобильных кранов и кранов на самоходных шасси все вышеперечисленное касается и «базовой» машины. Поэтому при всех видах ТО и ремонта как отдельных деталей, так и ГПК в целом должен быть установлен уровень качества ремонта, определены условия и факторы, влияющие на него, и организовано поддержание заданного уровня качества.
Качеством продукции ремонтного производства ГПК следует считать совокупность свойств, обусловливающих соответствие ГПК их назначению.
Уровень качества продукции — характеристика относительная, основанная на сравнении совокупности показателей качества данной продукции с соответствующей совокупностью базовых показателей.
Уровень качества ГПК оценивается с помощью показателей качества, которые являются количественными характеристиками свойств ГПК и должны рассматриваться применительно к определённым условиям проведения ремонтных работ и эксплуатации грузоподъёмных кранов. Пока-затели качества ремонтного предприятия имеют некоторые особенности. Для нового изделия они предусматривают количественную характеристику таких свойств выпускаемой продукции, входящих в состав её качества, как технологический уровень или конструктивное совершенство (экономичность, грузоподъёмность, эстетика и т.д.). Для продукции ремонтного производства показатели качества должны количественно характеризовать только те свойства изделия, которые могут изменяться в результате воздействия факторов производственного процесса и т.д. ремонта (безотказность, грузоподъёмность, долговечность).
