Расчет комбинированных балочных датчиков усилий Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

В итоге в подразделениях армии исчезают снаряжательные машинки и процесс снаряжения лент 7,62 и 14,5 мм, и повышается боеготовность. На боевых машинах, несущих встроенные пулеметы, исчезают звеньепри-емники, а с ними известная задержка при стрельбе.

Список литературы

1. Зеленко В.К., Власов В. А. Рассыпная патронная лента // Известия тульского государственного университета. Технические науки, 2016. Вып. 12. Ч. 1. С. 269 - 272.

Зеленко Виктор Кириллович, д-р техн. наук, заведующий кафедрой, ivts. tiilgii a ramhler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Власов Виктор Алексеевич, канд. техн. наук, доцент, ivts. tulguaramhler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

NEW CARTRIDGE BELT FOR MACHINE GUNS KALASHNIKOVAND HEAVYMACHINE GUN VLADIMIROV

V.K. Zelenko, V.A. Vlasov

Developed new loose plastic tape for domestic PU-limitow chambered in 7,62x54r and 14,5х114. The comparative analysis of regular and new plastic tapes is carried out, advantages of loose tapes are shown, it is said about weight and dimensional characteristics. The conclusion is made about the possibility of using tapes of this design in the army.

Key words: machine gun, tape, link, one-time, implementation.

Zelenko Victor Kirillovich, doctor of technical sciences, head of department, ivts. tulguarambler. ru, Russia, Tula, Tula state University,

Vlasov Viktor Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, ivts. tulguarambler. ru, Russia, Tula, Tula state University

УДК 681.2.084

РАСЧЕТ КОМБИНИРОВАННЫХ БАЛОЧНЫХ ДАТЧИКОВ УСИЛИЙ

К.М. Толмачев, В.В. Лихошерст

Рассматривается подход к построению математической модели тензомет-рической системы измерения усилия и момента. Приведена математическая модель, осуществлена проверка её адекватности методом конечных элементов.

Ключевые слова: тензодатчик, балка, математическая модель.

При разработке сервоусилителей различного рода перед конструктором встает проблема измерения усилия на органах управления. Этого требуют алгоритмы управления для замыкания силовой обратной связи.

268

К примеру, для устройства загрузки штурвала требуется наличие измерителя усилия на штурвале, как по продольной оси (по тангажу), так и в поперечной плоскости (вращение штурвала по оси крена). Однако проектирование комбинированных датчиков усилия вызывает ряд технических вопросов, от проработки которых зависят характеристики полученной системы в целом. Разработка точной математической модели измерителя позволяет облегчить ход разработки и избежать целого ряд ошибок еще на этапе расчета.

Цель работы - разработка математическую модель балочного комбинированного датчика, измеряющего момент и усилие.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие

задачи:

- описать конструкцию предполагаемого датчика;

- составить уравнения, описывающие напряженности, которые возникают в изделии. Эти уравнения позволят определить границы конструкционной прочности изделия;

- математически описать зависимость деформации чувствительного элемента от геометрических параметров датчика;

- произвести верификацию полученной математический модели по компьютерной модели конечных элементов типового измерителя.

Конструкция датчика. Наиболее распространенным методом регистрации усилия является измерение деформации тарированной балки, к концам которой прикладывается измеряемая сила (или момент) [1]. Деформация фиксируется тензорезисторами.

Структурно тензодатчик состоит из балки (обеспечивающей закрепление, конструкционную жесткость и полезные деформации, требуемые для работы датчиков), четырех тензорезисторов расположенных посередине на всех сторонах балки (обеспечивающих фиксацию удлинения балки), а также усилителя сигнала.

Конструкция, рассматриваемая в расчете, представлена на рис. 1.

Балка представляет собой профильную трубу квадратного сечения со стороной 20 мм, длиной 100 мм. Обычно, при расчете эти размеры являются исходными т.к. определяют габарит всего датчика.

В качестве измерителей выбраны широко распространенные тензо-резисторы типа ВГ350-3ЛЛ имеющие габаритный размер 7,4 х 4,5 мм и рабочую зону 3,2 х 3,2 мм [2].

Рис. 1. Эскиз измерительной балки

Закрепление балки с каждой стороны осуществляется при помощи двух болтов М6. Специфика работы тензометрического датчика требует больших деформаций (до 0,2 % относительного удлинения [1, 2]) в месте закрепления тензорезисторов и относительно жесткую недеформируемую в диапазоне измеряемых усилий (до 100 Н) конструкцию для закрепления. Для создания требуемых деформаций в месте крепления датчиков посередине балки выполнены пазы по всем плоскостям балки. Для уменьшения влияния концентраторов напряжения на показания, а также для улучшения прочностных характеристик балки паз имеет скругленные края.

Измерение линейного усилия (далее по тексту усилия по каналу тангажа) осуществляется вдоль вектора P (рис. 1), измерение момента (далее момента по каналу крена) по перпендикулярной оси (на рис. 1 обозначено буквой М).

Прочностной расчет. Методика расчета по обеим осям, в силу симметричности конструкции, одинакова.

В начале расчета составляется схема нагрузки, на которой указываются: характерные сечения балки, тип заделки, все нагрузки, в том числе и реактивные силы, и моменты опоры, изображаются графики усилия и моментов (рис. 2).

г г

П

//

///

V р

X

А-А Б-Б

Ь0

Рис. 2. Схема нагрузки балки

270

Произведем расчет осевой инерции профилей А-А и Б-Б изображенных на рис. 2. Из формы сечений заметно их сходство - их оба можно разбить на 4 простейших фигуры (прямоугольники). На сечениях схемотехнически показано разбиение. Площади полученных фигур отмечены буквой А с индексом. Имея в виду размеры, приведенные на рис. 2, осевая инерция профилей по оси Oz составит:

ho hi

4 2 2

lz = J y2dA = ^ J y2dAi = 2*b1* J y2dy + 2*w1* j y2dy, (1)

A 1 Ai h0 h\

T-w2 —T

где Iz - момент инерции профиля по оси Oz, м4; А - площадь всего профиля, м2; Ai - площадь i-oro элемента профиля, м2; b¡ - ширина горизонтальных элементов сечения, м; h0 - высота профиля, м; w2 - толщина горизонтальных элементов сечения, м; wx - толщина вертикальных элементов сечения, м; ht - высота вертикальных элементов, м.

Считаем изгиб балки простым т. к. расстояние от точки заделки до места приложения поперечных сил велико (больше пяти толщин), и, в связи с этим, влияние касательных напряжений много меньше нормальных

[3].

Максимальные напряжения (по краям профиля балки) составят:

_ Mz ho _ P*l*h0 тах 12 21 '

где oz тах - максимальные нормальные напряжения, Па; Mz - прикладываемый к балке момент, Н-м; Р - усилие на балке, Н; I - длина плеча приложения силы к балке, м.

Произведем интегрирование формулы (1):

Iz=-¿*b1* (/i03 - (К - 2w2)3) + ^*w±*hl (3)

Максимальные напряжения при разворотном моменте Mz могут достигать максимума либо в месте ослабления профиля А-А (место с наименьшим осевым моментом инерции) либо в месте заделки профиля (в месте наибольшего момента):

6 * Р * (l± + l2 + l3) * h0 azmaxl = Сh - 2 w) * (h3 -(h- 2 w)3) + 2 *w*h3'

6*P*(í3+T)*fto

uz max2 bl*(h^-(h-2wy) + 2*w*bf' ^

где <rz maxl - максимальные напряжения в профиле, расположенном у места заделки, Па; h - высота профиля, м; w - толщина профиля, м; ozmax2 -максимальные напряжения в профиле, расположенном в центре паза, Па; bi -ширина перешейка в самой узкой части паза, м.

Учитывая коэффициент концентрации напряжений, взятый для окружности и равный трем [4], а также двукратный запас прочности из формулы (4) получим условие прочности:

271

12*Р*(1г + 12 + 13)*Н0 (h-2w)*(h3-(h-2w)3) + 2*w*h3

36*P*(Z3+^)*/i0 ^

b1*(h3-(h-2w)3) + 2*w*b3 < °тах'

где отах - предельное напряжение сдвига для материала балки, Па.

Расчет деформаций. Для определения параметров будущей измерительной системы необходимо определить величину деформаций тензо-резисторов.

Максимальные напряжения расположены на внешней плоскости профиля, в месте расположения тензодатчиков (рис. 1). Свяжем напряжения и деформацию с помощью следующей формулы:

67

£ = е

Для всей зоны измерения II (рис. 2) деформация составит:

_ Adl _ а £ ~ dl ~ ¡Ml = Jldl,

A Z = i/1133+l2ff(Z)dZ (6)

Для дальнейших расчетов следует описать геометрическую форму скругления во второй зоне (рис. 2) с помощью математических зависимостей. Для этого уравнение круга в полярных координатах переведем в декартовы:

п п

р{.(р) = R = const, при — — < ср <—,

(х = г cos (ср) (х = R cos (ср) \у = г sin(<р) \у = R sin(<р) ' где R - радиус скругления.

Выразим из системы уравнений (7) переменную у, инвертируем значения и добавим смещение ho/2. Полученная зависимость и будет описывать геометрию скругления во второй зоне расчета.

у = h3 + R — Rsin(arccos(XR)'):, (8)

х = R R = ±

R l-l3+R' 2'

где у - расстояние конца паза от оси Ox; h3 - расстояние от оси Ох до скругления (выбирается исходя из ширины тензорезистора).

Согласно рис. 1 тензорезисторы расположены на внешней плоскости профиля, в зоне максимальных напряжений, поэтому при расчете абсолютных удлинений возможно использование формулы (2).

Учитывая (2), (3), (6), (8) получим выражение для нахождения абсолютного удлинения внешней поверхности балки на рабочем участке тензорезистора:

-13 + 2R P*l*h0 j, , ч

° dl, (9)

Л I If

Л/ = - Г

E

2(±*b(l)*(h03-(h0-2w)3)+±*w*b3(l)) где b(Z) = h3 + R — Rsin ^arccos

Проверка адекватности модели. Для проверки модели зададимся начальными данными: модуль Юнга рассматриваемого материала (сталь) -210 ООО МПа [4]. Предел текучести - 550 МПа [4].

Размеры тестового датчика и его погружения

Параметр Значение

Р 100 H

ho 20 мм

w 2 мм

h3 1,6 мм

R 1,6 мм

h 30 мм

Рис. 3. Распределение напряжений в МКЭ модели

В результате подстановки данных табл. 1 в (9) и численного интегрирования получено значение абсолютного удлинения площадки тензоре-зистора 0,784 мкм.

Относительное удлинение составляет:

А/ 7,84 * Ю-7 £ = — = = 0,000245

2Я 3,2 * Ю-3

При расчете по формулам (5) получены следующие неравенства: 16 МПа < 550 МПа - для участка у места заделки, 181 мпа < 550 МПа - для участка с ослаблением сечения. Условие прочности соблюдено. Адекватность вычисляемых данных была проверена с помощью компьютерной модели конечных элементов (далее МКЭ). В САПР была построена сетка МКЭ представленная на рис. 3.

Максимальный шаг сетки модели выбирался исходя из геометрических размеров объектов модели и равняется 1,5 мм.

Исходя из результатов моделирования (рис. 3 и 4) определим погрешности модели:

по напряжениям -

Эталон = Кзапас * К™нц * 31,5 МПа = 2*3* 31,5 = 189 МПа,

273

^эталон ^модель

'эталон

189-181

189

= 4%,

где Эталон- эталонное значение напряжения со всеми коэффициентами запаса полученное из компьютерной МКЭ модели, МПа; Кзапас - коэффициент запаса прочности; Кконц коэффициент концентрации напряжений;

- относительная погрешность расчета напряженности с помощью представленной модели; сгмодель- напряженность для тестовой задачи, полученная по модели, описанной в этой статье, МПа; по деформациям -

0^1 — х2) — ^модель

д, =

^эталон ^модель

^эталон (0,00117-0,00197)-0,000784

=2%

(0,00117-0,00197)

где ~д2 относительная погрешность расчета деформации с помощью представленной модели; х1) х2 - перемещения на двух концах зоны работы тензорезистора (рис. 4), полученные из МКЭ модели, мм; А1М0Делъ - абсолютное удлинение, полученное путем вычисления по представленной ранее модели, мм.

Рис. 4. Распределение перемещений в МКЭ модели

Заключение. Полученная модель применима для первоначального расчета комбинированных датчиков усилия. Сфера применения математической модели, может быть расширена до использования в качестве части динамической компьютерной модели работы всего устройства (совместно с электронной и вычислительной частью изделия).

Список литературы

1оас1/ СоШп^%208у51ет%20о^/о2081гшп%200аи^е5 sion.pdf (дата обращения: 15.10.2018).

274

3. Александров А.В. Сопротивление материалов: учеб. для вузов / А.В. Александров, В. Д. Потапов, Б.П. Державин; под ред. А.В. Александрова. Изд. 4-е, испр. М.: Высш. шк., 2004. 559 с.

4. Справочник по сопротивлению материалов / Е.Ф. Винокуров. Минск: Наука и техника, 1988. 463 с.

Толмачев Кирилл Михайлович, магистрант, scuratovo@mail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Лихошерст Владимир Владимирович, канд. техн. наук, доцент, lvv_01@,inbox. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

CALCULATION OF COMBINED BEAMS OF EFFORTS K.M. Tolmachev, V. V. Likhosherst

An approach to the construction of a mathematical model of a strain gauge system for measuring force and moment is considered. A mathematical model is given, its adequacy is verified by the finite element method.

Key words: load cell, beam, mathematical model.

Tolmachev Kirill Mikhailovich, master, scuratovo@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Likhosherst Vladimir Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, lvv Ql a inhox. ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 623.442

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОДВОДНОГО СТРЕЛКОВОГО ОРУЖИЯ

В. А. Власов, И.В. Сидоров

Проводится анализ современного подводного оружия. Ставится задача о создании методики расчета и проектировании, которая позволила бы образцам стрелкового оружия, стоящим на вооружении, получить второе качество - стрельбы под водой. На примере пистолета ГШ-18 проводятся расчеты его работы под водой, и даются рекомендации по созданию нового подводного патрона для нормальной работы пистолета под водой.

Ключевые слова: подводный, пистолет, боеприпасы, пловцы.

Для вооружения специальных морских подразделений в цивилизованных странах мира ведутся работы по созданию оружия для подводной стрельбы. Наиболее известными образцами этого оружия являются пистолет Р-11 разработанный фирмой «Heckler&Koch» (рис. 1).

275