Диссертация (Анализ и оптимизация пневматического спасательного линеметательного устройства)

Федеральное государственное автономное образовательное учреждениевысшего образования«Санкт-Петербургский Политехнический Университет Петра Великого»На правах рукописиПискунов Владимир АлександровичАнализ и оптимизация пневматического спасательноголинеметательного устройстваСпециальность 05.02.02 — Машиноведение, системы приводов и детали машинДиссертация на соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководитель:доктор физико-математических наук,доцент, Беляев А.

К.Санкт-Петербург20182ОглавлениеВведение ............................................................................................................................ 4Глава 1. Линеметательные устройства .................................................................... 141.1.Обзор существующих линеметательных устройств ...................................... 141.1.1. Пороховой линемёт «АЛ-1М» ......................................................................

141.1.2. Пневматический линемёт «Restech Norway PLT Rescue 230» .................. 171.1.3. Пневматический линемёт «ResQmax» ......................................................... 181.2.Пневматический линемёт «ИСТА-240» .......................................................... 191.2.1. Конструкция устройства ...............................................................................

201.2.2. Применяемые материалы .............................................................................. 221.2.3. Принцип действия .......................................................................................... 251.2.4. Отказы устройства ......................................................................................... 271.2.5. Определение эффективных свойств композита клапана линемёта .......... 28Выводы по главе 1 .......................................................................................................

32Глава 2. Математическое моделирование динамики тел линемёта ................... 332.1. Движение запорного элемента быстродействующего клапана линемёта ...... 342.2. Внутренняя баллистика разгона снаряда в стволе ............................................ 372.3. Движение снаряда как тела переменной массы................................................. 392.4. Исследование зависимости параметров разгона снаряда от начальныхусловий .......................................................................................................................... 44Выводы по главе 2 ....................................................................................................... 48Глава 3. Анализ прочности запорного элемента быстродействующегоклапана линемёта ..........................................................................................................

503.1. Продольные волны при соударении колпака о направляющую ...................... 503.2. Колпак как коническая оболочка ........................................................................ 533.3. Анализ напряженно-деформированного состояния деталей линемёта вSolidWorks Simulation .................................................................................................. 58Выводы по главе 3 ....................................................................................................... 65Глава 4.

Экспериментальное исследование процессов, возникающих привыстреле в пневматическом линемёте ..................................................................... 6734.1. Создание испытательного стенда. Методика проведения измерений ............ 684.2. Исследование зависимости скорости снаряда на срезе ствола линемёта отначального давления, величины протечек и массы снаряда ................................... 724.3.Изучение влияния геометрических параметров седла на время открытияосновного клапана линемёта ...................................................................................... 784.4. Испытательный стенд на статическое срабатывание клапана линемёта ........ 824.5.

Оценка погрешностей измерений и обработки экспериментальных данных 86Выводы по главе 4 ....................................................................................................... 89Заключение ..................................................................................................................... 90Список литературы....................................................................................................... 92Приложения: листинги Mathcad ..............................................................................

102П.1. Динамика колпака клапана ............................................................................... 102П.2. Внутренняя баллистика ..................................................................................... 107П.3. Полет снаряда как тела переменной массы .....................................................

111П.4. Акт о внедрении результатов диссертационной работы ............................... 1184ВведениеАктуальность темы диссертации. Проблема спасения людей на моресталаостроактуальнойпослекрушенияв1914годубольшоготрансатлантического парохода Титаник. Расследование этой катастрофы показалоабсолютную неподготовленность экипажа судна действовать в критическихусловиях. Однако потребовалось еще шестьдесят лет для того, чтобы быласформирована международная комиссия, определившая порядок действий,количество спасательных средств, а также правила поведения на спасаемомкорабле.

Все это было приведено в единый документ, Консолидированный текстМеждународной конвенции по охране человеческой жизни на море СОЛАС-74.Согласно правилу 18, части В, главы III СОЛАС каждое судно должнобыть оборудовано линеметательным устройством (линемётом) [79]. Линемёт –прибор, предназначенный для переброски спасательного конца с одного судна надругое, с судна на берег, с берега на судно [79].До недавнего времени основными линемётами, применявшимися на судах,были пороховые изделия. В таких устройствах вытяжным грузом линя служиларакета с пороховым зарядом, а в качестве зажигателя использовался пиропатрон.Однако проблемы эксплуатации такие, как неуправляемый полет ракеты, сильнаяотдача, большое количество осечек пиропатрона, привели к идее созданияпневматических линемётов.В настоящее время единственный линемёт применяемый на кораблях РФ исертифицированный Российским Морским Регистром Судоходства – это линемёт«ИСТА-240» [18], разработанный научно-промышленным предприятием ИСТА.«ИСТА-240» позволяет забросить контейнер с линём на расстояние более 260 м,используя при этом энергию сжатого газа, запасенного в пусковом устройстве.В перспективе линемёт «ИСТА-240» может быть использован и длязабрасывания спасательного жилета утопающему с берега или корабля.Существующие жилеты, способные надуваться автоматически в воде, могутбыть особенно полезны при спасении в холодных водах, где время нахождения5человека без гидрокостюма не превышает двух минут.

В отличие отиспользуемого в настоящее время конца Александрова линемёт сможетосуществить заброс жилета не на 25 м, а на 100 – 150 м [66].Поскольку линеметательные устройства относятся к особо важнымприборам, предъявляемые к ним требования постоянно ужесточаются. Одно изтакихтребований–безотказностьработы.Дляусовершенствованиясуществующих и проектируемых устройств необходимо проведение научныхисследований,которыепозволятвзначительноймереповыситьработоспособность линемёта, уменьшить процент отказов деталей, обеспечитьзаданные функции прибора с параметрами, установленными нормативнотехнической документацией.Объектом исследования данной диссертационной работы являетсяпневматический линемёт типа «ИСТА-240». Анализ существующей конструкциилинемёта, математическое моделирование его работы, оптимизация параметровприбора, а также экспериментальная верификация результатов расчета являютсятемой данной диссертации.Основная сложность анализа работы пневматических линеметателейсвязана с высокой скоростью процессов, протекающих при выстреле.

Главнымузлом устройства «ИСТА-240» является быстродействующий пневматическийклапан [10, 22, 27, 36] подобный тем, что используются в пневматическихударных трубах. Время открытия такого клапана не превышает 1 мс, а весьпроцесс разгона снаряда в стволе – 20 мс. Резкий сброс давления при выстрелевызывает скачки механических напряжений в узлах линемёта. Важным этапоманализаприбораматематическоеявляетсяописаниесозданиекоторойдасткорректнойточныефизическойзначениямодели,необходимыхпараметров.Трудность оптимизации «ИСТА-240» состоит в том, что изменение любогоконструктивного параметра при быстропротекающих процессах вызываетзначительные изменения выходных значений скорости и отдачи.

Как показано в6данной диссертации, увеличение скорости снаряда, влечет за собой разгон другихэлементов, приводящий к их разрушению.Математическое моделирование всех этапов работы линемёта позволяетнайти оптимальные соотношения конструктивных параметров, исключающихотказы в работе устройства, а сконструированные испытательные стендыпровести оптимизацию технологии и материалов.Цель работы – анализ конструктивных элементов пневматическоголинемёта, разработка методов расчета деталей и узлов линемёта, позволяющихоптимизировать его параметры для повышения надежности, технологичности иконкурентоспособности на мировом рынке.Соответствие паспорту специальности диссертационной работы имеетместо согласно п.

4 паспорта: «Методы исследования и оценки техническогосостояния объектов машиностроения, в том числе на основе компьютерногомоделирования». Родственными и смежными являются специальности: 01.02.04(Механика деформируемого твердого тела), 01.02.06 (Динамика, прочностьмашин, приборов и аппаратуры), 01.02.05 (Механика жидкости, газов и плазмы),05.02.11 (Методы контроля и диагностики в машиностроении).Задачи исследования1.Анализ отказов при эксплуатации линемёта, оценка их значимости.2.Построение математической модели и расчет динамики системы теллинемёта.3.Анализнапряженно-деформированногосостоянияколпакабыстродействующего клапана при ударе.4.Анализ прочности деталей быстродействующего клапана линемёта.5.Созданиеэкспериментальногостендаипроведениеисследований,позволяющих установить характер влияния параметров линемёта на динамикуразгона снаряда в стволе.6.Выработка рекомендаций по оптимизации линемёта.7Степень разработанности темыНаучным исследованиям линемётов посвящено крайне мало статей ипубликаций.