Ведущий отделяющийся поддон

 

Использование: высокоскоростное метание стержней. Сущность изобретения: поддон выполнен из частично склеенных между собой секторных фрагментов, изготовленных из полимерного композиционного материала слоистой структуры, содержащего высокопрочные высокомодульные волокна. Слои в каждом фрагменте расположены параллельно его боковым плоскостям и сходятся в плоскости симметрии фрагмента под углом, равным его центральному углу. Непроклеи между секторными фрагментами составляют 0,15 - 0,20 от площади склеиваемой поверхности. Количество секторных фрагментов в поддоне не менее трех. 3 ил., 1 табл.

Данное изобретение относится к технике высокоскоростного метания стержня, касается отделяющегося от него устройства (далее поддона), обеспечивающего ведение стержня в направляющей пусковой трубе метательной установки, и предназначено для использования с целью достижения предельно высоких скоростей метания в машиностроительной, горнодобывающей, космической и ракетно-артиллерийской технике, при разработке и испытаниях ударостойких материалов и конструкций.

Разработке отделяющихся поддонов, облегченных за счет использования в их конструкции элементов из пластмасс и (или) полимерных композиционных материалов (ПКМ), уделяется внимание с середины 70-х годов. В 1973 годы в США запатентован поддон, состоящий из пластмассового кожуха, соединенного с метаемым стержнем при помощи металлической оболочки [1] В 1984 годы в ЕПВ заявлена конструкция "сегментированного поддона, в которой из пластмассы выполнены ребра, расположенные в ее головной части [2] В ФРГ в 1986 годы заявлена конструкция поддона, содержащая корпус из ПКМ, пластмассовую перемычку воздухоэаборника и металлические элементы для сочленения поддона с метаемым стержнем [3] В том же 1986 годы в США выдан патент на поддон, цилиндрическая часть корпуса и обтюрирующий поясок в котором выполнены из пластмассы [4] В 1987 годы в США запатентован поддон, полностью выполненный из пластмассы с пределом прочности на сжатие 100 МПа и на сдвиг 80 МПа [5] Основной недостаток поддонов [1.5] заключается в их низкой удельной конструктивной прочности (отношение несущей способности поддона к его массе) вследствие значительного объема, занимаемого в конструкции металлическими элементами [1.4] либо из-за низкой прочности используемой пластмассы [5] Сравнительно большей удельной конструктивной прочностью обладает поддон [6] заявленный в ФРГ в 1988 году. Он содержит высокопрочный стекловолокнистый элемент на полимерном связующем в виде набора радиальных слоев из волокон, уложенных в осевом направлении с предварительным натяжением в металлическом основании, сопрягаемом с метаемым стержнем. Эта конструкция поддона принята в качестве прототипа. Ее основными недостатками являются: наличие металлических элементов, утяжеляющих поддон, сложность, нетехнологичность изготовления и неконтролируемость фактической прочности стекловолокнистых элементов в готовом поддоне, что вносит неопределенность в оценку его несущей способности и надежности, значительная масса отделяющихся секторов поддона, что при их большой скорости представляет существенную опасность для окружающей техники и обслуживающего персонала, находящихся в зоне разлета секторов.

Сущность изобретения заключается в повышении эффективности системы метаемый стержень-поддон за счет увеличения удельной конструктивной прочности поддона, реализуемой путем тем снижения его массы при той же несущей способности, либо путем повышения прочности при неизменной массе, что в обоих случаях способствует достижению повышенных скоростей метания стержня, а также за счет обеспечения контролируемой надежности и улучшения технологичности. Этот технический результат достигается тем, что заявляемый поддон, в отличие от прототипа, полностью выполнен из неметаллических, частично склеенных между собой секторных фрагментов (далее фрагментов), изготовленных из ПКМ слоистой структуры на основе ткани и (или) ленты из высокопрочных и высокомодульных продольно и поперечно ориентированных волокон.

В каждом фрагменте, количество которых в поддоне не менее трех, слои ПКМ расположены параллельно ограничивающим фрагмент боковым плоскостям, образуя в плоскости его симметрии угол, равный центральному углу фрагмента. Непроклеи между фрагментами расположены в средней части их контактной поверхности, начинаются от воздухозаборной выемки в передней части поддона, распространяются вдоль его оси до кольцевого обтюрирующего выступа и имеют площадь, равную 15.20% от площади боковой поверхности фрагмента.

Фрагменты поддона изготовлены путем прессования заготовок тканевых или ленточных препрегов ПКМ из стеклянных, органических и (или) углеродных или иных высокопрочных и высокомодульных волокон или их комбинаций на полимерном связующем, например из числа приведенных в нижеследующей таблице.

Совокупность изложенных существенных признаков заявляемой конструкции поддона находится в следующей причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом.

Повышенная удельная конструктивная прочность и эквивалентное ей снижение массы поддона реализуются благодаря тому, что все силовые функции в осевом и радиальном направлениях, а также на сдвиг в зоне резьбового соединения поддона с метаемым стержнем выполняет ПКМ слоистой структуры из высокопрочных и высокомодульных волокон.

Полагая, что в прототипе несущий элемент изготовлен из алюминиевого сплава с плотностью 2850 кг/м³, а упрочняющий из стеклопластика с плотностью 1850 кг/м³ и, что их объемные доли равны, среднюю приведенную плотность материала в конструкции поддона можем принять равной 2350 кг/м³ (0,5 x 2850 + 0,5 x 1850 2350). При равной несущей способности конструкций прототипа и предложенного варианта, изготовленного, например, из ПКМ на основе ткани Т-42-78 (см. табл. ) с плотностью 1520 кг/м³ и прочностью по направлениям армирования и на сдвиг при высоких давлениях не ниже, чем у алюминиевого сплава, получим 50% -ное увеличение удельной конструктивной прочности для заявляемого поддона или почти 35% -ное снижение его массы по сравнению с прототипоы.

Контролируемая надежность заявляемого поддона достигается за счет того, что в отличие от прототипа он выполнен из предварительно отпрессованных заготовок слоистого ПКМ, прошедших 100%-ный контроль на соответствие заданным физико-механическим свойствам. В свою очередь, контролируемость качества материала позволяет не только оценивать, но и управлять надежностью поддона, повышая ее до разумного предела путем использования заготовок с минимальным разбросом свойств, характеризуемым коэффициентом вариации. Так, коэффициент вариации несущей способности для прототипа, из-за ручной укладки стекловолокнистого элемента, может составлять не менее 12% тогда как для заявляемого варианта, вследствие 100%-ного контроля, он не превышает 10% Если принять за базовую надежность прототипа α_п≅ 0,994, что соответствует квантили нормального закона распределения Y_п(α) ≅ 2,5, то для заявляемого поддона она будет повышена до α₃≥ 0,999 (соответственно квантиль Y₃(α)≥ 3,0), что следует из соотношения V₃[Y₃(α)] = V_п[Y_п(α)],, где V_з и V_п коэффициенты вариации несущей способности соответственно заявляемого варианта и прототипа.

Повышенная технологичность поддона реализуется за счет того, что в его конструкции предусмотрено использование одного вида материала в виде фрагментов слоистой структуры, получаемых прессованием препрегов ткани и (или) лент (например, из числа приведенных в прилагаемой таблице) с помощью оснастки, обеспечивающей заданное расположение слоев в секторном фрагменте. Наружный профиль поддона и канал с резьбой для его сопряжения с метаемым стержнем оформляются путем механической обработки.

Заявляемый поддон обеспечивает также получение попутного технического результата. Он заключается в возможности управлять массой и количеством фрагментов, образующихся при отделении поддона от метаемого стержня. Этот результат достигается благодаря конструкции поддона, выполненной из частично склеенных между собой фрагментов ПКМ, количество которых без ущерба для несущей способности поддона в пусковой трубе может варьироваться от З-х до, по-крайней мере, 12-ти. Такой поддон, выдерживая нагрузки при движении в канале пусковой трубы, при вылете из нее практически мгновенно разрушается путем расслоения по границам раздела фрагментов под воздействием скоростного напора от набегающего встречного воздушного потока и одновременного упругого расширения за счет возврата энергии сжатия, накопленной при движении в пусковой трубе. "Организованному" разрушению поддона способствуют непроклеи между его фрагментами.

Сущность изобретения иллюстрируется фигурами 1.3.

Фиг. 1 схемы вариантов конструкции поддона в поперечном сечении. На ней обозначены: а поддон, состоящий из 3-х фрагментов; б поддон, состоящий из 6-и фрагментов; в поддон, состоящий из 9-и фрагментов: г поддон, состоящий из 12-и фрагментов: 1 фрагменты слоистого ПКМ; 2 расположение слоев в каждом фрагменте: 3 следы непроклеев между фрагментами.

Фиг. 2 схема продольного сечения поддона. На ней обозначены: 3 зона (область) непроклея между фрагментами: 4 осевые волокна в слое; 5 - радиально (поперечно) направленные волокна в слое: 6 резьбовое сопряжение поддона с метаемым стержнем; 7 метаемый стержень: 8 пусковая труба: 9 - хвостовая часть поддона: 10 кольцевой обтюрирующий выступ поддона: 11 - передняя тороидальная выемка поддона: Q давление встречного воздушного потока.

Фиг. 3 схема разлета фрагментов в момент отделения поддона от метаемого стержня. На ней обозначения те же, что и на фиг. 2.

В каждом фрагменте 1 (фиг. 1) слои 2 представляют собой "микро" ПКМ толщиной 0,2-0,4 мм, состоящий из полимериого связующего (ок. 30% по объему), армированного одним слоем ткани или двумя подслоями ленты из высокопрочных и высокомодульных волокон. Расположены слои вдоль фрагмента параллельно его боковым плоскостям. Фрагменты между собой скреплены связующим, входящим в состав ПКМ: между фрагментами, со стороны передней части поддона оставлены непроклеи 3 (фиг. 1, 2), площадь которых составляет 15.20% от склеиваемой поверхности. Направление волокон 4, 5 (фиг. 2) в слое взаимно перпендикулярное. При использовании ленточного наполнителя слои выполняются состоящими из двух подслоев, причем в одном из них волокна располагаются в продольном 4, а во втором в поперечном (радиальном) направлении 5. Поперечно направленные волокна при нарезании упорной резьбы в канале поддона образуют выступы 6, заполняющие ответные им впадины на резьбовой части сопрягаемого с поддоном метаемого стержня 7.

Функционирование поддона происходит последовательно в два этапа: в канале пусковой трубы, где он должен обладать достаточной прочностью, чтобы, воспринимая большие нагрузки, обеспечить несущую способность сборки метаемый стержень поддон и после вылета из пусковой трубы, когда происходит отделение поддона от метаемого стержня путем его разделения на фрагменты.

В канале пусковой трубы фиг. 2 давление Рк обжимает хвостовую часть 9 поддона, прочно скрепляя его с метаемым стержнем 7 и одновременно сообщает сборке ускорение. В результате нагружения давлением Рк и набегающим встречным скоростным потоком Q, а также воздействия перегрузок от ускорения, в элементах поддона возникает сложное объемное напряженно-деформированное состояние. Оно характеризуется напряжениями, уровень которых соизмерим с уровнем максимального давления, реализуемом в канале пусковой трубы.

Несущая способность поддона на этом этапе функционирования обеспечивается тем, что возникающие в его элементах 6, 9, 10, 11 напряжения и деформации не достигают предельных значений, приводящих к разрушению конструкции. Происходит лишь аккумулирование энергии деформирования и частичное накопление микроповреждений в ПКМ.

При вылете из пусковой трубы (фиг. 3) происходит резкая разгрузка упругодеформированного поддона, сопровождающаяся возвратом энергии, накопленной на первом этапе функционирования, что вместе с тангенциальными растягивающими напряжениями, возникающими на передней выемке 11, создаваемыми давлением Q от набегающего воздушного потока, обеспечивает фрагментацию поддона и его отделение от метаемого стержня.

Повышенная несущая способность, а следовательно, и возможность уменьшения массы поддона обусловлены не только высокой удельной прочностью слоистого ПКМ по направлениям армирования, но также и особенностями его поведения при высокоскоростном нагружении и обжатии давлением. Отметим важнейшие из них.

Увеличение скорости деформирования от статической до 10.10²сек^-1 повышает предел прочности слоистого ПКМ на сжатие вдоль волокон на 25.30% а сдвиговую и отрывную межслойную прочность на 15.20% Прочность ПКМ на срез поперек волокон в зона резьбового соединения поддона с метаемым стержнем существенно зависит от давления обжатия, причем увеличение давления с 1 до 400 МПа повышает сдвиговую прочность с 30.50 МПа до 300.500 МПа, т.е. по-крайней мере, в 10 раз.

Контактное давление в резьбовом соединении поддона из ПКМ с металлическим метаемым стержнем на 25.35% превышает уровень давления в пусковой трубе, что обеспечивает надежное совместное движение сборки в пусковой трубе.

Работоспособность заявляемой конструкции поддона из слоистого ПКМ проверена прямым экспериментом. Для этой цели были изготовлены поддоны из стеклоорганопластика Т-42-78 (см. табл) в виде 12-ти склеенных между собой секторных фрагментов и испытаны при давлении в пусковой трубе 470 МПа. При функционировании сборки аномалий не наблюдалось. Отделение поддона от метаемого стержня произошло после вылета сборки из пусковой трубы на расстоянии 8 м с разделением на заданные фрагменты.

Источники информации 1. Патент США N 386603, МКИ F 42 B 13/16, опубл. 28.01.75.

2. ЕПВ (ЕР), заявка N 0123299, МКИ F42 B 13/16, опубл. 31.10.84.

3. ФРГ (ДЕ), заявка N 3051030, МКИ F 42 B 13/16, опубл. 28.05.86.

4. Патент США N 4590862, МКИ F 42 B 13/16, опубл. 27.06.86.

5. Патент США N 4653404, МКИ F 42 B 13/16, опубл. 31.03.87.

6. ФРГ (ДЕ), заявка N 3625730, МКИ F 42 B 13/16, опубл. 18.02.88.

Формула изобретения

Ведущий отделяющийся поддон, состоящий из секторов и содержащий полимерный композиционй материал слоистой структуры, отличающийся тем, что он выполнен в виде частично склеенных между собой секторных фрагментов, количество которых в поддоне не менее трех, изготовленных из двуармированного слоистого полимерного композиционного материала с продольно и поперечно ориентированными высокопрочными и высокомодульными волокнами, причем слои в каждом секторном фрагменте расположены параллельно его боковым плоскостям и сходятся в плоскости симметрии секторного фрагмента под углом, равным его центральному углу, а частичные непроклеи между секторными фрагментами расположены в средней части их контактной поверхности, начинаются от воздухозаборной выемки поддона, распространяются вдоль его оси до кольцевого обтюрирующего выступа и имеют площадь, составляющую 15-20% площади склеиваемой поверхности секторных фрагментов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4