Воздушно-динамический блок рулевого привода управляемого снаряда

 

Изобретение относится к силовым системам управления летательных аппаратов и может быть использовано в рулевых приводах и автопилотах малогабаритных управляемых ракет и снарядов. Блок привода снаряда содержит рули и рулевые машины, кинематически связанные между собой, с лабиринтным уплотнением между поршнем и силовым цилиндром в виде канавок прямоугольного сечения на поршне. Поршень выполняется из алюминиевого сплава полым с двух сторон, с цилиндрическим выступом, содержащим коническое отверстие внутри под сферическую головку штока, и установлен в цилиндре с обеспечением допустимой величины зазора. Сферическая головка штока выполняется из нержавеющей стали, термообработанной на высокую твердость. Ребра гребней поршня скруглены для обеспечения надежного нанесения покрытия. Поверхности поршня и цилиндра покрыты гальваническим хромом с пористой структурой покрытия на поршне и плотной структурой на цилиндре. Поверхности трущихся гребней поршня и поверхность конического отверстия цилиндрического выступа поршня пропитаны смазочным маслом. Скругление ребер гребней может быть выполнено радиусом 0,4...0,6 мм. Изобретение позволяет повысить быстродействие, точность и надежность в работе привода. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к силовым системам управления летательных аппаратов и наиболее целесообразно может быть использовано в рулевых приводах и автопилотах малогабаритных управляемых ракет и снарядов.

Известен (аналог) воздушно-динамический блок рулевого привода управляемого снаряда 9M117, предназначенный для преобразования управляющих электрических сигналов в механические перемещения рулей, состоящий из суммирующего устройства, корректирующего фильтра, триггерного устройства, усилителей мощности, рулевых машин и потенциометра обратной связи [1, рис.11]. В качестве рабочего тела для работы привода используется сжатый воздух от набегающего воздушного потока при полете снаряда (М=0,6-1,2) с помощью воздухозаборного отверстия, расположенного в носовой части снаряда. Каждая из рулевых машин состоит из управляющего электромагнита, распределительного устройства и цилиндра [1, рис. 13] . Уплотнение в силовом цилиндре рулевой машины между поршнем и цилиндром [1, рис.13, поз.14,13, рис.16 поз.3] обеспечивается с помощью гибкой тонкостенной резиновой манжеты, упрочненной снаружи чехлом из трикотажного полотна.

Недостатками известного воздушно-динамического блока рулевого привода с исполнительными элементами, имеющими уплотнительные устройства между поршнем и цилиндром рулевой машины в виде гибкой тонкостенной резиновой манжеты с чехлом, являются следующие: 1. Наличие значительного и нестабильного момента сопротивления перемещению поршня, величина которого может существенно увеличиваться при работе в диапазоне минусовых температур окружающей среды, что обусловлено физическими свойствами материалов манжеты и чехла, связанной с потерей их эластичности на минусовых температурах.

2. Невозможность работы привода при больших давлениях и температурах сжатого воздуха, соответствующих полету ракеты, снаряда на сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях без существенной доработки уплотнительных устройств.

3. Уменьшение полезной мощности рулевого привода за счет уменьшения эффективной площади поршня в тех же габаритах.

4. Усложнение конструкции и увеличение трудоемкости изготовления привода за счет дополнительных креплений манжеты, чехла, жесткого центра и штока с обеспечением герметичности соединений.

5. Применение дефицитных материалов, изготавливаемых из импортного сырья (каучук, полиэфирная текстурированная среднерастяжимая нить) и на специальном оборудовании (пресс-формы для резиновых манжет и вязальные автоматы 27 класса для изготовления трикотажного полотна).

В связи с отмеченными недостатками известного воздушно-динамического блока рулевого привода управляемого снаряда [1], в рулевых машинах которого используются контактные уплотнения в виде тонкостенной резиновой манжеты с полотняным чехлом, для разработчика рулевых приводов представляет практический интерес возможность применения в воздушно-динамических рулевых приводах существующих и вновь разрабатываемых малогабаритных управляемых ракет и снарядов комплексов высокоточного управляемого вооружения бесконтактных уплотнений, которые принципиально могут обеспечить движение поршня рулевой машины с минимальным или близким к нулевому моментом сопротивления в уплотнениях, т.е. с обеспечением при этом минимальных потерь по давлению.

Примером такого привода с бесконтактными уплотнениями является известный воздушно-динамический блок рулевого привода управляемого снаряда [2], принятый в качестве прототипа.

Воздушно-динамический блок рулевого привода управляемого снаряда [2] содержит рули и рулевые машины, кинематически связанные между собой с лабиринтным уплотнением между поршнем и силовым цилиндром в виде канавок прямоугольного сечения на поршне, причем поршень выполнен полым с двух сторон, с цилиндрическим выступом, который содержит коническое отверстие внутри под сферическую головку штока и установлен в цилиндре с обеспечением допустимой величины зазора.

В известном воздушно-динамическом блоке рулевого привода управляемого снаряда с лабиринтным уплотнением между поршнем и цилиндром рулевых машин [2] отсутствует информация по рекомендациям в части практического обеспечения надежного функционирования в приводе пар трения поршень - цилиндр, сфера поршня - поршень, а следовательно, и надежной работы привода в целом в различных условиях эксплуатации: - при работе на максимальных и минимальных рабочих давлениях сжатого воздуха в диапазоне заданных температур окружающей среды, например Т=±50^oС и воздействии вибрационных, центробежных перегрузок и аэродинамических нагрузок после действия стартовых (ствольных) перегрузок высокой интенсивности (n= 5000-10000 g); - при воздействии повышенной влажности воздушного потока при стрельбе снарядами, предварительно транспортированными на больших высотах при минусовых температурах; - при воздействии различной степени запыленности набегающего на снаряд потока воздуха.

С этими недостатками приходится сталкиваться разработчику приводов с лабиринтным уплотнением при выборе материалов трущихся пар поршня, цилиндра, сферы штока, при выборе покрытий поверхностей этих деталей, при выборе смазочных материалов, Анализ работы пар трения поршень - цилиндр, сфера штока поршня - поршень в рулевом приводе показывает, что они подвержены принципиально по условиям своей работы сильному износу, для борьбы с которым должны приниматься разработчиком специальные меры как в части выбора конструкционных материалов пар трения, так и выбора покрытия их поверхностей, выбора смазочных материалов. Однако при этом следует учитывать и ограничения, накладываемые на разработчика при выборе конструкционных материалов, так как речь идет о малогабаритном управляемом снаряде, в котором требование по обеспечению минимальной массы рулевого привода является одним из определяющих, конечно, не в ущерб качеству работы привода в части обеспечения предъявляемых к нему других технических требований, например, по быстродействию, по статической и динамической точности, по надежности и др.

Из публикаций в источниках информации [3, 4, 5] специалистов научно-производственной компании ВМПАВТО известно о современных технических решениях в части уменьшения износа пар трения в цилиндропоршневой группе высокофорсированных дизельных двигателей, работающих при высоких нагрузках при максимальном давлении в камере сгорания до 150 кг/см², при температуре до 250^oС и даже в двигателях Формулы-1.

Для обеспечения необходимой надежности компрессионные кольца покрывают гальваническим пористым хромом. Плотный хром обладает высокой износостойкостью, но плохо смачивается смазочным маслом. В таких условиях масло просто не удерживается на кольце. Выход нашли в том, что хромированное покрытие сделали пористым. Пористый хром как губка удерживает масло, и такой материал выдерживает нагрузки, недопустимые материалом с плотным покрытием, особенно в период приработки [4].

Это позволяет существенно уменьшить скорость износа хромированных колец и снизить потери мощности на трение.

Учитывая высокие нагрузки по давлению и температуре в камере сгорания дизельных двигателей, поршневые кольца изготавливают из чугуна, блок цилиндров из стали.

Решение задачи уменьшения износа трущихся деталей и исключения заклинивания по материалам известных источников информации [3, 4, 5] представляет практический интерес для разработчика рулевых приводов с лабиринтным управлением, в котором используются пары трения поршень - цилиндр, сфера штока поршня - поршень со всеми вытекающими последствиями по износу и заклиниванию без принятия соответствующих мероприятий. С этой точки зрения представляется интересным вариант конструкции привода, в которой поршень, цилиндр и сфера штока поршня изготовлены из стали, например нержавеющей типа 25X17H2-БШ.

Однако этот вариант имеет существенные недостатки применительно к рулевому приводу малогабаритных управляемых снарядов. Во-первых, изготовление поршня привода из стали связано с увеличением инерционной нагрузки на привод и далеко не всегда может быть приемлемым, так как это связано с уменьшением быстродействия и точности привода, если нет возможности увеличения максимального развиваемого момента рулевого привода. Во-вторых, изготовление поршня и цилиндра рулевых машин из стали приводит к увеличению массы и трудоемкости изготовления рулевого привода, что также далеко не всегда может быть приемлемо для малогабаритного управляемого снаряда.

Известно [6, стр.489, п.14.3-6. Анодно-оксидные покрытия алюминия и его сплавов] , что коррозионную и механическую прочность алюминия и его сплавов можно увеличить в десятки и сотни раз, подвергая поверхность металла анодному оксидированию (анодированию) в растворах кислот или щелочей.

Анодное оксидирование [6, cтp.492] придает поверхности алюминия и его сплавов высокие коррозионную стойкость, твердость, износостойкость, термостойкость и др.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение информативности известного технического решения [2] воздушно-динамического блока рулевого привода управляемого снаряда с лабиринтным уплотнением по рекомендациям в части практического обеспечения надежного функционирования в приводе пар трения поршень - цилиндр, сфера штока поршня - поршень и привода в целом в различных условиях эксплуатации, повышение быстродействия, точности и надежности работы привода, уменьшение его массы и трудоемкости изготовления.

Поставленная задача решается за счет того, что в воздушно-динамическом блоке рулевого привода управляемого снаряда, содержащем рули и рулевые машины, кинематически связанные между собой с лабиринтным уплотнением между поршнем и силовым цилиндром в виде канавок прямоугольного сечения на поршне, причем поршень выполнен полым с двух сторон, с цилиндрическим выступом, который содержит коническое отверстие внутри под сферическую головку штока и установлен в цилиндре с обеспечением допустимой величины зазора, поршень и цилиндр выполнены из алюминиевого сплава, сферическая головка штока - из нержавеющей стали, ребра гребней поршня скруглены для обеспечения надежного нанесения покрытия, при этом поверхности поршня и цилиндра покрыты гальваническим хромом с пористой структурой покрытия на поршне и плотной структурой на цилиндре, поверхности трущихся гребней поршня и поверхности конического отверстия цилиндрического выступа поршня пропитаны смазочным маслом.

Скругление ребер гребней выполнено радиусом 0,4...0,6 мм.

Толщина покрытия гальваническим хромом с пористой структурой составляет 30. . .50 мкм, а толщина покрытия гальваническим хромом с плотной структурой составляет 3...5 мкм.

Смазочным маслом является смесь полиэтилсилоксановой жидкости и минеральных масел.

Высота неровностей на трущихся поверхностях после покрытия ≤1,25 мкм.

Твердость сферической головки штока составляет 43,5...51,5 НRС.

На фиг.1 приведена принципиальная схема одного из каналов предлагаемого воздушно-динамического блока рулевого привода управляемого снаряда, каждый канал которого состоит из пары рулей 1, объединенных между собой осью 2, рулевой машины, включающей в себя два отдельных силовых цилиндра 3 (СЦ1 и СЦ2), пневматического распределительного устройства (ПРУ) с клапанным регулированием на выходе, включающим в себя два отдельных электромагнита 4 с обмотками управления 5 (ОУ1 и ОУ2), якорями 6 (Я1 и Я2) и магнитопроводами 7.

Рули 1 через ось 2 и штоки 8 связаны с поршнями 9 силовых цилиндров 3.

На фиг. 2 приведена конструкция предлагаемого силового цилиндра, содержащая поршень 9 с проточками 10 и цилиндрическим выступом 11, включающим в себя резьбу 12 и коническое отверстие 13. Основание 14 с цилиндром 15 и отверстиями входными 16 и выходными 17, гайку 18 с конусом 19 на буртике 20, а также шток 8 со сферой 21.

Блок рулевого привода работает следующим образом. Сжатый воздух Р_u от набегающего потока при полете ракеты из области высокого давления поступает в силовые цилиндры 3 (СЦ1, СЦ2) через входные отверстия 16. При отсутствии управляющего сигнала якоря 6 (Я1 и Я2) пружинами 22 отжаты от магнитопровода 7, образуя зазор 23, через который выходит воздух. Разница давлений в полостях 24 силовых цилиндров 3 равна 0, и рули 1 находятся в нулевом положении. При подаче управляющего сигнала в одну из обмоток управления 5 (ОУ1 и ОУ2) якорь 6 (Я1 и Я2) притягивается к магнитопроводу 7, закрывая выходной зазор 23, и за счет разницы давлений в полостях 24 силовых цилиндров 3 (СЦ1, СЦ2) происходит перемещение поршня 9 на ход Х_n и через штоки 8 и ось 2 поворот руля 1 на угол δ_p. Для уменьшения момента инерции поршень выполнен полым с обеих сторон. С целью исключения заклинивания при перемещении поршня в нем выполнен цилиндрический выступ 11 с резьбой 12 и коническим отверстием 13, а в штоке 8 - сфера 21. Поршень 9 и шток 8 объединены гайкой 18 с конусом 19 на буртике 20 с осевых люфтом ΔX = (0,1-0,25)•X_n/δ_p, позволяющим обеспечить свободное возвратно-поступательное перемещение поршня 9 при возвратно-поступательном и угловом перемещении штока 8, здесь Х_n - максимальный ход поршня, мм, δ_p - максимальный угол поворота рулей, градусы, ΔХ - осевой люфт, мм.

Минимальная и максимальная величина зазоров между поршнем 9 и цилиндром 15 основания 14 определяются из выражений где d - диаметр поршня 9, мм;
D - диаметр цилиндра 15 основания 14, мм.

Графики зависимости зазоров от величины диаметра поршня приведены на фиг.3 (кривая 1 - зазор h_min, кривая 2 - зазор h_max).

С целью уменьшения перетекания воздуха из полости 24 в полость 25 силового цилиндра 3 поршень 9 выполнен с лабиринтным уплотнением. При движении воздушного потока через лабиринтные уплотнения происходит процесс расширения воздуха. Этот процесс осуществляется путем многократного преобразования потенциальной энергии давления в кинетическую воздушного потока в узкой части щели (зазора между цилиндром и поршнем) с последующей почти полной диссипацией кинетической энергии в камерах лабиринта (проточек).

Чем большая доля кинетической энергии в каждой камере переходит в теплоту, тем больше сопротивление движению воздуха создает уплотнение в направлении от входа к выходу.

Параметры лабиринтного уплотнения выбираются следующим образом. Проточки канавки прямоугольного сечения шириной l_к=(1,5-1,8) мм, глубиной h_к≥5•h_max в количестве

шириной гребня l_n=(1,2-1,4)•l_к,
где h_max - максимальная величина зазора между цилиндром и поршнем, 10^-3 мм,
l - длина поршня, мм.

Здесь l_к выбирается из технологических соображений (чем уже канавки, тем больше износ инструмента), l_n - из условий износа гребней (чем уже, тем больше износ), l и d (диаметр поршня), а также h_к и Z - из возможностей конструкции при заданных габаритах.

Для уменьшения момента инерции поршня, повышения быстродействия и точности работы привода, уменьшения массы привода поршень 9 и цилиндр 15 выполнены из алюминиевого сплава типа В95. Шток 8 поршня со сферой 21 выполнены из нержавеющей стали типа 25X17Н2-БШ.

Для уменьшения износа трущихся деталей (поршень - цилиндр, поршень - сфера штока) и исключения заклинивания с целью обеспечения надежной работы рулевого привода в различных условиях эксплуатации поверхности поршня и цилиндра покрыты гальваническим хромом толщиной в пределах от 30 до 50 мкм с пористой структурой покрытия на поршне и от 3 до 5 мкм с плотной структурой покрытия на цилиндре, причем высота неровностей профиля трущихся поверхностей после покрытия должна быть не более 1,25 мкм. Для обеспечения надежного нанесения покрытия острые ребра поршня при его изготовлении выполнены с радиусом cкругления в пределах от 0,4 до 0,6 мм (на фиг.2 не показано, чтобы не затенять чертеж), чем обеспечивается надежное нанесение покрытия без сколов и трещин на закругленные поверхности без практически заметных потерь по давлению в приводе за счет cкругления кромок гребней поршня. Конечно, по мере совершенствования технологии существующего покрытия или разработки нового типа покрытия целесообразно ребра гребней поршня выполнить с меньшим радиусом cкругления, например не более 0,3 мм, с целью увеличения длины рабочей части гребня для уменьшения потери по давлению.

При изготовлении поршня и цилиндра в качестве конструкционного материала используется алюминиевый сплав В95, который обладает способностью покрываться гальваническим хромом. Хотя не исключено по мере появления других алюминиевых сплавов, обладающих такой способностью к покрытию, изготовление поршня и цилиндра и из этого сплава.

При нанесении на поверхность деталей (поршень, цилиндр) из алюминиевого сплава электрохимическим методом анодно-окисного покрытия гальваническим хромом, тонкого (от 3 до 5 мкм) на цилиндре и сравнительно толстого (от 30 до 50 мкм) на поршне, изменяются размеры этих деталей. Перед обработкой сопрягаемые размеры этих деталей должны быть изменены на величину прироста покрытия.

Учитывая, что как практически определено, анодное окисление изменяет высоту неровностей поверхности в пределах одного - двух классов шероховатости, то для сохранения требуемой шероховатости обработанные детали должны иметь шероховатость перед обработкой на один - два класса выше.

При электрохимическом методе получения анодно-окисных покрытий на алюминиевом сплаве образующиеся покрытия имеют мелкокристаллическую структуру и состоят из двух слоев:
первого (у поверхности алюминиевого сплава) - тонкого, плотного, с толщиной в пределах несколько мкм;
второго - толстого слоя с наличием открытых пор, с толщиной несколько десятков мкм.

Износостойкое (твердое) покрытие гальваническим хромом получается толщиной от 30 до 50 мкм. Оно характеризуется высокой твердостью и высокой стойкостью к истиранию, особенно в условиях пропитки его смазочными маслами.

Для обеспечения высокой стойкости к истиранию в парах трения с покрытием (поршень - цилиндр, поршень - сфера штока поршня) поверхности трущихся поверхностей поршня в паре поршень - цилиндр и поверхность конического отверстия цилиндрического выступа поршня пропитаны тонким слоем смазочного масла в виде смеси полиэтилсилоксановой жидкости и минеральных масел, например маслом смазочным 132-08 [7].

Предлагаемый воздушно-динамический блок рулевого привода с лабиринтным уплотнением управляемого снаряда позволил обеспечить надежное функционирование в приводе пар трения поршень - цилиндр, сфера штока поршня - поршень и привода в целом в различных условиях эксплуатации, повысить быстродействие, точность и надежность привода, уменьшить его массу и трудоемкость изготовления.

Проведенные проверки опытных образцов предлагаемого воздушно-динамического блока с диаметром поршня d=42 мм рулевого привода малогабаритного управляемого снаряда подтвердили с положительными результатами эффективность заложенных технических решений во всех условиях при воздействии механических и климатических факторов, а также при воздействии повышенной влажности воздушного потока на входе предварительно охлажденного до минусовых температур рулевого привода и при воздействии различной степени запыленности набегающего на снаряд потока воздуха применительно к условиям эксплуатации управляемых снарядов со скоростями полета в диапазоне М=0,6-0,9.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить информативность известного технического решения воздушно-динамического блока рулевого привода с лабиринтным уплотнением управляемого снаряда по рекомендациям в части практического обеспечения надежного функционирования в приводе без затирания, без задиров и без перекосов пар трения поршень - цилиндр, сфера штока поршня - поршень и привода в целом в различных условиях эксплуатации, повысить быстродействие, точность и надежность работы рулевого привода, уменьшить его массу и трудоемкость изготовления и может быть использовано как для модернизации существующих, так и для разработки вновь создаваемых малогабаритных управляемых снарядов комплексов высокоточного вооружения.

Источники информации
1. Блок рулевого привода. Выстрел ЗУБК10-1 с управляемым снарядом 9М117. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ЗУБК10-1.00.00.000 ТО. М.: Военное издательство, 1987, рис.6, 7, 11, 13, 16 стр.18, стр.20-28.

2. RU 2172927 C1, 27.08.2001.

3. Кузьмин В. Н. Запряги М.С. Комсомольская правда, 144(22609), 10 августа 2001 г.

4. Ресурс новый. Комсомольская правда, 168(22633), 14 сентября 2001 г.

5. Погодаев Л. И. Новый ресурс от ВМПАВТО. Усталости не будет. Комсомольская правда. 178 (22643), 28 сентября 2001 г.

6. Гальванотехника. Справочник. Под редакцией Гинберга A.M., Иванова А. Ф., Кравченко Л.Л. М.: Металлургия, 1987.

7. Масло смазочное 132-08. Технические условия ГОСТ 18375-73. М., Государственный комитет СССР по стандартам.

Формула изобретения

1. Воздушно-динамический блок рулевого привода управляемого снаряда, содержащий рули и рулевые машины, кинематически связанные между собой, с лабиринтным уплотнением между поршнем и силовым цилиндром в виде канавок прямоугольного сечения на поршне, причем поршень выполнен полым с двух сторон, с цилиндрическим выступом, который содержит коническое отверстие внутри под сферическую головку штока и установлен в цилиндре с обеспечением допустимой величины зазора, отличающийся тем, что в нем поршень и цилиндр выполнены из алюминиевого сплава, сферическая головка штока - из нержавеющей стали, термообработанной на высокую твердость, ребра гребней поршня скруглены для обеспечения надежного нанесения покрытия, при этом поверхности поршня и цилиндра покрыты гальваническим хромом с пористой структурой покрытия на поршне и плотной структурой на цилиндре, поверхности трущихся гребней поршня и поверхность конического отверстия цилиндрического выступа поршня пропитаны смазочным маслом.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что скругление ребер гребней выполнено радиусом 0,4...0,6 мм.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что толщина покрытия гальваническим хромом с пористой структурой составляет 30...50 мкм, а толщина покрытия гальваническим хромом с плотной структурой составляет 3...5 мкм.

4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что смазочным маслом является смесь полиэтилсилоксановой жидкости и минеральных масел.

5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что высота неровностей на трущихся поверхностях после покрытия ≤ 1,25 мкм.

6. Устройство по любому из пп. 1-5, отличающееся тем, что твердость сферической головки штока составляет 43,5...51,5 HRC.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

QB4A Государственная регистрация договора о распоряжении исключительным правом

Дата и номер государственной регистрации договора: 22.04.2011 № РД0079873

Вид договора: лицензионный

Лицо(а), предоставляющее(ие) право использования:
Государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро приборостроения" (RU)

Лицо, которому предоставлено право использования:
Открытое акционерное общество "Концерн "Ижмаш" (RU)

Условия договора: НИЛ, на срок до 15.04.2024 на территории РФ.

Дата публикации: 10.06.2011

---