Стабилизатор танкового вооружения
Изобретение относится к системам стабилизации танкового вооружения. Технический результат - улучшение эксплуатационных характеристик. Стабилизатор содержит основание, на котором размещен источник питания и башня с укрепленными на ней механизмом поворота башни, гироскопическим датчиком, блоком управления, вращающимся контактным устройством и электродвигателем. При этом выходной вал электродвигателя через механизм поворота башни кинематически связан с основанием, а выход гироскопического датчика электрически соединен с входом блока управления. В башне установлены накопитель энергии и низковольтный управляемый электронный усилитель мощности с шунтовыми клапанирующими вентилями. Причем выход блока управления соединен с управляющим входом усилителя мощности, силовой выход усилителя мощности соединен с питающими выводами электродвигателя. В качестве электродвигателя использован низковольтный бесконтактный электродвигатель с датчиком положения ротора и с коммутатором, коммутирующие элементы которого зашунтированы клапанирующими вентилями. Выход вращающегося контактного устройства соединен одновременно с силовым входом усилителя мощности и с входом накопителя энергии, а выход источника питания соединен с входом вращающегося контактного устройства. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к системам автоматического управления и регулирования, а именно к стабилизаторам танкового вооружения (СТВ).
Известен электрогидравлический стабилизатор танкового вооружения 2Э28М, канал горизонтального наведения (ГН) которого представляет собой электрогидравлическую систему, выполненную на базе гидромотора большого момента (ГБМ). Инерционный разгон башни танка и возникающее вследствие этого повышение давления в гидросистеме сопровождаются срабатыванием предохранительных клапанов, входящих в устройство ГБМ, которые выполняют при этом предохранительные и демпфирующие функции («Стабилизаторы танкового вооружения 2Э28М (2Э28М-2)». Москва, Воениздат Минобороны СССР, 1979 г. Стр. 84-106. Гриф ДСП с книги снят по Решению АО 1003 от 12.08.87, подробное описание в БК1.370.050. ТО.ТУ, ИЭ.). Названный аналог является морально устаревшим изделием и имеет следующие недостатки: низкий КПД, невысокий ресурс работы (600-1000 часов), низкая перебросочная скорость наведения (не более 18 град/сек), пожаробезопасность, значительные габариты.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к изобретению является техническое решение стабилизатора танкового вооружения с электроприводом горизонтального наведения, а именно стабилизатор танкового оружия типа 2Э42, содержащий источник электропитания с напряжением +27 В, блок управления, вращающееся контактное устройство, высоковольтный усилитель мощности (электромашинный усилитель ЭМУ-12 ПМБ), силовой вход которого соединен с выходом источника электропитания стабилизатора+27 В, а управляющий вход усилителя мощности соединен с выходом блока управления через вращающееся контактное устройство, коллекторный исполнительный двигатель постоянного тока типа ЭДМ-16У с возбуждением от постоянных магнитов, причем обмотка управления исполнительного двигателя (обмотка якоря) соединена с выходом усилителя мощности через вращающееся контактное устройство. Оно работает следующим образом. Блок управления вырабатывает управляющий сигнал, который с его выхода через вращающееся контактное устройство поступает на управляющий вход усилителя мощности, усилитель мощности, получая питание через силовой вход от источника питания стабилизатора +27 В, усиливает управляющий сигнал и на выходе усилителя мощности формируется усиленный высоковольтный (до 200 В) управляющий сигнал, который через вращающееся контактное устройство прикладывается к обмотке управления коллекторного исполнительного двигателя постоянного тока (обмотке якоря). Таким образом, двигатель создает момент и скорость, необходимые для отработки сигнала управления, получаемого с выхода блока управления. Недостатки данного технического решения заключаются в следующем: коэффициент полезного действия коллекторного двигателя постоянного тока мал и не превышает 70%, а наличие коллекторного узла способствует достаточно малому ресурсу работы двигателя, кроме того, напряжение на выходе усилителя мощности может достигать значений 200 В, что способствует повышенной опасности поражения экипажа электрическим током и выходу из строя полупроводниковых элементов блока управления. Одной из причин, которые не позволили разработчикам применить низковольтный электродвигатель в стабилизаторе танкового оружия, было ограничение по току контактов вращающегося контактного устройства. С энергетической точки зрения применение высоковольтного электродвигателя в составе стабилизатора представляется неоправданным и по той причине, что повышение напряжения питания в электродвигателях малой мощности (расчетная потребная мощность привода стабилизатора не превышает 5 кВт) не обеспечивает существенного снижения массы и габаритов электродвигателя, но ухудшает тепловые условия работы его обмоток и КПД (Кацман М.М. Электрические машины. М.: Высшая школа, 1990, стр.317). Кроме этого, прототип предусматривает обязательное наличие сдающего устройства в механизме поворота башни (например, фрикционной муфты) во избежание поломки механизма, т.к. другие демпфирующие устройства в системе не предусмотрены. Не предусмотрен также сброс или рекуперация энергии при инерционном разгоне привода горизонтального наведения башней, т.е. при переходе электродвигателя в генераторный режим. Эта особенность прототипа, в совокупности с тем обстоятельством, что на нем применен высоковольтный электродвигатель, может быть причиной недопустимого повышения напряжения на обмотках электродвигателя при его работе в генераторном режиме, что может иметь последствием межвитковый пробой обмоток электродвигателя и выход его из строя. Напряжение в этом случае может достигать величины нескольких киловольт, что представляет угрозу безопасности экипажа и требует особых кабельных изделий для соединения элементов электропривода, а также применения специальных схем обеспечения электробезопасности экипажа и оборудования танка.
Технический результат - улучшение эксплуатационных характеристик стабилизатора танкового вооружения. При использовании изобретения достигаются следующие технические результаты:
1. Улучшается энергобаланс танка.
2. Повышается КПД стабилизатора.
3. Осуществляется демпфирование инерционных нагрузок на башню и орудие.
4. Повышается электробезопасность экипажа.
5. Повышается надежность стабилизатора.
6. Увеличивается помехозащищенность электронной аппаратуры танка (например, навигационной) от влияния силовых цепей стабилизатора.
7. Сохраняется боеспособность танка и экипажа при форсировании водных преград даже в условиях не герметичности силовой части электропривода.
8. Уменьшается уровень шума и вибрации в пространстве расположения экипажа танка.
9. Увеличивается свободное полезное пространство внутри танка.
Сущность изобретения заключается в следующем: стабилизатор танкового вооружения, содержащий основание, на котором размещены источник питания и башня с укрепленными на ней механизмом поворота башни, гироскопическим датчиком, блоком управления, вращающимся контактным устройством и электродвигателем, причем выходной вал электродвигателя через механизм поворота башни кинематически связан с основанием, а выход гироскопического датчика электрически соединен со входом блока управления, дополнительно снабжен установленными в башне накопителем энергии и низковольтным управляемым электронным усилителем мощности с шунтовыми клапанирующими вентилями. При этом элементы стабилизатора электрически соединены следующим образом: выход блока управления соединен с управляющим входом усилителя мощности; силовой выход усилителя мощности соединен с питающими выводами электродвигателя, в качестве которого используется низковольтный бесконтактный электродвигатель с датчиком положения ротора и с коммутатором, коммутирующие элементы которого зашунтированы клапанирующими вентилями; выход вращающегося контактного устройства соединен одновременно с силовым входом усилителя мощности и со входом накопителя энергии, а выход источника питания соединен со входом вращающегося контактного устройства.
Обозначенная сущность изобретения связана с заявленными техническими результатами следующим образом :
1. При переходе электродвигателя в генераторный режим при его инерционном разгоне башней напряжение на входе в электродвигатель повысится, превысит напряжение источника питания, и электроэнергия через шунтовые клапанирующие вентили коммутатора и усилителя мощности начнет поступать в накопитель энергии, заряжая его. Таким образом, будет осуществляться превращение механической энергии движения башни в электрическую энергию, которая будет запасаться в накопителе энергии, что улучшит энергобаланс танка.
2. КПД привода стабилизатора увеличится в связи с исключением из схемы электромашинного усилителя мощности и коллекторного двигателя постоянного тока, которые являются устройствами с достаточно низким КПД (не более 50% для электромашинного усилителя и 70% для коллекторного двигателя постоянного тока)
3. При зарядке накопителя энергии в режиме рекуперации мощности привода стабилизатора накопитель, как низкоомная нагрузка, обеспечит тормозной момент на валу электродвигателя, причем тормозной момент будет ограничен величиной, пропорциональной максимальному току двигателя, чем и обеспечится демпфирование инерционных нагрузок на башню и орудие.
4. При сбросе энергии в накопитель предотвратится значительное повышение напряжения на выводах электродвигателя, т.к. накопитель и включенный параллельно ему выход источника питания являются низкоомной нагрузкой, обеспечивая практически короткое замыкание выводов электродвигателя в режиме рекуперации (электродвижущей силой при этом является разность действующего напряжения на выводах электродвигателя и ЭДС источника питания). В соответствии с расчетами напряжение в бортовой сети 27 В в пиковых значениях при режиме рекуперации не превысит величины 30 В, что является безопасным для экипажа.
5. Надежность электропривода стабилизатора повысится, по меньшей мере, по трем важным причинам:
- за счет того что все силовые цепи являются низковольтными и в приводе использован низковольтный электродвигатель, а также применением накопителя энергии исключаются такие режимы работы электродвигателя, при которых значительно повышается напряжение на его выводах, что уменьшает вероятность электрического пробоя в витках его обмоток, а также уменьшает вероятность утечек, опасных для работоспособности других элементов привода, в частности полупроводниковых элементов блока управления.
- введение накопителя энергии защитит вращающееся контактное устройство от токовых перегрузок, что повысит надежность его работы.
- из схемы исключены коллекторные электрические машины, а именно коллекторный электродвигатель и электромашинный усилитель, надежность и долговечность которых низка в связи с наличием коллекторно-щеточного узла.
6. Помехозащищенность электронной аппаратуры танка (например навигационной аппаратуры) увеличится, по меньшей мере, по двум причинам:
- силовая магистраль, соединяющая электродвигатель и накопитель энергии, не содержит подвижных контактов и имеет минимальную длину, поскольку структура стабилизатора позволяет расположить эти элементы вплотную один к другому, причем в форсажных режимах именно эта магистраль в основном и обеспечивает питание электродвигателя. Короткая силовая магистраль без подвижных контактов дает минимальные помехи по цепям питания.
- из схемы исключены коллекторные электрические машины, а именно коллекторный электродвигатель и электромашинный усилитель, коллекторно-щеточные узлы которых являются источником помех по цепям питания.
7. В условиях попадания воды (особенно морской) в электрические соединения силовой части привода, что может иметь место при форсировании танком водных преград, вероятность отказа электропривода уменьшится также по двум причинам:
- при попадании воды во внутреннее пространство танка уменьшение величины питающего электропривод напряжения и исключение пиковых значений напряжения в тормозных режимах уменьшит как вероятность возникновения электрических утечек, так и вероятность отказа элементов привода, вызванную этими утечками.
- более высокий КПД бесконтактного электродвигателя по сравнению с коллекторным электродвигателем позволит использовать его без принудительного обдува вентилятором, т.е. выполнить его полностью герметичным, обеспечив его работу в самых неблагоприятных внешних условиях, в т.ч. при попадании воды.
8. Уровень шума и вибрации в пространстве расположения экипажа танка значительно уменьшится, поскольку из схемы стабилизатора исключен электромашинный усилитель, создающий по нагрузкой уровень звукового давления до 110 дБ.
9. Свободное полезное пространство внутри танка увеличится за счет следующих особенностей схемы:
- в стабилизаторе применен электронный усилитель мощности, имеющий значительно меньшие габариты по сравнению с электромашинным усилителем, примененном в прототипе.
- блок питания стабилизатора по сравнению с прототипом имеет меньшую мощность и, следовательно, габариты, поскольку потребная динамика привода в форсажных режимах обеспечится питанием электродвигателя большей частью от накопителя энергии.
На Фиг.1 изображена структурная схема стабилизатора танкового вооружения.
На Фиг.2 изображена блок-схема бесконтактного электродвигателя.
На Фиг.3 изображена возможная принципиальная электрическая схема бесконтактного электродвигателя с датчиком положения ротора и с коммутатором, коммутирующие элементы которого зашунтированы клапанирующими вентилями.
На Фиг.4 изображена возможная принципиальная электрическая схема низковольтного управляемого (по принципу ШИМ) электронного усилителя мощности с шунтовыми клапанирующими вентилями.
Стабилизатор танкового вооружения (Фиг.1) содержит основание (1), на котором размещены источник питания (2) и башня (3) с укрепленными в ней механизмом поворота башни (4), гироскопическим датчиком (5), блоком управления (6), вращающимся контактным устройством (7) и низковольтным бесконтактным электродвигателем с датчиком положения ротора и с коммутатором (8) (Фиг.2, а также см., например, Кацман М.М. Электрические машины. М.: Высшая школа, 1990, стр.419). Коммутирующие элементы коммутатора зашунтированы клапанирующими вентилями (Фиг.3). Введение клапанирующих вентилей в схемы транзисторной коммутации является известным схемотехническим решением (см., например, В.И.Смирнова, Ю.А.Петров, В.И.Разинцев. Основы проектирования и расчета следящих систем. М.: Машиностроение, 1983 г., стр.150 рис.6.16). В башне также установлен низковольтный управляемый электронный усилитель мощности с шунтовыми клапанирующими вентилями (9) (Фиг.4) и накопитель энергии (10), в качестве которого может быть использован аккумулятор или конденсатор большой емкости (молекулярный накопитель). Бесконтактный электродвигатель с датчиком положения ротора и с коммутатором (8) выполнен в виде единого устройства и включает в себя следующие функциональные блоки: электродвигатель с активным ротором (11), датчик положения ротора (12) и коммутатор (13) (Фиг.2). Элементы стабилизатора электрически соединены следующим образом: выход гироскопического датчика (5) соединен со входом блока управления (6), выход которого соединен с управляющим входом низковольтного управляемого электронного усилителя мощности (9), силовой выход усилителя мощности (9) соединен с питающими выводами электродвигателя (8), выход вращающегося контактного устройства (7) соединен одновременно с силовым входом усилителя мощности (9) и со входом накопителя энергии (10), выход источника питания (2) соединен с входом вращающегося контактного устройства (7).
Стабилизатор танкового вооружения работает следующим образом. В режиме стабилизации система работает как обычная замкнутая следящая система с отрицательной обратной связью. Параметры наведения и стабилизации задаются с помощью блока управления (6). При резком развороте шасси танка и укрепленного на нем основания (1) вследствие значительного совокупного момента инерции башни танка (3) и расположенного на ней вооружения через механизм поворота башни (4) может осуществляться режим разгона электродвигателя (8) до скорости, превышающей скорость его холостого хода, в результате чего электродвигатель переходит в генераторный режим и напряжение на его выводах повышается по сравнению с напряжением на накопителе энергии (10) и источнике питания (2). В этом случае происходит передача электроэнергии от электродвигателя (8) к накопителю (10) через клапанирующие вентили коммутатора электродвигателя и клапанирующие вентили усилителя (9), причем башня (3) испытывает торможение (демпфирование) со стороны электродвигателя (8) через механизм поворота башни (4). Поскольку накопитель (10) обладает низким внутренним сопротивлением, тормозной момент может достигать значительной величины, которая будет пропорциональна угловой скорости движения башни (3) относительно основания (1). Значительного повышения напряжения на выводах электродвигателя (8) при этом не произойдет, т.к. накопитель (10) при закачке в него электроэнергии ведет себя как низкоомная нагрузка. Кроме того, цепь оказывается замкнутой через клапанирующие вентили коммутатора электродвигателя (8), усилителя (9) и вращающееся контактное устройство (7) на низкоомный выход источника питания (2). Система ведет себя в этом случае подобно классической системе генераторного торможения при нагружении электродвигателя на низкоомный реостат. С целью дополнительной защиты вращающегося контактного устройства (7) в условиях пиковых нагрузок, возникающих при форсированных динамических режимах работы стабилизатора (разгон или противовключение), в качестве источника питания (2) может быть использован источник с ограничением по току. В этих условиях функцию форсажного питания электродвигателя большей частью берет на себя накопитель энергии (10), что обеспечивает потребный ток электродвигателя (8) при щадящем режиме работы вращающегося контактного устройства (7). Последнее обстоятельство позволяет использовать в схеме стабилизатора источник питания (2) меньшей мощности и, следовательно, габаритов по сравнению с прототипом.
1. Стабилизатор танкового вооружения, содержащий основание, на котором размещен источник питания и башня с укрепленными на ней механизмом поворота башни, гироскопическим датчиком, блоком управления, вращающимся контактным устройством и электродвигателем, причем выходной вал электродвигателя через механизм поворота башни кинематически связан с основанием, а выход гироскопического датчика электрически соединен с входом блока управления, отличающийся тем, что он снабжен установленными в башне накопителем электрической энергии и низковольтным управляемым электронным усилителем мощности с шунтовыми клапанирующими вентилями, при этом выход блока управления соединен с управляющим входом усилителя мощности, силовой выход усилителя мощности соединен с питающими выводами электродвигателя, в качестве которого использован низковольтный бесконтактный электродвигатель с датчиком положения ротора и с коммутатором, коммутирующие элементы которого зашунтированы клапанирующими вентилями, выход вращающегося контактного устройства соединен с силовым входом усилителя мощности и с входом накопителя электрической энергии, а выход источника питания соединен с входом вращающегося контактного устройства.
2. Стабилизатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника питания использован источник питания с ограничением по току.
3. Стабилизатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве накопителя энергии использован конденсатор большой емкости или молекулярный накопитель.
