автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Разработка методик и аппаратуры для технической диагностики и прогнозирования работоспособности пусковых устройств подводных аппаратов



На правах рукописи /

Красильников Антон Валентинович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИК И АППАРАТУРЫ ДЛЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ПУСКОВЫХ УСТРОЙСТВ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ

Специальность 05.11.14 - технология приборостроения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 8 НОЯ 2010

Санкт-Петербург 2010

004612983

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Валетов Вячеслав Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мусалимов Виктор Михайлович

кандидат технических наук Костыгов Борис Борисович

Ведущая организация: ОАО «Концерн „Морское подводное оружие-Гидроприбор"»

Защита состоится «16» ноября 2010 г. в 15й часов на заседании Диссертационного совета Д.212.227.04 при Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, ауд. 461

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики

Автореферат разослан « » октября 2010 г.

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять по адресу университета:

197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, секретарю Диссертационного совета Д.212.227.04

Ученый секретарь Диссертационного совета Д.212.227.04, кандидат технических наук

нселев С.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Сегодня в области морских технологий активно развивается качественно новое направление - автономные необитаемые подводные аппараты, самоходные и несамоходные, в том числе миниатюрные (калибром до 10 дюймов), различного назначения. В нашей стране также проводятся работы по созданию подобных аппаратов. В частности, большой вклад в их развитие и популяризацию в научной среде внесли A.C. Котов, И.И. Соболев, М.В. Кыбальный, Г.Ю. Илларионов, К.С. Сиданко, В.В. Сидоренков и многие другие.

Использование подводных аппаратов (ПА) требует специализированных пусковых устройств (ПУ). В последнее время особую актуальность приобрели работы по созданию транспортно-пусковых контейнеров (ТПК) забортного расположения. Такие контейнеры обеспечивают хранение приготовленного к использованию изделия, а также его динамический выпуск за счет работы автономной энергосистемы. Большой вклад в теорию подводных пусковых систем и прикладной пневмо-гидроазтоматики внесли Е.П. Шафраиский, Ю.П. Еловских, Г.В. Цывкин, И.А. Лежнев, О.И. Ефимов и многие другие.

Представленные устройства составляют новый класс подводных технических объектов, и поэтому важнейшее значение при их проектировании и внедрении в производство имеют вопросы всесторонних испытаний и отработки их опытных образцов; многие проблемы создания таких технических средств требуют как теоретического обоснования, так и экспериментальной проверки.

На сегодняшний день в мире (в том числе, и в России) известно малое количество публикаций, отражающих опыт отработки и испытаний новых образцов имеющих калиброванную часть подводных аппаратов, а также их пусковых систем.

Испытания перспективной морской техники в натурных условиях, неизбежно приводят к значительным временным и финансовым затратам. Кроме того, своевременное планирование проводимых исследований затруднено из-за постоянно изменяющихся внешних факторов.

Из зарубежных источников известно, что для осуществления наладочных работ и доказательства работоспособности ПУ современных ПА, а также их ресурсных испытаний, как правило, требуется 1500-2000 циклов технологических срабатываний создаваемого нового образца техники.

Поэтому создание специализированных испытательных стендов, позволяющих многократно воспроизводить максимально приближенные к естественным условия работы проектируемого устройства, является одной из наиболее актуальных задач при решении указанных проблем.

Цель работы и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка методик и программного обеспечения проектирования гидродинамических стендов (ГДС)

и их конструктивных элементов, предназначенных для исследований и испытаний пусковых устройств ПА в большом диапазоне глубин их пуска.

Основные направления и задачи исследования определяются комплексным характером технологического обеспечения поставленной проблемы, что потребовало:

- разработки унифицированной конструктивной схемы ГДС;

- математического описания физических явлений, протекающих в ГДС во время испытаний, с оценкой их влияния на работу ТПК;

- разработки методики прогнозирования характеристик работы ПУ11А при его отработке на ГДС;

- теоретического исследования процессов в ГДС и в оригинальных конструкциях их элементов;

- разработки методики обоснования конструктивных характеристик выпускного клапана системы подержания постоянного давления в резервуаре-имитаторе ГДС;

- разработки методики оценки рабочих характеристик тормозного устройства (ТУ) ГДС.

Общая методика исследования

Общая методика исследования - расчетно-аналитическая, с экспериментальным подтверждением зависимостей, используемых при описании динамических процессов. Разработка математической модели функционирования ГДС основана на применении уравнений газо- и гидродинамики, а также методик обоснования и оптимизации контролируемых параметров технологических процессов испытания ПУ ПА. Эти приложения физических законов хорошо зарекомендовали себя в практике проектирования и опытной отработки специфических изделий морской техники. При разработке расчетной методики в настоящей диссертации учтен большой опыт экспериментальных исследований с использованием существующей технологической базы подводного аппаратостроеяия. Так, при настройке вновь создаваемых ПА больших калибров для приближения результатов контроля их технических характеристик в условиях ГДС к показателям, наблюдаемым в натурных условиях, используется подтвержденный многолетней практикой критерий соответствия.

Отличительной особенностью разработанной автором математической модели работы тормозного устройства ГДС является учет его высокой динамичности, т.к. суммарное время торможения ПА составляет от 0,03 до 0,1 с. В ранее созданных подобных тормозных устройствах время торможения изделия составляло от 0,25 до 0,3 с.

Быстротечность процессов пуска малогабаритных ПА из ТПК (общее время процесса составляет от 0,15 до 0,4 с) обусловила необходимость целенаправленного исследования устройства поддержания постоянного давления в демпфирующей полости ГДС, которое характеризуется

повышенными требованиями к точности работы и чувствительности к изменению давления.

При исследовании работы быстродействующих пневмоэлементов используется опыт реального проектирования автоматически управляемых клапанов импульсных лневмссистем.

Научная новизна

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

- разработаны новые методики проектирования ГДС и их составляющих элементов;

- разработаны оригинальные, защищенные Патентами РФ, конструкции ГДС и входящих в их состав устройств;

- разработано математическое описание работы различных вариантов ГДС и торможения ПА в тормозном устройстве ГДС;

- разработаны методики и программное обеспечение, позволившие оценить влияние ГДС на работу диагностируемого ПУ; предложена и доведена до численного примера методика оптимизации конструктивно-технологических характеристик выпускного клапана системы поддержания давления в полости-шлитаторе ГДС.

Практическая ценность результатов работы

Разработанные в диссертации методики используются при разработке реальных образцов аппаратуры, предназначенной для технической диагностики и прогнозирования работоспособности вновь создаваемых ПУ подводных аппаратов.

Создание специализированных ГДС для отработки ПУ перспективных подводных аппаратов позволит существенно сократить финансовые и временные затраты, необходимые для запуска в производство новых образцов малогабаритной морской техники.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных в диссертации ргзудьтатов подтверждается использованием при составлении математического описания процессов функционирования ГДС и их элементов неоднократно экспериментально подтвержденных методик и зависимостей, хорошо зарекомендовавших себя при проектировании действующих образцов подводной морской техники.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Результаты теоретических исследований и методика проектирования гидродинамических стендов для испытания быстродействующих пусковых устройств подводных аппаратов.

2. Математические модели физических процессов, сопровождающих работу исследуемого ПУ в условиях разлитых вариантов ГДС, и их программное обеспечение.

3. Методика оценки коэффициента соответствия стенда и его представление в виде непрерывной функции от заданной глубины испытаний.

4. Методика расчетной оптимизации конструктивных характеристик устройства поддержания постоянного давления в демпфирующей полости ГДС.

5. Методика оценки рабочих характеристик тормозного устройства ГДС.

Внедрение результатов работы

Основные результаты работы использованы в исследованиях, проводимых ОАО «Концерн „Морское подводное оружие-Гидроприбор"», ЦКБ МТ «Рубин» и включены в план дальнейших исследований НОЦ 1 НМУ ИТМО.

Апробация работы

Отдельные положения диссертации докладывались и обсуждались на общеакадемическом научном семинаре «Системный анализ при создании кораблей, вооружения и военной техники» (BMA им. Н.Г.Кузнецова, Санкт-Петербург, 2009), на XXXIX научной и учебно-методической конференции СГ16ГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2010), na VII Конференции молодь« ученых СПбГУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2010).

Общая структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, трех приложений и содержит 136 страниц, в том числе 44 рисунка, 107 формул, 13 таблиц и список использованной литературы, включающий 53 источника на б страницах.

Публикации

Основные результаты работы изложены в 4 статьях и защищены 4 патентами РФ на изобретения и полезные модели. Также, на разработанные при участии автора новые технические решения подано 2 заявки на изобретения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, приведены положения, раскрывающие её научную новизну и практическую значимость. Сформулированы цель работы и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена описанию объекта исследования, в том числе особенностей применения малогабаритных ПА и предъявляемых к ним эксплуатационных требований, анализу типов известных в настоящее время. ПУ, возможных вариантов энергетического обеспечения процесса пуска имеющих калиброванную часть корпуса ПА в модульных конструкциях, а также устройств их хранения и транспортировки.

Рассмотрены возможности интеграции пусковых устройств в корабельные системы и приведены взаимные требования ПУ и носителя.

Приведены основные сдаточные характеристики ПА и рассмотрены особенности проектирования ГДС применительно к малогабаритным образцам подводной техники.

Проанализированы аналогичные задачи создания и использования традиционных крупногабаритных ПУ и ГДС. При исследовании традиционных ПУ наибольшую сложность обычно представляет измерение скорости í^ta движения ПА как функции упл(') времени или как функции удалял) пути, пройденного изделием на момент измерения. В существующих ГДС для

испытаний крупногабаритных ПА определение скорости vп^^(t) производят путем дифференцирования графика /па(0- При этом /па приравнивается длине вытягиваемого выходящим аппаратом тросика через уплоиштельный узел в задней крышке ПУ. Такой способ обладает рядом недостатков, которые применительно к рассматриваемому варианту ТПК определяют сложно преодолимые технические трудности и малую точность получаемых результатов измерения. Такими недостатками являются:

- кратковременность измерений;

- влияние начальной слабины натяжения тросика;

-- влияние силы трения в уплотнительном узле;

- существенное удлинение тросика, обусловленное большими продольными перегрузками при динамическом пуске аппарата.

Некоторые сравнительные данные испытаний крупногабаритных 11А и рассматриваемого в работе ТПК сведены в табл. 1.

Таблица 1

Контролируемые параметры ПУ серийных Малогабаритные

крунногаба рнтных ТПК

ПА

Глубина пуска ПА, м 8-250 15-300

Измеряемый путь ПА, м 8-10 1-1,5

Время измерений, с 1-2 0,1-0,2

Выходная скорость ПА, м/с до 25 до 40

Максимальные значения

коэффициента Kgx продольной

перегрузки, испытываемой ПА до 10 до 40

Приведенные в табл. 1 данные свидетельствуют о том, что хорошо апробированные методы измерений параметров движения ПА при динамических испытаниях ПУ их крупногабаритных образцов плохо согласуются с условиями испытаний ТПК мачогабаритных ПА, поэтому необходим новый, не применявшийся ранее, подход к проектированию специализированных ГДС, ориентированных на опытную отработку ПУ ПА малых калибров.

Исходя из перечисленных задач проектирования и отработки ПУ малогабаритных Г1А сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава содержит сведения о разработанных с участием автора конструктивных схемах технологической оснастки для оценки работоспособности и испытаний ПУ малогабаритных ПА.

В качестве базового ПУ, рассматриваемого при описании процессов, сопровождающих работу ГДС, выбрано устройство, представляющее собой ТПК [7] с пневмогидравлической поршневой силовой установкой, схема которого приведена на рис. 1 (1 - ПА; 2 - пусковая труба; 3 - поршень; 4 - обтюрирующее кольцо; Л - демпфирующая полость; 6 - разрывная мембрана; 7 - кольцевой плунжер; 8 - баллон газа высокого давления;

9 - расширительная камера; 10 - пусковой клапан; 11 — основной клапан; 12 - упругий кольцевой стопор; 13 - челноки ПА; 14 — пазы в поршне;

На рис. 2 представлена одна из предложенных конструктивных схем ГДС [5] (1 - камера - имитатор забортной среды; 2 - шлюзовая полость (ШП); 3 — крышка ШП; 4 — быстроразъемный узел крепления ПУ; 5 - ПУ; 6 — ПА; 7 - направляющий аппарат; 8 - тормозное устройство; 9 - кольца обтюрации переменного сечения; 10 - шток измерителя перемещения ПА; 11 - демпфирующая газовая (воздушная) полость; 12 - поршень; 13 - упор начального положения поршня; 14 - сшнализатор начального положения поршня; 15 - клапан наполнения; 16 - клапан сброса давления; 17 - сливной бак; 18 - насос; 19 — клапаны осушения; 20 - клапаны заполнения; 21 - клапаны вентиляции; 22 - манометры)

Корпус ГДС представляет из себя цилиндрической формы камеру 1, заполненную водой. Одна стенка камеры снабжена шлюзовой полостью (ШП) 2, ко внешнему комингсу которой присоединяется ПУ 5, подлежащее испытаниям. В противоположной стороне камеры 1 установлена подвижная перегородка 12 для отделения водного объема имитационной камеры от воздушной демпфирующей емкости 11. Узел 4 крепления 1ТУ выполнен быстроразъемным с возможностью полного или частичного расположения устройства вне шлюзовой камеры. Камера с водой и ее расходная полость снабжены системой

повышения давления, клапанами наполнения и осушения, а так лес системой уравнивания давления в расходной полости с камерой.

Подвижная перегородка 12, разделяющая камеру 1 и демпфирующую воздушную емкость 11, выполнена в виде поршня, взаимодействующего с сигнализатором 14, установленным в камере и фиксирующим начальное положение поршня.

При пуске аппарата из ПУ осуществляется преобразование энергии воздуха высокого давления (ВВД) в движение поршня силовой установки, обеспечивающего повышение давления в пусковой трубе, выталкивающего ПА за пределы пусковой трубы ПУ. Поскольку площадь поперечного сечения поршня больше площади поперечного сечения ПА, происходит увеличение скорости последнего с передаточным числом (больше единицы), пропорциональным отношению этих площадей. Следует отметить, что это передаточное число не постоянно вследствие потерь воды из полости пусковой трубы через обтюрацию, которые, в свою очередь, зависят от соотношения давлений в полости расширения воздуха (запоршневой полости) и внешнего гидростатического давления 1\. Последнее в условиях ГДС также нельзя считать постоянным, т.к. давление в его демпфирующей полости изменяется по мерс ее уменьшения, определяемого движением аппарата и потерями воды через обтюрацию ПУ.

Предлагаемые варианты ГДС обеспечивают повышение производительности при испытаниях пусковых систем ПА, надежную безопасность проведения самих испыташш, а также максимальное приближение условий пуска ПА к реальным условиям работы ПУ в открытой акватории.

Третья глава содержит теоретическое обоснование и общие принципы проектирования ГДС, а также методические рекомендации к организации опытных исследований.

Предварительный анализ показывает, что в процессе работы ГДС можно выделить 3 последовательных ее этапа.

1. В течение первого этана, который начинается с момента открытия проходного сечения в пусковом клапане (регуляторе ВВД) ПУ 5 (рис. 2), происходит повышение давления в его расширительной полости до величины, превышающей забортное давление, силу инерции поршня и механическое трение в его уплотнениях. С этого момента начинается движение поршня ПУ, приводящее к повышению давления перед поршнем и в пусковой трубе. Движение воды через обтюрацию начинается сразу же после превышения давлением в пусковой трубе забортного. Когда это превышение достигнет величины, обеспечивающей преодоление инерции ПА, сил механического трения его перемещения и силового воздействия, необходимого для прорыва мембраны, закрывающей пусковую трубу, произойдут страшвание ПА и дальнейший его разгон с преодолением возникающего гидродинамического сопротивления, а по прохождении определенного пути и сил трения ПА о направляющие 7 в камере 1 ГДС. Окончание этого этапа работы ГДС связано с подходом демпфирующего кольцевого плунжера поршня к соответствующей

полости тормозного устройства ПУ. Следует отметить, что нестационарность всех упомянутых процессов будет также определяться изменением давления в демпфирующей полости стенда.

2. Второй этап определяется торможением поршня до полной его остановки за счет вытеснения воды плунжером поршня из замыкаемой полости тормозного устройства ПУ. При этом ПА будет продолжать дальнейшее движение в продольном направлении в направляющем аппарате 7 ГДС по инерции, а освобождаемый им в пусковой трубе объем перед поршнем будет заполняться водой из камеры ГДС под переменным давлением в демпфирующей полости 11 стенда. В течение этого этапа поршень полностью остановится, закрыв воздух в расширительной полости, давление в которой постепенно уравняется с давлением в баллоне ВВД. При этом ПА полностью выйдет из пусковой трубы (этот момент времени и соответствующая ему выходная скорость аппарата обязательно должны регистрироваться) и его носовая оконечность подойдет к тормозной трубе 8 (см. рис. 2).

Окончание изменения давления в демпфирующей полости ГДС связано с полной остановкой поршня ГГУ, т.к. движение ПА в камере стенда не будет приводить к изменению объема демпфирующей полости.

3. Трегий этап связан с торможеиием и полной остановкой ПА в трубе 8 тормозного устройства ГДС. Одной из задач проектирования стенда является разработка системы обтюрации 9 в тормозном устройстве, обеспечивающей безопасность работ при аварийном наборе аппаратом скорости, превышающей допустимую.

В процессе работы ПУ в условиях стенда имеет место взаимное влияние всех элементов системы ПУ-ПА-ГДС.

Такая система взаимосвязанных процессов обусловливает необходимость составления аналитических описаний этих взаимосвязей на основе известных физических законов, а именно:

- газодинамических законов, позволяющих установить изменение давлений в баллоне ВВД, расширительной (заиоршневой) полости и демпфирующей полости;

- закона движения твердых тел (поршень, аппарат) под действием внешних сил, включая силы трения взаимодействующих элементов, в том числе и в уплотнительных узлах;

- законов гидродинамики применительно к истечению воды через обтюрацию, а также в тормозных устройствах для поршня и изделия. Описание работы ГДС состоит из двух частей:

- математической модели движения изделия в ПУ при переменном внешнем давлении;

- математической модели работы демпфирующей полости ГДС. Основные допущения, принятые при составлении математической модели

работы ПУ и ГДС:

- в газовых полостях - баллоне ВВД (Кб), расширительной полости ПУ (Кр) и демпфирующей полости ГДС (Ка) - газ (воздух) находится в равновесном состоянии, т.е. параметры газа в любой точке объема полости одинаковы;

- процессы в газовых полостях ввиду кратковременности адиабатические;

- воздух в полостях - идеальный газ;

- жидкость несжимаема;

- во всех точках объема пусковой трубы давление жидкости одинаково.

Динамика изменения состояния газа в демпфирующей полости ГДС для адиабатного процесса определяется следующими уравнениями.

Изменение объема Кв воздушной подушки стенда:

¿К

= (1)

где !>па - скорость ПА, м/с;

/а\ - площадь поперечного сечения аппарата,

о13 - скорость воды в кольцевом зазоре обтюрации ТПК, м/с;

/а - площадь поперечного сечения кольцевого зазора, м2.

Начальный объем Увд воздушной полости зависит от ее конструктивных особенностей. Для снижения себестоимости стенда основной объем воздушной полости может быть увеличен путем включения в него стандартного баллона, выпускаемого промышленностью. В работе для иллюстрационных расчетов условно принято, что такой баллон может иметь объем 0,08 м3 и Кб2 = 0,14 м3. Для базового объема воздушной полости 0,04 м3 К,о был принят равным соответственно Ум - 0,12 м3 и КвИ = 0,18 м3.

Текущее давление Р„ в воздушной полости:

(2)

где Рцо - начальное (установочное) давление в воздушной полости, Па;

к= 1,41 - показатель адиабаты.

Дчя рассматриваемого случая сила треиия (№)) о направляющие дорожки, расположенные внутри камеры ГДС, принималась постоянной после подхода изделия к направляющему аппарату стенда:

М5?Р1Т>0о1з &

[50, при/ПЛ >0,13.

Существенной проблемой при создании гидродинамических стендов является торможение выпущенного из ПУ аппарата. В работе предлагается оригинальная конструктивная схема тормозного устройства, обеспечивающего торможение и остановку движущегося с большой скоростью ПА, корпус которого имеет калиброванную часть; также предложена методика обоснования гидродинамических характеристик устройства.

Схема тормозного устройства приведена на рис. 3 (/ - тормозная труба: 2 - передний упор; 3 - задний упор; 4 - крышка; 5 - ПА - плунжер; 6 - первое кольцо обтюрации; 7 - второе кольцо обтюрации; 8 - дросселирующие отверстия; 9 - распорные втулки; 10 - противоударный амортизатор) [6].

устройства ГДС

Рассматриваемое тормозное устройство использует движущийся ПА как плунжер и содержит тормозную трубу 1 с передним 2 и задним 3 упорными элементами. Передний элемент 2 имеет входное для плунжера отверстие диаметром db а задний упорный элемент 3 фиксирует герметичную крышку 4, между которой и упорным элементом 2 установлены с помощью распорных втулок 9 сменные обтюрирующие кольца б и 7.

Особенностью предлагаемой конструкции является то, что в первом обтюрирующем кольце 6 выполнены отверстие диаметром йг с заходиой фаской и по торцу сквозные дросселирующие отверстия (количеством И|) диаметром dt.

Второе кольцо 7 имеет проходное для плунжера отзерстие диаметром ¿Л. Для расчета было принято, что в тормозной трубе (ТТ) установлены только два кольца обтюрации, а ПА-плунжер 5 имеет калиброванную часть диаметром ¿па (поперечное сечение /па), длина которой больше длины ТТ, и сферическую головку радиусом г.

При вхождении по инерции с начальной скоростью ц-iao плунжера массой тл в тормозную трубу в замыкаемой жидкости возникает тормозящее изделие давление РТТ, избыточное по отношению к внешнему Рь (давление внутри ГДС, которое к моменту подхода ПА к тормозному устройству будет постоянным, т.к. поршень ТПК уже остановится и движение жидкости через обтюрацию ТПК прекратится), вследствие чего вытесняемая плунжером жидкость будет дросселироваться через сечения в обтюрации, дросселирующие отверстия </т и кольцевой зазор между передним упорным элементом 2 и аппаратом 5.

В качестве базового ПА для примера был принят макет ПА массой 20 кг, имеющий калиброванный корпус диаметром 127 мм.

Ниже представлены основные аналитические соотношения.

Уравнение движения ПА может быть записано в виде:

Дипл я ,2

где ускорение ПА, м/с ;

«гПА- масса ПА, кг;

тж- приведенная масса вовлекаемой в движение жидкости (воды), кг;

1\ - усилие торможения, Н;

Ягд - гидродинамическое сопротивление движению ПА, Н.

Уравнение неразрывности потока жидкости в кольцевых сечениях тормозной трубы, представлено в виде:

"¡/1 = »па/ИЛ, (5)

где V,- - скорость воды в )-м сечении трубы, м/с; - площадь ¡-го сечения, м";

/п\— площадь поперечного сечения ПА, м2.

С учетом уравнения (5) скорость воды в любом ссчснии водовода выразится как

(6)

Продифференцировав выражение (6), получим:

с!1 / <Й ^ '

Уравнение Бернулли для неустановившегося потока жидкости между сечениями/г передней части ПА и входным отверстием тормозной трубы:

+ + р^^, (8)

где и Ьх - соответственно приведенные к сечению /па суммарные коэффициенты гидравлического сопротивления водовода движущейся воды и его длины.

Подставив в уравнение (8) уравнения движения (4) и неразрывности (7), после алгебраических преобразований получим давление РТг в тормозном устройстве:

1

р4

1 + Wu-/H)

f V

/па 1 !

A-fr

Kmnh+m-){MNn +МТ2 +f,2P12 +f2iP23 +NU (9)

где = const, NT2 — const - сила трения в кольцах б и 7 обтюрации

соответственно;

Р\2, Р2ъ - возникающие соответственно пройденному пути /па аппарата в кольцевых зазорах давления Р|_2 между входным отверстием и первым кольцом 6 обтюрации и Рг-ъ между первым и вторым кольцом обтюрации; hk,fr,f\2jn,jbh-Функции пройденного аппаратом пути /ПА На рис. 4 приведен график процесса торможения движущегося ПА с начальной (перед входом в тормозное устройство) скоростью 40 м/с.

Рис. 4. Зависимость скорости ПА от времени торможения при ее начальном значении 40 м/с

Расчетные величины времени торможения и пройденного аппаратом пути до полной его остановки в зависимости от его начальной скорости приведены в табл. 2.

_ _ Таблица 2

Начальная скорость аппарата, м/с Время торможения аппарата, с Путь, пройденный аппаратом до полной остановки, м

50 0,041 0,3706

40 0,037 0,3704

30 0,035 0.3701

20 0,044 0,3698

15 0,052 0,3697

10 0,071 0,3693

Анализ расчетных значений времени торможения и пройденного 11А пути до полной его остановки в зависимости от его начальной скорости (см. таол. 2) позволяет сделать вывод, что предложенное тормозное устройство может эффективно использоваться для регулируемой остановки подводных аппаратов, имеющих начальную скорость до 50 м/с включительно и, таким образом, может быть успешно применено в ГДС.

В четвертой главе рассматривается влияние ГДС на работу исследуемого

ПУ.

Для учета влияния стенда на работу ПУ было введено понятие коэффициента соответствия 6 условий в ГДС натурным условиям. Дпя оценки

коэффициента соответствия ГДС находилось начальное давление Ре0 в имитационной полости стенда, соответствующее гидростатическому давлению Ph на исследуемой глубине h, при котором расчетная выходная скорость овых аппарата, полученная в условиях ГДС, соответствовала бы расчетной выходной скорости в натурных условиях. При условии, что

Р«о = oPi,, (10)

оценка 6 выполнялась путем итерационного расчетного подбора Рг0 для фиксированных глубин h (15, 100,150,200,250 и 300 м).

Итерационные расчеты проводились до получения значений иьш, соответствующих натурным условиям с расхождением Л не более 2 %. Расчетные значения б показаны на рис. 5 точками. Так как пользоваться дискретными зависимостями при отработке пусковых устройств 1IA затруднительно, полученные расчетные фиксированные значения 5 были аппроксимированы квадратичными функциями (для Ува - 0,12 м3- кривая 1; для УЛ2 — 0,18 м3 - кривая 2).

Проверка обоснованности такой аппроксимации значений 6 была выполнена путем расчетного сопоставления ожидаемых значений ирых на стенде с расчетными значениями выходной скорости в натурных условиях, приведенного в табл. 3.

Л. м

Рис. 5. Коэффициенты соответствия ГДС

Анализ данных табл. 3 показывает, что введение аппроксимированных значений коэффициента 5ш1л соответствия позволяет проводить наладочные испытания с получением фиксированной выходной скорости о„ь1Х, близкой к натурным условиям (максимальное расхождение Д между значениями выходной скорости ПА в натурных условиях и в условиях ГДС при

К,о1 = 0,12 м3 не более 3,4 %). При увеличении габаритных характеристик ГДС соответствие натурным условиям улучшается.

Л, м К», м ^апп Л,« Па «вы.™ м/с А, %

15 0,12 0,976 2,44-105 28,99 -1,2

100 0,12 0,887 9,98-105 27,92 -3,6

150 0,12 0,850 13,60-105 27,73 -2,6

200 0,12 0,817 17,16-Ю5 26,67 -0,6

250 0,12 0,816 21,22-105 24,25 + 0,6

300 0,12 0,808 25,05-105 21,43 + 3,4

15 0,18 0,982 2,46-105 29,11 - 0,8

100 0,18 0,938 10,32-105 28,12 -2,9

150 0,18 0,916 14,66-105 27,88 -2,1

200 0,18 0,896 18,82-Ю5 26,62 -0,8

250 0,18 0,888 23,09-105 24,00 -0,4

300 0,18 0,881 27,31-Ю5 20,88 + 0,8

Пятая глава посвящена методам повышения качества соответствия результатов стендовых испытаний полигонным. Описана оригинальная конструкция системы поддержания постоянного давления в воздушной демпфирующей полости ГДС, приведена математическая модель работы ГДС, оборудованного подобной системой. Описаны результаты проведенной с помощью теории математического планирования эксперимента оптимизации конструктивных параметров выпускного клапана вышеупомянутой системы. Даны рекомендации по проектированию ГДС, оснащенных системами поддержания постоянного давления.

Обеспечение постоянства гидростатического давления в резервуаре-имитаторе ГДС во время выхода ПА возможно за счет поддержания постоянного давления в воздушной подушке с помощью специальной системы [8], упрощенная схема основного элемента которой показана на рис. 6 (1 - резервуар ГДС; 2 - выпускной клапан; 3 - управляющая полость клапана; 4 - разгрузочная пружина; 5 - возвратная пружина; 6 - воздушная полость ГДС; с1х - диаметр проходного сечения клапана).

Надлежащая работа выпускного клапана 2, разгруженного противодавлением в полости 3, равным по величине установочному начальному давлению в резервуаре 1 стенда, во многом определяется проходным сечением клапана и соотношением жссткостей его разгрузочной 4 и возвратной 5 пружин.

Методика расчетного проектирования такого выпускного клапана с оптимизацией его технических характеристик основана на математическом описании работы воздушного ПУ и процесса сброса воздуха из воздушной подушки б стенда.

Рис. 6. Выпускной клапан системы поддержания постоянства давления в воздушной полости ГДС

Динамика изменения состояния газа в демпфирующей воздушной полости ГДС для адиабатического процесса и расхода из нее рабочего тела через выпускной клапан определяется следующими уравнениями.

Изменение объема VB воздушной полости:

(11)

где fn - площадь поперечного сечения поршня ПУ, м2; ип - скорость поршня ПУ, м/с; /к - площадь проходного сечения клапана, м2; vK - скорость открытия/закрытия клапана, м/с. Изменение давления Рв в воздушной полости:

Л vX' Л К1° а У у '

dMx

где —-ь - расход воздуха через клапан; dt

R - универсальная газовая постоянная, Дж/(кг-К); Г„- температура в демпфирующей воздушной полости, К. Расход воздуха через выпускной клапан:

где цк - коэффициент расхода; cl. - диаметр клапана, м;

у - перемещение клапана, м;

<7 - функция расхода воздуха. Ускорение открытия/закрытия клапана:

где тк - масса клапана, кг;

Р10, Р2д - установочное усилие возвратной и разгрузочной пружины клапана соответственно, Н;

Си С2 - соответственно, жесткость возвратной и разгрузочной пружины, Н/м;

В качестве теоретической основы для методики оптимизации характеристик клапана был принят метод Бокса-Уилсона (метод «крутого восхождения»), позволяющий на основе малого количества опытов построение математической модели процесса с последующим целенаправленным приближением к искомому оптимуму в направлении наискорейшего подъема или спуска.

В качестве параметра оптимизации процесса работы ПУ была выбрана дисперсия расчетных значений выходной скорости ПА в условиях ГДС с системой поддержания постоянного давления относительно расчетных значений выходной скорости ПА в свободной воде во всем рассматриваемом диапазоне глубин. Целью проводимых исследований было получение минимального параметра оптимизации. Для каждого эксперимента параметр оптимизации определялся по формуле:

где у - индекс номера эксперимента;

р - индекс номера реализации процесса в рамках одного эксперимента; п - количество реализаций процесса в рамках одного эксперимента; %св - расчетная выходная скорость ПА в свободной воде, подученная в результате одной реализации процесса в рамках одного эксперимента, м/с; %гдс - расчетная выходная скорость ПА в условиях стенда, полученная в результате одной реализации процесса в рамках одного эксперимента, м/с.

В качестве факторов, влияющих на работу ГДС с системой поддержания постоянного давления, были приняты:

- диаметр выпускного клапана;

- установочное усилие возвратной пружины 5 (см. рис. 6) клапана;

(15)

п

(16)

- коэффициент а соотношения между жесткостями возвратной 5 и разгрузочной 4 пружин выпускного клапана.

При этом от диаметра клапана зависели масса тк клапана и сила Л',г, трения в нем, а установочное усилие разгрузочной пружины 4 клапана выбиралось таким образом, чтобы баланс сил, действующих на клапан, перед началом работы ПУ был близок к нулю. С помощью предварительного поискового моделирования была определена рациональная точка центра плана, что позволило назначить интервалы варьирования факторов и составить матрицу полного факторного эксперимента типа 2*.

Основные уровни и интервалы варьирования факторов приведены в табл.4.

Таблица 4

Факторы Кодовое обозначе- Интервалы варьиро- Натуральные урозни факторов

ние вания Верхний Базовый Нижний

(+) (0) (■■)

е/к, мм х. 10 120 110 100

Яо. Н Хг 6 14 10 6

а Л'з 5 15 10 5

На основании составленного плана матрицы планирования эксперимента было проведено 8 расчетных экспериментов, в рамках каждого из которых моделировалась работа ПУ во всем диапазоне глубин пуска ПА от 15 до 300 метров включительно.

Полный план матрицы планирования эксперимента приведен в табл. 5.

Таблица 5

№ опыта Значения факторов в кодовых обозначениях Комбинация произведений факторов в кодовых обозначениях Значения параметра оптимизации

Хо \ Ху | Х2 V ■лз Х\Х2 1 ХгХз 1 х^х! у , !

1 + ! + + + + + ; + + 0,428

2 + ! - - + + 1 + 0,194

3 + ! + - + - + 1 - - 0,472

4 + ! - + - - + - 0,179

5 + 1 + + - + - 0,459

6 + - + J + + - 0,199

7 + -г - - - + 0,460

8 + + - - 1 + 1 - + | 0,206

Полученное в результате обработки данных расчетных экспериментов уравнение регрессии имело следующий вид:

Г =0,325 +0,¡3х1-0,00тх2-0,00бх)-0,00ах1хг + 0:002Х1Х3-0.М&ХгХ,-0,<Х13Х1Х3Х3 . (17)

Дальнейшая обработка полученных данных позволила принять для последующих расчетов уравнение регрессии в виде:

г=0,325+0,131', - О,со7ДГ2 - 0,006^ - о.ооы^х,

Анализ полученного выражения показывает, что важнейшим фактором, влияющим на качество работы стравливающего клапана, является диаметр его проходного сечения (коэффициент 6,). Определенный вклад имеют также остальные два фактора - установочное усилие возвратной пружины клапана и соотношение между жесткостями его разгрузочной и возвратной пружин - и их взаимовлияние. При этом для улучшения работы системы диаметр клапана должен уменьшаться, а установочное усилие и соотношение жесткостей -увеличиваться.

Движение от точки центра плана по направлению к области рационального сочетания факторов совершалось с изменением факторов пропорционально коэффициентам нового уравнения регрессии. При этом факторы изменялись согласно значениям, приведенным в табл. 6.

Тиблшш 6

V Ла опыта <4, мм н а ¥

1 1 130 60 12,5 0,240

2 120 70 15,0 0,179

3 110 80 17,5 0,093

1

с; В •< /

— 1 —' £ \ ч

\

1 ! 1 У * \

1 1 1 \

! \ *

1 1 1 N 1

1 1 \ 1

1 ! 1

50

200

250

100 150

А, м

Рис. 7. Результат расчетной оптимизации характеристик клапана

зоо

Результаты оптимизации характеристик клапана приведены на рис. 7. (кривая 1 - выходная скорость ПА в свободной воде; 2,3 - выходная скорость ПА в условиях ГДС с системой поддержания давления; 2 — центр плана полного факторного эксперимента; 3 - результат оптимизации параметров клапана).

Данные, приведенные в табл. 6 и на рис. 7, показывают, что использование методики планирования эксперимента позволило оценить значимость влияния на процесс работы выпускного клапана различных факторов и подобрать их соотношение, с использованием которого удалось улучшить значение параметра оптимизации процесса более чем в три раза по сравнению с эмпирически подобранным.

В заключении приведены основные полученные в работе результаты.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны методические рекомендации по проектированшо ГДС для стендовых испытаний ПУ подводных аппаратов, на базе которых предложены 2 оригинальные конструктивные схемы ГДС.

3. Разработаны математические модели функционирования основных узлов ГДС и создано программное обеспечение расчетного моделирования физических процессов для различных конструктивных исполнений ГДС, обеспечивающее реализацию системного подхода к проектированию ГДС с минимальными массогабаритными характеристиками.

4. Исследованы основные аспекты взаимного влияния элементов ГДС и ПУ и предложены варианты управления этим влиянием нри испытаниях ГГУ в большом диапазоне гидростатического противодавления с помощью коэффициента соответствия стенда.

5. Разработана конструкция и предложена методика оценки рабочих характеристик оригинального тормозного устройства ГДС, обеспечивающего торможение и остановку ПА в большом диапазоне начальных скоростей его движения.

6. Разработана и конструктивно оформлена оригинальная система автоматического регулирования давления в воздушной демпфирующей полости ГДС; разработана математическая модель ее функционирования в виде системы ПУ - ГДС - выпускной клапан.

7. С использованием элементов теории математического планирования эксперимента предложена и апробирована методика аналитического выбора оптимального сочетания конструктивных параметров выпускного клапана системы автоматического регулирования давления в демпфирующей полости ГДС, обеспечивающего высокую степень соответствия стендовых характеристик работы системы пуска Г1А расчетным характеристикам в условиях открытой воды. Аналитически доказана эффективность данной методики применительно к ГДС для испытаний ПУ НПА.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

В изданиях, рецензируемых ВАК

1. Валетов В.А., Красилышков A.B. Технологическая оснастка для отработки пусковых устройств малогабаритных необитаемых подводных аппаратов //Известия вузов. Приборостроение. 2010, т. 53, № 8. - с. 50-55.

2. Красмъников A.B. Проблемы создания средств освоения континентального шельфа мирового океана // Известия вузов. Приборостроение. 2010, т. 53, № 8. - с. 47-50.

3. Красилышков A.B. Проектная оптимизация технических характеристик выпускного клапана системы поддержания постоянства давления в резервуаре-имитаторе глубины // Подводное морское оружие. Науч.-технич. сб. 2010, Вып.15. - с. 14—21.

4. Валетов В.А., Красилышков A.B. Имитация гидростатического давления при комплексных испытаниях пусковых устройств автономных необитаемых подводных аппаратов в цеховых условиях // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2010, № 5 (69). - с. 75-80.

Прочие публикации:

5. Патент РФ № 2398199. Гидродинамический стенд / О.И. Ефимов, A.B. Красгшьников, Р.В. Красилышков, 2010.

6. Патент РФ № 87510. Устройство торможения движущегося в жидкости тела. Полезная модель / О.И. Ефимов, A.B. Красилышков, Р.В. Красилышков, 2009.

7. Патент РФ № 87511. Транспортно-пусковой контейнер подводного аппарата. Полезная модель / О.И. Ефимов, A.B. Красильмиков, Р.В. Красилышков, 2009.

8. Заявка на изобретение № 2010100766. Система поддержания постоянного давления в резервуаре / О.И. Ефимов, A.B. Красильников, Р.В. Красильников, В.А. Валетов, 2010.

9. Патент РФ № 97506. Устройство для выпуска подводных аппаратов. Полезная модель / О.И. Ефимов, A.B. Красильников, Р.В. Красилышков, ЕЛ. Красильников, П А. Хорьков, 2010.

10. Заявка на изобретение № 2010123315. Универсальный гидродинамический стенд / О.И. Ефимов, A.B. Красильников, Р.В. Красильников, 2010.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении

«Университетские телекоммуникации»

197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14

Тел. (812) 233 4669

Корректор Позднякова Л.Г.

Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз.

Список сокращений, используемых в работе

Введение

1. Объект и постановка задачи исследования

1.1. Малогабаритные необитаемые подводные аппараты, особенности их применения и эксплуатационные требования к ним

1.2. Пусковые установки

1.3. Возможности интеграции пусковых устройств в корабельные системы

1.4. Гидродинамические стенды

1.5. Постановка задачи исследования

2. Конструктивные схемы аппаратуры для оценки работоспособности и испытаний пусковых устройств подводных аппаратов

2.1. Конструктивная схема ПУ для ПА

2.2. Конструкции специализированных ГДС для отработки ПУ ПА

3. Проектирование гидродинамических стендов

3.1. Основные факторы, учитываемые при проектировании ГДС

3.2. Расчетная схема ГДС. Допущения и ограничения

3.3. Общие математические соотношения, описывающие физические явления, происходящие при работе ГДС

3.4. Торможение изделия, движущегося в рабочей среде ГДС

3.5. Методические рекомендации к проектированию ГДС

3.6. Методические рекомендации к организации экспериментальных исследований на ГДС

3.7. Первоочередные мероприятия по созданию ГДС

4. Влияние стенда на работу исследуемого ПУ

4.1. Факторы, влияющие на' формирование характеристик процесса пуска подводного аппарата

4.2. Понятие коэффициента соответствия ГДС

5. Методы снижения влияния стенда на работу ПУ

5.1. Способы уменьшения влияния ГДС на работу ПУ

5.2. Конструктивное оформление ГДС, оснащенного системой регулирования давления

5.3. Математическое описание работы ГДС с системой регулирования давления

5.4. Расчетная оптимизация характеристик выпускного клапана системы регулирования давления

Качество любых изделий в. самом широком смысле этого понятия в, огромной степени зависит от уровня технологической подготовки производства. К этой многогранной проблеме, являясь ее важнейшей составляющей, относится проектирование и изготовление технологического оснащения. При этом особая роль отведена созданию исследовательских и испытательных стендов, без которых создание изделий, работающих в особо сложных условиях, часто оказывается невыполнимой задачей.

К категории таких изделий с полным основанием относятся подводные роботы (ПР), а также их пусковые системы, обеспечивающие хранение и безаварийное отделение первых от различных носителей. Для опытной отработки подобных систем и оптимизации их характеристик используются специализированные исследовательские гидродинамические стенды (ГДС). Гидродинамика - наука, в которой без экспериментальных исследований невозможно обойтись при решении многих как теоретических, так и практических задач.

В настоящее в технике имеют место два направления:

- создание ограниченного количества высокоэффективных, но дорогих систем;

- разработка значительного количества менее эффективных, но недорогих образцов техники [1], [2].

В рамках второго пути развития подводных технологий сегодня активно развивается качественно новое направление — самоходные автономные4 необитаемые подводные аппараты (САНПА), в том' числе миниатюрные (калибром до 10 дюймов) различного назначения [2].

Диапазон использования таких подводных аппаратов (ПА) чрезвычайно широк — от разведки и очистки от различных загрязнений гигантских площадей прибрежных шельфов до всегда актуальных задач военно-промышленного комплекса (ВПК).

О больших перспективах использования малогабаритных ПА как в мирных, так и в целях ВПК свидетельствуют многомиллиардные вложения в эту отрасль в странах Запада и уже реализованное крупносерийное их производство*[32]; [45].

Примером подобных технических решений могут служить малогабаритные аппараты разового применения, используемые в военных целях, сформированные как необитаемые подводные аппараты (НПА), имеющие калиброванный корпус.

НПА с минимальными массо-габаритными характеристиками на стадии серийного производства нескольких модификаций имеют низкую себестоимость. При этом миниизделия (в дальнейшем под изделиями будем понимать НПА различного назначения) во многих случаях дают возможность решать поставленные задачи самостоятельно с экономией дорогостоящих образцов НПА больших калибров.

В нашей стране в последние годы также активизируется работа по созданию подобных аппаратов. В частности, к настоящему моменту большой вклад в их развитие и популяризацию в научной среде внесли Котов A.C., Соболев И.И., Кыбальный М.В., Илларионов Г.Ю., Сиденко К.С., Сидоренков В.В. и многие другие.

Использование НПА требует специализированных пусковых устройств (ПУ). В последнее время особую актуальность приобрели работы по созданию транспортно-пусковых контейнеров (TJ.1K) забортного расположения. Такие контейнеры обеспечивают хранение приготовленного к использованию изделия, а также его динамический выпуск с безопасной скоростью отделения от носителя за счет работы автономной энергосистемы. Большой вклад в теорию подводных пусковых систем" и прикладной пневмо-гидроавтоматики внесли Е.П. Шафранский, Ю.П. Еловских, Г.В. Цывкин, И.А. Лежнев, О.И. Ефимов и многие другие.

Актуальность проблемы

Описываемые технические решения составляют новый вид подводных комплексов, включающих подводные роботы и их пусковые: системы, и поэтому важнейшее значение при их проектировании и внедрении в производство имеют вопросы всесторонних испытаний ТПК, отработки их опытных образцов для последующего серийного изготовления. Многие из этих задач до сих пор требуют как теоретического обоснования, так и его экспериментальной проверки.

На сегодняшний день в мире (в том числе, и в России) отсутствуют публикации, отражающие опыт отработки и испытаний новых образцов имеющих калиброванную часть подводных аппаратов, а также их пусковых систем. Практически все зарубежные фирмы, широко рекламируя достижения в области подводных технологий, в том числе раскрывая тактико-технические характеристики (ТТХ) НПА, тщательно скрывают секреты технологий их создания и отработки, состав и устройство технологического обеспечения заявляемых показателей изделий.

Отработка . перспективной морской техники в натурных условиях действующих подводных и надводных кораблей (НК) неизбежно приводит к значительным временным и финансовым затратам. Кроме того, своевременное планирование проводимых исследований затруднено из-за постоянно изменяющихся внешних факторов. [34].

Например, из опыта создания традиционных пусковых устройств известно, что для осуществления наладочных работ и доказательства работоспособности таких ПУ, а также их ресурсных испытаний, как правило, требуется 1500-2000 циклов технологических срабатываний создаваемого нового образца техники.

Поэтому создание специализированных испытательных стендов, позволяющих многократно имитировать работу проектируемого устройства в воспроизводимых условиях, максимально приближенных к естественным, является одной из наиболее сложных и актуальных задач при решении вышеупомянутых проблем [8].

Цель работы и задачи,исследования

Целью диссертационной работы является разработка методик и программного обеспечения проектирования гидродинамических стендов (ГДС) и их конструктивных элементов, предназначенных для исследований и испытаний пусковых устройств ПА в большом диапазоне глубин их пуска.

Основные направления и задачи исследования определяются комплексным характером технологического обеспечения поставленной проблемы, что потребовало:

- разработки унифицированной конструктивной схемы ГДС;

- математического описания физических явлений, протекающих в ГДС во время испытаний, с оценкой их влияния на работу ТПК;

- разработки методики прогнозирования характеристик работы ПУ ПА при его отработке на ГДС;

- теоретического исследования процессов в ГДС и в оригинальных конструкциях их элементов;

- разработки методики обоснования конструктивных характеристик выпускного клапана системы подержания постоянного давления в резервуаре-имитаторе ГДС;

- разработки методики оценки рабочих характеристик тормозного устройства (ТУ) ГДС.

Общая методика исследования

Общая методика исследования — расчетно-аналитическая, с экспериментальным подтверждением зависимостей, используемых при описании» динамических процессов. Разработка математической модели функционирования ГДС основана на применении уравнений газо- и гидродинамики ([30], [36], [9]), а также обоснования и оптимизации контролируемых параметров технологических процессов. Эти приложения важнейших физических законов хорошо зарекомендовали себя в практике проектирования и опытной отработки специфических изделий морской техники, т.е: расчетные методики, разработанные в настоящей диссертации, опираются ■ на большой опыт экспериментальных исследований с использованием существующей технологической базы подводного аппаратостроения: Так, при настройке вновь создаваемых комплексов ПА для приближения* опытных результатов контроля их технических характеристик в условиях ГДС к показателям, наблюдаемым в натурных условиях, используется специальный критерий соответствия.

Отличительной особенностью разработанной автором математической модели работы тормозного устройства ГДС является учет его высокой динамичности, т.к. суммарное время торможения изделия составляет от 0,03 до ОД с.

Быстротечность процессов пуска малогабаритных ПА из ТПК (общее время процесса составляет от 0,15 до 0,4 с) обусловила необходимость экспериментального исследования устройства поддержания постоянного давления в демпфирующей полости ГДС, характеризующегося повышенными требованиями к точности работы и чувствительности реагирования на изменение давления.

При исследовании работы быстродействующих пневмоэлементов используется опыт реального проектирования автоматически управляемых клапанов импульсных пневмосистем.

Научная новизна

Научная новизна диссертации заключается в следующем: разработаны новые методики проектирования ГДС и их составляющих элементов; разработаны оригинальные, защищенные Патентами РФ, конструкции ГДС и входящих в их состав устройств;. разработано математическое описание работы различных вариантов ГДС и торможения ПА в тормозном устройстве ГДС; разработаны методики и программное обеспечение, позволившие оценить влияние ГДС на работу диагностируемого ПУ; предложена и доведена

10 • до счисленного примера методика оптимизации конструктивно-технологических характеристик, выпускного • клапана системы поддержания давления в полости-имитаторе где.

Практическая ценность, результатов работы

Разработанные в диссертации; методики используются при разработке реальных образцов аппаратуры, предназначенной для технической диагностики и прогнозирования работоспособности вновь создаваемых ПУ подводных аппаратов.

Создание специализированных ГДС для отработки ПУ перспективных подводных аппаратов позволит существенно сократить финансовые и временные затраты, необходимые для запуска в производство новых образцов малогабаритной морской техники.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных в диссертации результатов подтверждается использованием при составлении математического описания процессов функционирования ГДС и их элементов неоднократно экспериментально подтвержденных методик и зависимостей, хорошо зарекомендовавших себя при проектировании действующих образцов подводной морской техники.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Результаты теоретических исследований и методика проектирования гидродинамических стендов для испытания быстродействующих пусковых устройств подводных аппаратов.

2. Математические модели физических процессов, сопровождающих работу исследуемого ПУ в условиях различных вариантов ГДС, и их программное обеспечение.

3: Методика оценки коэффициента соответствия стенда ш его представление в виде непрерывной функции от заданной; глубины испытаний.

4. Методика расчетной оптимизации конструктивных характеристик устройства поддержания постоянного давления в демпфирующей полости ГДС.

5. Методика оценки рабочих характеристик тормозного устройства ГДС.

Внедрение результатов работы

Основные результаты работы использованы в исследованиях, проводимых ОАО «Концерн „Морское подводное оружие-Гидроприбор"», ЦКБ МТ «Рубин» и включены в план дальнейших исследований НОЦ 1 НИУ ИТМО.

Апробация работы

Отдельные положения диссертации докладывались и обсуждались на общеакадемическом научном семинаре «Системный анализ при создании кораблей, вооружения и военной техники», Санкт-Петербург, BMA им. Н.Г.Кузнецова, 2009 г., на XXXIX научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, 2010 г, VII Конференции молодых ученых, СПбГУ ИТМО, 2010 г.

Общая структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, трех приложений и содержит 136 страниц, в том числе 44 рисунка, 107 формул, 13 таблиц и список использованной литературы, включающий 53 источника на 6 страницах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам данной диссертационной работы сделаны следующие выводы:

1. Решение актуальной задачи освоения шельфа Мирового океана, в т.ч. Арктического шельфа России в настоящее время наиболее рационально с использованием подводных аппаратов различного назначения [31], [42], экономически и технологически приемлемое производство которых требует создания методик и аппаратуры для их отработки, испытаний и серийного выпуска.

2. В диссертации представлены разработанные методические рекомендации по проектированию ГДС для стендовых испытаний ПУ НПА, на базе которых предложены 2 оригинальные конструктивные схемы ГДС.

3. Разработаны математические модели функционирования основных узлов ГДС и создано программное обеспечение расчетного моделирования физических процессов для различных конструктивных исполнений ГДС, обеспечивающее реализацию системного подхода к проектированию ГДС с минимальными массогабаритными характеристиками.

4. Исследованы основные аспекты взаимного влияния элементов ГДС и ПУ и предложены варианты управления этим влиянием при испытаниях ПУ в большом диапазоне гидростатического противодавления с помощью коэффициента соответствия стенда.

5. Разработана конструкция и предложена методика оценки рабочих характеристик оригинального тормозного устройства ГДС, обеспечивающего торможение и остановку ПА в большом диапазоне начальных скоростей его движения.

6. Разработана и конструктивно оформлена оригинальная система автоматического регулирования давления в воздушной демпфирующей полости ГДС; разработана математическая модель ее функционирования в виде системы ПУ — ГДС - выпускной клапан.

7. С использованием элементов теории математического планирования эксперимента предложена и апробирована методика аналитического выбора оптимального сочетания конструктивных параметров выпускного клапана системы автоматического регулирования давления в демпфирующей полости ГДС, обеспечивающего высокую степень соответствия стендовых характеристик работы системы пуска ПА расчетным характеристикам в условиях открытой воды. Аналитически доказана эффективность данной методики применительно к ГДС для испытаний ПУ НПА.

Таким образом, представленные в диссертации технологические решения позволяют существенно сократить, а в будущем, при испытаниях серийных образцов техники, возможно, вообще исключить необходимость проведения очень дорогостоящих и трудоемких натурных испытаний пусковых устройств подводных аппаратов.

1. Алиев Ш.Г., Боженов ЮЛ., Борисенко К.П., Кузъмицкий М.А. Торпедное оружие. Т. 1-3 . М.: Наука, 2002.

2. Алиев Ш.Г., Боженов Ю.А., Борисенко К.П., Гизитдинова М.Р., Кузъмицкий М.А. Торпедное оружие. Т.4-6. М.: Наука, 2005.

3. Антонов A.B., Ефимов О.И., Кормилицин Ю.Н., Красильников Е.П., Юрин В.Ф. Транспортно-пусковой контейнер. Патент РФ № 2343391, 2006.

4. Беленькое А.Ф. Геолого-разведочные работы. Основы технологии, экономики, организации и рационального природоиспользования: Учебное пособие / А.Ф. Беленьков Ростов н/Д.: Феникс; Новосибирск.: Сибирское соглашение, 2006.

5. Бочаров А.Ю. Современные тенденции в развитии миниатюрных подводных аппаратов и роботов за рубежом // Подводные исследования и робототехника. №2, 2006

6. Бюшгенс Г.С., Бедржицкий E.JI. ЦАГИ— центр авиационной науки. -М.: Наука, 1993.

7. Валетов В.А., Красильников A.B. Технологическая оснастка для отработки пусковых устройств малогабаритных необитаемых подводных аппаратов // Известия вузов. Приборостроение. 2010, т. 53, №8.

8. Валетов В.А., Красильников A.B. Имитация гидростатического давления при комплексных испытаниях пусковых устройств автономных необитаемых подводных аппаратов в цеховых условиях // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2010, № 5 (69).

9. Войткунский Я.И., Фаддеев Ю.И., Федяевский К.К. Гидромеханика. -JL: «Судостроение», 1968.

10. Горский В.Г., Адлер Ю.П. Планирование промышленных экспериментов. -М.: «Металлургия», 1974.

11. ГОСТ 16504-81 «Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные понятия». — М.: Издательство стандартов, 1981.

12. ГОСТ 19.301-79 «ЕСПД. Программа и методика испытаний. Требования к содержанию и оформлению». — М.: Издательство стандартов, 1981.

13. ГОСТ РВ 15.211-2001 «Система разработки и постановки продукции на производство. Военная техника. Порядок разработки программ и методик испытаний опытных образцов изделий. Основные положения». М.: Госстандарт России, 2001.

14. ГОСТ 24026-80. Исследовательские испытания. Планирование эксперимента. Термины и определения. Официальное издание. М.: Издательство стандартов, 1980.

15. Ефимов О.И., Красилъников A.B., Красшъников Р.В. Гидродинамический стенд. Патент РФ № 2398199, 2010.

16. Ефимов О.И., Красшъников A.B., Красилъников Р.В. Комплекс для подводно — технических работ на шельфе. Ж-л «Оборонный заказ», специальный выпуск № 19. — СПб.: 2008.

17. Ефимов О.И., Красшъников A.B., Красшъников Р.В. Способ установки комплекса для подводно-технических работ на дно акватории и его демонтажа, и комплекс для подводно-технических работ. Патент РФ № 2355598, 2009.

18. Ефимов О.И., Красшъников A.B., Красилъников Р.В. Транспортно-пусковой контейнер подводного аппарата. Полезная модель. Патент РФ №87511, 2009.

19. Ефимов О.И., Красшъников A.B., Красшъников Р.В. Универсальный гидродинамический стенд. Заявка на изобретение № 2010123315, 2010.

20. Ефимов О.И., Красилъников A.B., Красшъников Р.В., Красшъников E.H., Хорьков П.А. Устройство для выпуска подводных аппаратов. Полезная модель Патент РФ № 97506, 2010.

21. Ефимов О.И., Красилъников A.B., Красилъников Р.В. Устройство торможения движущегося в жидкости тела. Полезная модель. Патент РФ №87510, 2009.

22. Ефимов О.И., Красилъников A.B., Красилъников Р.В., Валетов В.А: Система поддержания постоянного давления в резервуаре. Заявка на изобретение № 2010100766, 2010.

23. Ефимов О.И., Красилъников Е.П., Шаеырин И.А., Юрии В.Ф. Забортные модули вооружения подводных лодок: возможные решения. Журнал «Оборонный заказ». Специальный выпуск №18. СПб.: «Морская газета», 2008.

24. Ефимов О.И., Красилъников Е.П., Юрин В. Ф. Создание миниоружия для подводных лодок. Журнал «Оборонный заказ». Специальный выпуск №17. СПб.: «Морская газета», 2007.

25. Золотухина JI.A. Введение в регрессионный анализ: Учеб. пособие. СПб.: Изд. центр СПбГМТУ, 2002.

26. Зубарев Ю.М., Нечаев КН., Катенев В.И., Ревин H.H. Применение многофакторных экспериментов второго порядка в технологии машиностроения: Учеб. пособие. — СПб.: Изд-во ПИМаш, 2002 г.

27. Зубарев Ю.М., Нечаев КН., Катенев В.И., Шишов Г.А. Применение методов теории планирования многофакторных экспериментов в технологии машиностроения: Учеб. пособие. — СПб.: ПИМаш, 2000.

28. Качество продукции, испытания, сертификация. Терминология: Справочное пособие. — Вып. 4. — М.: Издательство стандартов, 1989.

29. Кении Дж. Е. Техника освоения морских глубин. Пер. с англ. Л.: «Судостроение», 1977.

30. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика.-М.: «Наука», 1979.

31. Концепция развития глубоководных сил и средств Российской Федерации на период до 2021 года М.: 2006.

32. Константинов В. Разработка в США подводных аппаратов для, подводных лодок. Зарубежное военное обозрение, №5, 2003.

33. Коробков В.А., Левин B.C., Лукошков A.B., Серебреницкий П.П. Подводная технология. — JL: Судостроение, 1981.

34. Красилъников A.B. Проблемы создания средств освоения континентального шельфа мирового океана // Известия вузов. Приборостроение. 2010, т. 53, № 8.

35. Красилъников Е.П. Теоретические основы расчета корабельных систем воздуха высокого давления: учеб. пособие / Е.П. Красильников; СПбГМТУ. СПб.; 2007.

36. Кыбалъный М.В. Зарубежные разведывательно-ударные боевые подводные роботы. Состояние, перспективы развития. Научно-технический сборник ПОДВОДНОЕ МОРСКОЕ ОРУЖИЕ. Вып. 9. -СПб.: ФГУП ЦНИИ «Гидроприбор», 2007.

37. Кыбалъный М.В., Кудрявцев М.А. О подводных промышленных роботах, предназначенных для работ на шельфе. Научно-технический сборник ПОДВОДНОЕ МОРСКОЕ ОРУЖИЕ. Вып. 12. СПб.: ФГУП ЦНИИ «Гидроприбор», 2008.

38. Методика выбора и оптимизации контролируемых параметров технологических процессов. Методические указания. РДМУ 109-77. -М.: Издательство стандартов, 1978.

39. Михайлов В.И., Федосов K.M. Планирование экспериментов в судостроении. — Л.: «Судостроение», 1978.

40. Михлин В.Г., Шершнев A.B. Планирование эксперимента. Методические указания — СПб.: Изд. центр СПбГМТУ, 2001.

41. Национальная морская политика России (Серия Библиотека Общероссийского Движения Поддержки Флота) - М.: ООО «Офицерская корпорация - 1», Изд. «Петровский двор», 2000.

42. Подобрий Г.М., Белобородый B.C., Халгшонов В.В., Носов А.И. Теоретические основы торпедного оружия. — М.: Воениздат, 1969.

43. Портной A.C., Семенов Ю.Н. Проектное и конструктивное обеспечение безопасности морской техники: Учеб. пособие / СПбГМТУ; СПб., 2005.

44. Потехин A.A. Перспективы развития средств противоторпедной защиты подводных лодок ВМС ведущих зарубежных стран. Труды международной конференции МПО-2004. СПб.: ФГУП «ЦНИИ Гидроприбор», 2004.

45. Рекомендации парламентских слушаний «Нефть и газ континентального шельфа: проблемы освоения и рационального использования» М.: 2002.

46. Сиденко КС, Голобоков С.А. Автономные необитаемые подводные аппараты носители минного оружия, Россия и АТР, №2, 2009.

47. Трошин В.П., Трошин П.В. От водолаза к ихтионавту. Основы инженерной ихтионавтики. СПбГМТУ; СПб., 2004.

48. Федорин В.М., Книжников С.А. Испытательный потенциал полигона. Научно-технический сборник ПОДВОДНОЕ МОРСКОЕ ОРУЖИЕ. Вып. 7. СПб.: ФГУП ЦНИИ «Гидроприбор», 2006.

49. Фшюстын А.Е., Мартыщенко JI.A., Кивалов А.Н., Малиновский B.C. Испытания ракетно-артиллерийского вооружения. Часть 1. МО РФ, 1998.

50. Хруцкий О.В. Техническая диагностика: учебник / СПбГМТУ. СПб. — 2005.

51. Чуев Ю.В. Проектирование ствольных комплексов. М.: Машиностроение, 1976.

52. Яворский Б.М, Детлаф A.A. Справочник по физике. М.: «Наука», 1965.