Разработка и исследование пневматической системы гидротренажерного комплекса

Успех при решении Сухопутными войсками поставленных перед ними задач в различных видах боевых действий зачастую связан с преодолением водных преград (ВП), 'как естественного, так и искусственного характера — рек, озер, каналов, водохранилищ.

Танковые подразделения и части могут преодолевать ВП с помощью паромов, по мостам и по дну — по броду и под водой. Подводное вождение танков (ПВТ) повышает темпы проведения боевых операций, снимая зависимость танковых подразделений от возможностей инженерных войск, кроме того, такой вид преодоления водной преграды имеет сравнительно низкую уязвимость техники от огневого воздействия противника.

Профессиональное обучение экипажей подводною/ вождению танков считается одной из наиболее сложных задач подготовки и проведения занятий по вождению машин С26].

Известно, что одним из наиболее эффективных методов формирования и развития знания и профессиональных навыков, необходимых человеку-оператору для управления динамическими объектами в реальны—: условиях деятельности, являются учебно-тренировочные средства (УТО), снижающие затраты моторесурса и горючего, способствующие сохранению дорогостоящей боевой техники и обеспечивающие полную безопасность обучения действиям в критических и аварийных ситуациях.

Тренажеры для подготовки экипажей к подводному вождению танков, так называемые гидротренажеры (ГТ) занимают особое место е системе учебно-тренировочныхсредств, так как они, во-первых, являются единственно возможными техническими средствами как по экономическим соображениям, так и по соблюдению требований безопасности при подготовке личного состава к действиям в аварийных ситуацияхво-вторых, процесс подготовки танковых экипажей к подводному вождению танков сравнительно сложнее и опаснее относительно других видов учебных занятий, требуя при этом гораздо больших материальных, финансовых и трудовых ресурсовв-третьих, ¦эти тренажеры и методики их применения в учебном процессе в значительно меньшей степени описаны в литературе по сравнению с другими УТСи в-четвертых, такие тренажеры не выпускаются серийно промышленностью, а изготовляются в войсках хозяйственным способом, и при их проектировании и постройке каждый раз приходится решать свои, порой весьма специфические проблемы С32].

Необходимо отметить, что в армиях ведущих западных стран также уделяется большое внимание разработке и внедрению в учебный процесс подготовки экипажей к подводному вождению танков специальных учебно-тренировочных средств, которые являются уникальными, но и в то же время серийно разработанными и сооруженными конструкциями [19].

Известные в настоящее время конструкции гидротренажеров используют зачастую совершенно разные принципы действия, а также методы обеспечения безопасности обучаемых, имеют значительные габаритные показатели, сложные или энергоемкие системы перемещения воды как в учебных целях, так и для ликвидации возможных нештатных аварийных ситуаций (АС).

Объект исследования — гидротренажерный комплекс, представляющий собой сложную динамическую систему4, состоящую из нижнего резервуара (HP) и трех верхних учебных бассейнов, связанных с ним гидравлической частью — кингстонами, обеспечивающими перемещение воды в верхние бассейны при подаче в нижний-резервуар сжатого воздуха от компрессора с приводным двигателем, а также оброс воды-в нижний резервуар самотеком при выпуске воздуха в атмосферу.

Предмет исследования — динамика рабочего процесса гидротренажерного комплекса, состоящая из этапов подъема и сброса воды.

Цель работы — разработка рационального варианта источника сжатого воздуха, конструктивная проработка гидравлической части, пневмопроводов подачи и сброса сжатого воздуха, системы управления рабочим процессом и ее основных элементов.

Актуальность данной диссертационной работы заключается в том, что в ней произведен сравнительный анализ возможностей существующих аналогичных сооружений и требований к ним с точки зрения максимальной эффективности учебного процесса и на этой основе дана проработка наиболее рациональной схемы гидротренажерного комплекса (ГТК) для обучения курсантов ВВУЗов и л/с ТВ, включающего в себя учебный бассейн с реальной боевой машинойтанком Т-80.

В первой главе работы проводится анализ существующих гидротренажеров и их характеристик, методов обеспечения безопасности обучаемых, определяются возможности для улучшения уже достигнутых показателей применительно для разрабатываемого гидротренажерного комплекса, описывается его конструктивная схема на основе использования энергии сжатого воздуха для перемещения воды е учебные отсеки, что позволяет обеспечить энергонезависимый сброс воды из них при возникновении аварийных ситуаций и определяется перечень проблем, решение которых обеспечит реализацию наиболее оптимального конструктивного варианта.

Во второйтлаве дается сравнительный анализ основных вариантов системы воздухоснабжения — поршневой компрессор (ПК) или приводной центробежный нагнетатель. (ПЦН) дизельного двигателя, выводятся уравнения для моделей характеристик поршневого компрессора и приводного-центробежного нагревателя.

В третьей главе приведены методы расчета вспомогательных систем, влияющих на динамику рабочих процессов — сопротивлений гидравлической части, состоящей из параллельно работающих колодцев-кингстонов, а также пневмопроводов для подачи и сброса воздуха, и на этой основе представлена общяя аналитическая база для математического моделирования обоих вариантов системы воздухоснабжения .

В четвертой главе производится анализ результатов исследования математической модели и на этой основе определяются основные конструктивные' параметры, обеспечивающие при наибольшей технологичности изготовления функционирование гидротренажерного комплекса в рамках показателей, определенных техническим заданием на проект.

В пятой главе рассматриваются результаты экспериментального исследования наиболее важных эксплуатационных характеристик гидротренажерного комплекса.

— параметров процессов подъема и сброса воды, а также параметров процесса затопления гидротренажероЕ водой.

Научная новизна работы заключается в том, что разработаны основы построения математической модели рабочего процесса ГТК, в частности:

— составлена математическая модель расходной характеристики гидравлической проточной части и предложен алгоритм для расчета возможных вариантов этой характеристики, учитывающий проектные потребности и реальные возможности изготовителя;

— на основе модели изотермического движения газового потока предложены алгоритмы для расчета возможных вариантов расходных характеристик пневмопровода подачи и пневмопровода сброса, учитывающие проектные потребности и возможности изготовителя;

— на основе разработанных алгоритмов исследована связь динамики процессов подъема и сброса воды с характером переходных рабочих режимов возможных источников сжатого воздуха и нагрузками на металлоконструкции HP, определяющая пропускную способность ГТК в целом и безопасность учебного процесса в частности, а также общую металлоемкость HP.

Практическая ценность работы заключается в том, что итоги ее были использованы при выработке рекомендаций по определению основных конструктивных параметров и разработке конкретных технических решений для гидравлической части, пневмопроводов подачи и сброса воздуха, системы управления и в конечном итоге обеспечили выполнение требований технического задания напроектирование и сооружение гидротренажерного комплекса ОТИИ, таким образом, разработана методика, позволяющая вести расчет типоеого ряда аналогичных сооружений применительно к различным задачам учебного процесса в зависимости от потребностей изготовителя и возможностей производства. .

Диссертационная работа является составной частью исследований, проводимых в Омском танковом инженерном институте и направленных на повышение эффективности и безопасности использования учебно-тренировочных средств при профессиональной подготовке обучаемых к подводному вождению танков.

Содержание работы изложено в 12 печатных работах, в том числе: 6 тезисов докладов, 4 статьи, 2 отчета по научно-исследователь ским работам.

Основные положения и результаты работы докладывались на Международной конференции по экологии (Омск, 1997 г.), на 3-й Международной научно-технической конференции &bdquo-Динамика систем, механизмов и машин" (Омск, 1999 г.), научно-практических конференциях межрегионального уровня, конференциях и семинарах в ОмГТУ и ОТШ.

Выводы.

Математическая модель рабочего процесса, гидротренажерного комплекса, составленная на основании частных подпрограмм, описывающих возможные источники сжатого воздуха (см. главу 2), гидравлическую часть — систему параллельно работающих кингстонов и пневмопровода подачи и сброса сжатого воздуха (см. главу 3), позволила провести обоснованное решение комплекса проектных задач, связанных с динамикой рабочего процесса сложной гидропневмомеханической системы — гкдротрекажерного комплекса.

1. Определено влияние различных конструктивных и эксплуатационных параметров элементов систем ГТК, а также возможных сочетаний этих параметров на динамические характеристики проектируемого сооружения.

2. Оценено влияние динамических характеристик на нагрузку основных несущих элементов ГТК — пол и потолок HP и связи между ними.

3. Оценено влияние динамических характеристик на пропускную способность ГТК и проведено рассмотрение путей ее увеличения.

4. Проведен сравнительный анализ энергетических показателей при различных вариантах источников сжатого воздуха и методах его подачи.

5. Проведен сравнительный анализ возможных вариантов системы воздухоподачи.

6. Подтверждена расчетами возможность применения в качестве окончательного варианта источника сжаЧгого воздуха приводного центробежного нагнетателя Н-24 дизельного двигателя В-46.

7. Подтверждены расчетами и приняты окончательные варианты выполнения:

— гидравлической проточной части — системы параллельно работающих колодцев-кингстонов с сечением 0,45×0,45 м при их количестве N = 5 для среднего бассейна, N = 4 (2+2) для двух крайних-,.

— пневмопровода сброса воздуха из нижнего резервуара в атмосферу с внутренним диаметром Dc = 300 мм;

— пневмопровода подачи воздуха от нагнетателя Н-24 в нижний резервуар с внутренним диаметром Dn — 150 мм. -1 -1 о.

Глава 5. Экспериментальное исследование рабочего процесса гидротренажерного комплекса.

5.1. Задачи экспериментов Приемо-сдаточные испытания, проведенные после окончания строительно-монтажных работ, показали, что требуемые по проекту время подъема и время сброса воды выдерживаются (копии программы испытаний и акта об их проведении — см. прил. 12), но определенный интерес представлял поиск наибольших сопротивлений в гидравлической части и пневмопроводах ГТК.

Эксперименты, проводившиеся после монтажа всех основных систем, должны были уточнить динамику рабочего процесса ГТК, ее соответствие техническому заданию на проект, а также выявить отклонения расчетных и действительных характеристик элементов ГТК, что позволило бы наметить мероприятия по снижению этих наибольших сопротивлений [120].

Снижение этих сопротивлений в принципе могло дать следующие положительные эффекты:

— уменьшение времени подъема воды- -уменьшение времени сброса воды;

— снижение расхода топлива на проведение одного рабочего цикла, и, как следствие, снижение расхода топлива на проведение всей легководолазной подготовки. Первые два фактора прямым образом влияют на пропускную способность ГТК, кроме того, второй фактор ведет к повышению безопасности учебного процесса [23].

Итак, е качестве задач экспериментов [" 1241 было необходимо получить опытные, данные, позволяющие судить о потерях давления в пневмопроводах и кингстонах при подъеме и сбросе еоды, раосчитать по этим данным соответствующие коэффициенты сопротивлений и ватем определить участки, в наибольшей мере влияющие на расходные характеристики, чтобы наметить мероприятия конструктивного характера по совершенствованию элементов кингстонов и пневмопро-зодиз•.

5.2. Методы измерений, регистрация опытных данных и их обработка.

Для регистрации были выбраны следующие параметры:

— уровень воды в верхнем среднем бассейне Hbetsk (см. рис.

4.1);

— давление воздуха в нижнем резервуаре рнр (статическое);

— давление воздуха на выходе из компрессора (полный напор).

Наиболее просто решалась проблема измерения расхода воды через кингстоны. Объем поступающей в учебные бассейны воды, учитывая их форму, можно с большой степенью точности считать пропорциональным изменению ее уровня. Это замечание наиболее соответствует истине при изменении уровня в этих бассейнах от 0 до 0,4 м, затем от 2,2 до 5 м, т.к. внутреннее оборудование учебных бассейнов — трехлючные макеты боевых отделений и реальный объект располагаются на отметках от 0,4 до 2,2 м. Площади бассейнов известны (см. табл. 2.1), в качестве базы для экспериментов был избран средний бассейн, на стенке которого изнутри была нанесена разметка уровней от 0 до 5 м с шагом 0,05 м, и при экспериментах с помощью секундомера регистрировалось время достижения уровнем еоды соответствующих отметок как при ее подъеме, так и при сбросе .

Измерение избыточного давления Еоздуха в HP, а. также полного нэлора в начале пневмопровода подачи производилось с помощью датчиков тензометрического типа С1Е63, представлявших собой металлические корпуса цилиндрической Форш (D = 75 мм, Н = 90 мм) на один из терцев которых наклеивались стандартные проволочные тензорезиоторы типа ПКП-10−200 с сопротивлением R = 200 0 м при базе измерения L = 10 мм С122], вторые торцы были снабжены штуцерами для подключения к соединительным трубкам. Аналогичные тензорезиоторы температурной компенсации наклеивались на корпуса с боковой стороны.

Сигналы от тензодатчикоЕ поступали на входные колодки универсальной тензометрической установки УТС 1-ВТ-12, ее питание производилось от штатного стабилизированного блока. [1213.

Усиленные тензометрической установкой сигналы поступали на шлейфовый светолучевой осциллограф Н041У42 (123). Ввиду большой длительности регистрируемых процессов (до 4 -5 минут) была выбрана минимально возможная скорость протяжки фотобумаги — 2,5 мм/с, а в комплект’аппаратуры пришлось включить внешний задатчик импульсов отметки времени (с сигналами через 10 с).

Перед каждым циклом испытаний проводилась тарировочная запись путем подачи на датчики избыточного давления, контролируемого жидкостным дифманометром (см. рис. 5.1). Это давление воздушным насосом поднималось по ступеням — через 1 м вод. ст. с записью этих ступеней на осциллограмму в виде короткой, на несколько секунд, протяжки фотобумаги, что обеспечивало впоследствии качественную дешифровку. В течение дня в протоколе регистрировались также атмосферное давление и температура в помещении.

Итоги измерений для каждого рабочего цикла после проявки фотобумаги, ее расшифровки и обработки [1253 сводились на одну.

Lj iTMOC.

7 I r у i.

§ 1.

Дj 1 к точке замера 4 г Ч ill P к тензостанции Рис. 5.1. Схема тарировочного устройства.

1 — насос- 2 — кран- 3 — дифманометр- 4 — разъем- 5 — тензодатчик обшую диаграмму, представленную на рис. 5.2. Линия 1 наносилась на диаграмму по протоколу отметок уровней, линии 2 и 3 снимались с соответствующей осциллограммы (давления абсолютные: показания с осциллограммы плюс давление барометрическое).

Изменение уровня Нвб пересчитыватось в величину расхода ео~ ДЫ QK:

Ох = ctV/dx = dHBB-FBB/dx, или, переходя к конечным приращениям.

QK = AV./At — АНВБ-РББ/А-С, (5.1) принимая величину АНвб достаточно малой, равной шагу разметки на стенке БЕ — 0,05 м.

Расход воды при известной суммарной площади КК LFk пересчи-тывался в скорость воды в КК: vK = Qk/LFk- (5.2).

Далее, исходя из соотношения: нве — (-ннр))/нвб = 6.2/5 = 1.24 (5.3) определялась величина гидростатического давления перепада уроЕней воды в BE и HP:

Рпвр = Р?-1.24-Нвб. (5.4).

Разность давления воздуха рнр и гидростатического давления перепада уровней ВБ и HP давала величину гидравлических потерь давления в кингстона:-:

Рг = рн? «Рпэр = vk2/2-(1 + вд-р/2- (5.5).

Изменение уровня Нвб можно также, задаваясь ориентировочной температурой воздуха в HP — Тн?, пересчитывать по уравнению состояния газа в величину приращения массы Еоздуха Дтнр:

Дтнр = Php-AHbb*Fbe/(R-Thp)• (5.5).

Суммирование Дтнр дает значение величины массы воздуха гпнр, а частное от деления приращения массы воздуха на временной интервал этого приращения Дт дает величину массовой подачи воздуха компрессором:

G = Дтнр/Д-С. (5.7).

Задаваясь диаметром пневмопропровода Dn и температурой еоз-духа в пневмопроводе Тп = 343 К (см. прим. к (3.'24) и прил. 8), определялась скорость воздуха в начале пневмопропровода подачи: vHa4 = 46-R-Tn/(PK4t-Dn2). (5.8) Пренебрегая изменением температуры воздуха в ходе его перемещения по пневмопроводу ввиду небольшой его длины, аналогично находилась скорость воздуха в конце пневмопропровода подачи-. vKOH = 4G-R-THp/(PK-rt-Dn2). (5.9).

Разность полного давления рк и статического давления рнр дает потери давления б пневмопроводе подачи рП} включающие в себя скоростное давление потока воздуха на выходе из пневмопровода, 'которое е конечном итоге преобразуется в тепловую энергию: рк ~ рнр = рг. (5.10) а) сброс воды:

НвБ, м.

Л.

1\ Ч ч ч jifci.

Рнр" кПа.

ПО.

О 10 уровень воды в бассейне: • ¦ ¦ давление в нижнем резервуаре: —.

20 30 40 расчет на моделирасчет на модели;

50 60 т, с — эксперимент- ——эксперимент. б) подъем воды:

HbBi м.

5 4 3 2 1 0.

1 1.

1 Ч.

4*" 4*" ' < г*.

Г *: У 7 7>* ¦

J * /? f т .

4*" А 0 «.

Г".

Рнр, кПа.

160 150 140 130 120 110 100.

0 20 40 60 80 100 120 140 180 200 220 240 260 280 300 320 340 t, с уровень воды в бассейне: .расчет на моделиполное давление нагнетателя: ——-расчет на моделиэкспериментэксперимент.

Рис. 5.2. Экспериментальные данные и итоги расчетов динамики сброса и подъема воды рабочего процесса гидротренажерного комплекса (средний учебный бассейн): Dc= 0,3 м, а = 0,45 м, N = 6- Dn= 0,15 м.

— us.

5.3. Р1тоги экспериментов.

Обработка экспериментальных данных показала, что расчеты основных параметров рабочего процесса сложной динамической системы — гидротренажерного. комплекса ОТШ, выполненные в ходе проектирования этого сооружения на базе математической модели, дали принципиально верное заключение о возможности использования приводного центробежного нагнетателя танкового дизельного двигателя (вместе с самим двигателем) в качестве источника воздухоснабже-ния.

Ввиду малого избыточного давления (по сравнению с поршневыми компрессорами) нагрузки на металлоконструкции нижнего резервуара были сведены до минимума, что значительно снизило металлоемкость сооружения и повысило надежность его эксплуатации [127],.

Продолжительность рабочего процесса для сооружения в целом оказалась в рамках технического задания на проект.

Вместе с тем эксперименты показали, что стремление к технологичности изготовления элементов гидравлической части и пневмопроводов привели к тому, что после постройки сооружения осталась возможность технического усовершенствования вспомогательных систем, заключающаяся в снижении коэффициентов местных сопротивлений [120]:

— верхнего пояса кингстоное (округление сопряжения потолока нижнего резервуара и стенок кингстонов);

— нижнего пояса кингстонов (установка трубчатых обтекателей полукруглого или круглого сечения)-" .

— сопряжения выхода компрессора и входа пневмопровода подачи воздуха (устранение двойного поворота на 90°)-,.

— сопряжения выхода пневмопровода подачи и потолка нижнего резервуара (установка плавкого диффузора);

— аналогичного сопряжения входа пневмопровода сброса и потолка. нижнего резервуара;

— выходного дефлектора этого же пневмопровода (установка откидывающейся под действием потока, воздуха заслонки и отказ от аэродинамически несовершенного колпака).

Принятие решения о совершенствованииконструктивных элементов возможно после проведения уточненных расчетов, требующих дополнительной проверки в модельных экспериментах [102].

Необходимо отметить-, что предлагаемое уменьшение коэффициентов местных сопротивлений [120] не требует значительного изменения существующих конструкций и может выполняться поэтапно.

Заключение

.

1. Анализ отечественного и зарубежного опыта создания ГТ и ГТК, их эксплуатации, тенденций и перспектив развития позволил разработать для ОТИИ конструктивную схему ГТК, учитывающую все возможности реализации максимальной эффективности и безопасности учебного процесса, для чего в состав ГТК 'включен учебный бассейн с реальным объектом — танком Т-80.

2. В качестве источника энергии для подъема воды в учебные бассейны проектируемого сооружения выбран сжатый воздух, что гарантировало аварийный сброс воды при любых сбоях или отказах как в основных системах проектируемого сооружения, так и в системах его управления.

3. Подготовлена аналитическая база и разработана математическая модель рабочего процесса сложной динамической системы, состоящей из приводного двигателя, источника сжатого воздуха, пневмопроводов подачи и сброса воздуха, гидравлической части (параллельно работающих кингстонов) при перемещении воды из нижнего резервуара в верхние учебные бассейны, а также при ее сбросе назад.

4. На основе анализа технического задания на проект сооружения, итогов расчетов динамики рабочего процесса для двух вариантов источников сжатого воздуха в данной диссертационной работе обоснована возможность использования приводного центробежного нагнетателя дизельного двигателя В1−84.

Отказ от применения поршневого компрессора значительно сократил размеры помещения воздухоподачи, позволил отказаться от емкости-накопителя и-сложной системы управления, обеспечил энергонезависимость воздухоподачи, значительно сократил металлоемкость всего сооружения и свел до минимума стоимость покупного оборудования, хотя применение поршневого компрессора могло увеличить пропускную способность гидротренажерного комплекса на 20−25% за счет сокращения продолжительности подъема воды при значительном возрастании максимальных нагрузок на металлоконструкции нижнего резервуара — до 130,3 МЫ.

5. На базе разработанной математической модели просчитаны допустимые области характеристик систем, обеспечивающих устойчивую работу приводного центробежного нагнетателя дизельного двигателя в-46 — гидравлической проточной части и пневмопроводов подачи и сброса сжатого воздуха, а также определены основные параметры их главных элементов:

— размеры и количество колодцев-кингстонов для среднего и двух крайних учебных бассейнов;

— диаметры пневмопроводов и их управляющих клапанов;

— рабочие давления, диаметр и ход пневматических приводов управляющих клапанов.

6. Приемо-сдаточные испытания и экспериментальные исследования динамики рабочего процесса ГТК ОТИИ показали, что продолжительность рабочего процесса для сооружения в целом оказалась в рамках технического задания на проект. Это подтверждает правильность расчетов, проведенных на базе математической модели.

Вместе с тем эксперименты показали, что после постройки сооружения осталась возможность технического усовершенствования вспомогательных систем, заключающаяся в снижении коэффициентов местных сопротивлений следующих элементов [120]:

— верхнего и нижнего пояса кингстонов;

1S3.

— сопряжения выходного патрубка компрессора и входа пнэвмо провода подачи воздуха;

— сопряжения выхода пневмопровода подачи и потолка нижнего резервуара;

— аналогичного сопряжения входа пневмопровода сброса и потолка нижнего резервуара;

— выходного дефлектора этого же пневмопровода.

7. Разработана и экспериментально подтверждена методика, позволяющая вести расчет типового ряда аналогичных сооружений применительно к различным задачам учебного процесса в зависимости от потребностей изготовителя и возможностей производства.