Пиротехническое устройство для создания ударных воздействий Российский патент 2022 года по МПК G01M7/00 

Данное изобретение относится к оборудованию для испытаний на ударные воздействия и может быть использовано при испытаниях на высокоинтенсивные ударные воздействия различных приборов и оборудования, а также различных сложных систем (например, космических аппаратов).

Существует достаточно много различных стендов для испытаний на ударные воздействия, которые включают в себя устройства для создания ударных воздействий. С помощью вибрационных электродинамических стендов, стендов с падающими столами и т.д. (Вибрации в технике: Справочник в 6 томах. М.: Машиностроение т.5. Измерения и испытания. под ред. М.Д. Генкина 1981г., стр. 476-477) В настоящее время наибольшее применение находят системы на базе вибростендов. Требования к стендам, обеспечивающим необходимое ударное воздействие, достаточно высоки, особенно при воспроизведении воздействий большой интенсивности, малой длительности и сложной формы. Иногда для создания ударных воздействий в стендах используются пиротехнические устройства. Например, патент РФ № 2244909, где источником ударного воздействия служит разрывной болт 8Х54. Помимо разрывных болтов, например, патент США №2653504, существует достаточно большой класс пиротехнических устройств, использующих для создания давления газы от сгорания порохов, с помощью которых перемещаются и/или разрушаются различные соединительные элементы. Например, патенты США: №2575071, №3530759, №3111808 и ряд других.

Каждое из этих устройств при срабатывании создает ударное воздействие определенного вида (со своей амплитудой воздействия и длительностью), и может быть использовано в качестве источника ударных воздействий для испытаний.

Наиболее близким является решение по патенту РФ №2394217. Пиротехническое устройство для создания ударных воздействий состоит из полого корпуса с резьбой на внешней поверхности, пиропатрона, поршня, на который с помощью резьбы установлен съемный боек, контрящего элемента, фиксирующего поршень в корпусе (прототип).

Существенным недостатком этого устройства, при использовании в качестве источника ударных воздействий, является то, что при ударе бойка в точке контакта создается обратная волна деформаций и при отскоке бойка происходит повторный удар из-за медленного падения давления за поршнем (наличие одного уплотнения не обеспечивает герметичность, но и падение давления происходит достаточно медленно). Такой эффект может повторяться несколько раз, что существенно затрудняет формирование необходимого ударного воздействия. Кроме того, использование кассеты с пиропатронами для создания повышенного ударного воздействия увеличивает габариты устройства, требует более мощного источника питания, что во многих случаях затрудняет его применение, как и отсутствие специального приспособления для крепления пиротехнического устройства, что затрудняет точное задание расстояния от бойка до объекта испытаний.

Для заявленного изобретения выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: пиротехническое устройство для создания ударных воздействий, состоящее из полого корпуса с резьбой на внешней поверхности, пиропатрона, поршня с уплотнением, на который с помощью резьбы установлен съемный боек, контрящего элемента, фиксирующего поршень в корпусе.

Технической проблемой заявленного изобретения является устранение указанных недостатков.

Техническим результатом данного изобретения является возможность более точного воспроизведения ударной нагрузки созданием регулируемого в широком амплитудно-частотном диапазоне пиротехнического устройства для формирования ударных воздействий необходимого вида, что позволит качественней проводить испытания приборов и оборудования на ударные воздействия.

Технический результат достигается тем, что резьба на корпусе разделена фланцем, выполненным в виде гайки, а в корпусе рядом с фланцем в виде гайки со стороны бойка выполнены сквозные отверстия перпендикулярно оси корпуса, при этом на сам корпус с помощью резьбы устанавливают гайку в виде стакана с отверстием в днище и резьбой по внутренней поверхности стакана, а высота стенки стакана во внутренней ее части меньше расстояния от торца корпуса до сквозного отверстия, а поршень с бойком устанавливают в днище гайки с помощью контрящего элемента, причем на поршне со стороны бойка и на бойке со стороны поршня выполнены лыски, а на противоположной бойку стороне поршня выполнены буртики, между которыми установлен набор уплотнений, а расстояние от торца корпуса до сквозных отверстий больше, чем размер буртиков с уплотнениями на поршне, кроме того, в корпусе со стороны противоположной бойку на резьбе устанавливают профилированный вкладыш с уплотнениями, внешний фланец которого через уплотнительное кольцо переменной толщины, выполненное из мягкого металла, например, алюминия, упирается в торец корпуса, а на самом фланце вкладыша выполнены лыски, а внутри вкладыша выполнено сквозное отверстие переменного диаметра, причем в отверстие малого диаметра устанавливают газогенератор цилиндрической частью с воспламенительным составом, который имеет разную массу, а фиксируют газогенератор в отверстии большего диаметра с помощью резьбы, причем сам корпус с поршнем, вкладышем и газогенератором устанавливают на резьбе в днище стакана и фиксируют корпус с помощью контрящей гайки, при этом на противоположной торцевой стороне стакана на внешней его части выполнен фланец с отверстиями.

Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид устройства. Устройство (фиг.1) состоит из корпуса 4 с резьбой 5, выполненной по внешней поверхности. Профилированный поршень 2 с наконечником 30 с резьбой для установки сменного бойка 1 с одной стороны и буртиками 24 с уплотнительными кольцами 23 между ними устанавливают в корпус 4. На корпус 4 с помощью резьбы 5 устанавливают гайку в виде стакана 3 с отверстием в днище. Контрящий элемент 27, фиксирует поршень в гайке 3. В корпусе 4 также имеется сквозное отверстие 26 рядом с фланцем в виде гайки 6, выполненное перпендикулярно оси корпуса, причем высота стенки стакана во внутренней ее части меньше расстояния от торца корпуса до сквозного отверстия. В корпусе 4 со стороны противоположной бойку 1 на резьбе 20 устанавливают вкладыш 10 с уплотнениями 21, а внутри вкладыша выполнено сквозное отверстие переменного диаметра 22. В отверстие малого диаметра устанавливают газогенератор 12 цилиндрической частью с воспламенительным составом 13, который имеет разную массу. В зависимости от массы воспламенительного состава газогенератора заполняется полость 11, которая затем герметизируется. Фиксируют газогенератор 13 в отверстии большего диаметра с помощью резьбы 14. Сам корпус с поршнем 4, вкладышем 10 и газогенератором 12 устанавливают на резьбе 25 в днище стакана 8. Фиксируют корпус 4 в днище стакана 8 с помощью контрящей гайки 7. Внутри газогенератора установлен электровоспламенитель с выводными проводами 19. Внутри корпуса 4 между вкладышем и поршнем находится регулируемая полость 9. На противоположной торцевой стороне стакана 8 на внешней его части выполнен фланец 15 с отверстиями 16. Профилированный вкладыш 10 внешним фланцем с лысками 17 через уплотнительное кольцо переменной толщины 18, выполненным из мягкого материала, например, алюминия, упирается в торец корпуса. На поршне со стороны бойка и на бойке со стороны поршня выполнены лыски 28,29.

Заявленное устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения на электровоспламенитель 19, имеющий разную массу воспламенительного состава происходит его срабатывание и загорается воспламенительный состав 13. При этом образуются газы и растет давление внутри полостей 9,22 (чем больше масса воспламенительного состава, тем большее давление создается за поршнем. При достижении критического давления срезается контрящий элемент 7, происходит движение поршня 2 до соударения сменного бойка 9 с объектом испытаний. Возможный ход поршня 2 регулируется расстоянием от ближайшего буртика 24 поршня 2. В зависимости от расстояния между бойком и объектом испытаний, а также давления внутри полости 9 получают различную скорость соударения бойка с объектом испытаний, а форма, материал и масса бойка обеспечивают создание различного вида ударного импульса, либо необходимой нестационарной вибрации. Из-за наличия уплотнений 21 и 24 давление внутри полости 9 сохраняется до момента прохождения поршнем 2 отверстий 26. После чего происходит разгрузка полости (давление резко падает). После соударения с объектом испытаний поршень за счет отраженной волны отскакивает от объекта испытаний. Т.к. давление за поршнем отсутствует, то исключается повторное соударение с объектом испытаний.

Наличие внутри газогенератора полости 11 под разную массу воспламенительного состава 13, позволяет регулировать давление внутри полостей 9,22 и соответственно изменять максимальную скорость соударения бойка с объектом испытаний. Лыски на бойке 29, поршне 28 и на фланце 17, вкладыша 10, позволяют собирать рассматриваемое устройство с необходимой величиной затяжки для обеспечения герметичности. Дополнительную герметичность обеспечивают уплотнения 21, 24 и уплотнительное кольцо переменной толщины 18. Выполнение уплотнительного кольца 18 за счет мягкого материала, например, мягкого алюминиевого сплава позволяет за счет деформирования уплотнительного кольца обеспечить дополнительную герметичность. Применение резиноподобных материалов не подходит из-за возможности их прогорания. Кроме того, при необходимости увеличения полости 9, это можно сделать за счет смещения вкладыша 10, но тогда необходимо увеличить и размер уплотнительного кольца.

Наличие у стакана 8 фланца 15 с отверстиями 16 позволяет его крепить на различные поверхности, а наличие широкого фланца 15 также позволяет устанавливать его в вертикальное положение без специального крепления. Контрящая гайка 7 регулирует положение корпуса 4 в стакане 8 (фиксируется расстояние от бойка до объекта испытаний). Возможность поворота корпуса 4 в стакане 8 на 180 градусов (фиг.2) позволяет крепить устройство непосредственно к объекту испытаний 31 с помощью болтов 32. Например, к шпангоуту космического аппарата при имитации ударных воздействий на него со стороны ракеты-носителя.

Пример практического исполнения

На предприятии в настоящее время для проведения ударных испытаний приборов используется специальное пиротехническое устройство (СПУ) 151.6291-0, показанное на фиг.1. Используются газогенераторы с массой заряда 0,4г, 0,7г, 1г. Максимальный ход поршня составляет около 55 мм, диаметр фланца стакана около 140 мм, максимальный размер 298 мм, масса СПУ около 3600 грамм. Основной применяемый боек выполнен из бронзы АЖ9, остальные силовые элементы устройства выполнены из стали 30ХГСА, уплотнительное кольцо из алюминиевого сплава АМг6. На фиг.3 показана схема испытаний на ударное воздействие с помощью СПУ-31 рефлектора 32, диаметром около 2,2 м из композиционных материалов, установленного на алюминиевую панель 33 толщиною 30 мм. По углам панель опиралась на амортизаторы.

Требуемый ударный спектр ускорений (УСУ) приведен в таблице (фиг.4).

Для создания необходимого УСУ в плоскости крепления рефлектора (по осям X,Z) четыре СПУ крепились к панели через фланцы. Зазор между бойками СПУ и панелью составлял 20 мм.

Для создания ударного воздействия (УСУ) перпендикулярно плоскости крепления (ось Y) еще 4 СПУ устанавливались на силовой пол, и ударное воздействие выполнялось через набор амортизационных стержней. Зазор между бойками СПУ и амортизационными стержнями составлял 30 мм.

Ударное воздействие в плоскости крепления рефлектора и перпендикулярно плоскости крепления выполнялось последовательно (в плоскости крепления рефлектора и перпендикулярно ей) одновременным срабатыванием 4 СПУ.

На фиг.5 показан УСУ созданный в плоскости крепления рефлектора (X,Z): a - требуемый УСУ на 1000g, b - положительный УСУ, c - отрицательный УСУ, d - суммарный УСУ.

На фиг.5 показан УСУ созданный перпендикулярно плоскости крепления рефлектора (Y): a - требуемый УСУ на 2000g, b- положительный УСУ, c - отрицательный УСУ, d - суммарный УСУ.

Как видно из рисунков (фиг.5, 6) с помощью разработанного СПУ получены требуемые УСУ (положительные и отрицательные) на 1000g и 2000g, с погрешностью, не превышающей 50% (3дБ), что позволяет снизить как количество ударных воздействий вдвое и упростить схему проведения ударных испытаний.

Из известных авторам источников информации и патентных материалов не известна совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков заявленных объектов.

Данное изобретение относится к области испытаний на ударные воздействия и может быть использовано в первую очередь при проведении испытаний на высокоинтенсивные ударные воздействия различных устройств, приборов и оборудования. Техническим результатом изобретения является возможность более точного воспроизведения ударной нагрузки. Указанный результат достигается тем, что для создания ударных воздействий используется пиротехническое устройство, состоящее из полого корпуса с резьбой на внешней поверхности, пиропатрона, поршня с уплотнением, на который с помощью резьбы установлен съемный боек, контрящего элемента, фиксирующего поршень в корпусе. Устройство от известных отличается тем, что резьба на корпусе разделена фланцем, выполненным в виде гайки, а в корпусе рядом с фланцем в виде гайки со стороны бойка выполнены сквозные отверстия перпендикулярно оси корпуса. При этом на сам корпус с помощью резьбы устанавливают гайку в виде стакана с отверстием в днище и резьбой по внутренней поверхности стакана, а высота стенки стакана во внутренней ее части меньше расстояния от торца корпуса до сквозного отверстия. Поршень с бойком устанавливают в днище гайки с помощью контрящего элемента, причем на поршне со стороны бойка и на бойке со стороны поршня выполнены лыски, которые используются при сборке устройства. На противоположной бойку стороне поршня выполнены буртики, между которыми установлены уплотнения, а расстояние от торца корпуса до сквозных отверстий больше, чем размер буртиков с уплотнениями на поршне, что обеспечивает свободный сброс давления из полости. Кроме того, в корпусе со стороны, противоположной бойку, на резьбе устанавливают профилированный вкладыш с уплотнениями, внешний фланец которого через уплотнительное кольцо переменной толщины, выполненное из мягкого металла, упирается в торец корпуса, что обеспечивает герметичность устройства при изменении объема полости внутри устройства. На самом фланце вкладыша выполнены лыски, а внутри вкладыша выполнено сквозное отверстие переменного диаметра, причем в отверстие малого диаметра устанавливают газогенератор цилиндрической частью с воспламенительным составом, который имеет разную массу. Фиксируют газогенератор в отверстии большего диаметра с помощью резьбы, причем сам корпус с поршнем, вкладышем и газогенератором устанавливают на резьбе в днище стакана и фиксируют корпус с помощью контрящей гайки, при этом на противоположной торцевой стороне стакана на внешней его части выполнен фланец с отверстиями, позволяющий стыковать устройство с объектом испытаний. 6 ил.

Пиротехническое устройство для создания ударных воздействий, состоящее из полого корпуса с резьбой на внешней поверхности, пиропатрона, поршня с уплотнением, на который с помощью резьбы установлен съемный боек, контрящего элемента, фиксирующего поршень в корпусе, отличающееся тем, что резьба на корпусе разделена фланцем, выполненным в виде гайки, а в корпусе рядом с фланцем в виде гайки со стороны бойка выполнены сквозные отверстия перпендикулярно оси корпуса, при этом на сам корпус с помощью резьбы установлена гайка в виде стакана с отверстием в днище и резьбой по внутренней поверхности стакана, а высота стенки стакана во внутренней ее части меньше расстояния от торца корпуса до сквозного отверстия, а поршень с бойком установлен в днище гайки с помощью контрящего элемента, причем на поршне со стороны бойка и на бойке со стороны поршня выполнены лыски, а на противоположной бойку стороне поршня выполнены буртики, между которыми установлены уплотнения, а расстояние от торца корпуса до сквозных отверстий больше, чем размер буртиков с уплотнениями на поршне, кроме того, в корпусе со стороны, противоположной бойку, на резьбе установлен профилированный вкладыш с уплотнениями, внешний фланец которого через уплотнительное кольцо переменной толщины, выполненное из мягкого металла, упирается в торец корпуса, а на самом фланце вкладыша выполнены лыски, а внутри вкладыша выполнено сквозное отверстие переменного диаметра, причем в отверстие малого диаметра установлен газогенератор цилиндрической частью с воспламенительным составом, который имеет разную массу, причем газогенератор зафиксирован в отверстии большего диаметра с помощью резьбы, причем сам корпус с поршнем, вкладышем и газогенератором установлен на резьбе в днище стакана и зафиксирован с помощью контрящей гайки, при этом на противоположной торцевой стороне стакана на внешней его части выполнен фланец с отверстиями.