Анализ схем уравновешивающих механизмов

4) Из полученного множества  оставляют обозримое число комбинаций  Nоб (обычно Nоб ≈ 10000 для простых объектов и Nоб ≈ 1000 – для сложных), исключая наихудшие (нереализуемые или несовместимые, не удовлетворяющие заданным требованиям, неприемлемые по выбранному критерию качества и т.п.).

5) Анализируют оставшееся  множество комбинаций и , вновь исключая наихудшие, оставляют несколько вариантов (обычно 3..5), соответствующие наиболее эффективным техническим решениям (ТР). Эти ТР прорабатываются детально, после чего проводят уточненный сравнительный анализ и выбирают наиболее приемлемый вариант.

Таким образом, первые два пункта включают процедуры морфологического анализа исследуемого объекта, а последующие – структурного синтеза ТР.

Применительно к уравновешивающим механизмам результаты анализа схем могут быть представлены, например, морфологической таблицей 2.1. В общем случае структура схемы уравновешивающего механизма определяется f комбинацией альтернативных вариантов реализации отличительных признаков

=)                         (2.1)

где Р – обозначение признака;

=1,2……. n, - номер признака (n – количество признаков);

=1,2…… – номер альтернативного варианта (-количество вариантов для i признака).

Каждому значению признака   соответствует одна или несколько конструктивных схем отдельных элементов уравновешивающего механизма. Описание которых можно найти в учебных пособиях, либо описать самостоятельно .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.1- Морфологическая таблица на уравновешивающиеся механизмы

 

Признаки		Альтернативные варианты
Обозначение	Наименование	Обозначение	Наименование
	Тип механизма		Толкающего типа
			Тянущего типа
	Аккумулятор		Пружина
			Торсион
			Сжимаемый газ
			Сжимаемый газ и пружина
			Сжимаемый газ и противодавление
	Опора		Неподвижная(обе неподвижные опоры)
			Верхняя подвижная опора
			Нижняя подвижная опора
	Траектория перемещения  опоры		Прямолинейная
			По расчетному профилю
	Устройство для повышения  точности уравновешивания		С кулачком
			С гибкой связью
			Водило для перемещения  опоры по расчетному  профилю

 

Вариантов признаков велико и определяется по формуле:

N=2x5x3x2x3=180

N = 180, мы можем получить 180 комбинаций что больше допустимого.

Однако не все эти варианты приемлемы – некоторые нельзя реализовать из – за несовместимости  значений в комбинациях  вида (2.1), другие не соответствуют заданным требованиям или не отличаются более высоким качеством по сравнению с известными аналогами или прототипом.

С учетом этого, количества возможных комбинаций необходимо уменьшить  хотя бы до Nоб ≈ 10…100, исключив очевидные наихудшие варианты.

Проанализировав оставшееся обозримое число комбинаций, после повторного исключения наихудших можно оставить 3…5 наиболее эффективных вариантов для детальной конструкторской проработки.

Исключение наихудших  комбинаций рекомендуется проводить следующим образом:

1) С учетом заданных требований, личного опыта и т.п. для каждого признака в таблице 1.1 исключить наихудшие варианты;

2)  Выбрать уже сокращенной  таблице 1.1 два признака с наименьшим количеством альтернативных вариантов (но большим единицы) и, проанализировав все возможные комбинации, исключить наихудшие;

          3) Выбрать в таблице 2.1 следующий признак с минимальным числом альтернативных вариантов (но большим единицы) и, проанализировав их комбинации с оставшимися на предыдущем шаге, отбросить наихудшие;

          4) Повторять предыдущий шаг до  полной проработки сокращенной  таблице 2.1.

 

3. Синтез уравновешивающих  механизмов

 

Синтез схемы уравновешивающего  механизма

Воспользуемся таблицей 2.1 и  для каждого признака с учетом заданных требований, определим приемлемые и наиболее предпочтительные альтернативные варианты реализации.

Результаты отбора сведем в таблицу 3.1. Для оценки качества (приемлемости) альтернативных вариантов реализации признаков используем понятия предпочтительно (ПР), допустимо (ДОП), нежелательно (НЖ), нереализуемо (НР).

 

Таблица 3.1- Результаты сравнительного анализа альтернативных вариантов реализации отличительных признаков

Признаки		Альтернативные варианты
		Оценка качества	Обозначение		Обоснование оценки и характеристик
		ПР			По сравнению с  Имеют лучшую компоновку
		ДОП			При компоновке требует больших  объемов чем
		НЖ			Большой вес и габариты, особенно для орудий крупного калибра
		НЖ			Не предназначен для уравновешивания крупнокалиберных орудий
		ПР			Малый вес и габариты
		ПР			Малый вес и габариты, но больше чем в
		ПР			Малый вес и габариты
	НЖ			Не обеспечивает полной уравновешенности
	ПР			Может обеспечивать полное уравновешивание
	ПР			Может обеспечивать полное уравновешивание.
	НЖ			Требует обеспечения нелинейного  закона
	ПР			При отсутствии сил сопротивления  обеспечивается автоматически полное уравновешивание, с учетом сил сопротивления требуется не сложной конструкции
	НЖ			Не соответствует механизму толкающего типа, который предпочтителен.
	НЖ			Не соответствует механизму толкающего типа, который предпочтителен.
	ПР			Соответствует механизму толкающего типа, с подвижной опорой которая является предпочтительней.

 

Исключив в таблице 3.1. наихудшие альтернативные варианты реализации признаков (нежелательные и нереализуемые ), получим множество приемлемых вариантов:

 

,

 

 

 

Количество возможных  комбинаций в соответствии с выражением (2.2) равно

N=1x3x2x1x1=6

Что допустимо.

Проверим совместимость  оставленных вариантов в комбинациях.

Составляем комбинации из предпочтительных вариантов:

=)

=)

=)

=)

=)

=)

 

 

3.1 Структурный синтез  уравновешивающих механизмов

 

Синтезируем схемы УМ получаем

-пневматический УМ толкающего типа с верхней подвижной опорой, которая движется по расчетному профилю с помощью водила.

Достоинства:

• малогабаритный, обеспечивает автоматически полное  уравновешивание орудия.

Недостатки:

• автоматическое уравновешивание зависит от сил сопротивления, не дает полного уравновешивания на одном профиле, требуется движение по двум профилям;

- пневмопружинный УМ толкающего типа с нижний подвижной опорой,  которая движется по расчетному профилю с помощью водила.

Достоинства:

• малогабаритный, обеспечивает автоматически полное  уравновешивание орудия.

Недостатки: 

• полное теоретическое уравновешивание на одном профиле не обеспечивается, потяжелее чем пневматический;

- пневматический УМ толкающего типа с нижний подвижной опорой  которая движется по расчетному профилю с помощью водила.

Достоинства:

• малогабаритный, обеспечивает автоматически полное  уравновешивание орудия (без учета сил трения в уплотнениях).

Недостатки:

• автоматическое уравновешивание зависит от сил сопротивления;

- пневматический с противодавлением УМ толкающего типа с верхней подвижной опорой, которая движется по расчетному профилю с помощью водила.

Достоинства:

• Малогабаритный, обеспечивает автоматически полное  уравновешивание орудия (без учета сил трения в уплотнениях).

Недостатки:

• Полное теоретическое уравновешивание на одном профиле не обеспечивается, два объема, контроль двух объемов, зависит от окружающей среды;

- пневматический с противодавлением   УМ толкающего типа с нижний подвижной опорой,  которая движется по расчетному профилю с помощью водила.

Достоинства:

• Малогабаритный, обеспечивает автоматически  полное  уравновешивание орудия (без учета сил трения в уплотнениях.

         Недостатки:

• Полное теоретическое уравновешивание на одном профиле не обеспечивается, два объема, контроль двух объемов, зависит от окружающей среды;

- пневмопружинный  УМ толкающего типа с верхней подвижной опорой,  которая движется по расчетному профилю с помощью водила.

Достоинства:

• Малогабаритный, обеспечивает автоматически полное  уравновешивание орудия.

Недостатки: 

• Полное теоретическое уравновешивание на одном профиле не обеспечивается, потяжелее, чем пневматический.

Для дальнейшей конструкторской  реализации выбираем третий вариант- пневматический  УМ толкающего типа с нижний подвижной опорой,  которая движется по расчетному профилю с помощью водила.

 

 

3.2 Расчет синтезированного  уравновешивающего механизма

 

Уравновешивающий механизм (компенсатор) представляет собой устройство, предназначенное для компенсирования момента веса качающейся части артиллерийского орудия.

Момент веса возникает из- за ряда причин. С одной стороны, для обеспечения устойчивости при стрельбе и снижения поражаемости  орудие должно иметь низкие силуэт, т.е. малую высоту линии огня, с другой – расширение возможности маневра огнем требует увеличения диапазона углов вертикальной наводки. Одновременное обеспечение обоих требований заставляет конструктора уменьшать радиус обслуживания проектируемого орудия, что конструктивно выражается в смещении оси цапф к казенному срезу. Однако такой путь объективно приводит к удалению центра масс качающейся части орудия от оси цапф, следовательно, к увеличению момента неуравновешенности качающейся части.

Задачей расчета и конструирования  УМ является обеспечение автоматического  уравновешивания качающейся части  во всем диапазоне углов возвышения и при наличии допустимого  усилия на рукоятке маховика вертикального наведения. Известно, что ни пневматические, ни пружинные механизмы уравновешивания толкающего типа с неподвижными нижними опорами не могут обеспечивать полного уравновешивания качающейся части артиллерийского орудия и уравновешивания качающейся части во всем диапазоне углов вертикального наведения. Это приводит к увеличению при некоторых углах возвышения орудия усилие на рукоятке маховика подъемного механизма. При наведении орудия это усилие изменяется, что усложняет работу наводчика

Однако полное уравновешивание  можно обеспечить смещением нижней опоры механизма при наведении по заданному закону (Рисунок 3.2.1)

 

 

 

1 – ролик; 2 аккумулятор энергии ( давление или пружина );

3 – профиль;

Рисунок 3.2.1 - Схема уравновешивания  при помощи механизма с нижней подвижной опорой

 

При этом можно подобрать  такую траекторию смещения опоры, которая обеспечивала бы полное и автоматическое уравновешивание качающейся части. Это возможно, если, например, нижняя опора будет выполнена в виде ролика, и она сможет перекатываться по расчетному профилю. При любом угле возвышения ось механизма должна быть направлена строго по нормали к профилю в точке упора.

Так же стоить задача обеспечить оптимальное уравновешивание.

Под оптимальным уравновешиванием понимается автоматическое уравновешивание  качающейся части во всем диапазоне  углов вертикального наведения  при одновременном обеспечении  как можно максимальных углов  уравновешивания и допустимых усилий на рукоятке маховика механизма вертикального  наведения.

При изменении угла возвышения механизм перекашивается. Вследствие чего возникает выталкивающая сила, которая перемещает ролик в новое положение, соответствующее новому углу возвышения. Затем ось механизма снова устанавливается по нормали к профилю.

Одним из возможных путей  обеспечения точного и автоматического  уравновешивания качающейся части  в достаточно широком диапазоне  углов вертикального наведения, как уже отмечалось выше, является уравновешивание механизмами с нижней подвижной опорой. Вопрос состоит лишь в том, каким образом должна перемещаться эта опора для получения оптимального уравновешивания.

Для решения поставленной задачи из условия обеспечения уравновешивания  и расположения оси компенсатора по нормали к траектории перемещения  нижней опоры в любой точке  были получены дифференциальные уравнения, описывающие профили пневматического механизма с учетом определенного момента неуравновешенности.

Для пневматического механизма  дифференциальное уравнения имеют следующий вид:

           (3.2.1)

 

                             (3.2.2)

 

Где ,                      (3.2.3)

 

Рисунок 3.2.2 - Расчетная схема

 

Основные уравнения:

                     (3.2.4)

  (3.2.5)

                          (3.2.5)