импульсный магнитоэлектрический генератор

Формула изобретения

1. Импульсный магнитоэлектрический генератор преимущественно артиллерийского управляемого снаряда, содержащий ярмо, состоящее из цилиндрического сердечника и основания в форме диска, с закрепленным на нем трубчатым цилиндрическим магнитом, внутри которого размещена катушка, и дисковый якорь, удерживаемый у торцов магнита и сердечника ярма срезным предохранителем, отличающийся тем, что предохранитель выполнен в виде плоской круглой мембраны, жестко закрепленной по контуру на якоре, например, упругим разрезным кольцом в проточке якоря, и в центре на направляющей из немагнитного материала, скрепленной с сердечником ярма и проходящей через отверстие, выполненное в якоре, между втулкой, установленной на свободном конце направляющей, и упором, например гайкой, взаимодействующей со свободным резьбовым концом направляющей, при этом диаметр направляющей равен диаметру отверстия в якоре, а якорь, мембрана, направляющая и упор установлены соосно, причем их геометрические и физические параметры связаны соотношениями







где h - толщина мембраны;

m_я - масса якоря;

заданная величина ускорения артиллерийского управляемого снаряда в канале ствола для срабатывания генератора;

P_о - усилие удержания якоря магнитом при нулевом воздушном зазоре;

K = 1 - 1,3 - коэффициент, учитывающий влияние различных факторов при срезе;

R - радиус отверстия в якоре;

_o - сопротивление срезу материала мембраны;

r - радиус рабочего пояска упора;

U_раб - рабочий ход якоря;

допустимая (безопасная) величина ускорения, действующая на артиллерийский управляемый снаряд при транспортировке и обращении с ним;

E - модуль упругости материала мембраны;

b = 0,005 - 0,02 - коэффициент допустимого безопасного перемещения;

- коэффициент;



- коэффициент Пуассона материала мембраны.

2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что на участке направляющей, взаимодействующем с якорем, выполнено не менее трех площадок параллельно оси направляющей и равномерно распределенных по окружности.

3. Генератор по п.1, отличающийся тем, что ширина рабочего пояска упора находится в пределах 0,1 - 0,5 мм.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области ракетной техники и предназначено для приведения в действие электровоспламенителей бортовых источников питания и аппаратуры управляемого снаряда, выстреливаемого из канала ствола артиллерийского орудия, а также может быть использовано во взрывателях для артиллерийских снарядов.

Известен источник питания [1], принятый за аналог, в корпусе которого расположены детонатор, связанный с ним пьезоэлектрический элемент и ударный механизм, содержащий фланец, который удерживает механизм во взведенном состоянии. Воздействие на ударный механизм определенного усилия вызывает срез участка фланца, освобождение механизма и его воздействие на детонатор. Давление газов, возникающее при срабатывании детонатора, вызывает создание в пьезоэлектрическом элементе определенной разности потенциалов. Конструктивная схема известного источника питания сложна, - необходимы элемент для создания усилия на ударный механизм, сам ударный механизм, детонатор и пьезоэлектрический элемент, - и наличие в ней детонатора требует принятия специальных мер безопасности при изготовлении источника питания и его использовании.

Известен также импульсный магнитоэлектрический генератор (ИМЭГ) - индуктор 9М117.00.01.040 [2], принятый за прототип, содержащий ярмо, состоящее из цилиндрического сердечника и основания в форме диска, с центральным сквозным отверстием, с установленным на ярме трубчатым цилиндрическим магнитом, внутри которого расположена катушка, дисковый якорь, замыкающий магнитопровод, с толкателем, проходящим через упомянутое центральное отверстие и удерживаемым в ярме жестким предохранителем в виде срезной чеки. Конструкция известного устройства работоспособна совместно с ударно-спусковым механизмом артиллерийского орудия, из которого производится запуск-выстрел управляемого снаряда. Это приводит к необходимости размещать ИМЭГ и непосредственной близости к ударно-спусковому механизму: либо на заднем торце снаряда, который находится у дна гильзы; либо непосредственно в дне гильзы. Это вызывает значительные трудности в подсоединении катушки ИМЭГ к электрическим цепям управляемого снаряда. Особенно это проявляется при раздельном гильзовом заряжании, - когда сначала снаряд, а затем гильза с метательным зарядом подаются в канал ствола. При картузном заряжании, - когда гильза отсутствует и в канал ствола сначала подается снаряд, а затем укладываются мешки с метательным зарядом (картузы), - осуществить задействование ИМЭГ от ударно-спускового механизма вообще невозможно.

Целью настоящего изобретения является задействование импульсного магнитоэлектрического генератора от нагрузок, действующих на снаряд в канале ствола при выстреле, с обеспечением необходимых требований по безопасности к электрическим цепям с электровоспламенителями при хранении и транспортировании снаряда.

Решение поставленной задачи достигается выполнением срезного предохранителя в виде плоской круглой мембраны, жестко закрепленной (защемленной) по контуру на якоре, например упругим разрезным кольцом в проточке якоря, и в центре на направляющей из немагнитного материала, скрепленной с сердечником ярма и проходящей через отверстие, выполненное в якоре, между втулкой, установленной на свободном конце направляющей, и упором, например гайкой, взаимодействующей со свободным резьбовым концом направляющей, при этом диаметр направляющей равен диаметру отверстия в якоре, а якорь, мембрана, направляющая и упор установлены соосно, причем их геометрические и физические параметры связаны соотношениями:







где

h - толщина мембраны;

m_я - масса якоря;

заданная величина ускорения артиллерийского управляемого снаряда в канале ствола для срабатывания генератора;

P₀ - усилие удержания якоря магнитом при нулевом воздушном зазоре;

k = 1. ..1,3 - коэффициент, учитывающий влияние различных факторов при срезе;

R - радиус отверстия в якоре;

₀ - сопротивление срезу материала мембраны;

r - радиус рабочего пояска упора (гайки);

u_раб - рабочий ход якоря;

допустимая (безопасная) величина ускорения, действующая на артиллерийский управляемый снаряд при транспортировке и обращении с ним;

E - модуль упругости материала мембраны;

b = 0,005...0,02 - коэффициент допустимого безопасного перемещения;

коэффициент;

c = R / r;

- коэффициент Пуассона материала мембраны.

Кроме того, на направляющей на участке, взаимодействующем с якорем, выполнено не менее трех площадок (лысок) параллельно оси направляющей и равномерно распределенных по окружности, а ширина пояска упора радиусом r находится в пределах 0,1...0,5 мм.

Такое выполнение конструкции импульсного магнитоэлектрического генератора позволяет обеспечить его срабатывание при заданном уровне ускорений, действующих на артиллерийский управляемый снаряд в канале ствола при выстреле, а также обеспечить безопасность электрических цепей при заданном уровне ускорений, воздействующих на снаряд при его транспортировании, а также при обращении со снарядом во время хранения.

Изложенная сущность предлагаемого изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 изображен продольный разрез ИМЭГ; на фиг. 2 - поперечное сечение ИМЭГ в месте взаимодействия якоря с направляющей; на фиг. 3 - график изменения коэффициента A в зависимости от соотношения r/R; на фиг. 4 - графики относительного усилия удержания якоря магнитом в зависимости от хода якоря P/P₀ = f(u), относительного сопротивления срезу для различных типов материалов от относительной толщины срезаемого материала /₀ = f(u/h), относительного усилия сопротивления движению якоря от относительного хода якоря P/P₀ = f(u/h), показана величина рабочего хода якоря u_раб.

Импульсный магнитоэлектрический генератор (фиг. 1) содержит ярмо 1, состоящее из цилиндрического сердечника 9 и основания 11 в форме диска, на котором установлен цилиндрический магнит 2, намагниченный в осевом направлении. В кольцевом зазоре между магнитом и сердечником ярма размещена катушка 10. Ярмо, магнит и катушка скреплены между собой. К торцам магнита и сердечника ярма прилегает якорь 3, который удерживается в исходном положении мембраной 6. Мембрана жестко защемлена (закреплена) в проточке якоря упругим разрезным кольцом 4 и на направляющей 8 между упором в виде гайки 5 и втулкой 7, причем гайка поджимает якорь через мембрану к торцам магнита и сердечника ярма. Втулка выбирает зазор между направляющей и мембраной в осевом направлении и обеспечивает жесткое защемление мембраны на направляющей. Направляющая установлена на сердечнике ярма и скрепляется с ним, например резьбовым соединением. Направляющая, якорь, мембрана и гайка установлены соосно. Толщина мембраны определяется из уравнения:



где

h - толщина мембраны;

m_я - масса якоря;

заданная величина ускорения артиллерийского управляемого снаряда в канале ствола для срабатывания генератора;

P₀ - усилие удержания якоря магнитом при нулевом воздушном зазоре;

k = 1. ..1,3 - коэффициент, учитывающий влияние различных факторов при срезе;

R - радиус отверстия в якоре;

₀ - сопротивление срезу материала мембраны.

Величина зазора между рабочим пояском гайки (радиусом r) и отверстием в якоре (радиусом R) определяется соотношением:



где

h - толщина мембраны;

R - радиус отверстия в якоре;

r - радиус рабочего пояска гайки.

Кроме того, для обеспечения вырабатывания импульсной ЭДС при выстреле и безопасности при транспортировании снаряда и обращении с ним во время хранения толщина мембраны должна удовлетворять требованиям, которые определяются соотношением:



где

u_раб - рабочий ход якоря;

h - толщина мембраны;

m_я - масса якоря;

допустимая (безопасная) величина ускорения, действующая на артиллерийский управляемый снаряд при транспортировке и обращении с ним;

P₀ - усилие удержания якоря магнитом при нулевом воздушном зазоре;

коэффициент;

c = R / r;

- коэффициент Пуассона материала мембраны;

R - радиус отверстия в якоре;

r - радиус рабочего пояска гайки;

E - модуль упругости материала мембраны;

b = 0,005...0,02 - коэффициент допустимого безопасного перемещения.

Для уменьшения усилия сопротивления движению якоря на поверхности направляющей в месте взаимодействия с якорем (фиг. 2) выполнены площадки (лыски), которые равномерно распределены по окружности. Для обеспечения центрирования якоря на направляющей количество лысок не должно быть меньше трех. Также для уменьшения сопротивления движению якоря ширина рабочего пояска гайки должна быть как можно меньше. Величина пояска реально выполнима в пределах 0,1...0,5 мм.

Принцип действия.

Импульсный магнитоэлектрический генератор работает следующим образом. При выстреле артиллерийский управляемый снаряд движется по каналу ствола с ускорением, которое задает ему метательный заряд. Величина ускорения определяется условиями эксплуатации и применяемым метательным зарядом. ИМЭГ, закрепленный на снаряде, перемещается вместе с ним. При этом инерционная масса якоря 3 (фиг. 1), преодолевая усилие удержания якоря магнитом 2 и разрушая мембрану 6, перемещается относительно магнита, что приводит к генерированию в катушке 10 импульсной ЭДС

Во время движения снаряда по каналу ствола на якорь ИМЭГ действуют перегрузка, которая стремится оторвать якорь от торцoв магнита и ярма, и удерживающие силы от магнита и мембраны. Поскольку ИМЭГ должен срабатывать во всех условиях эксплуатации снаряда, то задается наименьший уровень перегрузки (ускорения) снаряда для срабатывания ИМЭГ. Из условия равенства сил, действующих на якорь, получаем уравнение:

F = P₀ + P_ср, (1)

где

F - усилие, действующее на якорь от перегрузки при движении снаряда по каналу ствола;

P₀ - усилие удержания якоря магнитом при нулевом воздушном зазоре между якорем и торцами магнита и сердечника ярма;

P_ср - усилие среза мембраны.

Поскольку ИМЭГ должен гарантированно срабатывать, то

F P₀ + P_ср.

где

m_я - масса якоря;

заданная величина ускорения снаряда в канале ствола.

В соответствии с [3, с. 60] уравнение для определения усилия среза (вырубки) мембраны имеет вид

P_ср = k2Rh₀,

где

k = 1. ..1,3 - коэффициент, учитывающий влияние различных факторов при вырубке (затупление режущих кромок, неравномерность параметров материала и т.д.);

R - радиус отверстия в якоре;

h - толщина мембраны;

₀ - сопротивление срезу материала мембраны.

Подставляя в уравнение (1) значение его членов, определяем потребную толщину мембраны



Этим уравнением описывается первое требование, которому должен удовлетворять ИМЭГ.

При транспортировании, а также при обращении со снарядом на него могут воздействовать нагрузки, которые вызывают появление на элементах снаряда, в том числе и на ИМЭГ, ускорений, совпадающих по направлению с рабочим, что также может привести к наведению в катушке импульсной ЭДС, что недопустимо, поскольку в электрических цепях имеются электровоспламенители. Поэтому задается уровень допустимых (безопасных) величин ускорений, действующих на снаряд. При воздействии этих ускорений перемещения якоря должны быть малы и не приводить к появлению импульсной ЭДС, достаточной для срабатывания электровоспламенителей. Рассмотрим перемещение якоря по направляющей относительно гайки, которую можно рассматривать как жесткий центр мембраны. Из [4, с. 242] уравнение перемещения жесткого центра мембраны можно записать



u - перемещение якоря относительно гайки (магнита, ярма);

коэффициент;

P_ср - нагрузка, действующая на мембрану.

В нашем случае

P_ср = F - P₀;

R - радиус отверстия в якоре (внешний радиус защемления мембраны);

E - модуль упругости материала мембраны;

h - толщина мембраны;

- коэффициент Пуассона материала мембраны.

r - радиус рабочего пояска гайки (радиус жесткого центра).

Из уравнения (2) следует, что величина перемещения u прямо пропорциональна коэффициенту A и радиусу R внешнего защемления мембраны и обратно пропорциональна толщине мембраны h, и при одной и той же нагрузке величина перемещения якоря будет наименьшей при наименьших коэффициенте A и радиусе R и при наибольшей толщине мембраны.

Коэффициент A характеризует влияние величины зазора между якорем и гайкой на величину деформации мембраны. На фиг.3 показана зависимость коэффициента A (при коэффициенте Пуассона для металла 0,3) от соотношения r/R, которое определяет величину зазора. Эта зависимость нелинейна и при уменьшении зазора до нуля (при стремлении отношения r/R к единице) коэффициент A стремится к нулю, то есть перемещение якоря стремится к нулю. Практически выполнение зазора, величина которого определяется соотношением

r/R 0,9, (3)

обеспечивает наименьшую величину деформации мембраны, то есть ее наибольшую жесткость, так как величина коэффициента A в этом случае очень мала.

Но отсутствие зазора между якорем и гайкой (когда r/R=1) приводит к заклиниванию якоря и как следствие к несрабатыванию ИМЭГ при любых внешних воздействиях. Промышленный опыт резания листовых материалов штампами накопил большой объем информации по влиянию величины зазора между пуансоном и матрицей на величину усилия вырубки (среза). Согласно [5, с.32] "изменение величины зазора в пределах от 10% до 1% (от толщины материала) на сторону не оказывает практического влияния на сопротивление срезу. Увеличение сопротивления срезу происходит лишь при зазорах порядка 1% толщины". Следовательно, величина зазора между якорем и гайкой не должна быть меньше 1% от толщины мембраны. Это можно записать уравнением



Из уравнения (3) и (4) получается второе требование, которому должен удовлетворять ИМЭГ:



Оценку величин оставшихся рассматриваемых нами взаимосвязанных параметров уравнения (2) h и R проведем на основе уравнения ЭДС в катушке ИМЭГ



E - ЭДС в катушке;

W - количество витков в катушке;

- магнитный поток;

u - ход якоря (величина зазора между якорем и торцами магнита и сердечника ярма).

Член уравнения d/du характеризуется статической характеристикой магнитной системы

P = f(u),

где

P - сила притяжения (удержания) якоря магнитной системой.

Член уравнения du/dt есть скорость перемещения якоря относительно магнита (ярма).

Из уравнения (5) очевидно, что при наличии хотя бы одного множителя (d/du, du/dt) равным нулю, ЭДС равна нулю.

Поскольку уравнение (2) не позволяет однозначно определить величины h и R с точки зрения вырабатывания ИМЭГ ЭДС, рассмотрим графики, представленные на фиг.4.

Для магнитной системы с отрывающимся якорем сила притяжения якоря описывается уравнением

P = P₀e^-u/a,

где P - сила притяжения якоря;

сила притяжения якоря при нулевом воздушном зазоре;

u - ход якоря (зазор между якорем и магнитом);

a - коэффициент, характеризующий конструкцию магнитной системы;

₀ - магнитный поток при нулевом воздушном зазоре;

₀ - магнитная постоянная;

S - площадь эквивалентного сечения рабочего воздушного зазора.

На фиг. 4 представлены графики P/P₀ = f(u) для нескольких значений коэффициента a и экспериментальная зависимость для конструкции ИМЭГ по предлагаемому изобретению. Некоторое расхождение теоретических и экспериментальной кривых при некотором ходе u связаны с наличием направляющей, материалом направляющей, формой полюсов.

Промышленный опыт работы по резке-вырубке листовых металлов штампами [3, 5] показывает, что процесс вырубки протекает в три стадии:

- первая стадия - стадия упругих деформаций;

- вторая - стадия пластических деформаций до образования скалывающих (разъединяющих) трещин;

- третья - стадия разъединения металла, при которой происходит смыкание скалывающих трещин и полное разъединение вырубаемого контура.

Во время первой и второй стадий вырубки скорость погружения пуансона в металл уменьшается, а с начала третьей стадии - резко увеличивается.

Относительная величина углубления пуансона в металл i_m/h (i_m - наибольшее перемещение пуансона до момента разъединения металла по контуру; h - толщина металла) в момент образования скалывающих трещин для каждого материала является величиной постоянной.

На рисунке 8 [5, с.32] приведены кривые зависимости сопротивления срезу от относительного перемещения пуансона = f(i/h) для характерных металлов (пластичных, твердых, прочных).

На фиг. 4 представлены эти характерные кривые в относительных величинах /₀ = f(i/h). Причем глубина погружения пуансона i соответствует перемещению якоря u, а толщины мембраны для каждого металла соотносятся между собой так, чтобы обеспечить заданное усилие среза:



(Графики построены для мембраны из пластичного металла - алюминия с ₀ = 6 кгс/мм² и для прочного металла - стали с 23 кгс/мм²).

Согласно [5, с.32] наивысшая точка кривой = f(i/h) соответствует наибольшему сопротивлению срезу ₀, а концы кривых = f(i/h) - окончанию второй стадии процесса вырубки. Этот характер кривых сохраняется, если их построить в относительных величинах /₀ = f(u/h).

На фиг. 4 показана также величина рабочего хода якоря u_раб, которая говорит о том, что при перемещении якоря в пределах u_раб в катушке ИМЭГ будет индуцироваться ЭДС Величина усилия притяжения якоря магнитной системой и, следовательно, магнитный поток, сцепленный с катушкой ИМЭГ, уменьшаются с увеличением зазора между якорем и магнитом в экспоненте. С определенного момента при увеличении зазора магнитный поток изменяется очень мало. Таким образом, дальнейшее увеличение зазора (хода якоря) практически нецелесообразно, так как индуцируемая ЭДС пренебрежимо мала. Эта величина рабочего хода якоря зависит от конструкции ИМЭГ и определяется статической характеристикой магнитной системы.

На фиг.4 также показаны кривые изменения суммарного усилия сопротивления движению якоря в относительных величинах для различных материалов.

Поскольку P = P_ср + P,

где

P_ср - усилие среза мембраны;

P - усилие притяжения якоря,

то характер изменения P/P₀ определяется кривыми /₀ и P/P₀.

Из графиков видно, что наибольшее сопротивление движению якоря соответствует второй стадии вырубки (разрушения мембраны). В этот момент скорость якоря мала. После прохождения максимума на кривой скорость якоря резко увеличивается и в катушке ИМЭГ генерируется ЭДС. Из графиков видно, что, чем при меньшем ходе якоря будет пройден максимум усилия сопротивления, тем лучше будут условия для генерирования ЭДС. Если же наибольшая величина сопротивления движению якоря будет располагаться на ходе, близком к u_раб, то вырабатываемая ЭДС (с учетом разбора уравнения (5) в катушке ИМЭГ не представляет практического интереса. Таким образом, необходимо подбирать параметры мембраны (толщину и механические свойства материала мембраны) таковыми, чтобы сопротивление движению якоря достигало наибольшей величины на как можно меньшем ходе якоря. Это условие однозначно задается следующим выражением:

u_раб h (6)

Но, выбирая как можно меньшую толщину мембраны, мы вступаем в противоречие с уравнением (2), которое говорит, что для обеспечения безопасности толщину мембраны необходимо выбирать как можно большую.

Для разрешения этого противоречия рассмотрим взаимодействие якоря с магнитом и ярмом при "нулевом" воздушном зазоре.

При залипании якоря на торцах магнита и ярма он опирается на них только в некоторых точках. По остальной поверхности между якорем и магнитом и ярмом имеется воздушный зазор, величина которого определяется погрешностью изготовления деталей (погрешностью формы и шероховатостью поверхностей). На практике величина погрешности изготовления составляет 0,5...2% от рабочего хода якоря. При перемещениях якоря относительно магнита (и ярма) на величину, соизмеримую с погрешностью изготовления, усилие взаимодействия якоря с магнитной системой практически не меняется, так как при силовом взаимодействии имеют место микродеформации взаимодействующих деталей, и влияние воздушного зазора нивелируется (осредняется).

Таким образом, задавая из условия безопасности допустимую величину перемещения якоря, или, по-другому, деформации мембраны из уравнения (2), получим, что:



и после преобразования



где

h - толщина мембраны;

m_я - масса якоря;

допустимая (безопасная) величина ускорения, действующая на артиллерийский управляемый снаряд при транспортировке и обращении с ним;

P₀ - усилие удержания якоря магнитом при нулевом воздушном зазоре;

коэффициент;



- коэффициент Пуассона материала мембраны;

R - радиус отверстия в якоре;

r - радиус рабочего пояска гайки;

E - модуль упругости материала мембраны;

b = 0,005...0,02 - коэффициент допустимого безопасного перемещения;

u_раб - рабочий ход якоря;

Это выражение определяет допустимую наименьшую толщину мембраны. Поэтому, чем больше толщина мембраны величины, определяемой из этого уравнения, тем лучше с точки зрения безопасности



Таким образом, из уравнений (6) и (7) получаем третье требование, которому должен удовлетворять ИМЭГ



Испытания образцов импульсного магнитоэлектрического генератора артиллерийского управляемого снаряда, изготовленных Конструкторским бюро приборостроения, показали, что при выполнении в конструкции ИМЭГ требований







обеспечивается его задействование от перегрузок, действующих на снаряд в канале ствола при выстреле, и, одновременно, при транспортировании и обращении со снарядом в электрических цепях снаряда, подключенных к катушке ИМЭГ, не наблюдается импульсов ЭДС, достаточных для срабатывания электровоспламенителей.

Источники информации

1. Патент 5040463, США, Н.кл. 102-210.

2. Выстрел 3УБК10 с управляемым снарядом 9М117. Техническое описание и инструкция по эксплуатации 3УБК10.00.00.000Т0, М.: Военное издательство, 1987. Индуктор 9М117. 00.01.040, с.47, рис.28.

3. Зубцов М.Е. Листовая штамповка, М.-Л.: Машгиз, 1958.

4. Пономарев С.Д., Андреева Л.Е. Расчет упругих элементов машин и приборов, М.: Машиностроение, 1980.

5. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке, М.-Л.: Машиностроение, 1965.