Пристрій і спосіб температурної компенсації жерла зброї

Реферат: Пропонується пристрій і спосіб температурної компенсації жерла гармати (10), що складається щонайменше з одного жерла (11), яке лежить на колисці (3) і опорі жерла (4) у вигляді продовження колиски (3), причому на колисці (3) і опорі жерла (4) встановлено кілька датчиків температури (pl-p16), які зв'язані через лінії передачі даних (6) з блоком даних (7), а блок даних (7) - з пристроєм обробки даних (9), при цьому пристрій обробки даних (9) може діяти на виконавчі механізми гармати (10). За допомогою датчиків температури (pl-p16) вимірюється температура на колисці (3) і опорі жерла (4). Після цього визначається різниця температур між верхньою і нижньою стороною та правою і лівою стороною колиски (3), а також опори жерла (4). З цих величин розраховують нахил жерла, а потім компенсують нахил жерла шляхом зміни орієнтації жерла (11) за азимутом і/або кутом місця. UA 107630 C2 (12) UA 107630 C2 UA 107630 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Цей винахід стосується жерла гармати, наприклад, револьверної гармати наземної або морської протиповітряної оборони. Цей винахід, зокрема, стосується жерла гармати, встановленого на колисці і опорі жерла, причому колиска для стабілізації, направлення і демпфування коливань переходить в опору жерла, яка у кількох місцях несе або утримує жерло. Як правило, гармата включає нижній верстат лафета, башту і колиску з опорою жерла, на якій лежить жерло (EP 1 154 219 A). Під дією сонячного випромінювання верхня сторона колиски сильно нагрівається, тоді як нижня, сторона, що не піддається впливу сонячного світла, зазнає лише незначного підвищення температури. Різниця температур, що виникає при цьому, приводить до різного теплового розширення між верхньою і нижньою стороною колиски, в результаті чого жерло певної довжини I відхиляється вниз на певний кут δ на своєму вільному кінці по відношенню до початкової вісі жерла. Це відхилення сильно залежить від навколишніх і атмосферних впливів і знову ж таки суттєво впливає на ймовірність влучання зброї. Подібні теплові відмінності можуть виникнути і на бічних поверхнях, наприклад, коли зброя зазнає впливу сонячного випромінювання під час сходу чи заходу сонця в основному з однієї сторони або коли обернена до вітру сторона гармати сильніше охолоджується, ніж обернена в протилежний бік сторона. Під час реального використання подібні ефекти виникають у комбінації. При кожному пострілі жерло зазнає впливу газоподібних продуктів вибуху, і одночасно через механічне тертя між жерлом і снарядом виникає теплота тертя. Це призводить до підвищення температури жерла. Особливо це стосується випадку, коли зброя використовується для вогню чергами. У цьому випадку теплота концентрується на задній грані затвору і на верхній стороні жерла, куди теплота передається шляхом конвекції. Цей спричинений пострілами температурний градієнт призводить до відведення вільного кінця жерла від розрахункового положення. У простих пасивних рішеннях згідно з описом патенту DE 30 05 117 використовується захисний чохол, який надівається безпосередньо на жерло, при цьому захисний чохол згідно з іншим описом патенту DE 199 04 417 виконується не радіально-симетричним, щоб протистояти асиметричному нагріванню. У патенті DE 1918 422 розкривається теплозахисний чохол у вигляді металевої оболонки, розташованої на малій відстані від жерла гармати, при цьому теплова ізоляція забезпечується нерухомим шаром повітря між жерлом гармати і металевою оболонкою. Ці рішення є статичними і не можуть реагувати на змінні навколишні умови. У захисних чохлах з двома стінками згідно з описами патентів WO 97 / 47 939 або US 4753154 між обома поверхнями пропускається робоче текуче середовище, щоб покращити тепловідведення від захисного елемента. Ці системи також працюють без регулювання і є чисто пасивними. Активні нагрівальні елементи, встановлені безпосередньо на жерло зброї, описуються в патентах DE 32 19 124 і GB 2328498. Нагрівальні смужки паралельно осі жерла перекомпенсують зовнішні температурні впливи, нагріваючи жерло до температури приблизно на 10 °C вище середньої навколишньої температури. Відхилення жерла від нормального положення визначають, наприклад, оптичними способами. Оптичні способи дуже енергозатратні і одночасно дуже повільні, тому вони надзвичайно чутливі до механічних навантажень системи під час пострілу. Спричинене пострілом підвищення температури згідно з описом патенту DE 44 33 627 вимірюється термоелементом, що встановлюється на стінку зарядної камери на глухий отвір. З одного боку отвір може мати негативний вплив на механічну стійкість, з іншого – температурний градієнт може бути не сприйнятий вздовж жерла. У витягу з японського патенту JP 7-91891 описується активне вимірювання прогинання жерла за допомогою оптичної системи і одночасна компенсація згинання жерла за допомогою гідравлічного циліндра, що діє на обидва кінці жерла зброї. Ця процедура дуже коштовна. Крім того, компенсації можна досягти лише у площині, що утворена віссю жерла і центральною віссю гідравлічного циліндра. Тому неможлива загальна компенсація за азимутом і кутом місця. Задачею цього винаходу є створення пристрою і способу, за допомогою яких можлива проста і економічна компенсація спричиненого температурою згинання жерла, у тому числі під час виконання пострілів. Ця задача вирішується за допомогою ознак пункту 1 формули винаходу стосовно пристрою і пункту 6 формули винаходу стосовно способу. Переважні варіанти здійснення наведені у залежних пунктах формули винаходу. 1 UA 107630 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Як відомо, під дією сонячного світла жерло зброї згинається донизу. Ця деформація спричиняється різницею температур між верхньою і нижньою стороною опори жерла і колиски. Вплив опори жерла і вплив колиски загалом розглядаються як окремі проблеми; тим не менше, для визначення загального нахилу жерла їх потрібно накладати. Таким чином, в основу винаходу покладена ідея використання датчиків температури, а отже створення системи співвідношення температур. Ця система має технічну здатність визначати різницю температури між верхньою і нижньою сторонами опори жерла (протилежно розташованими датчиками), а також між правою і лівою сторонами опори жерла (протилежно розташованими датчиками). Розрахунок нахилу жерла проводять за допомогою різниць температури. Компенсацію нахилу жерла проводять за величиною нахилу шляхом зміни розташування жерла за азимутом і/або кутом місця. Одночасно можна зв'язати контроль за датчиками температури і блок даних. Функція температурної компенсації використовується в якості додаткового параметра у керуванні зброєю і, зокрема, у розрахунку азимуту і кута місця зброї. При цьому спричинене температурою відхилення жерла компенсується безпосередньо серводвигунами зброї. В результаті спосіб за цим винаходом дуже швидкий, регулювання відбувається зі звичайною швидкістю до кількох 10° за секунду. Одночасно цей спосіб можна використовувати під час стрільби. Для проведення компенсації жерла не потрібно переводити зброю з готового до стрільби стану у неготовий до стрільби стан. В результаті підвищується тривалість використання зброї. Для пристрою за цим винаходом потрібно внести лише незначні технічні модифікації. Загалом з апаратної точки зору достатньо лише встановити відомі датчики температури і з'єднати їх з блоком даних. В результаті пристрій дуже економічний. Компенсація жерла не створює жодних нових згинальних моментів чи напружень в жерлі. В результаті підвищується строк служби зброї. Відмова окремих датчиків може бути компенсована за допомогою математичної моделі, тому що можна виходити з постійного розподілу температури на колиску і опору жерла (перевірка достовірності). Тим не менш, в алгоритмі оцінки передбачені різні площини повернення на випадок відмови кількох датчиків. В результаті система особливо стійка до відмови окремих датчиків. У винаході також фіксується зміна в часі функції температурного співвідношення, яка зберігається в обчислювальній машині гармати з можливістю зчитування для проведення робіт з технічного обслуговування. В результаті можна пізніше запротоколювати теплове навантаження гармати або виявити помилки в алгоритмі розрахунку. Відповідно до звичних у військовій сфері температурних діапазонів датчики і блок даних розраховані для надійної роботи, зазвичай, в діапазоні від -46 °C до +120 °C. У цьому діапазоні температур вимірювання проводяться з достатньо високою роздільною здатністю і точністю. Роздільна здатність і точність визначаються використовуваною математичною моделлю, при цьому роздільна здатність 0,1 °C і точність 0,2 °C на практиці вважається достатньою. Отже описана вище ідея відзначається наступними характеристиками: - дуже простий спосіб вимірювання традиційними датчиками температури; система – економічна і стабільна - надлишковість датчиків при великій захищеності окремих датчиків системи від відмов - дуже швидка компенсація деформації жерла за допомогою приводу гармати - можливість використання під час стрільби, у тому числі при вогні чергами - компенсація азимутальних похибок, а також похибок кута місця на основі спричиненої температурою деформації жерла - жодного механічного впливу засобу вимірювання на жерло або встановлення жерла. Винахід докладніше описується на основі прикладу здійснення з кресленням. Показані наступні фігури: На фіг. 1 показана башта гармати за сучасним рівнем техніки. На фіг. 2 показана башта гармати з пристроєм за цим винаходом у колисці та опорі жерла. На фіг. 3 показане спрощене представлення розташування датчиків з фіг. 2. На фіг. 4 показана блок-схема способу. На фіг. 1 показана традиційна револьверна гармата 10 з баштою гармати 1, нижнім верстатом лафета 2, колискою 3 і опорою жерла 4 у вигляді продовження колиски 3. Опора жерла 4 складається, в основному, з трубчатої рами каркасної конструкції (не показаної) і може, як і вся гармата 10, бути поміщена у захисний чохол (не показаний). Згідно з фіг. 2 подібна гармата 10 оснащена кількома датчиками температури p1-pn, переважно у кількості 16 штук, в області колиски 3 і опори жерла 4. За допомогою 16 датчиків 2 UA 107630 C2 5 10 15 20 25 30 35 (p1-p16) проводиться вимірювання температури біля опори жерла 4 (дванадцять датчиків) і стінок колиски 3 (чотири датчика). В штекерних коробках 5 сигнали датчиків температури p1-p16 з опори жерла 4 і колиски 3 збираються і передаються через лінії передачі даних 6 на блок даних 7, в якому аналогові сигнали датчиків температури оцифровуються. Потім з блока даних 7 дані передаються через канал Ethernet 8 на пристрій обробки даних 9 (ПОД). ПОД компенсує деформацію шляхом зміщення по відношенню до горизонту (пристосування величини нахилу). Блок даних 7 включає АЦП і сервер з Ethernet. Розташування датчиків в колисці і опорі жерла, а також з'єднання компонентів описується нижче. Згідно з фіг. 3 загалом визначається чотири площини, ортогональні осі жерла, при цьому краще, якщо площина E4 лежить на колисці, а площини E1-E3 – на опорі жерла. В цих площинах розташовуються чотири загалом відомі з рівня техніки датчика температури (наприклад, PT 100), які переважніше всього слід розташувати в кутах площин. В першій площині E1 біля дула жерла розташовані датчики p1-p4, у наступній площині в напрямку колиски E2 розташовані датчики p5-p8 тощо. Датчики через лінії передачі даних 6 зв'язані з блоком даних 7. Блок даних оцифровує аналогові сигнали датчиків температури і відсилає дані температури через канал даних 8 на БУН 9. Така схема дає змогу виміряти розподіл температури на колисці 3 і опорі жерла 4. Дані з датчиків температури p1-p16 оцифровуються і передаються на пристрій обробки даних (ПОД 9). Одночасно вони порівнюються з відповідними збереженими параметрами жерла 11. Для спричиненого температурою відхилення жерла розроблена математична модель, яка за допомогою параметрів оптимізації створює зв'язок між датчиками p1-p16 і загальним відхиленням жерла. Хід виконання способу за цим винаходом коротко описаний на фіг. 4. Для спеціалістів з показаного на фігурі загального алгоритму без зайвих зусиль буде зрозуміло, як потрібно організовувати компенсацію азимутальної похибки або змішаної форми обох похибок, так що від явного введення тут можна відмовитися. Винахід також стосується компенсації азимутальної помилки. – Числові вагові параметри a, b, g або заздалегідь вводять в систему (ПОД), або визначаються при вимірюванні і орієнтуванні гармати 10, і переносяться до математичної моделі. Значення температури використовують для формування полінома, щоб отримати характеристику похибки жерла вздовж довжини. ПОД 9 отримує з блока даних 7 значення температури T з коефіцієнтом для відповідного датчика. При цьому визначаються усереднені різниці температури за кутом місця в кожній площині датчиків E1-E4 опори жерла и колиски. Паралельно визначається, чи працездатні датчики, скільки з них працездатні і видають достовірні значення. Величини з TE1 _ в ерхній_ прав ий  TE1 _ в ерхній_ лів ий TE1 _ нижній _ прав ий  TE1 _ нижній _ лів ий о TE1 _ Dif f _ E1   С NЕ1 _ кількість _ працюючих _ в ерхніх_ датчиків NЕ1 _ кількість _ працюючих _ нижніх _ датчиків  до TE4 _ Dif f _ E1  40 45     TE4 _ в ерхній_ прав ий  TE4 _ в ерхній_ лів ий  TE4 _ нижній _ прав ий  TE4 _ нижній _ лів ий о С NЕ4 _ кількість _ працюючих _ в ерхніх_ датчиків NЕ4 _ кількість _ працюючих _ нижніх _ датчиків дають різницю температур в площинах Е1-Е4. Нахил жерла V для площини датчиків визначається із застосуванням наступного співвідношення, де a і b – це числові параметри адаптації. Визначають з VE1_ жерло _ Р _ Е1  аR _ E1  TE1_ Dif f_ E1  bR _ E1 рад  до VE3 _ жерло _ Р _ Е1  аR _ E1  TE3 _ Dif f _ E1  bR _ E1 рад  і VE4 _ жерло _Р _ Е1  а W _ E1  TE4 _ Dif f_ E1  b W _ E1 рад  50 Потім зважують визначений загальний нахил жерла для кожної площини датчиків E1-E4. Це спрощує контроль достовірності та гарантує модульність для обчислення загального нахилу жерла (у разі відмови площини датчиків). Визначають Vжерло _ R _ P _ E1  VE1_ жерло _ P _ E1  g1_ E1  VE2 _ жерло _ P _ E1  g2 _ E2  VE3 _ жерло _ P _ E1  g3 _ E3 рад  і Vжерло _ W _ P _ E1  VE4 _ жерло _ P _ E1  g4 _ E1 рад  3 UA 107630 C2 5 з числовим ваговим параметром адаптації g. В іншому варіанті здійснення враховується характерна для системи інерція. Вона виникає через те, що датчики p1-p16 можуть суттєво швидше відображувати зміни температури, ніж цей градієнт може компенсуватися у жерлі 11 і опорі жерла 4 чи колисці 3. Для врахування часового зсуву вимірювань до сигналу керування додається так званий D-компонент. Вона складається з першої числової похідної раніше вказаного Р-компонента опори жерла 4 і колиски 3. Vжерло _ R _ P _ E1 Vжерло _ R _ P _ E1t n   Vжерло _ R _ P _ E1t n1  рад / хв.  t t n  t n1 і Vжерло _ W _ P _ E1 Vжерло _ W _ P _ E1t n   Vжерло _ W _ P _ E1t n1  рад / хв.  t t n  t n1 Ці величини множаться на D-параметри. Vжерло _ R _ P _ E1 Vжерло _ R _ D _ E1   DR _ E1 рад  t і Vжерло _ W _ P _ E1 Vжерло _ W _ D _ E1   DW _ E1 рад t при цьому D-параметр знову таки є числовим параметром адаптації. Загальний нахил жерла визначається як сума Р-компонента і D-компонента опори жерла и колиски. Vжерло _ E1  Vжерло _ R _ P _ E1  Vжерло _ W _ P _ E1  Vжерло _ R _ D _ E1  Vжерло _ W _ D _ E1 рад     10 15  ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 20 25 30 35 40 45 50 1. Пристрій для температурної компенсації жерла (11) гармати (10), що складається щонайменше з одного жерла (11), яке лежить на колисці (3) і опорі жерла (4) у вигляді продовження колиски (3), який відрізняється тим, що на колисці (3) і опорі жерла (4) встановлено кілька датчиків температури (p1-p16), які зв'язані через лінії передачі даних (6) з блоком даних (7), а блок даних (7) - з пристроєм обробки даних (9), при цьому пристрій обробки даних (9) обчислює нахил жерла на основі різниці температур і для температурної компенсації може діяти на виконавчі механізми для зміни орієнтації жерла (11). 2. Пристрій за пунктом 1, який відрізняється тим, що встановлено переважніше 16 датчиків температури (p1-p16), при цьому можливі варіації у їхній кількості. 3. Пристрій за пунктом 1 або 2, який відрізняється тим, що в основному ортогонально до осі жерла визначено переважно чотири площини (Е1-Е4), причому переважно одна площина (Е4) лежить на колисці (3) і у найкращому випадку три площини (Е1-Е3) лежать на опорі жерла (4). 4. Пристрій за пунктом 3, який відрізняється тим, що датчики температури (p1-p16) у найкращому випадку розміщуються в кутах площин (Е1-Е4). 5. Пристрій за одним з пунктів 1-4, який відрізняється тим, що опора жерла (4) має вигляд шасі. 6. Пристрій за одним з пунктів 1-5, який відрізняється тим, що виконавчі механізми являють собою власні серводвигуни гармати, за допомогою яких жерло (1) можна орієнтувати за азимутом і/або кутом місця. 7. Спосіб температурної компенсації жерла (11) гармати (10) зі щонайменше одним жерлом (11), яке лежить на колисці (3) і опорі жерла (4) у вигляді продовження колиски (3), що складається з наступних кроків: вимірювання температури за допомогою датчиків температури (p1-p16) на колисці (3) і опорі жерла (4), визначення різниці температур між верхньою і нижньою стороною, а також правою і лівою стороною колиски (3), а також опори жерла (4), обчислення нахилу жерла за допомогою визначених різниць температури, компенсації нахилу жерла шляхом зміни орієнтації жерла (11). 8. Спосіб за пунктом 7, який відрізняється тим, що визначають різниці температур з кожної площини датчиків (Е1-Е4) опори жерла (4) і колиски (3) за кутом місця і/або азимутом. 9. Спосіб за пунктом 7 або 8, який відрізняється тим, що спричинене температурою відхилення жерла компенсується безпосередньо виконавчими механізмами, такими як власні серводвигуни гармати. 10. Спосіб за одним з пунктів 7-9, який відрізняється тим, що відмова окремих датчиків температури (pl-p16) компенсується за допомогою математичної моделі. 4 UA 107630 C2 5 11. Спосіб за пунктом 10, який відрізняється тим, що механізм оцінки містить різні площини повернення на випадок відмови кількох датчиків температури (p1-p16). 12. Спосіб за одним з пунктів 7-11, який відрізняється тим, що враховують також характерну для системи інерцію. 13. Спосіб за одним з пунктів 7-12, який відрізняється тим, що фіксують часові характеристики функції температурного співвідношення. 14. Спосіб за пунктом 13, який відрізняється тим, що в обчислювальній машині гармати зберігається(ються) часова(і) характеристика(и) для подальшого проведення робіт з технічного обслуговування. 5 UA 107630 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6