Оценка, контроль и обеспечение параметрической надежности автоматических минометов с выкатом свободного затвора

Последние десятилетия характеризуются бурным ростом сложности внутренней структуры образцов современной техники и расширением круга решаемых ею задач. Создание сложных технических систем многоцелевого назначения, используемых в трудно прогнозируемых условиях функционирования, требует особого внимания к проблеме обеспечения надежности и методам ее решения на этапах научных исследований, предшествующих выработке основных требований на создаваемые образцы, при обосновании технического задания, моделировании испытаний, обработке и анализе результатов натурных экспериментов, оценке качества технических решений и эффективности перспективных образцов сложной техники. Развитие методов оценки и анализа надежности оказывает непосредственное воздействие на эффективность и качество работ по созданию новых образцов техники и совершенствованию методов их применения в реальных ситуациях.

К настоящему времени накоплен большой опыт решения разнообразных задач оценки надежности и вероятностного анализа сложных технических систем [1,2,52]. При этом особого внимания заслуживают методологические разработки, методы и методики оценки и анализа параметрической надежности на ранних стадиях проектирования в строительной механике [3]- станкостроении и общем машиностроении [4,5], в области ракетной и космической техники [6,7,8], артиллерийской техники [17], и приборостроении [1,9,94]. Безусловно нельзя не отметить достижения в развитии алгоритмических и программных средств, обеспечивающих проведение вполне достоверных расчетов различных показателей надежности и позволяющих ускорить отработку изделий при рациональном расходовании временных и материальных ресурсов.

Нельзя не отметить также вполне сложившуюся нормативно-техническую базу в виде стандартов, руководств, методик и инструкций [10,11,52,94].

Накопленный опыт создания сложной техники, особенно военной, показывает, что до настоящего времени наиболее достоверным и традиционным путем обеспечения надежности импульсных тепловых и высоко-энергетических машин остается:

1. Выбор наиболее рациональной схемы конструкции машины, учитывающей организацию взаимодействия между агрегатами с учетом внешних воздействий и проверку соответствия рассматриваемого варианта схемы требованиям ТЗ (техническое задание).

2. Технология и школа конструирования, учитывающая современные технологические достижения, организацию проведения испытаний и технологию отработки машин на надежность.

Вместе с тем продолжают иметь место существенные трудности, препятствующие получению удовлетворительных результатов как теоретическим, так и экспериментальным путем.

Сложившееся в теории и практике надежности положение характеризуется следующими важными особенностями.

Исходная информация, которую реально удается собрать и подготовить для решения задач надежности, оказывается, как правило, неполной и неточной (иногда искаженной) или, как стало принято говорить, неопределенной [12].

С другой стороны, условия использования современного оружия и относительная чувствительность его к внешним воздействиям порождает необходимость рассматривать образцы вооружения как сложные технические и эргономические системы с «плохой структурой» («диффузные», «плохо организованные системы»). Это значит, что использование оцениваемых (прогнозируемых) показателей надежности систем обусловлено потребностью дополнительного изучения их достоверности. В силу указанных обстоятельств возникает известный разрыв между теоретическими достижениями в области вероятностного анализа и практикой их приложений на различных этапах научных исследований.

Для ликвидации этого разрыва необходимо совместить полученные разноаспектные представления о системе в единое целое, представить полученную теоретическим путем и из опыта информацию в компактном виде в форме, обеспечивающей решение задач оценки надежности сложных технических систем, удобной для практического использования. Такой формой могут быть соответствующие законы распределения.

Поскольку обычно предполагается, что вся информация об объекте исследования содержится в плотности распределения вероятностей, то в формальном отношении при проведении научных исследований по развитию и повышению эффективности и надежности вооружения выделен следующий комплекс условий [12].

1. Определенные условия, при реализации которых вся исходная информация (конкретные количественные сведения и данные) считается точно известной.

2. Вероятностно-определенные условия, для которых исходная информация определена в вероятностном смысле (помимо однозначных исходных данных имеются случайные величины, законы распределения которых известны).

3. Условия неопределенности, содержащие наряду с первыми двумя категориями информации величины, вероятностное описание которых неизвестно (неизвестны законы распределения).

Сказанное, в полной мере относится и к проектированию и отработке надежности автоматических минометов с выкатом свободного затвора [13]. Поэтому предлагаемая диссертационная работа, направленная на совершенствование методологии, разработку инженерных методик оценки надежности автоматических минометов с выкатом свободного затвора с использованием вероятностно-статистической математической модели, описывающей функционирование движения элементов автоматики и откатных частей, и методики проверки работоспособности автоматики миномета с использованием порохового стенда, разработку алгоритмических и программных средств достоверной оценки параметрической надежности, представляет весьма актуальную и важную задачу при создании артиллерийских и минометных систем такого класса. Решение этих задач и составляет основную цель диссертации.

В ходе исследования и решения этих задач лично автором получены следующие новые научные результаты:

1. Структурно-функциональная модель надежности автоматического миномета, отражающая и позволяющая учесть его конструктивную и функциональную структуру, режимы работы, систему технических обслуживаний и ремонтов, причины и характер возможных отказов механизмов автоматики миномета с выкатом свободного затвора.

2. Системно-логическая модель решения основных задач оценки и обеспечения параметрической надежности автоматики миномета на этапе проектирования и экспериментальной отработки.

3. Методика проектной оценки параметрической надежности автоматического миномета.

4. Методика оценки параметрической надежности по результатам натурных и стендовых испытаний.

5. Математическая модель функционирования автоматики миномета, учитывающая влияние основных факторов, определяющих стабильность функционирования и отвечающих задачам исследования работоспособности механизмов автоматики.

6. Обоснование способа и возможности оценки параметрической надежности автоматики миномета с использованием имитационного порохового стенда.

При решении поставленных задач был использован, как отмечено выше, имеющийся на сегодня опыт разработки и применения прикладных методов теории оценки и обеспечения надежности в области ракетной техники, авиации, приборостроения, станкостроения, и строительной механики.

Безусловно, в наибольшей степени использованы теоретические и практические результаты в области оценки и обеспечения надежности артиллерийской техники [12,17,18,19,40].

Эти работы, используя в основе решения богатейший в артиллерийской науке опыт проведения баллистических, кинематических, динамических, прочностных и точностных расчетов орудий, изложенный в трудах многих ученых, показывает возможность и целесообразность решения поставленной в настоящей диссертации задачи оценки и обеспечения параметрической надежности автоматических минометов с выкатом свободного затвора.

Учитывая, что создание орудия с заданными характеристиками налагает одновременно требования надежного их выполнения при заданных условиях эксплуатации, критерием оценки оптимальности проектируемого варианта миномета в пределах одной структурной схемы определен показатель надежности.

Выбранный критерий отвечает всем предъявляемым требованиям. Поскольку элементы (или подсистемы) миномета увязываются в систему путем параллельного и последовательного соединения, то функция работоспособности всей системы задается через функцию работоспособности элементов, используя известные соотношения теории надежности сложных систем, например [11,14,19]. При этом, повышение критерия на низших уровнях принятия решения влечет за собой повышение критерия для высших уровней, включая первый. Возможно решение и обратной задачи: задание требований по надежности для всей системы определяет требования по надежности для ее элементов.

Достоверность обусловлена применением известных и традиционных в теории и практике надежности допущений, корректностью использования математического аппарата, а также сравнением результатов расчета с экспериментом.

Методы исследования использовались как теоретические, так и экспериментальные на основе известных достижений в теории надежности, математической статистике и теории вероятностей, теории проектирования МО (минометного оружия) и планирования эксперимента.

Практическая значимость работы заключается в универсальности предложенных методик, позволяющих решать задачи параметрического синтеза, оценки и анализа надежности широкого класса технических систем.

Разработанная математическая модель функционирования механизма автоматики и механизма обтюрации продольно-скользящего затвора позволяет в значительной мере обогатить практический опыт проектирования и отработки поршневых затворов автоматического МО.

Рассматриваемая конструкция стендовой установки и методика исследования надежности автоматического миномета с ее использованием может позволить в значительной степени снизить временные и материальные затраты на отработку механизмов автоматики миномета с продольно-скользящим затвором.

Внедрение. Результаты работы использованы в учебном процессе кафедры артиллерийского и стрелкового оружия БГТУ при подготовке специалистов в области надежности механических систем и машин. Материалы диссертационной работы могут быть использованы в процессе проектирования и экспериментальной отработки автоматического миномета с выкатом свободного затвора и механизмов автоматики многих других импульсных тепловых машин.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию И. И. Иванова, и семинарах в БГТУ в 1999 году [15,16,24] и в КНР в 1998 году по проблеме надежности и производству оборудования [104].

Публикации. По материалам диссертации опубликованы 3 печатных работы и одно учебное пособие.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 105 наименований и общим объемов 147 листов.

ВЫВОДЫ ПО 4 ГЛАВЕ.

1. Теоретически и экспериментально обоснованна возможность и целесообразность применения стендового оборудования при решении задач отработки, регулировки настроенных параметров и оценки параметрической надежности минометного вооружения.

2. Исследованная конструкция порохового стенда и соответствующая математическая модель, с достаточной точностью описывает взаимодействие рабочих органов порохового стенда и механизмов миномета, действующего по схеме с выкатом свободного затвора. Разработанные на основе данной модели алгоритм и программа расчета являются достаточно инвариантными и позволяют проводить расчеты конструктивных и баллистических характеристик испытательных пороховых стендов.

3. Рассмотренная по результатам многофакторного эксперимента регрессионная модель для перебега подвижных частей автоматического миномета за шептало позволяет исследовать работоспособность по этому важнейшему параметру в различных условиях и режимах испытаний.

4. Сопоставление оценок показателей параметрической надежности, полученных при натурных стрельбах и при работе со стендом для идентичных условий, показало их достаточную сходимость.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенной научно исследовательской работы решена важная и актуальная инженерная задача оценки и обеспечения параметрической надежности автоматики миномета с выкатом свободного затвора.

На основе всестороннего анализа автоматического миномета как объекта надежности и проектирования, анализа экспериментальной информации, имеющейся при отработки опытного, головного и серийных образцов автоматических минометов разработаны, методики, оценки, контроля параметрической надежности минометного автоматического оружия, позволяющие эффективно и в более сжатые сроки принимать рациональные проектно конструкторские решения с учетом требований надежности. Разработана математическая модель функционирования автоматики миномета, учитывающая влияние основных факторов, определяющих стабильность функционирования и отвечающая задачам исследования работоспособности механизмов автоматики. Значительно расширено математическое обеспечение для оценки и анализа параметрической надежности и исследуемого автоматики миномета. Разработана математическая модель описывающая процессы взаимодействия деталей и узлов автоматики миномета в процессе выстрела, решена задача выкат-откат в статистической постановке, что позволило выявить наиболее слабые и ответственные с позиций надежности элементы и предложить эффективные доработки конструкции автомата.

Важным результатом работы является подтверждение использования порохового стенда имитирующего реальные нагрузки от выстрела на механизмы автоматики и противооткатные устройства миномета.

Использование стенда позволяет получить существенную экономию материальных и временных затрат. Предложенная методика проектирования стенда может являться основой для разработки газодинамических имитационных установок и допускает при соответствующей доработке распространение ее в смежных областях техники и народного хозяйства.