книги / Химия и технология баллиститных порохов, твердых ракетных и специальных топлив. Т. 2 Технология
.pdfРис. 119а. Схема установки определения уделыюго внешнего трсиия и на пряжения среза влажных масс:
1 матрица; 2 — стакан; 3 — ложное дно; 4 — стержень; 5 — поршень; 6 - рычаг; 7 - тяги; 8 - датчик ДЦ-10
на на базе датчика ДЦ-10, усилителя ИД-2И с КСУ-4. Давле ние в образце задается рычажной системой нагружения.
Порядок работы: пороховая масса с влажностью, соответст вующей концу зоны фильтровальной решетки отжимного пресса, загружается в кольцевую полость между стержнем и цилиндром. Набором грузов задается требуемый уровень давления. Перемещая стержень относительно образца, датчи ком фиксируют усилие, которое в пересчете на поверхность контакта имеет значение тр и тср на гладком и рифленом стержнях соответственно. Относительная погрешность при из
мерении тц — 8...12%, тср — 10...15%.
На рис. 1196 представлены результаты экспериментальных исследований реологических характеристик тр, тср влажных масс некоторых составов баллиститных топлив. Надо отме тить, что корректное определение функций тр, тср = АЩ при повышенных давлениях представляет исключительную труд-
241
|
|
|
|
|
Па |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
г ■10 '\ Па |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
'/> |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( |
/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ |
л |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/ |
1 |
/ |
/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
/ |
|
/ |
|
|
/у |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
У У У |
|||
|
|
|
|
|
|
/ |
у/ |
/ |
|
|
У У |
|||
|
|
|
|
|
|
/\у |
/ |
У |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
у/ // |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
у |
|
* |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
у |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
у* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
у |
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
Ю |
14 |
IS |
/Ч 0 \ Па |
6 |
Ю |
|
|
14 |
|
|
18 |
ЛЮ*5, Па |
|
Рис. 1196. |
Реологические |
характеристики влажных масс |
при температурах |
|||||||||||
|
|
|
324К |
(1, 2, 3) и 343К (Г, |
2’, |
3’): |
|
|
|
|
|
|
||
|
1 — |
ВВ-содержащсе топливо; |
2 — БП; |
|
3 — |
ИМ-98 |
|
ность в силу отжима воды и изменения влажности в процессе
эксперимента. |
Поэтому данные |
характеристики |
определены |
и представлены на рисунках как функции давления. |
|||
По результатам экспериментальных исследований установ |
|||
лено: |
внешнее трение |
влажных масс, так же как |
|
— удельное |
|||
и готового пороха, снижается с |
повышением |
температуры; |
в исследованном диапазоне давлений оно аппроксимируется линейной функцией;
— напряжение среза с увеличением давления также воз растает линейно.
С точки зрения качественной оценки технологичности раз личных составов топлив может быть определено отношение тср/тц Так, для топлива БП-10 и инертного состава ИМ-98 эти отношения имеют значения 3,8 и 1,9, что хорошо согласу ется с поведением указанных составов в процессе отжима.
С использованием полученных экспериментальных данных по реологии влажных масс и их фильтрационным свойствам выражение (4.51) с определенной погрешностью может быть представлено как функция осевой координаты. Надо сразу оговориться, что, по-видимому, не может быть получено еди-
zc dQv
ных выражений для dQv/dZ и 0 = 1 |
-----, справедливых в оди- |
о |
d z |
наковой мере для всех составов, |
ибо для каждого топлива |
242
dQv/dZ - J[Z), тм, tcp = J[Z), r0 = J{Z) как функции существен но отличаются и изменяют конечный вид вышеуказанных вы ражений.
Впроцессе инженерной проработки конструкции отжим ной зоны пресса использовано несколько составов, наиболее представительных по диапазону изменения исследуемых свойств: типа БП-10 (наполнение около 50%), ИМ-98 (наибо лее трудноотжимаемый) и ВИК-2Д (штатный).
Ввыражении (4.51) применительно к этим топливам изме няющиеся по оси канала винта параметры могут быть пред ставлены:
dQy/dZ = AP„7C„-Z (так как тми тср — линейные функции),
где ДР„ и S„ — градиент давления и площадь сечения канала винта в начальной зоне отжима; к,„ 1/ксж — коэффициенты пропорциональности в линейных зависимостях (ксж — коэф фициент сжатия — конструктивный параметр пресса).
Удельное сопротивление массы фильтрованию воды в кана ле винта имеет нелинейную зависимость от давления. Доста точно корректно оно может быть представлено степенной функцией. Тогда:
|
|
dZ |
|
dQy_ |
Д |
Z S ас ' 1 / Ксж •Z |
|
|
nDn 'tqa |
(4.54) |
|
dZ |
|
Z онZ dZ |
|
|
|
где к0 — коэффициент в выражении r0 (Z) = K0-roll-Z"\ г ои — начальное удельное сопротивление массы (вход в отжимную зону).
_ A P uK „ - l / K cxS H- Z 2- n - d Z |
(4.55) |
|
dQy = |
nDn'tqa\xK0ro„ |
|
|
|
Интегрируя (4.55) по оси пресса Z, получаем производи тельность по отжимной воде:
Qv = |
А-^Л/ '1/KcxS„'Zl~" |
(4.56) |
|
nDn'tqa\xK0rOIl(l—n) ' |
|||
|
Экспериментальные исследования показали, что удельное сопротивление массы как функция давления во всем диапазо не давлений не может корректно характеризоваться одним по-
243
казателем степени. На начальном участке 0,1...1,0 МПа эта за висимость менее ярко выражена. Так, для состава ВИК-2Д в этом диапазоне п ~ 0,5, а при давлениях более 1 МПа п ~ 2,5.
Выражение 4.56 можно записать в следующем виде:
bPnK„-\/KcxSH( z {-n' |
|
Z I-/ Ȕ |
\ |
|
Qv = nDn 'tqa\xK0rOH 1-Л. |
+ |
1—П |
(4.57) |
|
|
|
|
2 |
/ |
где wj и n2 — показатель |
степени |
в |
выражении r0(Z) = |
|
= K0-rOH- Z \ |
|
|
|
|
Физический смысл этого |
явления, |
очевидно, заключается |
в следующем. В начальный период отжима вследствие значи тельного количества воды, находящейся в массе, во всем слое массы имеются сообщающиеся каналы, по которым вода под действием градиента давления отжимается в зону фильтрова ния. При снижении влаги ниже определенного значения (при мерно при P ~ 1 МПа) сквозные каналы начинают исчезать, перегораживаются пленкой слипающейся массы. Для этого участка характерно и более высокое удельное сопротивление, ибо воде приходится преодолевать за счет направленной диф фузии слои топливной массы. Очевидно, что давление для различных составов и условий фильтрования различно.
Итак, выявленные закономерности фильтрования и отжима позволяют обосновать требования к конструкции пресса. По первой зоне (фильтрование) задача достаточно ясная: для обеспечения гарантированной производительности необходимо исключить замазывание щелей фильтровальной решетки. Что же касается зоны отжима, решение поставленной задачи ус ложняется.
На основании полученных экспериментальных данных сле дует два важных с конструктивной точки зрения вывода:
—учитывая низкую эффективность удаления влаги в ка нале вследствие высокого удельного сопротивления массы, це лесообразно ввести зону вакуумной сушки сразу же за зоной отжима. В этом случае диссипативная энергия может быть ис пользована с максимальным КПД;
—поскольку наибольшая эффективность отжима имеет место на начальном участке (до момента исчезновения сквоз ных каналов), в конструкции пресса за вакуумной зоной суш ки предусмотреть вторую напорную зону, которая бы выпол няла две функции: отжим в начальной зоне и пластификацию на всей длине в условиях сравнительно низкой влажности.
244
— режущее устройство, обеспечивающее срезание порохо вых шнуров непосредственно у фильеры и исключающее не обходимость протирочного барабана;
— раскрывающийся в вертикальной плоскости корпус с втулкой для удобства в эксплуатации. Раскрытие осуществ ляется пневмоцилиндром;
— устройство очистки фильтровальной решетки (изменяю щаяся ширина щелей).
Техническая характеристика пресса в сравнении с про мышленным прессом ПО-125 приведена в табл. 22.
Т а б л и ц а 2 2
Техническая характеристика отжимного пластифицирующего пресса ПО-ЗОО в сравнении с прессом ПО-125
Наименование технических параметров |
ПО-ЗОО |
ПО-125 |
|||||
Проектная производительность, кг/ч |
1000 |
1000 |
|||||
Габариты: |
|
|
|
|
|
3240 |
|
— |
длина, мм |
|
|
|
3200 |
||
— |
ширина, |
мм |
|
|
1390 |
940 |
|
! — |
высота, |
мм |
|
|
1250 |
1725 |
|
1 |
|
|
|
|
|
4100 |
5900 |
j Масса, кг |
|
|
|
|
|||
Влажность |
полуфабриката на |
выхо |
|
|
|||
де, |
% |
|
|
|
|
|
6...12 |
— |
пределы |
регулирования |
|
3...10 |
|||
— |
разброс |
внутри |
партии |
|
±1,5 |
±3 |
|
Максимальный диаметр винта, |
мм |
300 |
422 |
||||
Рабочий диапазон |
частоты враще |
0,5...8 |
0,5...7,5 |
||||
ния, мин-1 |
|
|
|
|
|
|
|
Количество |
|
технологических |
зон |
|
|
||
влагоудалсния |
и пластификации |
4 |
2 |
||||
Теплоноситель |
(вода): |
|
|
|
|||
— |
максимальная температура, |
К |
363 |
363 |
|||
— рабочее давление на выходе из |
0,4...0,6 |
0,3...0,4 |
|||||
насоса, МПа |
|
|
|
|
|
||
— |
объемный |
расход, м3/ч |
|
8 |
4 |
||
Срок службы до капремонта, мсс. |
16 |
16 |
|||||
Привод |
|
|
|
|
Электропривод |
ЭМУ-50 генера |
|
|
|
|
|
|
|
тиристорный |
тор постоянного |
|
|
|
|
|
|
|
тока П-91 |
Электродвигатель |
|
|
ЭКТ-100/380 |
П-81 |
|||
Частота вращения, |
мин"1 |
|
1000 |
1500 |
|||
Мощность, |
кВт |
|
|
32 |
45 |
246
Результаты отработки пресса представлены в табл. 23.
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 2 3 |
||
Результаты отработки пресса ПО-ЗОО в опытном производстве |
|
|||||||
|
Температу |
|
Частота |
Произ- |
|
|
|
|
|
|
води- |
Энерго |
|
Плот |
|||
Индекс соста |
ра, К |
Вакуум,. |
вршц. |
Влаж |
||||
тсль- |
затраты, |
ность, |
||||||
ва |
корпус |
Па-КГ3 |
винта, |
ность, % |
||||
|
винт |
|
мин"1 |
1IO C TL, |
кВт-ч/т |
|
г/см* |
|
|
|
кг/ч |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
||
ИМ-98 |
328 |
0,18 |
5 |
1080 |
12 |
5...8 |
1,34 |
|
|
323 |
|
|
|
|
|
|
|
РСИ-12М |
ж |
0,18 |
4 |
720 |
10 |
3...6 |
1,55 |
|
|
345 |
|
|
|
|
|
|
|
Типа |
Ж |
0,18 |
5 |
920 |
10 |
4...5 |
1,45 |
|
РНДСИ |
339 |
|
|
|
|
|
|
|
ТФ-2 |
Ж |
0,23 |
4 |
600 |
14 |
5 |
1,5 |
|
|
340 |
|
|
|
|
|
|
|
БП-10 |
ш |
0,23 |
4 |
1200 |
6 |
4...6 |
1,64 |
|
|
336 |
|
|
|
|
|
|
|
НДТ-ОМК |
347 |
0,23 |
4 |
864 |
8 |
7...8 |
1,4 |
|
|
342 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Испытания в режиме без вакуума |
|
|
|||||
ИМ-98 |
322 |
1 , 0 |
3,6 |
680 |
12,8 |
7,1 |
|
|
|
330 |
|
|
|
|
|
|
|
РСИ-12М |
ж |
1 , 0 |
5 |
790 |
12,2 |
5,9 |
|
|
|
333 |
|
|
|
|
|
|
|
БП-10 |
328 |
1,0 |
3,5 |
831 |
3,1 |
7,0 |
|
|
|
323 |
|
|
|
|
|
|
|
РСТ-4М |
342 |
1,0 |
4 |
1009 |
3,3 |
6,0 |
|
|
|
335 |
|
|
|
|
|
|
|
Типа РАМ |
336 |
1,0 |
4 |
1137 |
3,9 |
9,5 |
|
|
|
339 |
|
|
|
|
|
|
|
Типа |
332 |
1,0 |
4 |
1080 |
3,9 |
11,4 |
|
|
РИДСИ |
339 |
|
|
|
|
|
|
|
Типа РДГ |
340 |
1,0 |
5 |
1100 |
9,5 |
6,4 |
|
|
|
338 |
|
|
|
|
|
|
|
НДТ-ОМК |
337 |
1,0 |
4 |
900 |
9,4 |
7,2 |
|
|
|
339 |
|
|
|
|
|
|
|
БНВ |
345 |
1,0 |
3 |
697 |
7,2 |
7,4 |
|
|
|
329 |
|
|
|
|
|
|
В результате промышленных испытаний пресс подтвердил проектные данные и показал возможность работы в 2-х режи-
247
мах: в классической технологической схеме (отжим — вальце вание — сушка) с более высокой выходной влажностью (6... 12%) и в новой схеме в режиме низкой влажности с обес печением предварительной пластификации топливной массы.
4.3.2Пластификация и сушка пороховой массы
4.3.2.1Определение температурных режимов переработки на основе термомеханических исследований
Баллиститные П и ТРТ, |
как отмечалось ранее, относятся |
к классу термопластичных |
материалов и могут существовать |
втрех физических состояниях: стеклообразном, высокоэласти ческом и вязкотекучем. Переработка таких полимеров осуще ствляется в вязкотекучем состоянии. Поэтому определение ин тервала перехода из высокоэластического состояния в вязкоте кучее является непременным условием определения температурных режимов переработки.
Температурная область переработки термопластичных баллиститных пороховых масс ограничивается верхним темпера турным пределом эксплуатации заряда (323...333 К) и крити ческой температурой разложения пороха, выше которой газовыделение приводит к недопустимому снижению долговечности пороха (383...393 К). Эта область отличается не сколькими особенностями физического и реологического по ведения термопласта:
—высокой необратимой деформацией сдвига при сравни тельно малом уровне обратимой высокоэластической деформа ции;
—сравнительно низкой вязкостью массы при ее течении
втехнологических аппаратах с высокими скоростями сдвига и, следовательно, ограниченным уровнем диссипативного разо грева, не приводящего к превышению критического уровня температуры.
На рис. 121 представлены в виде графиков деформация,
вязкость и газовыделение как функции температуры: у, т|,
W la3 = А Т ) .
По оси абсцисс отмечены области эксплуатации заряда, переходная область и область переработки термопласта. Каж дая из этих областей характеризуется определенными величи нами указанных функций. Область эксплуатации заряда отли чается высокоэластичным состоянием термопласта, имеющего высокую вязкость и практически отсутствие необратимой де формации. В области переработки вязкость массы резко сни-
248
n
толчее
Рис. 121.3ависимость вязкости, предельной деформации сдвига, скорости газовьщелепия от температуры
жается, а превалирующей становится необратимая деформа ция. Между этими двумя областями находится переходный температурный диапазон, который характеризуется интенсив ным падением вязкости, наличием как необратимой, так и сравнительно высокого уровня обратимой высокоэластиче ской деформации.
Расширение температурных диапазонов эксплуатации заря да или переработки за счет переходной области из высокоэла стического в вязкотекучее состояние приводит к нежелатель ным результатам:
— эксплуатация заряда в этой области связана с появле нием необратимой деформации, низким модулем упругости и приводит к существенному снижению надежности его функ ционирования;
— переработка массы в переходной температурной области приводит к повышению вероятности воспламенения вследст вие значительного диссипативного разогрева, существенной деструкции с потерей механических свойств и нестабильному течению в технологических аппаратах из-за высокой обрати мой деформации.
Таким образом, переходная область из одного физического состояния термопласта в другое сужает как область эксплуата-
249
ции готовых изделий, так и допустимый температурный диа пазон их изготовления.
Верхняя температура области переработки ограничивается термохимической стойкостью топливной композиции и опре деляется, в основном, природой нитратов глицерина и целлю лозы. Она может быть лишь незначительно увеличена за счет подбора более эффективных стабилизаторов химической стой кости.
Из вышесказанного следует, что знание точных границ до пустимого температурного диапазона, в котором может прово диться переработка пороха, весьма важно, ибо он определяет как безопасность процесса, так и качество получаемых изде лий. Актуальность исследований физических свойств баллиститных пороховых масс возрастает в связи с тем, что эмпи рические поиски температурного диапазона переработки на промышленных аппаратах весьма трудоемки, небезопасны и ненадежны.
Итак, необходим метод исследования термомеханических свойств полимерной композиции, который бы позволил уста новить температурные границы трех областей: эксплуатации, переходной и переработки. Из многочисленных методов, клас сифицируемых по виду деформации (сдвиг, сжатие, растяже ние) или по режиму механического воздействия (постоянное, периодическое, импульсное нагружение), целесообразно при менить для лабораторных исследований наименее трудоемкий экспрессный способ периодического нагружения, позволяю щий определить общую, обратимую и необратимую деформа цию для условий деформирования, максимально приближен ных к реальным.
На всех технологических аппаратах, где имеет место необ ратимое течение пороховой массы (шнек-пресс, вальцы), ос новным механизмом деформирования является сдавливание массы и течение ее под действием перпендикулярных нор мальным касательных напряжений. Поэтому выбран режим периодического нагружения нормальными сжимающими на пряжениями со свободным растеканием массы под действием касательных напряжений (рис. 122 б). На рис. 122 а представ лена схема универсального измерительного прибора УИП-70, разработанного ЦКБ уникального приборостроения АН СССР.
Подвижный рабочий орган (пуансон) выполнен в виде стержня меньшего сечения, чем торцевая поверхность образца. На протяжении всего эксперимента удельное давление, рас-
250