книги / Химия и технология баллиститных порохов, твердых ракетных и специальных топлив. Т. 2 Технология
.pdfРис. 122а. Схема прибора УИП-70М:
1 — реле времени; 2 — электродвигатель; 3 — шкиф; 4 — груз; 5 — шток
УИП-70; 6- образец; 7 — термопара; 8 — термокамера; 9 — регистратор температуры образца; 10 — датчик температуры; 11 — регулятор темпера туры; 12 — регистратор деформации; 13 — емкостный датчик
Рис. 1226. Деформирование образца при испытаниях в приборе УИП-70М
251
считываемое на действующую поверхность, остается постоян ным. В процессе эксперимента происходит постоянное вне дрение нагруженного пуансона в массу образца (пенетрация) вплоть до достижения его основания.
Сменный пуансон цилиндрической формы с диаметром 0,8 мм, 1,78 мм, 2,52 мм имеет плоский срез.
Деформация характеризуется глубиной проникновения пу ансона в образец и выражается отношением к его исходной высоте. Величину обратимой деформации можно найти при периодическом импульсном нагружении, когда фиксируется не только общая картина нарастания деформации с температу рой, но и обратимая и необратимая доли общей деформации в любой температурной точке. По результатам измерения на диаграмме пиков, полученных в результате нагружения и подъема, строятся кривые температурной зависимости де формации у = /(7), а также кривые обратимой уобр = 7(7) и не обратимой у„еобр —7(7) долей деформации.
Прибор УИП-70 обеспечивает автоматическое измерение и регистрацию деформаций при сжатии образца под действи ем различных фиксированных нагрузок с относительной по грешностью около 5%.
Камера-держатель образца и шток со сменным наконечни ком-пуансоном изготовлены из кварца. Основным чувстви тельным элементом измерительной системы является диффе ренциальный емкостной датчик. Система нагрева обеспечивает повышение температуры образца (или охлаждение) со скоро стями 0,6...20 К/мин в пределах 123...673 К. Термомеханиче ские кривые записываются на диаграммной ленте многоточеч ного потенциометра.
Для проведения исследований специальной вырубкой гото вятся образцы диаметром и высотой 6 мм. Величины дефор маций, определяемые в процессе эксперимента, в существен ной степени зависят от нагрузки. На рис. 123а приведены гра фики функций у = 7(7), уф = Л 7) при различных нагрузках. Видно, что величина нагрузки заметно влияет на деформацию и может изменять ее в широких пределах.
На рис. 1236 представлены типовые термомеханические кривые общей, обратимой и необратимой деформаций. На пе ресечении касательных в местах перегиба кривых общей и не обратимой деформаций находится условная температура теку чести. Истинная (рабочая) температура текучести должна быть несколько выше и соответствовать большей величине необра-
252
Рис. 123а. Зависимость |
деформаций |
(общей------ |
и обратимой------ |
) от тем |
пературы для топлива |
ВИК-2Д при нагрузке: 6 МПа (1), |
3 МПа (2), |
||
|
2 МПа (3), |
1 МПа |
(4) |
|
Рис. 1236. Типовые кривые деформаций: общей (1), необратимой (2), об ратимой (3)
253
Рис. 123в. Зависимость деформации от температуры при нагрузке 2,0 МПа для составов: РДГ-2Ф (1); ВИК-2Д (2); РДМ-3 (3); при нагрузке Ш Па для составов: РДГ-2Ф(1'); ВИК-2Д (2’); РДМ-3 (3*)
тимой деформации. Температурная область от появления за метной необратимой деформации до ее уровня, при котором возможна переработка, есть переходная область из высокоэла стического в вязкотекучее состояние. Знание значения темпе ратуры текучести и границ переходной области весьма важно, как отмечалось выше, для определения температурных диапа зонов эксплуатации зарядов и переработки пороховой массы. Однако совершенно очевидно, что корректные результаты мо гут быть получены только в том случае, если будут выбраны правильно нагрузки, при которых необходимо проводить ис следование.
Выбор нагрузок (нормальных давлений) проводился, исхо дя из конкретных условий переработки пороховой массы. По скольку величина гидростатического давления в технологиче ских аппаратах не может характеризовать режим течения по роховой массы, а определение нормальных и касательных
254
напряжений затруднено, требуемые величины нагрузок опреде ляли на основе реологических исследований. Из степенного закона у = кт" при скоростях сдвига, соответствующих режиму течения на вальцах, в шнек-прессе и раструбном пресс-инст рументе, находили соответствующие напряжения сдвига. В табл. 24 приведены расчетные значения напряжений для не которых топлив. При расчете необходимых нагрузок были взя ты усредненные значения скорости сдвига при течении массы на вальцах, в шнек-прессе и раструбном пресс-инструменте, соответственно: 102, 1, 10~2 с-1. Значение напряжений, вызы вающих данный режим деформирования, для различных со ставов и температур находится в широких пределах:
—вальцы — 1,5...6 МПа
—пресс — 0,9...3 МПа
—пресс-инструмент — 0,5...1 МПа.
Таблица 24
Расчетные значения необходимых нагрузок, моделирующих условия переработки на фазах вальцевания и формования (Т = 353 К)
Индекс топ |
|
Условия деформирования |
Напряжение |
||
Закон течения |
|
|
Скорость |
сдвига, |
|
лива |
|
Аппарат |
|||
|
|
сдвига, с-1 |
МПа-10 |
||
|
|
— |
пресс- |
1 |
7,94 |
|
|
о to |
|||
|
|
инстру |
|
|
|
ВИК-2Д |
у =6,26 -10”'° • X® |
мент |
1 |
14,10 |
|
|
|
— |
пресс |
||
|
|
— |
вальцы |
102 |
25,1 |
|
|
— |
пресс- |
10-2 |
8,03 |
|
|
инстру |
|
|
|
Типа РДГ |
у = 7,83 • КГ* • т* |
мент |
1 |
10,31 |
|
|
|
— |
пресс |
||
|
|
— |
вальцы |
102 |
13,24 |
|
|
— |
пресс- |
1 |
5,88 |
|
|
о to |
|||
ВИК-2Д |
|
инстру |
|
|
|
у = 1,06 • КГ’ -т9,4 |
мент |
|
|
||
(T = 363К) |
1 |
9,75 |
|||
|
|
— |
пресс |
||
|
|
— |
вальцы |
102 |
16,20 |
Нормальное
напряжение
(нагрузка), МПа-10
11,91
21,15
27,65
12,05
15,47
19,86
8,82
14,63
24,30
Для предварительных исследований в процессе разработки методики были выбраны нагрузки 1 МПа и 2 МПа.
На рис. 123 в представлены функции уобщ= f (7) для неко торых баллиститных топлив при нагрузках 1 МПа и 2 МПа. Деформационные кривые существенно отличаются для различ ных составов топлив, что свидетельствует о необходимости применения различных условий переработки.
255
На рис. 123—127 приведены результаты исследования тер момеханических свойств топлив ВИК-2Д, типа РДГ, типа РДМ, РБФ, СПК. На каждом рисунке общая деформация раз ложена на две составляющие: обратимую и необратимую. Тем пература текучести (перехода из высокоэластического в вязко текучее состояние) находилась на пересечении касательных в месте перегиба кривой необратимой деформации. Переход ная область — между температурой, при которой появляется заметная необратимая деформация, и температурой текучести.
В результате экспериментальных исследований установлены важные закономерности для переработки баллиститных топ лив, характеризующие переход из высокоэластического состоя ния в вязкотекучее:
|
|
293 |
333 |
373 |
Т. К |
Рис. |
124. Зависимость деформаций от температуры для топлива типа РДМ |
||||
|
|
|
при различных нагрузках: |
|
|
1, Г |
— |
общая и |
обратимая деформации |
соответственно при нагрузке |
|
6 МПа; |
2, 2' — общая и обратимая деформации соответственно при на |
||||
|
|
|
грузке 2 МПа |
|
256
293 |
333 |
373 |
T. К |
Рис. 125. Зависимость деформаций от температуры для топлива типа РДГ при нагрузке 2 МПа:
1 — общая; 2 — необратимая; 3 — обратимая
293 |
333 |
373 |
Рис. 126. Зависимость деформаций от температуры для топлива РБФ при нагрузке 2 МПа:
1 — общая; 2 — необратимая; 3 — обратимая
257
293 |
333 |
373 |
T, К |
Рис. 127. Зависимость деформаций от температуры для топлива СПК при нагрузке 2 МПа:
1 — общая; 2 — необратимая; 3 — обратимая
— в температурном диапазоне интенсивного роста необра тимой деформации обратимая деформация имеет убывающую производную cb(o6p/dT, которая при температуре Ттек или при ближается к 0, или становится отрицательной;
— температурные зависимости всех трех деформаций (уобщ,
Уобр, Унеобр) Для некоторых топлив отличаются существенно. Так, Ттек всех топлив типа РДГ составляет около 333...343 К,
аРДМ - 363...373 К;
—температурный диапазон перехода из высокоэластиче ского в вязкотекучее состояние у штатных топлив довольно велик и находится в пределах 333...373 К, для топлив типа РДМ он несколько сужается и сдвигается вправо — 343...373 К, а для топлив РДГ, напротив, сдвигается влево, приближаясь к зоне эксплуатации заряда — 323...353 К;
—практически все топлива, за исключением топлив, со держащих дазин, в температурном диапазоне переработки 363.. .393 К при нагрузке 2 МПа имеют незначительно изме няющуюся обратимую деформацию, находящуюся в пределах
20...30%, у топлив же с дазином деформация при температуре
258
около 343...353 К имеет экстремум с резко ниспадающей вет вью кривой. Очевидно, дазин, начиная с этой температуры, работает как весьма активный пластификатор, резко снижаю щий энергию межмакромолекулярного взаимодействия НЦ (при Т > 343...353 К);
—при высоких напряжениях (4...6 МПа), имеющих место
впроцессе вальцевания, обратимая деформация для штатных и новых топлив в температурном диапазоне переработки, про ходя через экстремум, резко падает. Это обеспечивает нор мальное протекание процесса вальцевания.
Итак, разработанная методика исследования термомехани ческих свойств топлив позволяет в лабораторных условиях определять оптимальные температурные режимы переработки на фазах вальцевания и прессования. Однако для получения корректных результатов данным исследованиям должно пред шествовать определение реологических характеристик и на их основе — необходимой нагрузки на пуансон прибора УИП-70.
4.3.2.2 Исследование процессов вальцевания и сушки
Ранее отмечалось, что процессы пластификации и сушки, осуществляемые при непрерывном производстве на специаль ных вальцах и сушильных аппаратах, неоптимальны вследст вие высокой энергии диссипации и, соответственно, опасно сти загорания при вальцевании и длительного времени суш ки как в контактных, так и конвективных сушильных аппаратах.
С целью понимания направлений совершенствования тех нологии переработки необходимо рассмотреть результаты тео ретических и экспериментальных исследований этих двух про цессов, имея в виду единую конструктивную задачу — созда ния безопасного производства современных БРТТ.
Рассматривая вальцевание, необходимо определить темпе ратурное поле и влажность с учетом наиболее значимых тех нологических параметров. Решение задачи в общем виде сво дится к решению уравнений Навье-Стокса (неразрывности, движения, энергии, реологии):
^ = -p[VS], |
(4.58) |
dx |
|
= -VP+[Vx]+pg, |
(4.59) |
259
|
dT |
V * - r | f ) p(VS) + (x:V-&), |
(4.60) |
PC^ |
|
||
|
= |
|
|
|
|
T=|XV + |X- J H |(V»), |
(4.61) |
где p — плотность топлива; t — время; О — вектор скорости; VS = diVb — расхождение вектора скорости ; Р — давление; g — ускорение свободного падения; су — удельная теплоем кость топлива при постоянном объеме; q — вектор потока, для изотропной среды в соответствии с законом Фурье: q = —KVT (к — коэффициент теплопроводности); Т — темпера тура; х — касательное напряжение; р — вязкость; % — коэф фициент.
Поскольку решение данных уравнений без определенных допущений невозможно, применительно к вальцеванию вво дим упрощения: сначала решаем задачу установившегося изо термического течения несжимаемой жидкости в межвалковом зазоре, а затем, используя уравнение энергии при определен ных граничных условиях, считаем распределение температуры.
Сводя трехмерное движение к одномерному (скорость вдоль оси валков примерно на два порядка ниже, чем в пер пендикулярном направлении) и принимая ряд дополнительных упрощений (течение изотермическое, ламинарное с отсутстви ем гравитационных и инерционных сил), уравнение неразрыв ности и движения (4.58, 4.59) получаем в следующем виде:
a s x |
д&у |
= 0, |
|
— - + — - |
|||
|
дх |
ду |
|
дР _ |
fa2s x |
a 2s xV |
|
дх |
— л + — л |
||
Р |
|
д х i ) |
|
дР |
fa2s v |
CD го |
|
----—Ц ---- ==-+---- ==- |
|||
ду |
|
дх |
дУ )) |
|
|
(4.62)
(4.63)
|
Далее, полагая, |
что |
и |
пренебрежительно малы, |
|
|
|
дх |
ду |
и |
принимая, что |
дР |
дР |
уравнение (4.63) приводится |
— |
> > — , |
|||
к |
виду: |
дх |
ду |
|
|
|
|
260