Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы взрыва. Монография
.pdf
В этих условиях воздух в полости матрицы оказывает сильное
сопротивление деформированию заготовки и к тому же разогревается
при сжатии до высокой температуры, создавая опасность прожига
заготовки. Если воздух из полости матрицы не удалить, то он при
взрыве будет сжиматься, а затем расширяться, вызывая обратную
деформацию детали. Воздух, кроме того, будет препятствовать
полному прилеганию заготовки к формирующей поверхность
матрице. Поэтому рабочую полость матрицы обычно вакуумируют (8
рис. 6.2). Большое влияние на эффективность взрыва оказывают
граничные условия, в которых находится передающая среда. Заряд
располагается над заготовкой на определенной высоте от поверхности
жидкости Н
и заготовки Н. Оптимальной считается листовая
с
штамповка с применением сосредоточенных зарядов при малой
высоте подвески их над центром заготовки в пределах 0,5 - 1,0 R
R
– проходной радиус полости матрицы.
0
, где
0
При увеличении высоты подвеса Н требуется увеличение массы
заряда ВВ и количества передающей водной среды, что отрицательно
сказывается на прочности оснастки и производительности метода.
Штамповка взрывом осуществляется главным образом за счет
воздействия ударной волны (УВ) и потока воды, т.е. гидравлической
волны (ГВ). Особую роль играет расходящийся поток ГВ,
возникающей после воздействия УВ. В результате действия УВ на
заготовку последняя накапливает определенное количество
кинетической энергии, которая расходуется после прекращения УВ.
При штамповке тонкого слоя металла заготовка может оторваться от
слоя сжатой воды и перемещаться в полость матрицы с большей
скоростью, чем скорость потока воды. Пустота, образовавшаяся
между заготовкой и водой, мгновенно заполняется
кавитационными пузырями, создавая в этой зоне пониженное
давление. Гидравлическая волна, обтекающая матрицу, проникает в
зону пониженного давления и приводит к повышению давления на
заготовку, увеличивая эффективность штамповки.
Упомянутые кавитационные пузыри непосредственно связаны с
явлением кавитации, которое определяется как образование в
жидкости разрывов (пустот) вследствие локального понижения
давления с последующим захлопыванием полостей. Само слово
«кавитация» происходит от латинского «cavitas» и означает пустоту.
Явление кавитации в идеальном случае можно представить
следующим образом. Допустим, что в жидкости находится полый
91
стеклянный шарик, из которого полностью удален газ. Мысленно
разрушим стеклянную оболочку. При этом в жидкости образуется
сферическая полость, давление в которой равно нулю. Нетрудно
представить, что окружающая жидкость будет «врываться» в
образовавшуюся пустоту и полость будет захлопываться. В результате
движения с огромной скоростью потока жидкости к центру полости в
окрестностях его возникают очень высокие давления.
Большое значение при гидроштамповке взрывом имеет
отражение УВ от свободной поверхности вода-воздух в бассейне, так
как в этом случае УВ меняет свой знак и возвращается к заготовке в
виде волны разгрузки. Поэтому необходимо иметь над штампуемой
заготовкой такой уровень воды Н
(рис. 6.2), чтобы отраженная волна
Б
разгрузки пришла к поверхности за время, большее времени действия
на заготовку падающей УВ.
Важным достоинством использования энергии взрыва при
гидроштамповке металла является возможность широкого
регулирования процесса деформирования металла с целью
максимального использования его пластических свойств. Процесс
регулирования осуществляется выбором технологических параметров:
- массы и формы заряда ВВ;
- расстояния от заряда до заготовки и до свободной поверхности.
Форма и расположение заряда определяют характер
распределения давления на заготовку. Форма заряда обычно
определяется геометрией изготовляемого изделия. Например, для
изделия с протяженной мелкой выемкой или для цилиндрической
детали используют шнуровой заряд. Для неглубоких с большой
площадью поверхности детали используют заряд в виде полос или
сетки из детонирующего шнура. С целью увеличения нагрузки на
определенные участки поверхности заготовки располагают несколько
зарядов, например, вокруг центральной располагают несколько более
мелких зарядов, которые взрываются под действием взрыва
центрального ряда. Этим, кроме того, достигается более равномерное
распределение общей энергии взрыва на поверхности заготовки.
Расчет массы заряда ВВ.
Одним из важнейших параметров гидровзрывной штамповки
является масса заряда ВВ, определяющая энергию заряда,
передаваемую заготовке. Определение необходимой массы заряда
92
можно произвести расчетно-теоретическим и расчетно-
η
Q
E
m
ф
a
=
экспериментальным методами. В основу теоретической методики
положен закон сохранения энергии. Допускается, что вся энергия
полученная заготовкой, расходуется на работу формообразования
детали Е
. Тогда для активной массы ma заряда ВВ имеем выражение
ф
,
где Q – теплота взрыва;
η
- общий коэффициент передачи энергии от
заряда ВВ к заготовке.
Работа формообразования детали Е
состоит из следующих
ф
частей
Е
= Е
+ Е
ф
р-с
где Е
– работа сил растяжения-сжатия; Е
р-с
преодолению сопротивления изгибу; Е
изг
+ Е
Т
– работа по
изг
– работа по преодолению
Т
трения заготовки по поверхности матрицы.
Эксперименты показывают, что при штамповке тонких заготовок
Е
+ ЕТ составляет 15-20% от Е
изг
. Тогда
р-с
Е
≈ (1,15…1,20) Е
ф
р-с
.
Работа формообразования детали в свою очередь состоит из
работы образования купольной части Е
фланца Е
:
фл
и работы деформирования
к
Е
= Ек + Ефл.
ф
Общий коэффициент
η
передачи энергии от заряда ВВ к
заготовке определяется как
η
=
η
+
η
ГП
,
УВ
где
η
- доля энергии заряда в УВ;
УВ
η
– доля энергии заряда в
ГП
гидропотоке.
Значения коэффициентов передачи энергии от заряда к
93
заготовке, рассчитанных для типичных условий гидроштамповки,
0
1
1
d
d
k
ф
=
0
2
2
d
d
k
ф
=
0
3
0
d
d
k =
1
1
0
−
−
=∆
k
k
0
d
d
k
ф
=
обычно приводятся в виде таблицы.
Расчетно-экспериментальный метод по пробному эксперименту
на основе определения коэффициентов вытяжки.
Для этой цели производят опыты по штамповке двух одинаковых
размеров заготовок различными массами зарядов ВВ m
и m2 при
1
одних и тех же условиях: тип и размеры бассейна, высота подвеса
заряда над заготовкой, матрица и др.
После проведения опытов обмеряют детали и определяют
коэффициенты вытяжки k
и k2, где
1
коэффициент вытяжки, равный отношению диаметра фланца изделия
после подрыва заряда массой m
к диаметру заготовки;
1
то же после подрыва заряда массой m
Исходным значением (кроме k
.
2
и k2) для определения массы
1
заряда по рассматриваемой методике является также начальный
коэффициент вытяжки
где d
– начальный диаметр заготовки.
3
По этим значениям коэффициентов вытяжки определяют
параметр
где
коэффициент вытяжки, обеспечивающей получение нужной детали.
Далее проводится пробный эксперимент, т.е. над заготовкой
подрывается пробный заряд ВВ, масса которого m
может быть взята
3
94
равной половине массы заряда, вычисленной теоретически. После
03
/3ddk
ф
=
1
1
0
3
3
−
−
=∆
k
k
)
(
)(
33
3
∆
∆
=
ψ
ψ
mm
∆
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,2
0,923
0,841
0,751
0,655
0,552
0,444
0,332
0,217
0,108
1,3
0,935
0,863
0,782
0,650
0,590
0,482
0,366
0,243
0,118
1,4
0,944
0,879
0,803
0,717
0,619
0,510
0,391
0,264
0,129
1,5
0,950
0,892
0,820
,0736
0,640
0,532
0,412
0,280
0,139
1,6
0,955
0,901
0,833
0,752
0,657
0,550
0,428
0,243
0,147
1,7
0,959
0,908
0,843
0,764
0,671
0,563
0,441
0,304
0,154
подрыва обмеряют деталь и определяют полученную вытяжку
и параметр
∆
3
.
По значениям
функций вытяжки
При этом под функцией вытяжки
ψ (∆
∆
) и
и
∆
с помощью табл. 6.2 находят значения
3
ψ
(
∆
).
3
3
ψ
(∆) понимают обобщенную
зависимость между массой заряда и коэффициентом вытяжки. Исходя
из этого, масса заряда для получения детали заданных размеров равна
Таблица 6.2. Значения функции
начального коэффициента вытяжки k
ψ
(∆) при различных значениях
0
k0
95
Литература к главе 6
6.1 Р. Коул. Подводные взрывы. Перевод с англ. – М.: Изд-во
Иностр. литература, 1950. – 494с.
6.2 Г. И. Покровский. Взрыв. Изд. 4-е перераб. и дополн. – М.:
Недра, 1980. – С.93-102.
6.3 О. Е. Власов. Основы динамики взрыва. – М.: Изд-во Военно-
инж.академии им. Куйбышева, 1956.
6.4 Ю. С. Яковлев. Гидродинамика взрыва. – М.: Судпромгиз,
1961.
96
Глава 7. О СОВЕРШЕНИИ РАБОТЫ ВЗРЫВНОГО
ПРЕВРАЩЕНИЯ В РЕЖИМЕ ГОРЕНИЯ ВВ И ПОРОХОВ
Основными видами режима взрывного превращения, как
известно, являются горение и детонация. Выше была рассмотрена в
основном детонация ВВ. Горение также находит широкое
практическое применение в различных областях военной и
гражданской техники.
Для совершения работы за счет сгорания заряда ВВ и образования
продуктов сгорания обычно искусственно создают высокое давление
газов, помещая заряд ВВ в замкнутую или полузамкнутую систему, а
затем производят работу расширения газов и взаимодействия с
окружающей средой.
Взрывчатое превращение в режиме горения ВВ, которое
сопровождается переходом его потенциальной энергии в
механическую работу, может применяться на практике в самых
разнообразных формах:
- метание снарядов в ствольной артиллерии, в том числе, метание
осветительных, дымовых, зажигательных, противоградовых,
пожаротушащих порошковых элементов и т.д.;
- метание тел (боевых частей, пассажирских или грузовых
отсеков, аппаратов и т.д.) с использованием ракетных двигателей;
- генераторов давления высокотемпературных или «холодных»
газов, химических реагентов и т.д. для воздействия на различные
среды.
Все взрывчатые вещества – бризантные ВВ, пороха, твердые
топлива и пиротехнические составы могут классифицироваться также
в качестве ВВ для целей метания, генерации давления, газов и
химических реагентов.
Метание снарядов в ствольной артиллерии.
Артиллерийское орудие также как и стрелковое оружие,
представляет тепловую машину, в которой происходит
преобразование потенциальной химической энергии метательного
заряда в кинетическую энергию движения снаряда.
В процессе сгорания пороха, сопровождающегося выделением
тепла и образованием газов, в пространстве канала ствола орудия
развивается высокое давление, которое заставляет снаряд двигаться по
97
каналу ствола. Работа расширения пороховых зарядов, от которой
∫
==
д
mv
PdlSА
0
2
2
dt
d
ψ
U
S
S
S
dt
d
11
1
л
⋅=
ψ
1
1
л
S
зависит начальная скорость снаряда, равна произведению силы,
движущей снаряд, на путь проходимый снарядом по каналу ствола.
Работа А, затрачиваемая на сообщение снаряду поступательного
движения, может также выражаться через кинетическую энергию
движения снаряда
где:
S – площадь сечения снаряда, на которую воздействуют пороховые
газы;
l – путь движения снаряда по каналу ствола;
P – баллистическое давление пороховых газов;
m – масса артиллерийского снаряда;
v – относительная скорость снаряда.
Для управления процессом выстрела необходимо регулировать
приток пороховых газов при горении метательного заряда. При этом
имеет значение как количество образовавшихся газов, так и быстрота
их образования.
Быстротой газообразования или объемной скоростью горения
называют величину
представляющую относительную часть объема или массы пороха,
сгоревшего и превратившегося в газы в единицу времени.
Быстрота газообразования оценивается по следующей
зависимости:
где
98
начальная удельная поверхность пороха, зависящая от формы и
1
S
S
wmR
c
⋅=
екТ
екc
m
размеров пороховых элементов;
относительная поверхность пороха, характеризующая изменение
поверхности пороха во время горения и зависящая только от формы
пороховых элементов;
U - линейная скорость горения, зависящая от природы пороха.
Анализ этой зависимости позволяет выяснить, что применяя
пороховые элементы различной формы и размеров, можно в широких
пределах изменять характер кривой давления, величину
максимального давления пороховых газов, его положение по длине
канала ствола, а следовательно, добиваться получения наибольшей
дульной скорости артиллерийского снаряда при оптимальном
максимальном давлении пороховых газов в канале ствола.
Метание тел с использованием реактивных двигателей.
Работу реактивного или ракетного двигателя можно представить
как совокупность двух взаимосвязанных процессов – горения пороха в
камере двигателя и истечение газообразных продуктов сгорания из
сопла двигателя.
За счет истечения продуктов сгорания из сопла возникает
реактивная сила, приводящая ракету или другой аппарат в движение.
Эффективность работы реактивного двигателя зависит от различных
факторов, но в первую очередь – от скорости истечения w продуктов
сгорания из сопла. Последнее устанавливают именно для достижения
наибольшей скорости истечения.
Реактивная сила или сила тяги определяется выражением
,
где
секундный расход твердого топлива.
99
Величина скорости истечения газов на срезе сопла может быть
gRT
k
k
W
12+
=
ω
J
Jед=
τ
⋅=
T
RJ
g
w
Jед=
+⋅⋅=
М
gJV
ед
ω
1ln
max
выражена формулой:
где k – показатель адиабаты; g – ускорение силы тяжести; R – газовая
постоянная продуктов сгорания; T – температура в камере сгорания
топлива.
Скорость истечения газов на срезе сопла и, следовательно,
величина реактивной силы зависит, в основном от газовой постоянной
и температуры горения твердого топлива. Для увеличения этих
параметров более эффективным является создание состава твердого
топлива с большим значением газовой постоянной и меньшим
содержанием конденсированных частиц в продуктах сгорания.
Важнейшей характеристикой эффективности работы твердого
топлива в ракетном двигателе является величина удельного или
единичного импульса, показывающая, какой импульс (тяга)
сообщается ракете при сгорании 1 кг пороха:
,
где J- полный импульс реактивной силы;
заряда.
Если тяга двигателя R
времени
через секундный расход пороховых газов, т.е.
также показать, что
τ
работы двигателя, то
.
Учитывая вышеуказанные зависимости, а также выражение
ω
- полный вес порохового
примерно постоянна в течение всего
T
ω
ω
= m
сек
⋅g⋅τ
, можно
.
Скорость ракеты с пороховым зарядом в целом определяется
формулой Циолковского
где М – пассивный вес ракеты.
,
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]