Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы взрыва. Монография
.pdf
толщина облицовки составляет 1-2,5 мм в зависимости от диаметра
2
1
ρ
ρ
lL =
12
21
αρ
αρ
lL =
заряда. С увеличением массы активной части m
возрастает. С уменьшением угла раствора облицовки
заряда скорость W
a
α
/2 скорость W
возрастает. Эксперименты, однако, показывают, что при угле
схлопывания облицовки меньшем некоторого критического угла,
начинает проявляться сжимаемость материала облицовки и
кумулятивная струя не образуется.
Глубина пробития L
Согласно теории кумуляции при соударении КС с преградой
развиваются такие большие скорости и давления соударения, что
можно пренебречь прочностным сопротивлением преграды и
рассматривать ее как несжимаемую жидкость. В условиях такого
допущения глубина пробития будет равна длине КС, то есть
L = l
Если плотности струи и преграды отличаются, то
,
где
ρ
и
ρ
– плотности КС и преграды соответственно.
1
2
В реальных же условиях всегда существует прочностное
сопротивление преграды, что учитывается следующим образом
,
где
α
и
α
1
– соответственно коэффициент сжимаемости струи и
2
преграды.
Практика показывает, что пробивной способностью обладает не
вся длина струи, а только ее часть, которая обладает некоторой
минимальной или критической скоростью w
, ниже которой эта часть
кр
струи не участвует в пробитии преграды (рис. 4.4).
Та часть струи, которая обладает скоростью w
>
wкр и участвует в
пробитии преграды, называется эффективной длиной струи. Исходя из
экспериментальных данных можно принять, что l
составляет 3l
, где l0 – длина образующей облицовки.
0
примерно
эф
51
2
0
=
пр
x
вх
P
P
rR
Рис. 4.4. Критическая скорость wкр и
эффективная длина струи l
эф
Диаметр или входной радиус R
пробоины при нормальном
вх
формировании КС могут быть определены из формулы
где
r
– средний радиус КС;
0
Р
– давление удара, создаваемое КС об преграду;
х
Р
– предельное прочностное сопротивление преграды.
пр
Для кумулятивного заряда среднего калибра диаметром 60 мм, с
толщиной облицовки 2 мм и
порядка 2⋅10
6
кг/см2 и Рпр ∼5⋅105 кг/см2, значение Rвх будет составлять
около 12 мм, а диаметр входного отверстия d
α
= 35о величина r0 ≈ 0,76 мм. При Рх
= 24 мм.
вх
52
4.3. Влияние конструктивных параметров и технологии
изготовления кумулятивного заряда на пробивное действие
Основными элементами кумулятивного заряда являются
облицовка кумулятивной выемки, заряд ВВ, корпус и узел управления
детонационным фронтом.
4.3.1. Облицовка кумулятивной выемки
Важнейшим элементом КЗ, во многом определяющим его
пробивную способность, является облицовка кумулятивной выемки. В
кумулятивных зарядах обычно применяют одно- и двухслойные
облицовки. Они могут быть комбинированными, состоящими из
разных слоев, отличающихся материалом, толщиной и
геометрической формой.
Материал облицовки (КО)
В кумулятивных зарядах исходя из механизма образования струи
широко используются однослойные металлические облицовки из
материалов, обладающих высокой плотностью и пластичностью при
больших скоростях деформирования. Наибольшее распространение,
как наиболее доступный материал, получило медь. Вместе с тем, медь
не обладает максимальными значениями таких параметров, как
скорость головной части КС, ее плотностью и коэффициентом
предельного удлинения, позволяющим однозначно предпочесть ее
многим другим металлам. Анализ показывает, что для увеличения
пробивной способности КС необходимо формировать ее головную
часть из высокоплотного и пластичного материала с большей, чем у
меди, скоростью звука, а хвостовую часть – из металла, реализующего
величину критической скорости пробития преграды меньшую, чем
получается для медной кумулятивной струи.
Совершенно разные требования к материалу КО должны
представляться в зависимости от прочности пробиваемых преград.
Так, например, в преграде из алюминиевых сплавов глубины
кратеров, пробитых КЗ с облицовками из меди и циркониевого сплава
близки друг к другу, причем объем кратера, образованного КС из
меди даже меньше. На менее прочных преградах, например, таких как
бетон или песок, КС из циркониевого сплава вообще получает
преимущество – глубина пробития бетона на 5-10%, а слоя песка на
53
∼30% выше. Вместе с тем, при пробитии прочной стальной преграды
преимущество КС с облицовками из меди достаточно существенно, по
сравнению с облицовками из циркониевого сплава.
Увеличение пробивной способности КЗ военного назначения
связывается с применением облицовок из сплавов на основе
вольфрама (тугоплавкого высокоплотного металла с температурой
плавления 3410
о
С), а также облицовок из обедненного урана.
Разработка материалов, не приводящих к образованию
монолитных пестов, что имеет принципиальное значение при
кумулятивной перфорации нефтяных и газовых скважин,
предопределяет еще одно направление совершенствования
однослойных КО, связанное с реализацией при взрывном обжатии
облицовок из легкоплавких металлов и сплавов на их основе. К таким
материалам можно отнести свинец и висмут с температурами
плавления 327 и 271
о
С соответственно, которые обладают к тому же
достаточно высокой плотностью.
Широкое распространение получили кумулятивные перфораторы
из зарядов с облицовками из конструкционных порошковых
материалов, получаемых методами порошковой металлургии.
Кумулятивные заряды с такими облицовками позволяют получать
беспестовые КС с существенным увеличением коэффициента
перехода металла в струю, что приводит к возрастанию массы и
большому удлинению КС.
Форма и толщина облицовки
В зависимости от назначения и конструктивных особенностей
существуют различные геометрические формы КО. На рис. 4.5
представлены наиболее распространенные КО геометрических форм,
используемых в осесимметричных КЗ. Кумулятивные заряды с
цилиндрическими облицовками (а) формируют высокоскоростные,
безградиентные, диспергированные струи, имеющие максимальные
скорости головной части КС, но в силу малой плотности, не
обладающие достаточной пробивной способностью, а потому и не
имеющие широкого практического применения. При увеличении
углов схлопывания путем перехода к высоким коническим
облицовкам (б), обеспечивается формирование высокоскоростных
высокоградиентных сплошных монолитных струй, обладающих
максимальной пробивной способностью. По результатам
54
многочисленных исследований выявлено, что оптимальный угол
конической облицовки составляет 2
конуса и перехода к полусферическим облицовкам (в), уменьшается
скорость головной части КС и ее градиент при одновременном
увеличении выхода массы КО в струю.
Рис. 4.5 Кумулятивные облицовки:
а-д – простых геометрических форм;
в, ж – усложненных геометрических форм;
з, и – комбинированные по геометрической форме;
к, л – переменной толщины.
В этом случае, при общем снижении глубины пробития,
обеспечивается больший диаметр отверстия в преграде. При переходе
к пологим коническим (г) и сегментным (д) облицовкам, при
определенных соотношениях угла 2
облицовки, формируются компактные поражающие элементы –
ударные ядра. Такие КО, имеющие большие углы схлопывания,
создают ударники по механизму выворачивания облицовки.
Помимо облицовок простых геометрических форм могут быть
использованы КО различных усложненных геометрических форм, так
называемые рупорообразные (е) и тюльпанообразные (ж) облицовки с
криволинейной образующей, которые расширяют возможности
управления длиной, формируемой КС и градиентом скорости по ее
длине. На рис. 4.5 показаны две комбинированные по геометрической
α
=40-50о. При увеличении угла
α
, высоты h и толщины
55
форме КО: составная коническая (з) и конусно-полусферическая (и). В
первой реализуется каскадная схема струеобразования, позволяющая
удлинять КС с увеличением числа ступеней облицовки, причем
вариация толщиной каждой ступени облицовки еще больше
расширяет возможность управления параметрами струи. Вторая
сочетает лучшие качества конической облицовки (большая глубина
пробития, относительно небольшое фокусное расстояние) и
полусферической облицовки (большой диаметр, образуемый в
преграде пробоины и дальнобойность).
Определенные перспективы совершенствования КО связаны с
возможностями варьирования толщиной облицовки по длине ее
образующей. Толщина облицовок кумулятивной выемки выбирается
таким образом, чтобы обеспечить оптимальное распределение
скорости вдоль кумулятивной струи в зависимости от решаемой
задачи. Возможно, исполнение КО как с прогрессивно
уменьшающейся (к), так и с прогрессивно увеличивающейся (л)
толщиной от основания к вершине облицовки. В результате в
зависимости от решаемой задачи можно регулировать скорость
элементов КС, ее градиент и выход металла облицовки в струю.
4.3.2. Заряд взрывчатого вещества и корпус
Заряд ВВ
На пробивное действие КЗ влияют детонационные и
энергетические характеристики используемого ВВ. В целом
использование более мощных ВВ в кумулятивном заряде позволяет
при том же градиенте скорости вдоль КС увеличить толщину
облицовки, что обеспечивает увеличение выхода металла в струю,
предельное растяжение струи до разрыва и соответствующее
повышение пробивного действия при подрывах на увеличенных
расстояниях от заряда до преграды.
При снаряжении КЗ прессованием в большинстве случаев
используются флегматизированные добавками гексоген и октоген, а в
литьевых составах – сплавы тротил-гексоген и тротил-октоген.
Положительный эффект отмечается при использовании ВВ с добавками алюминия. Диапазон плотностей реально используемых зарядов
составляет 1,65-1,85 г/см
3
, а скоростей детонации 8100-8800 м/с.
56
Форма заряда
Рис. 4.6. Распределение скорости КС по длине
образующей
1
2 – коническая
Наиболее распространенной формой заряда является цилиндр,
однако стремление к уменьшению массы ВВ без снижения
эффективности действия КЗ, требует оптимизации внешней формы
зарядов ВВ, которая сводится к определению и сохранению активной
массы заряда. При этом стремятся к уменьшению массы заряда ВВ, не
оказывающей влияния на скорость обжатия КО и, следовательно, на
кинематические характеристики кумулятивной струи. Эти условия
могут быть выполнены при переходе от зарядов цилиндрической
формы к цилиндроконической.
Для оценки максимально возможной высоты цилиндрической
части зарядов в зоне облицовки кумулятивной выемки, при которой
еще не происходит изменения скоростных характеристик КС и
снижения глубины пробития, использовались лабораторные заряды из
флегматизированного гексогена диаметром 46 мм и высотой 60 мм.
Кроме зарядов цилиндрической формы использовались заряды конинической формы без цилиндрической части и заряды с цилиндрической частью у основания конуса высотой, равной половине высоты
облицовки.
– цилиндрическая и цилиндроконическая;
l0 в зависимости от формы заряда:
На рис. 4.6 показаны полученные методом «меченой струи»
кривые распределения скорости V
образующей конусы l
кумулятивной выемки, которую в первом
0
вдоль струи относительно длины
J
приближении можно принять равной исходной длине струи. Из
57
кривых видно, что головная часть струи имеет для всех зарядов
одинаковую скорость. Скорости последующих частей струй для
цилиндрических и цилиндроконических зарядов практически
совпадают, а для конических зарядов – постепенно уменьшаются и, по
мере приближения к средней и хвостовой частям, становятся
существенно меньше. Соответственно, пробивное действие
конических зарядов, по сравнению с цилиндрическими и
цилиндроконическими зарядами, снижается в среднем на 8%.
На основании проведенных опытов сделан вывод, что высота
цилиндрической части зарядов цилиндроконической формы должна
быть не менее половины высоты облицовки кумулятивной выемки.
Корпус заряда
Предохраняя заряд ВВ от повреждений и вредного внешнего
воздействия, корпус является важнейшим конструктивным элементом
повышения эффективности действия кумулятивного заряда.
Определяющим образом он влияет на детонационную способность
заряда ВВ и коэффициент отбора облицовкой кумулятивной выемки
энергии взрыва. Известно, что наличие жесткой стенки приводит к
значительному возрастанию отбора энергии метаемой облицовки,
причем существует оптимальное значение величины массы
облицовки, при котором коэффициент отбора энергии максимален.
Влияние толстостенных стальных корпусов осесимметричных КЗ
на скоростные параметры КС аналогично влиянию формы заряда.
Также как для случая, показанного на рис. 4.5, скорость головной
части КС при подрывах зарядов в корпусах (1) и без них (2), с одними
и теми же облицовками кумулятивной выемки, получается
одинаковой, а значение скорости последующих частей струи для
зарядов без корпусов (2) постепенно уменьшается. Равенство
значений скоростей головной части струи для зарядов в корпусах и
без них объясняется тем, что влияние корпуса на верхнее сечение
конической части КО при обжатии не может сказаться из-за большого
слоя ВВ в этой зоне, а по мере уменьшения его толщины к основанию
облицовки, это влияние становится все более заметным. Если
распределение скорости для зарядов без корпусов является более
оптимальным, то для того, чтобы приблизиться к нему в зарядах с
толстостенными стальными корпусами, приходится утолщать КО у
основания конуса примерно на 20-30%, сохраняя неизменной их
58
толщину у вершины. Недостатками КЗ в металлических корпусах,
особенно толстостенных, являются фрагментации оболочки при
взрыве, приводящие к формированию осколочного поля. Во многих
случаях это ограничивает проведение взрывных работ или требует
специальной защиты. Поэтому, особенно во взрывных работах
гражданской направленности, используются варианты
конструктивного выполнения КЗ с корпусами из конструкционных
порошковых материалов.
4.3.3. Узел управления детонационным фронтом
Основные задачи, решаемые с помощью системы управления
формой фронта ДВ, направлены на увеличение скорости обжатия
облицовки кумулятивной выемки и синхронизацию процесса обжатия
по длине образующей облицовки. В качестве основных путей решения
указанных задач является:
- применение специальных профилированных вставок – так
называемых «линз» из инертных или взрывчатых материалов;
- создание воздушных каналов или полостей;
- регулирование детонационных характеристик по длине и
диаметру заряда;
- применение нетрадиционных схем инициирования и режимов
инициирования.
Наиболее распространенным на практике является первый из
указанных путей, связанный с применением линзовых узлов.
Линзовый узел выполняет функцию детонационного генератора –
преобразует первоначально расходящуюся ДВ в сходящуюся с
тороидальной формой фронта (рис. 4.7).
При точечном инициировании детонации заряда без линзы (а)
закономерности распространения детонации проявляются как
сферические поверхности, движущиеся по нормали к фронту волны.
Наличие в заряде линзы из инертного материала приводит к
изменению формы фронта детонационной волны (б, в).
Введение в заряд линзы, расположенной на некотором
расстоянии от вершины конуса кумулятивной волны, позволяет
увеличить скорость обжатия прилегающих к вершине конуса участков
облицовки за счет того, что фронт ДВ подходит к ним практически по
нормали. Это отражается в свою очередь на распределении скорости
59
вдоль КС, приближая его к оптимальному. Как правило, линза
а б в
изготавливается из пластмассы. Толщина линзы из инертного
материала выбирается из того расчета, чтобы ДВ, огибающая ее по
ВВ, выходила на обращенную к вершине конуса кумулятивной
выемки поверхность линзы раньше, чем УВ, проходящая через
материал линзы, т.е. линза должна быть в этом случае
невзрывопроводящей.
Рис. 4.7. Влияние геометрической формы линзы
на форму детонационной волны:
а - заряд без линзы;
б, в - заряды с линзой разной формы
В качестве перспективных материалов для изготовления
неврывопроводящих линз, можно указать пористые конструкционные
порошковые материалы: пеностекло, высокопористые керамические
материалы и т.п. В ряде конструкций КЗ практический интерес могут
представлять линзы из ВВ с детонационными характеристиками,
меньшими детонационных характеристик основного заряда.
4.3.4. Технология изготовления заряда
Результаты многочисленных исследований указывают на
существенное влияние технологии изготовления КЗ на его пробивное
действие [4.4, 4.5]. Из практики применения КЗ известно, что
современный достигаемый уровень пробития прочных стальных
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]