книги / Химия и технология баллиститных порохов, твердых ракетных и специальных топлив. Т. 2 Технология

сеть от двух параметров: сечения канала и динамического сопротивления оболочки.

а) Сечение канала и диаметр винта

Исследования показали, что для динамической оболочки, моделирующей втулку пресса ШС-34, сечение канала 14 см2 является предельным уже для пороха типа РАМ-10К. Для но­ вых порохов БП-10, РТГ-25 и пр. в прессе ШС-34 потребова­ лось бы существенно уменьшать производительность для обес­ печения безопасности за счет уменьшения сечения. Повыше­ ние производительности в таком случае стало бы возможным только на прессах с увеличенным диаметром винта. В табл. 29

сравнительной оценки производительностей одинаковые ок­ ружные скорости (2,75 м/мин) и одни и те же потери расхода в напорной зоне (20%).

Из таблицы видно, что увеличение диаметра при прочих равных условиях существенно повышает производительность.

Т а б л и ц а 2 9

Влияние диаметра винта на производительность прессов

Так, шнек-пресс с диаметром 50 см имеет производитель­ ность почти в 5 раз больше, чем с диаметром 15 см. Однако при сохранении прежней конструкции пресса требования по критическому диаметру детонации вызывают необходимость снижения площади поперечного сечения канала и, тем самым, уменьшения производительности.

Кроме того, увеличение габаритов пресса всегда являлось нежелательным по многим причинам и, прежде всего, вслед-

351

ствие увеличивающейся металлоемкости аппарата, стоимости его и резко возрастающих затрат мощности, необходимой для прессования пороха.

Уменьшение сечения канала является отрицательным фак­ тором и для работы загрузочной зоны. Условия заполнения в бункерной зоне малого по сечению канала резко ухудшают­ ся. Растут потери производительности в напорной зоне, уве­ личиваются тепловыделения. Все эти явления усугубляются на винте большего диаметра.

Поэтому актуальной являлась работа по поиску решений повышения площади сечения с одновременным обеспечением докритических условий по детонации.

б) Снижение динамического сопротивления втулки

Выражения (4.122) и (4.126) показывают, что давление в прессующей зоне пресса непрерывно убывает в направлении от головки винта к загрузочной зоне. Причем, это снижение особенно значительно на винте, имеющем постоянную глуби­ ну нарезки. На рис. 166 графически представлено изменение давления по длине канала. По оси пресса давление падает еще заметнее.

Закономерности изменения давления в прессе позволили изменить конструкцию втулки в направлении ее динамическо­ го облегчения.

Втулки работающих в 50—60 годы прессов запрессовыва­ лись в толстостенные корпуса с рубашкой для обогрева. По результатам работ Петровского И. Я и сотрудников [132] была разработана динамически ослабленная втулка, имевшая в тол­ стой обечайке профрезированные вдоль образующих по всему периметру пазы. Толщина облегченных перемычек составляла 5...6 мм и была рассчитана на давление до 500...600 кгс/см2.

На рис. 167 представлен чертеж втулки пресса ПСВ, имею­ щей ступенчато убывающую толщину перемычек в направле­ нии от головки винта к бункеру пресса. Прочность стенки, а следовательно, и вес единицы поверхности в зоне низких давлений (загрузки и переходной) существенно ослаблены. С точки зрения разрыва детонационной цепи как по интен­ сивности, так и по экстенсивности важен участок переходных плотностей до 1,35 г/см3. Именно на этом участке, т. е. в зоне роста плотности от насыпной до 1,35 г/см3, втулка имеет бо­ лее тонкие перемычки (2...3 мм). Снижение веса оболочки по­ зволило повысить критический диаметр в важнейшей для раз-

352

рыва детонации зоне канала винта пресса. Испытания модели втулки на выход детонации в плотный порох показали, что критические условия детонации по показателю безопасности повысились от 50...60 до величины 80кгс/см2-мс для состава типа РАМ-10К. Площадь сечения канала составляла при этом более 16 см2.

в) Разрыв детонационной цепи по интенсивности

Применяемые ранее конусные винты с постепенно умень­ шающимся сечением канала давали растянутую зону переход­ ных плотностей, приводившую в некоторых случаях к выходу детонации в плотный порох.

Поскольку градиент плотности определяет возможность разгона детонации от низкоскоростной в рыхлом полуфабри­ кате до высокоскоростной в плотном порохе, были проведены исследования с целью значительного увеличения градиента.

353

При этом предполагалось, что уплотнение порохового полу­ фабриката на начальной стадии происходит не за счет сдвига слоев, а под действием гидростатического давления. Это дав­ ление обеспечивается в канале винта уменьшением сечения последнего. Однако большой градиент площади сечения по длине канала может привести к снижению коэффициента vj/2 вплоть до полного «заклинивания» пороха и вращения его вместе с винтом. Теоретическое обоснование оптимальной ин­ тенсивности сужения канала представляет значительные труд­ ности, поэтому были проведены экспериментальные работы по выбору оптимальной длины зоны переходных плотностей. Нарезка основания канала винта производилась по спирали Архимеда, обеспечивающей плавный переход глубины канала в зоне загрузки до глубины прессующей зоны на разных дли­ нах канала.

Были испытаны винты с длиной спирали в пределах 180...120° Чертеж винта представлен на рис. 168.

Определение градиента плотностей производилось следую­ щим образом. В определенный момент прессования, после ус­ тановления стабильного процесса электродвигатель привода винта выключался. Корпус пресса снимался с винта, а масса в переходной зоне винта подвергалась гравиметрическим оп­ ределениям. За начальную принималась исходная насыпная плотность, строился график в координатах плотность — длина канала от начала уплотнения.

На рис. 169 приведены подобные графики, полученные в результате экспериментального определения плотности поро­ ха БП-10 в канале винта прессов ШС-34 и ПСВ. Пресс ПСВ имел два винта с различной длиной зоны переходных плотно­ стей (26 см — 120° и 33 см — 150°).

Градиент плотности, как видно из рисунка, для пресса ПСВ резко возрос в сравнении с прессом ШС-34 и составил для винта с длиной зоны сжатия 33 см — 3,5 г/см3-м и для винта с длиной 26 см — 6,1 г/см3-м.

354

Рис. 169. 1^адиснт плотности на различных прессах (состав БП-10):

(угол 120*), ^ = 6 ,1

Az

Это позволило существенно расширить критические преде­ лы по выходу детонации в плотный порох. Так, предельная величина показателя скорости газообразования составляла для

ШС-34 65 кгс/см2 мс, для ПСВ при дZ = 3,5 г/см3-м — 65

SZ

В табл. 30 приведены значения верхних пределов показателя безопасности dP/dt для некоторых составов баллиститных порохов.

Таким образом, динамическое ослабление втулки в области переходных плотностей, обеспечение большей интенсивности сжатия пороха, существенно повысившей градиент плотности, позволило отодвинуть верхние пределы выхода детонации в плотный порох до уровня, обеспечивающего безопасность переработки новых более чувствительных составов. Очень важ-

355

но, что площадь сечения канала при этом была увеличена на­ столько, что появилась возможность разработки малогабарит­ ного высокопроизводительного пресса.

4.5.2 Определение геометрических параметров винта на основе реологических исследований

Важнейшей характеристикой пресса является максимальное давление, которое он способен развить в докритических усло­ виях, т. е. до момента выхода запрессованной части пороха в загрузочную зону пресса. Именно при максимальном давле­ нии, которое способен развить пресс в данных условиях, про­ исходит срыв массы с рифов. Это давление определяется как конструкцией пресса, так и реологическими свойствами мас­ сы. Для винта с постоянной глубиной канала, когда напорность практически мало изменяется по длине канала, макси­ мальное давление в первом приближении равно произведению напорности на длину напорной зоны пресса (4.122).

Для конического винта с изменяющейся глубиной канала давление на выходе из пресса определяется по выражению (4.126) и зависит как от длины канала, так и интенсивности изменения глубины канала.

Для таких винтов существует определенная длина канала, характерная для каждого состава, выше которой давление, развиваемое прессом на выходе, не растет, а напротив, падает. Это критическая длина канала конусного винта, а давление, развиваемое прессом при запрессовке всей этой длины, явля­ ется для данного состава предельным. На рис. 170 представле­ ны графики зависимости максимального давления на выходе из пресса от длины напорной зоны канала. Взят винт с углом

Ф= 2,5°.

Втабл. 31 приведены характеристики составов и значения максимальных давлений для различной длины напорной зоны.

Из графиков и таблицы видно, что пресс с подобным вин­ том способен развивать большие давления на составах

356

НМФ-2, РАМ-1OK, РСТ-4К. На составах РТГ-25, БП-10 мак­ симальные давления составляют соответственно 150 кгс/см2 и 136 кгс/см2. Очевидно, винты даже с малым углом конусно­ сти не могут рассматриваться при проектировании пресса для составов типа РТГ-25 и БП-10.

Т а б л и ц а 3 1

Реологические характеристики составов и значения максимальных давлений для различной длины напорной зоны

40 80 120 160 200 Znp, см

Рис. 170. Максимальное давление, развиваемое винтом с а ( = 2,5 на различных составах:

1 - типа РАМ; 2 - РСТ-4К; 3 - НМФ-2; 4 - типа РТГ; 5 - БП-10

357

На основании полученных результатов в основу проектиро­ вания был взят цилиндрический винт с постоянной или малоизменяющейся по длине глубиной канала.

Глубина канала была определена по результатам реологиче­ ских исследований штатных и новых порохов и расчета напорности и объемного расхода противотока в соответствии с ранее приведенными выражениями.

Графики для расхода противотока Q„, кг/час и напорности

кгс/см! см в зависимое™ от глубины канала приведены

д Z

на рис. 171 и 172. Напорность винтов на штатных составах НМФ-2, РСТ-4К, РАМ-10К и пр. существенно выше, чем для порохов типа РТГ-25 и БП-10. Несмотря на быстрое падение ее с увеличением глубины, она остается достаточно высокой даже для глубины 3 см. У новых составов при увеличении глубины более 1,5...2 см она падает до уровня ниже 1,5...1,0 кгс/см2-см.

35 8

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Л, см

Рис. 172. Зависимость напорности от глубины канала для различных со­ ставов:

1 - типа РАМ; 2 - РСТ-4К; 3 - НМФ-2; 4 - типа РТГ; 5 - БП-10

При градиенте давлений 1 кгс/см2*см для преодоления со­ противления пресс-инструмента (до 300 кгс/см2) потребовалась бы длина напорной части канала 3 м. Это привело бы в свою очередь при длительном времени пребывания пороха в зоне интенсивных сдвиговых деформаций к значительным тепловы­ делениям и разогреву пороха.

Что касается противотока, то на этих порохах именно вследствие низкого градиента давлений он незначителен. Оп­ ределяющим фактором при выборе глубины канала в данном случае является напорность винта. Для штатных порохов, на­ против, достаточен запас по напорности, но с увеличением глубины возрастает значительно расход противотока. Поэтому выбор глубины канала винта должен производиться с учетом и этого важного в данном случае фактора.

Таким образом, глубина канала, определяющая важнейшие характеристики винта, должна выбираться с учетом реологиче­

ских свойств пороха. Анализ по напорности и расходу обрат-

д Р

ного потока с построением графиков функций — , Qp, Q5, к,

о Z

359

п = Ah) позволяет определить оптимальную глубину нарезки винта, который может стабильно работать при прессовании исследуемых порохов.

составляет для штатных составов — 100 см по оси канала (27,6 см — по оси пресса), для порохов типа БП-10

иРТГ-25 — 150 см (30 см по оси пресса при <р = 12°). Ширина канала винта определяется из критического сече­

ния, ниже которого обеспечиваются безопасные условия прес­ сования, дающие разрыв детонационной волны или по экс­ тенсивности, или по интенсивности.

Важнейшим параметром винта является степень сжатия, которая определяется из выражения (4.117). Входящие в это уравнение члены значительно изменяются как для различных составов, так и в процессе работы на одном и том же составе, в особенности это касается таких коэффициентов как (сте­ пень заполнения межвиткового объема) и d (насыпная плот­ ность). Если величины, входящие в числитель, расчетные (расход противотока и утечек), то знаменатель содержит пара­ метры, определяемые экспериментально.

Насыпная плотность зависит от работы практически всех предыдущих фаз переработки, начиная от вальцевания и кон­ чая таблетированием. Кроме того, она зависит от реологиче­ ских свойств пороха и удельной силы внешнего трения. Так же как и коэффициент \|/ь на нее значительно влияют и такие «мелочи» производственного процесса, как острота лезвия но­ жа таблетирующего аппарата и зазор между барабаном аппара­ та и ножом.

Поэтому расчет производительности загрузочной зоны вин­ та может быть проведен на основе экспериментальных значе­ ний у ь щ и d.

С этой целью была проведена серия экспериментов непо­ средственно на работающем в опытном производстве прессе по определению производительности пресса в различных усло­ виях. В табл. 32 приведены результаты этих экспериментов

360