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

4.7 Закономерности течения массы в раструбном пресс-инструменте. Разработка нового пресс-инструмента

Применяемый в настоящее время промышленный пресс-инструмент создан на основе большого комплекса ис­ следований, проведенных как в лабораторных условиях, так и непосредственно на натурном оборудовании. Эксперимен­ тальное изучение закономерностей течения, определение пара­ метров «теплосилового» поля позволили существенно усовер­ шенствовать конструкцию пресс-инструмента и уменьшить ко­ эффициент вытяжки (отношение максимального диаметра раструба к диаметру формующей втулки) с 3—5 на малогаба­ ритных изделиях до 1,25—1,5 на крупногабаритных. Это рас­ ширило возможности технологии переработки баллиститных топлив и увеличило максимальный диаметр изготавливаемых изделий с 250...300 мм до 800... 1000 мм. Однако в достаточной степени совершенный даже для современного уровня пресс-инструмент не удовлетворяет целому ряду требований при формовании новых гетерогенных топлив:

— не обеспечивается необходимое качество изделий при прессовании с высокой производительностью новых топлив, особенно высокопрочных и высокомодульных («волнистость», «бугристость», пористость и т. д.);

—велика загрузка и, следовательно, время прессования топлив с пониженной термохимической стойкостью (плазмен­ ных и пр.);

—значительное количество брака по разносводности (сме­ щение оси канала от оси изделия) вследствие трудности орга­ низации стабильного течения;

—невозможность изготовления традиционным способом тонкосводных изделий (миллиметры и десятые доли милли­ метра) для артиллерии и ручных гранатометов.

В связи с этим были проведены дополнительные исследо­ вания течения топливной массы в пресс-инструменте и вы­ полнен ряд инженерных разработок, позволивших конструк­ тивно решить поставленные задачи.

Изучение течения проводилось в двух направлениях, свя­ занных с особенностями новых топлив:

— исследование скорости деформации (сдвига) по длине пресс-инструмента и релаксационных параметров топливной массы;

4 0 1

— изучение закономерностей течения массы на границе с пресс-инструментом.

При исследованиях по первому направлению исходили из того, что при перемещении сегментов макромолекул или над­ молекулярных элементов из одного положения в другое про­ исходит разрыв старых и образование новых межмакромолекулярных связей (рекомбинация). Возможность рекомбинации с образованием плотной структуры определяется соотношени­ ем двух скоростей: сдвига и релаксации. На рис. 198 показано изменение скорости сдвига по длине пресс-инструментов раз­ ных габаритов.

Скорость сдвига, усредненная по сечению и определенная как функция производительности, радиуса и угла конусности элемента раструба, изменяется весьма значительно как по длине пресс-инструмента, так и в зависимости от его разме­ ров. Деформирование массы в раструбе имеет сложный харак­ тер и отличается как по величине, так и по знаку. Условно положительный знак выбран для направления вектора по оси и отрицательный — для перпендикулярного направления. В первом случае ориентация макромолекул (или надмолеку­ лярных образований) — осевая, во втором — в плоскости, перпендикулярной оси. Скорость сдвига стремительно нарас­ тает в конфузоре по направлению ко входу во втулку, где она падает практически до 0, если не считать, как правило, незна­ чительного пристенного сдвига. Резкий скачок в месте стыка конфузора со втулкой, равно как и высокий абсолютный уро­ вень, опасны с точки зрения двух дефектов:

Рис. 198. Изменение скорости сдвига по длине пресс-инструмента:

1 — 0 250 мм; 2 — 0 800 мм

402

—разрыхления структуры с получением высокопористого низкопрочного заряда;

—замораживания во втулке значительной обратимой вы­ сокоэластической деформации, реализуемой после выхода из втулки в виде неравномерных присадок («волнистость», «буг­ ристость») или в предельном случае с разрыхлением структуры (пористость).

Критические значения скорости сдвига с учетом релакса­ ционных процессов для некоторых составов баллиститных то­ плив определялись при прессовании на гидропрессе с различ­ ной производительностью через матрицы с изменяемым углом конусности. Определена критическая область (рис. 199), кото­ рая лежит практически для всех топлив выше реальной облас­ ти прессования (это утверждение не касается пограничного слоя, о котором речь пойдет ниже).

Второй дефект, связанный с влиянием абсолютной величи­ ны и высокого градиента скорости сдвига на стыке конфузора со втулкой, часто проявляется в реальных условиях в виде волнистой и бугристой поверхности, а в некоторых случаях и в виде пористой структуры. Так, топливо МФ-40, имеющее обратимую деформацию в условиях прессования до 30% вме­ сто ~ 7% у штатных топлив, разрыхляется на выходе из втул­ ки (пористые заряды).

Рис. 199. Зависимость максимальной скорости сдвига от размера раструба

403

Рис. 200. Профильный пресс-инструмент (2) в сравнении с обычным (1)

Поэтому в конструктивном плане задача сводилась к опти­ мизации пресс-инструмента с исключением отрицательного влияния пиковых величин скорости сдвига. На рис. 200 пред­ ставлены геометрические контуры старого и нового пресс-ин­ струментов. В последнем внутренняя поверхность выполнена по специальному расчетному профилю, обеспечивающему за счет постоянного уменьшения по оси угла конусности конфузора более выгодные условия деформирования топлива.

С этой целью внутренний профиль входного конуса диф­ фузора и конфузора принимается в виде дуги окружности с центром, находящимся на перпендикуляре к хорде, соеди­ няющей концы профиля, и радиусом, определенным по выра­ жению:

где R — радиус входного сечения профильного канала; г — радиус выходного сечения конуса; a — угол конусности во входном сечении канала.

На рис. 201 и в табл. 39 приведены исходные данные для проектирования пресс-инструмента различного габарита.

Граничные явления исследовались с учетом внешнего тре­ ния и вязкости топливной массы, а также геометрических па­ раметров пресс-инструмента.

На рис. 202 представлены возможные граничные явления в конфузоре, определяющие по существу качество изделий. Баллиститная топливная масса, отличающаяся высокой вязко-

404

Рис. 201. Внутренний профиль пресс-инструмента, обеспечивающего умень­ шение скорости объемной деформации на входе в горловину и формующую втулку

стыо и замедленными релаксационными процессами, при пе­ реработке на аппаратах течет с проскальзыванием по поверх­ ности. Однако в зависимости от соотношения вышеназванных параметров это условие может нарушаться. Рассмотрим ско­ рость сдвига и напряжение, действующие на элемент массы

впограничном слое:

—напряжение сдвига, приводящее к скольжению массы

где R — текущий радиус конфузора;

— внешнее трение, тормозящее проскальзывание, с учетом

405

Рис. 202. Течение на границе топлива с конфузором

а — условие скольжения; б —- скольжение по всей поверхности; в — раз­ рыв граничного потока в начале («серизна»); г — разрыв граничного по­ тока в конце («рвань»)

406

— скорость сдвига в пограничном слое

ально разных явления, определяющих качество получаемых изделий (рис. 202):

— напряжение сдвига превышает тормозящую силу у стенки на всей длине конфузора (условие нормального прес­ сования);

— напряжение сдвига меньше тормозящей силы в начале конфузора. В этом случае имеет место нарушение сплошности пограничного слоя с последующим восстановлением ее в кон­ це конфузора. Это явление характеризуется получением боль­ шей или меньшей «серизны» на поверхности изделий в зави­ симости от величин 1р и Дт= /(cosа /2)—тсд;

—то же явление, что и во втором случае, но наблюдаемое

вконце конфузора. В данном случае 1Р и Дт существенно большие, и сплошность потока не успевает восстанавливаться до конца конфузора. Изделия на выходе из втулки имеют рва­ ную поверхность («рвань»), характер которой определяется,

как и во втором случае, величиной параметров 1Р и Дт. Полученные результаты позволяют понять причины много­

численных дефектов нарушения сплошности поверхности из­ делий, имеющих место в производстве, и наметить пути для их устранения. В конструктивном плане важны два выходных результата:

—на основании расчета существующего промышленного инструмента выдаются требования разработчику топлива по реологическим свойствам масс и удельному внешнему трению;

—разработанный метод расчета является основой для проектирования нового пресс-инструмента.

Вышеописанный профильный инструмент имеет преиму­ щество в сравнении со штатным и по организации течения пограничного слоя, так как тормозящая сила у стенки конфу­ зора в направлении потока постоянно снижается.

На рис. 203 представлена схема пресс-инструмента про­ мышленного исполнения, имеющего кроме вышеназванных отличительных особенностей два оригинальных устройства,

4 0 7

Рис. 203. Пресс-инструмент для формования новых составов:

1 — конусное регулировочное устройство; 2 — деформируемая фторопла­ стовая втулка; 3 — шарнир

обеспечивающих исключение брака по наружному диаметру и разносводности. Корректировка наружного диаметра в пре­ делах 7... 10 % производится изменением сечения формующей втулки, регулирующий участок которой выполнен с прорезя­ ми, которые изменяются по ширине механическим путем (гидравлика или сжатие конусным элементом). Втулка с про­ резями закрыта изнутри деформируемой фторопластовой втул­ кой.

Второе устройство представляет собой сферический фторо­ пластовый подшипник, на котором стакан с формующей втул­ кой подвешен к конфузору. Это позволяет формующей втулке принимать положение, соответствующее направлению потока (соосное с иглой).

Испытание обоих устройств подтвердило их проектные данные и позволило рекомендовать новый пресс-инструмент в промышленность для широкой реализации.

4.8 Новые технологические схемы переработки баллиститной топливной массы

Работа по созданию новой взрывобезопасной технологиче­ ской схемы переработки современных ракетных, специальных топлив и артиллерийских порохов проводилась в два этапа:

408

стоящей и предыдущих главах изложены теоретические, экс­ периментальные и инженерные основы разработок по двум этапам: методы исследования процессов и расчета оборудова­ ния. Существо и той, и другой технологических схем ясно из предыдущих параграфов. Здесь же целесообразно остановиться на особенностях вспомогательного оборудования, принципов и систем управления, которые связаны с дополнительными разработками и во многом определяют технико-экономические характеристики производства в целом.

На рис. 204 приведена директивная технологическая схема переработки (первый этап разработки). Схема включает основ­ ные технологические аппараты: ПО-ЗОО — вальцы 1500 660/660 - СШТС-М - ПКТ-125 - ПСВ-2М (ПВВ-300).

Применение новых аппаратов: отжимного пресса ПО-ЗОО, вальцев 1500 660/660, прессов ПСВ-2М или ПВВ-300 в ком­ бинации с модернизированной сушилкой СШТС-М и таблетирующим прессом ПКТ-125М позволило увеличить производи­ тельность с 450...600 кг/час до 800 кг/час, а также повысить качество и безопасность.

Повышение критического уровня показателя безопасности dP/dt с 8 до 12 МПа/мс за счет применения новых формую­ щих прессов обеспечивает необходимую безопасность перера­ ботки современных высокоэнергетических гетерогенных топ­ лив. Для организации работ в так называемом «безлюдном» варианте технологическая схема оснащается целым комплек­ сом дополнительного вспомогательного оборудования, средств измерения и системной автоматического управления.

От существующей технологической схемы настоящая отли­ чается наличием четырех дополнительных устройств:

—бункера-синхронизатора для автоматического регулиро­ вания производительности отжимного пресса и вальцев;

—автоматизированного устройства загрузки формующего пресса;

— автоматизированной системы для транспортировки с фаз сбора и ввода на вальцы возвратных технологических отходов;

— узла ввода на вальцы водорастворимых добавок.

С целью автоматизации управления технологические аппа­ раты оснащаются целым рядом дополнительных контроль­ но-измерительных приборов и систем измерения: уровнемеры, датчики температуры и давления, сигнализаторы вращения, измерители геометрических размеров изделия и т. д.

409