CC BY
90
УДК 534.8
Колмаков К.М, Козлов В.Г.
ФГБОУ ВПО Пензенский государственный университет, Пенза, Россия
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА РАССНАРЯЖЕНИЯ ОСКОЛОЧНО-ФУГАСНЫХ
БОЕПРИПАСОВ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ СПОСОБОМ
Введение
В настоящее время в России реализуется третья по счёту Федеральная целевая программа «Промышленная утилизация вооружения и военной техники на 2011-2015 годы и период до 2020 года». Количество боеприпасов подлежащих утилизации по оценкам МО РФ на 1 сентября 2010 г. составлял 6,5 млн. тонн. Их значительная часть снаряжена алюминий содержащими ВВ.
В процессе утилизации артиллерийских выстрелов наиболее сложной задачей является расснаряжение снарядов. Сущность расснаряжения осколочно-фугасных снарядов сводится к извлечению взрывчатых веществ (ВВ) из корпусов. Поскольку ВВ обладают гораздо более высокой, по сравнению с порохами, химической стойкостью [1] возможно их вторичное использование. Проблема возникает из - за того, что технология снаряжения, как правило, выполняется с расчётом на необратимость и просто применить цикл обратный снаряжению оказывается невозможно. Особую сложность представляет задача по расснаряжению неплавких ВВ - составов на основе гексогена.
1. Анализ предложений по утилизации
Процесс расснаряжения предусматривает определённое воздействие на разрывной заряд (РЗ), нарушение его целостности и извлечение из корпуса фрагментов ВВ. Всю совокупность возможных воздействий на снаряд и его РЗ можно разделить на две группы: физическое и химическое. Первая группа,
связанная с протеканием процессов физической природы, включает в себя термические и механические воздействия. Химические методы подразумевают протекание химических реакций, которые либо полностью ликвидируют ВВ, либо преобразуют ВВ в соединения не обладающими взрывчатыми свойствами.
Реализация этих направлений представляет определённый набор технологий [2 - 6] :
1. выплавление РЗ;
2. криогенное воздействие;
3. пневматическое воздействие;
4. гидровымывание наполнителя струёй высокого давления;
5. резка корпуса с изъятием ВВ (токарная; детонирующими удлинёнными зарядами, гидрорезка);
6. ударно-динамические методы;
7. выоверловка (вытачивание) заряда;
8. центрифужный метод;
9. выжигание РЗ;
10. химическое растворение ВВ.
Каждая из представленных технологий характеризуется рядом недоработок. К наиболее серьёзным и часто встречающимся недостатком технологий относятся:
Наличие избирательности к ВВ;
Низкая эффективность (остаток ВВ);
Качественное изменение корпуса и ВВ;
Потребление промежуточных агентов;
Большой производственный цикл;
Опасность серийного производства (невозможность автоматизации);
Ресурсо и энергоемкость процесса;
Экологическая опасность технологии;
Ограничение технологии по калибру.
Особенно остро вопрос расснаряжения стоит для крупнокалиберных снарядов, технология разделки выстрелов калибром свыше 100 мм не предусматривает утилизацию снарядов. Согласно типовым технологическим процессам утилизации боеприпасов [4, 5] разделка выстрела заключается в: приведении выстрела в неокончательно снаряженное состояние, вывинчивании капсюльной втулки, а также извлечении из гильзы метательного заряда и его разделки.
Этот факт вызывает необходимость продолжения хранения нерасснаряженных снарядов или уничтожения их. Так, по окончании цикла разделки в войсковой части 55487 122-мм выстрелов к пушке А-19 и гаубице М-30 снаряды упаковываются в приспособленную тару и отправляются на хранение. В войсковой части 74008 по окончании цикла разделки 152-мм выстрелов к гаубице Д-20 организуются работы по уничтожению снарядов и их элементов на подрывном поле посредством подрыва снарядов или в лучшем случае путем выжигания ВВ.
Все это свидетельствует о необходимости поиска новых решений рассматриваемой проблемы, и, как сложная техническая задача, утилизация должна строится на ряде принципов.
2. Концептуальное решение проблемы
Требованию универсальности будет удовлетворять способ, у которого отсутствуют различного рода недостатки. Однако в реальных условиях достичь этого маловероятно. Поэтому при разработке метода утилизации желательно избежать основополагающих недостатков. В этом случае можно говорить о достижении результата исследований.
На основе анализа существующих методов расснаряжения снарядов сделан вывод, что оптимальной технологии должны быть присущи: экологичность, универсальность, технологичность, отсутствие раз-
рушающего воздействия на корпус и сохранение ВВ, исключение использования промежуточных агентов и малые эксплуатационные расходы.
Метод должен быть прост и не должен требовать высокой квалификации рабочего персонала. Крайне желательна возможность его реализации непосредственно в местах хранения боеприпасов, дабы избежать дорогостоящих железнодорожных перевозок.
Решение данной, достаточно сложной технической задачи проводилось на основе теории вепольного анализа [7, 8] . Согласно этой теории любой объект представляет совокупность минимальных технических систем - веполей. Понятие веполя включает в себя вещество, поле и их взаимодействие.
Процесс расснаряжения нужно рассматривать как взаимодействие вещества разрывного заряда и внешнего поля, с учётом особенности конструкции осколочно-фугасных снарядов, особых свойств ВВ, присущих только им. Оказалось: наиболее целесообразно подвести вглубь массы ВВ механическую энергию посредством волнового движения, воздействуя на срез ВВ через гнездо под взрыватель. Возникающие при этом знакопеременные нагрузки будут разрушать РЗ на фрагменты, которые легко удалить из
корпуса. Принимая во внимание факторы, определяющие величину внутренних напряжений, можно сделать вывод о необходимости применения высокочастотного спектра колебаний, а именно ультразвукового диапазона.
3 Расчёт акустической мощности
Расчет подводимой для разрушения разрывного заряда акустической энергии, позволяет сделать вывод о необходимой для решения задачи расснаряжения акустической мощности. Методика расчета базируется на зависимости интенсивности УЗ волны и возникающих внутренних напряжений в среде распространения :
50 s2 Рс
(1)
где J интенсивность УЗ звука в среде.
волны
Р
плотность среды; о - возникающее напряжение; с
скорость
Подставляя вместо величины напряжения его критическое значение - прочностной предел
учётом площади сечения разрывного заряда получаем значение акустической мощности (WAk) :
(2)
W = 50.
pc
Выражение (2) позволяет рассчитывать требуемые акустические мощности без учета потерь энергии на отражение при рассогласовании источника излучения и нагрузки из-за непостоянной величины площади поперечного сечения заряда нецилиндрической формы. Указанные потери энергии предлагается учитывать усредненным по длине РЗ значением коэффициента отражения R, определяемым по зависимости (3) .
с
R = \Zl
Z + z
где Zi и Z2 акустические С учетом коэффициента R,
WAK = 50
Рс
(1 + R)
(3)
сопротивления излучателя и разрывного заряда. формула (2) будет иметь вид (4):
(4)
где Smax - площадь сечения РЗ* полностью акустически согласованная с площадью излучения.
Выражение (4) учитывает потери мощности на отражение в связи c изменением акустического сопротивления нагрузки на каждом сечении. Причиной потерь может стать не только изменение площади сечения РЗ, но и наличие разноплотности заряда по его длине. По этой причине расчеты необходимых для разрушения заряда акустических мощностей согласно (4) значительно усложняются, и результаты были получены на.базе зависимости (2).
Для количественного анализа необходимой акустической энергии WaR выбор был остановлен на снарядах трех калибров: 30, 100 и 152-мм, имеющие снаряжение из литого и прессованного тротила, а также A-IX-2 [9, 10].
В литературных источниках отсутствуют сведения об акустических свойствах смеси A-IX-2, однако, эти свойства подробно описаны для флегматизированного гексогена. В связи с этим скоростъ звука для состава A-IX-2 была найдена теоретически на базе методики определения этого параметра для двухкомпонентной прессованной системы: A-IX-1 и алюминия [7] согласно которой
Ссм - С1Х1 рсм/р1 + С2Х2рсм/р2 + (C1 + C2)X1X2(1 - R)p см/р1р2 (5)
где R - отношение модуля разности акустических сопротивлений компонентов к их сумме;
р - плотность смеси i-ro- компонента, кг/м3;
С - скорость звука в смеси i-ом компоненте, м/с.
X - массовая доля i-ого компонента в смеси;
"см", "1", "2" - индекс соответствующий показателям смеси и соответственно 1-му и 2-му компонентам .
Результаты расчета согласно (5) , а также данные акустических и прочностных характеристик ВВ, необходимые для расчета, приводятся в табл. 1.
Таблица 1. Исходные данные для расчета
ВВ Скорость звука, м/с предел бкрит* МПа для разрушения
ударное откольное усталостное
ТНТ (литой.) 2160 9,80 3,21 1,84
ТНТ (пресс.) 2090 6,90 0,09 0,07
A-IX-2 2605 3,41 0,11 0,08
На основании представленных исходных данных по формуле (2), при условии полного акустического согласования источника излучения и нагрузки, были получены значения акустической мощности Шак) , требуемой для разрушения соответствующего снаряжения. Расчеты проводились для трёх возможных механизмов разрушения: (ударного, откольного, усталостного). Данные по усталостному разрушению по-
лучены на базе статистической оценки влияния УЗ колебаний на прочностные характеристики материала поликристаллической структуры [16] .
Получены значения акустической мощности, необходимые для разрушения соответствующего снаряжения снаряда. Результаты сведены в табл. 2.
Таблица 2. Результаты расчета акустической энергии Wак
Тип разрушения калибр, мм Smax х103 , м2 Мощность ДОак, Вт для заряда на основе
ТНТ(литой) ТНТ(прессов) A-IX-2
30 0 42 569729 301148 53550
ударный 100 2 83 3838888 2029184 380826
152 9 50 12888727 8811881 1211260
30 0 42 81128 51 68
откольный 100 2 83 411873 346 377
152 9 50 1382612 1159 1287
усталостный 30 0 42 20084 31 30
100 2 83 136328 209 202
I 1152 19,50 |454281 1701 1679 ~~|
Результаты расчетов справедливы и для случая, когда акустическая мощность, требуемая для разрушения РЗ сечением Smax, равна значению суммы мощности, требуемой для разрушения меньшего по значению площади сечения РЗ, и мощности, теряемой на отражение в связи с изменением акустического сопротивления нагрузки на i-ом сечении. Если же указанная сумма будет иметь большее значение ввиду возрастания влияния фактора отражения излучаемой энергии, то результаты расчета будут несколько занижены.
4. Экспериментальная оценка воздействия ультразвука на ВВ
Конструкция экспериментальной установки для ультразвукового расснаряжения выполнена по классической схеме. Она включает: (рис. 1) ультразвуковой генератор (1); пьезокерамический преобразова-
тель (2); волновод (3).
Рис. 1. Экспериментальной установки для ультразвукового расснаряжения
Ультразвуковой генератор создаёт колебания с частотой 20±2 кГц. Пьезокерамический преобразователь трансформирует электрические колебания в механические. Волновод передаёт эти механические колебания от преобразователя к разрывному заряду. Изменяя геометрически размеры волновода возможно регулировать амплитуду колебаний и (соответственно) излучаемую мощность. Поэтому волновод выполняет функцию акустического трансформатора.
При проведении экспериментальных исследований варьировалась излучаемая мощность, ВВ, материал волновода.
Оценка влияния материала волновода показала, что предпочтительными являются легкие металлы с более высоким коэффициентом проводимости акустической энергии. В ряду сталь - дюраль - магний при одинаковой излучаемой мощности результативность возрастала от стали к магнию.
Вариация излучаемой мощности позволила наблюдать все три механизма разрушения (ударный, от-кольный, усталостный), рассмотренных в качестве гипотезы в теоретическом прогнозировании. Наиболее интересен усталостный механизм, когда одинаковый результат достигается при различных сочетаниях амплитуды и времени УЗ воздействия.
Особо следует отметить влияние оболочки РЗ на характер разрушения. При УЗ воздействии на шашки ВВ без оболочки в результате откольных эффектов образовывались фрагменты различного размера в т. ч. и довольно крупные. При расснаряжении 23 мм ОФ снаряда во всех случаях образовывалась достаточно однородная мелкодисперсная фракция. Видимо оболочка сдерживает проявление откольных эффектов и создаёт благоприятные условия для послойного разрушения РЗ.
Заключение
Влияние на процесс расснаряжения вида ВВ определяется его прочностными и акустическими свойствами. Из двух составов (А-ІХ-1 и А-ІХ-2) легче разрушается А-ІХ-2. Объясняется это во - первых пониженным содержанием в А-ІХ-2 флегматизатора, который выполняет роль связующего. Кроме того А-ІХ-2 содержит мелкодисперсный алюминий. Поэтому А-ІХ-2 более жесткий и менее прочный по сравнению с А-ІХ-1. Такое сочетание свойств облегчает разрушение РЗ из А-ІХ-2 при УЗ воздействии.
Существенно влияет на скорость разрушения условия контакта между РЗ и волноводом. При нарушении контакта за счёт образования зазора или скапливания между РЗ и волноводом порошкообразного ВВ, резко меняются (причём в худшую сторону) условия передачи УЗ энергии. Это приводит к снижению скорости расснаряжения. Т. е. для успешного и производительного расснаряжения требуется непрерывно удалять разрушенную часть РЗ и перемещать волновод.
На ультразвуковой метод расснаряжения получен патент РФ № 2138769 [11] .
ЛИТЕРАТУРА
1. Пороха, твёрдые топлива и взрывчатые вещества. МО СССР. 1984г., с. 202.
2. Б.В. Мацеевич, В.П. Глинский, А.П. Яжук. Зарубежный опыт. Методы, организация, экономика производств утилизации обычных боеприпасов в США, ФРГ, Англии. Сборник докладов І Российской НТК «Комплексная утилизация обычных видов боеприпасов.» Красноармейск. М ЦНИИНТИККПК, 1995. - с. 294 - 300.
3. Рекомендации по организации разделки и уничтожения боеприпасов на предприятиях в/ч 64178-Н. М., МО, 1989 г.,с. 76.
4. Комплект документов типового технологического процесса разделки на элементы артиллерийских выстрелов унитарного заряжания для их последующей утилизации. М., МО, 1991. - с. 128.
5. Комплект документов. Передвижкой пункт разделки артиллерийских выстрелов унитарного заряжания. М., МО, 1991. - с 91.
6. Колмаков КМ., Колмаков В.К., Козлов Г.В. Химическая утилизация гексогенсодержащих ВВ. Труды международного симпозиума «Надёжность и качество». Т. ІІ, с. 286 - 289. Изд. ПГУ. Пенза 2010.
7. Н.И. Бражников. Ультразвуковые методы. М. Энергия, 1965. - 248 с.
8. В.А. Красильников. Звуковые и ультразвуковые волны. М. Физматгиз. 1960. - 560 с.
9. А.Т. Горбушин. Инициирующие и бризантные взрывчатые вещества. Пенза. ВАИУ. - 1968. - с 260.
10. Н.Ф. Кунин. Механические свойства взрывчатых веществ. М. Оборонгиз. 1968. - 214 с.
11. Колмаков К. М., Косточко А. В., Цыцеров Ю. В., Горобец А. А., Диновецкий Б. Д. Способ уничтожения осколочно-фугасных снарядов. Патент на изобретение РФ № 2138769. Зарегистрирован 27 сентября 1999 г.
