CC BY
1511. Kensytskyi O.G., Hvalin D.I. The end zone turbogenerator electromagnetic field for changes the reactive load. Tekhnichna Elektrodynamika. 2018. № 1. P. 62-68. (Ukr.)
12. Kensytskyi O.G., Kramarskyi V.A., Kobzar K.O., Hvalin D.I. Study of efficiency the design of a stator core end zone turbogenerator. Pratsi Instytutu elektrodynamiky Natsionalnoi Akademii Nauk Ukrainy. 2018. № 50. P. 56-62. (Ukr.)
13. Kensytskyi O.G., Kramarskyi V.A., Kobzar K.O., Hvalin D.I. Study of distribution the electromagnetic field and temperature in a stator core end zone of turbogenerator. Pratsi Instytutu
elektrodynamiky Natsionalnoi Akademii Nauk Ukrainy. 2018. № 51. P. 47-53. (Ukr.)
14. Kensytskyi O.G., Kramarskyi V.A., Kobzar K.O., Hvalin D.I. Heat of stator turbogenerator end zone at different variants of its constructive implementation. East European Scientific Journal. 2018. Vol. 1. № 9(37). P. 46-51. (Ukr.)
15. Kensytskyi O.G., Hvalin D.I., Vygovskyi A.V. Simulation the electromagnetic and heat process in a stator end zone of turbogenerator. East European Scientific Journal. 2018. Vol. 2. № 10(38). P. 41-47. (Rus.)
623.526.6
Шеманаева Л.И.
кандидат технических наук, доцент Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярева".
601910, Владимирская область, город Ковров, ул. Маяковского, д.19
МОДЕЛИРОВАНИЕ БЫСТРОТЕКУЩИХ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ.
L.I. Shemanaeva
Candidate of technical sciences, associate professor Federal State Budgetary Educational Institution of higher education "The Kovrov State Technological
Academy named after V.A. Degtyarev". 601910, Vladimir region, city of Kovrov, st. Mayakovsky, 19
SIMULATION OF FAST THERMAL PROCESSES.
DOI: 10.31618/ESSA.2782-1994.2022.1.78.257 Аннотация. Рассматриваются варианты упрочнения внутренней поверхности ствола с использованием специальных методов моделирования.
Annotation. Options for strengthening the inner surface of the barrel using special modeling methods are considered.
Ключевые слова: Разгар, азотирование, кварц, COMSOL. Keywords: Glow, Nitriding, Quartz, COMSOL.
Введение
В процессе выстрела, кроме воздействия давления и температуры на канал ствола оказывает действие пороховых газов (разгар). Первые признаки разгара - матовые пятна на полированной поверхности канала, преимущественно в зарядной каморе, далее появление сетки тонких и неглубоких трещин в металле их постепенный рост в глубину и длину.
При достаточном развитии этих продольных трещин пороховые газы и несгоревшие частички пороха начинают прорываться между ведущим пояском снаряда и выгоревшим участком поверхности канала. Далее получается вырывание металла и срывание полей нарезов.
Разгара ствола сначала протекает медленно, но по мере увеличения числа выстрелов скорость выгорания увеличивается. Принято считать, что если начальная скорость снаряда снизилась за счет разгара ствола на 10%, то такой ствол непригоден для дальнейшей стрельбы.
Цель исследования
Анализ методов упрочения внутренней поверхности канала ствола, подтверждение выдвинутых гипотез.
Материал и методы исследования
Анализ разгара ствола выявляет следующие причины:
1. Действие теплоты на поверхностный слой металла. Пороховые газы успевают во время выстрела нагреть до высокой температуры тонкий поверхностный слой стенок канала ствола. Этот слой стремится расшириться, чему препятствуют близлежащие холодные слои металла. В нагретом слое возникают напряжения, в результате которых на внутренней поверхности стенок появляются трещины.
2. Механическое воздействие пороховых газов на стенки канала ствола (эрозия). Износ канала ствола увеличивается с ростом давления пороховых газов, и наиболее сильное выгорание канала происходит у начала нарезов, т. е. в том месте, в котором ведущий поясок еще не успевает полностью войти в нарезы и где, следовательно, легче происходит прорыв газов.
Газы движутся в канале ствола со скоростью примерно 600 м/с. При такой большой скорости раскаленных газовых частиц, они, ударяясь о металл, разрушают внутреннюю поверхность и образуют извилистые протоки, направленные в основном по образующей канала. В первые периоды износа канала протоки располагаются исключительно по дну нарезов, но по мере увеличения износа начинают захватывать боковые стенки и поля нарезов.
Скорость разгара ствола можно уменьшить, устранив прорыв пороховых газов между ведущим пояском и поверхностью канала.
3. Окклюзия пороховых газов (поглощение газов металлом). Увеличение давления в каналах приводит к увеличению разгара ствола не только в связи с усилением механического действия газовых струй, но и под влиянием окклюзии пороховых газов.
После выстрела ствол принимает нормальное состояние, но, проникшие в его толщу газы остаются как бы закупоренными в порах и, производя давление на стенки, разрушают металл. Окклюзия пороховых газов вызывает не только ржавление металла, но и разрыхление поверхностного слоя канала.
4. Химическое воздействие продуктов горения порохов. На поверхности металла увеличивается содержание углерода за счет углерода, выделяющегося в результате диссоциации продуктов горения при соприкосновении их с сильно нагретыми стенками канала ствола. При этом слой металла становится более твердым и хрупким, а, с другой стороны, снижается его температура плавления.
5. Влияние величины порохового заряда. На износ влияет также количество газов, образующихся при сгорании заряда; это видно из того, что при стрельбе уменьшенными зарядами разгар ствола уменьшается. Разгар возрастает быстрее массы заряда, как это видно по следующим данным о влиянии величины заряда на износ канала ствола английских гаубиц при одинаковом числе выстрелов:
Разгар ствола можно уменьшить, применяя некоторые специальные стали, а также рациональную конструкцию нарезной части.
В данной работе предлагается использовать в качестве защиты внутренней поверхности ствола тонкий слой кварцевого стекла, так как оно обладает большой кислотоупорностью и газонепроницаемостью. По остальным параметрам, приведенным ниже. Он соответствует требованиям. Плотность, г/см3 2,08* Предел прочности на растяжение, Н/м2 225 •
105
Предел прочности на сжатие, Н/м2 3030 • 105 Предел прочности на изгиб, Н/м2 440 • 105 Предел прочности на ударный излом, Н/м2
0,83 • 103 Модуль упругости (Юнга), Н/м2 Коэффициент линейного термического расширения, град-1
при 20 °С 2 ■ 10-7 + 5 ■ 10-7 при 1200 °С 11 ■ 10-7
Удельная теплоемкость при 20 °С, дж/(кг • град) 0,861
Коэффициент теплопроводности при 20 °С, кдж/(кг • град) 4,5
Моделирование и исследование процессов разгара проводилось с использованием прикладной программы COMSOL Multiphysics.
Сравнивались два типа внутренней поверхности - азотирование и остекление, и в том и другом случае величина слоя составляет 0,5 мм.
Расчет проводился методом конечных элементов, позволяющим делать расчетную сетку разного масштаба, в зависимости от места прикладываемой нагрузки.
Входные параметры: температура горения пороха, температура окружающего воздуха, давление в канале ствола, прочностные характеристики стали ствола, снаряда, азотированного слоя и остекленного слоя.
Результаты моделирования представлены на рисунках: рис. 2 - сетка конечных элементов. рис. 2 - азотирование внутренней поверхности, рис. 3 -остекление внутренней поверхности.
U1
Рис. 1. Сетка конечных элементов.
го
Tims steD
Рис. 2. азотирование внутренней поверхности
ц .J
5 10 IS 20 25 30
Time step
Рис. 3. остекление внутренней поверхности
Выводы
В качестве предварительных выводов можно принять, что покрытие внутренней поверхности ствола дает не только большую защиту от износа, но и более быстрое охлаждение.
В дальнейшем предполагается уточненное моделирование, будут опробованы другие материалы и методы.
Список литературы:
1. Готтштайн, Г. Физико-химические основы материаловедения / Г. Готтштайн ; перевод К. Н. Золотовой, Д. О. Чаркина ; под редакцией В. П. Зломанова. — 4-е изд. — Москва : Лаборатория знаний, 2021. — 401 c. — ISBN 978-5-93208-565-3. — Текст : электронный // Цифровой
образовательный ресурс IPR SMART : [сайт]. — URL: https://www.iprbookshop.ru/109419.html (дата обращения: 27.02.2022). — Режим доступа: для авторизир. пользователей
2. Сальников, В. Б. Теплотехнические расчеты строительных конструкций с применением программного комплекса COMSOL Multiphysics : учебно-методическое пособие / В. Б. Сальников, В. А. Беляков. — Екатеринбург : Уральский федеральный университет, ЭБС АСВ, 2016. — 48 c. — ISBN 978-5-7996-1698-4. — Текст : электронный // Цифровой образовательный ресурс IPR SMART : [сайт]. — URL:
https://www.iprbookshop.ru/68301 .html (дата
обращения: 27.02.2022). — Режим доступа: для авторизир. пользователей
