CC BY
145
Секция
«МЕХАНИКА КОНСТРУКЦИЙ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ»
УДК 620.1: 621.81
СТЕНД И МЕТОДИКА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ МАТЕРИАЛОВ НА УСТОЙЧИВОСТЬ
К ВЗРЫВНОЙ ДЕКОМПРЕССИИ
А. А. Ашейчик, В. Л. Полонский
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого Российская Федерация, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29
E-mail: aseichik52@mail.ru
Представлена конструкция стенда и методики для испытаний композиционных полимерных материалов и резин, использующихся в аэрокосмической промышленности на устойчивость к взрывной декомпрессии.
Ключевые слова: резины, полимерные материалы, взрывная декомпрессия, стенды, испытания.
THE STAND AND TECHNIQUE FOR TESTS OF MATERIALS FOR STABILITY
TO EXPLOSIVE DECOMPRESSION
A. A. Ashejchik, V. L. Polonsky
Peter the Great St.-Petersburg Polytechnical University 29, Polytechnicheskaya str., St.-Petersburg, 195251, Russian Federation E-mail: aseichik52@mail.ru
The design of the stand and a technique for tests of composite polymeric materials and the rubbers used in the space industry on stability to explosive decompression is presented.
Keywords: rubbers, polymeric materials, explosive decompression, stands, tests.
Явление взрывной декомпрессии, сопровождающееся образованием пузырей на поверхности уплотнения из эластомеров или полимеров или трещин внутри него, наблюдается при быстром открытии шаровых кранов, клапанов или задвижек с большим условным проходом. Поэтому в таких конструкциях, применяющихся в аэрокосмической промышленности, используют специальные составы эластомеров и полимеров, устойчивых к данному явлению при температурах до 150 °С, и перепадах давлений в сотни атмосфер, происходящих за секунды [1].
На кафедре машиноведения и основ конструирования СПбПУ Петра Великого разработан и создан стенд предназначенный для испытания композиционных полимерных материалов и резин на устойчивость к взрывной декомпрессии при температурах до 220 °С и давлении газа до 150 атм [2]. Скорость сброса давления - до 1 000 атм в секунду. Объем для размещения образцов 70 см3. Стенд состоит:
- из автоклава, в который помещаются образцы испытуемых материалов;
- арматуры высокого давления, соединяющей автоклав с газовым баллоном на 150 атмосфер и содержащей манометры, регулировочные и запорные вентили;
- термошкафа для нагрева автоклава при проведении высокотемпературных испытаний;
- шарового газового крана AL-33 с условным проходом DN 15, рассчитанного на эксплуатацию при предельном давлении 200 атм, температурах до 220 °С и позволяющего осуществлять резкий сброс избыточного давления газа из автоклава;
- датчика избыточного давления ALPHA-N регистрирующего изменение давления в автоклаве
Секция «Механика конструкций ракетно-космической техники»
в момент открытия шарового крана, имеющего интегральный преобразователь давления на диффузионных резисторах;
- блока регистрации поступающего с датчика аналогового сигнала, состоящего из источника питания, цифрового осциллографа РС8-500А и компьютера.
На рис. 1 приведен внешний вид основного узла стенда: автоклава, помещенного в термошкаф.
Ш _2
Рис. 1. Внешний вид термошкафа с автоклавом
При повороте рукоятки шарового крана ЛЬ-33 происходит резкий сброс давления в автоклаве. Например, сброс давления со 150 атм до атмосферного может быть выполнен за время от 0,1 с до 1 с в зависимости от скорости поворота рукоятки шарового клапана. Комплект контрольно-измерительной аппаратуры стенда позволяет регистрировать непрерывное изменение давления в автоклаве с периодичностью 0,01 с при точности измерения до 0,01 атм. Измерение давления в автоклаве в момент сброса давления производится комплектом контрольно-измерительной аппаратуры стенда, состоящим из цифрового запоминающего осциллографа РС8-500А и персонального компьютера. Информация о скорости изменения давления запоминается в виде файлов цифровых протоколов и файлов с изображениями экранов компьютера. В зависимости от выбранной методики можно менять скорости сброса давления в автоклаве (рис. 2).
Р, атм
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
*, с
Рис. 2. Графики изменения давления в автоклаве при различных скоростях поворота рукоятки шарового крана: 1 - быстро; 2 - очень быстро; 3 - медленно; 4 - очень медленно
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2015. Том 1
При разработке специальных эластомеров и полимеров, устойчивых к взрывной декомпрессии важно не только наличие стенда для испытаний на взрывную декомпрессию, но и, как показали исследования, выбранная методика.
К понятию методика испытаний в данном случае относят:
- давление в камере, в которую помещают образцы эластомера или изделия из него;
- температуру, до которой нагревается камера;
- состав газа или жидкости, заполняющих камеру;
- продолжительность нахождения эластомера в камере;
- время, за которое происходит сброс давления с максимальной величины избыточного давления, до атмосферного (время декомпрессии);
- число сбросов давления (циклов декомпрессий).
Исследования по разработке методики испытаний эластомеров на устойчивость к взрывной декомпрессии позволили найти оптимальную методику испытаний эластомеров на устойчивость к взрывной декомпрессии [3]. Характеристики сравниваемых методик приведены в табл. 1.
Характеристики возможных методик испытаний
Параметр Тест 1 (базовая методика) Тест 2
Давление 140 атм 140 атм
Температура 20 и 150 °С 20 и 150 °С
Состав газа N2(90 %) / CO2(5 %) / He(5 %) N2(90 %) / CO2(5 %) / He(5 %)
Время декомпрессии 150 - 0 атм < 0,1с 150 - 0 атм < 0,1с
Время насыщения газом 48 ч 240 ч
Число сбросов давления 5 1
В процессе выбора оптимальной методики испытывались обычная резина типа NBR и специальная резина типа NBR, устойчивая к взрывной декомпрессии. В результате проведенных исследований установлено, что увеличение времени насыщения резины газом с 2-х суток (базовая методика) до 10 суток (тест 2) может выявить виды разрушения, не наблюдаемые при использовании базовой методики:
- образование воздушных пузырей на поверхности специальной резины, если эта поверхность имела мелкие дефекты, возникшие на стадии формовки образца из резиновой смеси;
- образование глубоких трещин на поверхности образцов из обычной резины, вместо образования воздушных пузырей, характерного для этих образцов при использовании базовой методики.
Библиографические ссылки
1. Ашейчик А. А., Чулкин С. Г. Экспериментальная механика : учеб. пособие. СПб. : Изд-во СПбГПУ, 2008. 107 с.
2. Ашейчик А. А., Полонский В. Л., Чулкин С. Г. Вычислительная механика. Расчет деталей машин методом конечных элементов : учеб. пособие. СПб. : Изд-во СПбГПУ, 2011. 301 с.
3. Ашейчик А. А., Полонский В. Л. Экспериментальное исследование эластомеров и полимеров для нефтяной промышленности. СПб. : Изд-во Политех. ун-та, 2015. 236 с.
© Ашейчик А. А., Полонский В. Л., 2015
