CC BY
63
УДК 536.4
ТЕПЛОПЕРЕНОС В ПРОЦЕССЕ ВЫСОКОСКОРОСТНОГО РАЗГОНА ТИПОВОГО ВЕДУЩЕГО ПОЯСКА ПО КАНАЛУ АРТИЛЛЕРИЙСКОЙ УСТАНОВКИ
Анатолий Васильевич Гуськов
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20, кандидат технических наук, доцент кафедры газодинамических импульсных устройств, тел. (383)346-25-65, e-mail: a.guskov@corp.nstu.ru
Константин Евгеньевич Милевский
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20, кандидат технических наук, доцент кафедры газодинамических импульсных устройств, тел. (383)346-25-65, e-mail: gdd@craft.nstu.ru
Надежда Федоровна Чайка
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)343-91-11, e-mail: kaf.nio@ssga.ru
Ярослав Сергеевич Зезюлинский
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. Карла Маркса, 20, студент группы МБ-11 факультета летательных аппаратов, тел. (383)225-24-64, e-mail: stroncyi@yandex.ru
Выполнено экспериментальное исследование процесса высокоскоростного разгона в паре «артиллерийская установка - ведущий поясок», проведено математическое моделирование распределения температурных полей в материале ведущего пояска.
Ключевые слова: артиллерийская установка, высокоскоростной разгон, ведущий поясок, трение, теплоперенос.
HEAT TRANSFER IN HIGH-SPEED MODEL LEADING BELT FOR CHANNEL GUN MOUNT
Anatoly V. Guskov
Novosibirsk state technical university, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 КаН Marks st., Ph. D. associate professor of department of gas-dynamic impulse devices, tel. (383)346-25-65, e-mail: gdd@craft.nstu.ru
Konstantin E. Milevskyi
Novosibirsk state technical university, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 КаН Marks st., Ph. D. associate professor of department of gas-dynamic impulse devices, tel. (383)346-25-65, e-mail: gdd@craft.nstu.ru
Nadegda F. Chayka
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630018, Russia, Novosibirsk, Plakhot-nogo Str. 10, Ph. D., associate professor of nanosystems and optical engineering, tel. (383)343-91-11, e-mail: kaf.nio@ssga.ru
Yaroslav S. Zezyulinsky
Novosibirsk state technical university, 630073, Russia, Novosibirsk, 20 Karl Marks st., Student aircraft faculty, gr. MB-11, tel. (383)225-24-64, e-mail: stroncyi@yandex.ru
An experimental study of the process of high-speed acceleration in a pair of «gun mount -leading belt», the mathematical modeling of the distribution of temperature fields in the material leading belt.
Key words: Gun mount, high acceleration, leading belt, friction, heat transfer.
Трение в канале артиллерийской установки (АУ) при скоростях скольжения снаряда (С) 500 - 700 м/с представляет собой недостаточно изученный вариант. Отличительной особенностью работы системы «канал АУ - С» является интенсивная пластическая деформация в процессе формирования ведущего пояска (ВП), который обеспечивает герметизацию при высокоскоростном движении С по профильной поверхности АУ [1]. Основная проблема связана с повышением работоспособности ВП при значительном увеличении параметров взаимодействия АУ с С. Известно [2, 3, 4, 5, 6], что при движении снаряда по каналу артиллерийской установки контактные температуры на поверхности ВП достигают значительных величин, что приводит к плавлению приповерхностных слоев материала ведущего пояска. В общем случае ВП представляет собой кольцо из меди М1, закрепленное механическим способом (запрессовка, сварка) на снаряде (рис. 1).
Рис. 1. Схема расположения снаряда с ведущим пояском в канале артиллерийской установки: а) исходное состояние; б) при движении снаряда
по каналу артиллерийской установки
Закономерности изменения температуры в области контакта ВП по поверхности АУ можно установить с помощью математической модели теории температуры вспышки [7]:
ттах = ам^ О)
P - среднее контактное давление; k - теплопроводность; р - плотность; с -удельная теплоемкость; V - скорость скольжения ведущего пояска по каналу
артиллерийской установки согласно [2]; В - характерный размер источника в
-5
направлении скольжения В = 19-10" м; f - коэффициент трения [4]. Выделено три участка поверхности контакта ВП (рис. 2): ^ - сформирован полем нареза, - гранью нареза, - дном нареза.
Участки поверхности контакта с каналом АУ, сформированные: а) полем нареза (Я^); б) гранью нареза (Я2); в) дном нареза (Я3)
Рис. 2. Фотография и модель С после высокоскоростного разгона Для решения задачи теплопроводности [8, 9] выбрана область, представленная на рис. 3. Начало координат располагалось на пересечении оси симметрии выступа и поверхности сопряжения ВП с корпусом снаряда.
" л
."г
X
о i
Рис. 3. Область решения рассматриваемой задачи
Решена двумерная задача теплопроводности [7, 8]: рс
8Т ~dt
= л
д2Т д2Т
"2
где р - плотность материала ведущего пояска, кг/м ; X - коэффициент теплопроводности материала ВП, Вт/(м-К); Cp - удельная теплоемкость, соответственно, материала ВП Дж/(кг-К); t - время, с;
Плотность материала М1: р = 8920 кг/м3; удельная теплопроводность: X = 387 Вт/(м-град), удельная теплоемкость: Cp = 390 Дж/(кг-К).
Начальные (t = 0) и граничные условия:
— = 0, при
дх дТ_ дх
X = 0, 0 < Y < К
2 Т=ТЛ] (t) при Y = i; Xj < X < Л"2
X - А"2, 0 < Y < i; т=Тя (t) при x = X1,Y1<Y< y2 0, при Г = 0, 0 < X < Л"2 Т=ТЛз (t) при Y = Г2, 0 < X < Х1
где: Y1 - толщина медного ведущего пояска под полем нареза канала АУ; Y2- толщина медного ВП под дном нареза бокового нареза снаряда; Х2 -
канала РУ; Х1 - половина ширины расстояние от середины выступа С до Х2, У1) - граница участка, Я2 (Х1, У2; Х1, У1) - граница участка, нареза, R-3 (0, Y2; XI, Y2) - граница нареза. Результаты численного решения
середины впадины; R1(X1,Y1;
сформированная полем нареза, сформированная боковой гранью
участка, сформированная дном
приведены на рис. 4.
а) б) в)
1) 1 = 0,0023 с; 2) 1 = 0,0057 с; 3) 1 = 0,0114 с; 4) 1 = 0,029 с; 5) 1 = 0,04 с
Рис. 4. Профили температур по толщине 8у приповерхностного слоя материала ведущего пояска снаряда под границей участка: а) Я1; б) Я2; в) Яз
а) б)
а) участков Яз и Я2; б) участков Я1 и Я2; где 1, 2, 3 - границы участков Яь Я2, Я3
Рис. 5. Распределение температуры в момент времени 1 = 0,04 с в приповерхностном слое ведущего пояска
На основании анализа полученных результатов прогретый слой металла можно условно разделить на три подслоя (в зависимости от температуры):
а) Т > Тп, толщина 10 - 15 мкм;
б) Т > Тр (температура рекристаллизации), толщина 25 - 40 мкм (от 200°С до 1060°С);
в) Т < Тр (до 200°С), толщина 15 - 45 мкм.
Таким образом можно сделать следующие выводы: Во время высокоскоростного разгона С под действием фрикционного контакта «канал АУ - ВП - С» происходит интенсивный нагрев приповерхностного деформированного (s > 40%) слоя медного ведущего пояска. В результате интенсивного нагрева материал приповерхностного слоя рекристаллизуется и частично переходит в расплавленное состояние, что приводит к увеличению относительного удлинения (5 = 50 - 60%) и снижению предела прочности с gb ~ 450 МПа до 80 Мпа, в результате чего происходит перенос тонких приповерхностных слоев меди на поверхность канала артиллерийской установки.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гуськов, А. В. Анализ существующих конструкций ведущего пояска снарядов / А. В. Гуськов, К. Е. Милевский, Е. Ю. Слесарева // Вестник академии военных наук. - 2012. -№ 2 (39) - С. 152 - 158.
2. Балакин, В. А. Трение и износ при высоких скоростях скольжения / В. А. Балакин. -Москва : Машиностроение, 1980. - 136 с.
3. Montgomery, R. S. Surface Melting of Rotating Bands / R. S. Montgomery // Wear. -1976. - Vol. 38. - pp 235 - 243.
4. Эттлс, С. М. Влияние тепловых эффектов на трение при высоких скоростях скольжения / С. М. Эттлс // Проблемы трения. - 1986. - № 1. - С. 71 - 78.
5. Гуськов, А. В. Исследование процесса движения ведущего пояска артиллерийского снаряда в тепловой машине / А. В. Гуськов, К. Е. Милевский, Е. Ю. Слесарева // Известия вузов. Физика - 2013. - Т. 56, № 6/3. - С. 14 - 16.
6. Гуськов А.В. Распределение температуры в материале ведущего пояска при функционировании / Н.Н. Горелова, А.В. Гуськов, К.Е. Милевский, А.О. Сильченко // Труды XIV всероссийской научно-технической конференции «Наука Промышленность Оборона». -2013. - С. 123 - 127.
7. Blok, H. Theoretical study of temperature rise at surfaces of actual contact under oiliness lubricating conditions / H. Blok // Proc. Inst. Mech. Eng. - 1937. - № 2. - pp 222 - 235.
8. Кузнецов Г.В., Шеремет М.А. Разностные методы решения задач теплопроводности: учебное пособие. / Г.В. Кузнецов, М.А. Шеремет. - Томск: Изд-во ТПУ, 2007. - 172 с.
9. Юдаев, Б. Н. Теплопередача / Б. Н. Юдаев. - Москва : Высшая школа, 1973 г. - 359 с.
© А. В. Гуськов, К. Е. Милевский, Н. Ф. Чайка, Я. С. Зезюлинский, 2015
