СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ КУМУЛЯТИВНОГО ЗАРЯДА ДЛЯ ОБРАБОТКИ РАЗЛИЧНЫХ МАРОК СТАЛИ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

HOLLOW-CONE CHARGE CONSTRUCTIONAL DESIGN IMPROVEMENT FOR PROCESSING OF VARIOUS STEEL GRADES APPLIED IN CONSTRUCTION

Alexey Mysin

postgraduate student of Saint Petersburg mining university,

Russia, Saint-Petersburg

АННОТАЦИЯ

Статья посвящена совершенствованию конструкции кумулятивного заряда для обработки различных марок стали, применяемых в промышленности. Проведено численное моделирование воздействия кумулятивного заряда на конструкцию в программном комплексе AutoDyna. Использована методика, разработанная сотрудниками Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана и Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). Проведены эксперименты с использованием лабораторного оборудования кафедры Взрывного дела Санкт-Петербургского Горного университета

ABSTRACT

The article is dedicated to hollow-cone charge constructional design improvement for processing of various steel grades applied in industrial engineering. Numerical simulation of hollow-cone charge impact on constructional design in the AutoDyna software package is carried out. The technique developed by Bauman Moscow State Technical University and Saint Petersburg State Institute of Technology colleagues is used. Experiments using laboratory equipment of department of blasting operations of Saint-Petersburg Mining University are made.

Ключевые слова: кумулятивный заряд, кумулятивный нож, тротилгексоген, скоростной фоторегистратор.

Keywords: hollow-cone charge, cumulative blade, trotyl cyclonite, high speed photorecorder.

В настоящее время кумулятивные заряды широко применяются во взрывных технологиях перфорации, резания, разрушения материалов и конструкций. Кумулятивные заряды, нашедшие применение в промышленности, делятся на две группы: пробивающие и режущие. Пробивающие заряды представляют собой компактные осесимметричные кумулятивные заряды с кумулятивной выемкой в форме конуса или полусферы, покрытой металлической облицовкой. При взрыве кумулятивных зарядов этого типа формируется высокоскоростная кумулятивная струя. Режущие кумулятивные заряды представляют собой удлиненные заряды ВВ, имеющие удлиненную (клиновидную или полуцилиндрическую) кумулятивную выемку, покрытую металлической или металлополимерной облицовкой. При взрыве таких зарядов в результате схлопывания облицовки формируется плоская кумулятивная струя (кумулятивный нож), которая и разрезает преграду [2].

Особенности действия кумулятивного ножа по нетрадиционным преградам из бетона, железобетона и кирпича вызывают определенный интерес в связи с возможностью расширения области применения удлиненных кумулятивных зарядов. Выбор конструкции заряда, материала и геометрических параметров его конструктивных элементов существенно влияет на эффективность действия заряда в конкретных условиях его применения.Сотрудниками Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана и Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета) с помощью программы AutoDyna было произведено численное моделирование процесса воздействия кумулятивной струи на бетонную преграду. В процессе расчета определялись текущие параметры кумулятивного ножа в зависимости от расположения заряда относительно преграды. С целью подтверждения теоретических полученных данных, нами в лаборатории «Физика взрыва» кафедры Взрывного дела Национального минерально-сырьевого университета «Горный» была подготовлена и проведена серия экспериментов с использованием установки по определению скорости кумулятивной струи и пробивного действия кумулятивного заряда [4].

В случае заряда с облицованной кумулятивной выемкой наиболее существенным процессом является образование струи. Металлическая облицовка обжимается под действием продуктов взрыва, элементы ее последовательно захлопываются с образованием тонкой металлической струи, обладающей большой скоростью [1]. Во внутреннем слое в основном концентрируется энергия облицовки. Наружный слой облицовки образует компактную массу, так называемый пест, скорость движения которого на порядок меньше скорости головной части струи. Через некоторое время за счет различных скоростей движения струя отрывается от песта, а еще через некоторое время под влиянием градиентов скоростей происходит ее разделение на отдельные частицы [3].

Для определения скорости кумулятивной струи при взрыве кумулятивного заряда и пробивного действия кумулятивного заряда в работе использовался сверхскоростной фоторегистратор СФР-2М, работающий в режиме лупы времени, в сочетании с теневой установкой ИАБ-451 и система импульсивной подсветки ИФК-20000 (рис. 2). Для получения наглядной картины истечения кумулятивной струи и определения ее скорости кумулятивный заряд был расположен во взрывной камере так, что его ось была перпендикулярна оптической оси теневой установки. В применяемом фоторегистраторе, фиксация явления производится на неподвижной пленке с перемещением изображения при помощи вращающегося зеркала. Максимальная скорость вращения зеркала составляет 75000 об/мин. Установка оснащена сменной оптикой и дополнительными насадками, что позволяет реализовать различные режимы исследований (фоторазвертка, покадровая съемка, стереоскопическая фотография, спектрография, микрофотография). Минимальное временное разрешение прибора в режиме фоторазвертки изображения составляет 10–8 с; максимальная частота покадровой съемки – 2,5·10⁶ кадр/с. Установка снабжена системой управления, позволяющей синхронизировать начало изучаемого процесса с началом фотографической регистрации, устанавливать и измерять скорость вращения зеркала. Инициирование заряда производилось с торцевой части. Для успешной съемки была предусмотрена отсечка разлета продуктов взрыва детонатора, которая осуществлялась установкой перед торцом детонатора преграды с отверстием, равным диаметру заряда. При моделировании в качестве заряда использовался удлиненный кумулятивный заряд шириной B=50 mm и высотой H=50 mm (УКЗ-50, рис. 1) с медной кумулятивной облицовкой толщной 3 mm и углом раствора 90°. В качестве ВВ использовался состав тротил-гексоген (плотность 1,72 г/см³, скорость детонации 7,98 км/с, удельная теплота взрывчатого превращения 4,95 МДж/кг). Линейная плотность заряда 60 г/см.

Рисунок 1. Расчетная схема взрывного взаимодействия: 1 – УКЗ высотой Н и шириной В; 2 – взрывчатое вещество, 3 – кумулятивная оболочка, 4 – точка инициирования заряда, 5 – фронт детонационной волны, 6 – преграда, 7 – подвижные реперные точки, F – фокусное расстояние

Рисунок 2. Схема экспериментальной установки: 1 –оптическая теневая установка ИАБ-451, 2 – кумулятивный заряд, 3 – цилиндрический экран, 4 – отверстие, 5 – блок испытываемого материала, 6 – лампа ИФК -20000, 7 – сверхскоростной фоторегистратор СФР -2М

В результате съемки действия кумулятивного заряда были получены кадры (рис. 3), по которым был произведен расчет скорости кумулятивной струи используемого заряда. Полученные результаты были сведены в таблицу 1.

Рисунок 3. Раскадровка съемки действия кумулятивного заряда

Таблица 1.

Результаты экспериментального определения скорости кумулятивной струи

Рисунок 4. Сравнение результатов эксперимента и моделирования, проведенных с целью определения скорости кумулятивной струи

Полученные экспериментальные результаты вполне кореллируют с результатами, полученными при программном моделировании. Однако, имеется ряд отклонений. С нашей точки зрения отклонения значений в результате лабораторного эксперимента от программной методики расчета заключаются в следующем:

1. Невозможность обеспечения точного контакта заряд – порода, из-за неровностей разрушаемого объекта.
2. Непостоянство плотностных свойств и кривизны поверхности в серии взрываемых зарядов.
3. Погрешности величины начального импульса в следствие технологии изготовления лабораторных детонаторов.

Список литературы:

1. Бабкин А.В., Колпаков В.И., Охитин В.Н., Селиванов В.В. Численные методы в задачах физики быстропротекающих процессов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006.455–457 с.
2. Канель Г.И., Разоренов С.В., Уткин А.В., Фортов В.Е. Ударно-волновые явления в конденсированных средах. – М.: Янус–К, 1996. 395–398 с.
3. Ладов С.В., Кобылкин И.Ф. Испытание кумулятивных зарядов во взрывных технологиях. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1995. 46 с.
4. Нох В.Ф. СЭЛ – совместный эйлерово-лагранжев метод для расчета нестационарных двумерных задач // Вычислительные методы в гидродинамике. – М.: Мир, 1967. С. 128–184.