Результат интеллектуальной деятельности: Камера взрывного синтеза

Изобретение относится к устройствам для получения высоких импульсных давлений, а именно, взрывным камерам, предназначенным для локализации взрыва при проведении синтеза материалов и проведении исследовательских работ.

Опыт практического использования взрывных камер небольшого объема, говорит о том, что для большинства назначений могут быть использованы негерметичные камеры с цилиндрической обечайкой и плоскими днищами. Цилиндрические камеры самые простые в изготовлении. Они пригодны для проведения исследований взрывчатых веществ и взрывных устройств, сварки и упрочнения взрывом, синтеза наноматериалов и дробления хрупких порошков, безопасной перевозки взрывоопасных веществ и других назначений.

Из уровня техники известна цилиндрическая камера (Даниленко В.В. Синтез и спекание алмаза взрывом. – М.: Энергоатомиздат, 2003, – с. 92), стенки которой имеют толщину 70 мм и изготовлены намоткой с натягом стальной ленты. Указанная камера рассчитана на заряд массой до 40 кг. Камера имеет плоские днища, к которым снаружи плотно прижаты стальные болванки, которые могут передвигаться вдоль оси камеры на рельсовых тележках. При взрыве импульс передается от днищ к болванкам, в результате днища остаются практически неподвижными, а болванки начинают двигаться на тележках и затем тормозятся. Указанное решение выбрано заявителем в качестве ближайшего аналога.

Задачей заявляемого изобретения является создание камеры взрывного синтеза простой и надежной конструкции, обеспечивающей ее безопасное использование, а также расширение функциональных возможностей.

Техническим результатом является упрощение конструкции камеры с одновременным обеспечением ее надежности и безопасности.

Кроме того, заявляемое решение позволяет существенно снизить затраты на изготовление и увеличить ресурс за счет предложенной конструкции взрывной камеры.

Заявленный технический результат достигается тем, что в известной камере взрывного синтеза, содержащей цилиндрический корпус и плоские крышки, согласно изобретению, корпус установлен в пазах крышек, соответствующих диаметру корпуса, крышки стянуты между собой шпильками, установленными вдоль наружной поверхности корпуса, при этом размер шпилек и их количество удовлетворяет условию работы в пределах условного предела текучести материала шпилек, представляющего собой напряжения в рамках остаточной деформации 0,2%.

Кроме того, корпус выполнен в виде обечайки, соединенной продольно по шву методом электрошлакового переплава.

Установка корпуса в пазах крышек, которые в свою очередь стянуты шпильками, расположенными вдоль наружной поверхности корпуса, обеспечивает получение простой конструкции камеры, одновременно обеспечивающей ее надежность и безопасность.

Выполнение корпуса камеры в виде обечайки, соединенной продольно по шву методом электрошлакового переплава, обеспечивает получение простой конструкции с обеспечением прочностных характеристик в районе шва не менее 80% от прочности проката.

Заявляемое устройство имеет отличия от прототипа и не следует явным образом из уровня техники, т.е. соответствует критерию охраноспособности «новизна» и «изобретательский уровень». Кроме того, предлагаемое устройство может быть реализовано в промышленных масштабах и найдет применение в области изготовления взрывных камер, предназначенных для локализации взрыва при проведении синтеза материалов и проведении исследовательских работ, т.е. характеризуется критерием «промышленная применимость».

Толщина стенки корпуса камеры, размеры шпилек и их количество определяются исходя из массы заряда и расчетной энергии взрыва. Конструкция камеры считается работоспособной, если во всех ее элементах максимальные напряжения не превосходят предела текучести σ_0,2 для материалов, из которых они изготовлены, с учетом соответствующих коэффициентов запаса.

Для получения верхней оценки максимального удельного импульса, приходящегося на стенки камеры, можно использовать выражение [Селиванов В.В., Кобылкин И.Ф., Новиков С.А. Взрывные технологии: Учебник для втузов / Под общей ред. В.В. Селиванова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. — 648 с: ил.]

(1)

где , m_ВВ – масса взрывчатого вещества, Q_ВВ – теплота взрыва для взрывчатого вещества (ВВ), Q_{ТГ 50}=4,77 МДж/кг - теплота взрыва для смеси ТГ 50, R_об – расстояние от центра снаряда до стенки камеры.

Максимальный удельный импульс, который может поглотить цилиндрическая оболочка камеры, работая в пределах упругости, определяется выражением [Селиванов В.В., Кобылкин И.Ф., Новиков С.А. Взрывные технологии: Учебник для втузов / Под общей ред. В.В. Селиванова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. — 648 с: ил.]

(2)

где - динамический предел текучести материала оболочки, – толщина оболочки, – плотность и модуль упругости материала оболочки соответственно.

Максимальное давление на крышку камеры при подрыве снаряда можно определить по формуле [Селиванов В.В., Кобылкин И.Ф., Новиков С.А. Взрывные технологии: Учебник для втузов / Под общей ред. В.В. Селиванова. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. — 648 с: ил.]

(3)

где - длина цилиндрической части оболочки, - коэффициент снижения максимального давления (при использовании ледяной оболочки согласно [Даниленко В.В. Синтез и спекание алмаза взрывом. – М.: Энергоатомиздат, 2003, – 272 c.; ил.]).

Верхняя оценка напряжений в шпильке при действии внутреннего давления (нагружение шпилек считаем квазистатическим, массой крышки пренебрегаем) находится по формуле

(4)

где - число шпилек, – диаметр шпильки.

В соответствии с рекомендациями источника [Биргер И.А.‚ Иосилевич Г. Б. Резьбовые и фланцевые соединения. – М.: Машиностроение, 1990. – 368 c.], максимальные напряжения в шпильке от действия внешней нагрузки не должны превышать 0,15 от предела текучести материала шпильки (соответствует коэффициенту запаса 6,67), при этом напряжения в шпильке от затяжки не должны превышать половины от предела текучести.

Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен чертеж заявляемого устройства, продольный разрез, на фиг.2 - фотография камеры, пример конкретного выполнения.

Заявляемое устройство представляет собой камеру взрывного синтеза и содержит цилиндрический корпус 1 и плоские крышки 2. Корпус 1 выполнен в виде обечайки, соединенной в цилиндр продольным швом. Корпус 1 установлен в пазах крышек 2, диаметр размещения пазов на крышках соответствует диаметру корпуса 1. Пазы снабжены резиновыми уплотнениями. Крышки 2 имеют увеличенный диаметр относительно диаметра корпуса 1 и стянуты между собой шпильками 3, установленными вдоль наружной поверхности корпуса 1, при этом размер шпилек 3 и их количество удовлетворяет условию работы в пределах условного предела текучести материала шпилек, представляющего собой напряжения в рамках остаточной деформации 0,2%. Шпильки работают как пружины, демпфирующие возникающие при взрыве напряжения.

Обечайка (цилиндрический корпус) для такой камеры изготавливается либо вальцовкой, либо навивкой рулонного металла «на горячую». При этом учитывается, что любые сварные швы приводят к охрупчиванию стали около сварной зоны, что приводит к разрушению конструкции под влиянием детонационных процессов. Поэтому вертикальный стык обечайки камеры соединяется с использованием метода электрошлакового переплава с дальнейшей термообработкой, что обеспечивает прочностные характеристики в районе шва не менее 80% от прочности проката. Крышки 2 камеры изготавливаются из цельного катанного листа. При этом используется либо однослойный вариант крышки, либо двухслойный с возможностью зажатия между слоями элементов люков, без образования сварных соединений. Устройства загрузки верхней крышки, устройство выгрузки в нижней крышке и устройство отвода газов конструктивно выполняются исходя из решаемой задачи. Такой подход позволяет создавать взрывные камеры практически без сварных швов.

Пример конкретного выполнения камеры приведен на фотографии (фиг.2).

В соответствии с заявляемым решением была изготовлена негерметичная цилиндрическая камера с плоскими днищами для синтеза наноалмазов с использованием шашки массой до 2,5 кг на основе смеси ТГ 50 (тротил-гексоген, Q_ТГА 50≈5,25 МДж/кг). Обечайка камеры (цилиндрический корпус) изготовлена из стали 09Г2С (,) с внутренним диаметром 1,5 метра, толщиной стенки 70 мм и длиной 2,5 метра, соединенная по шву методом электрошлакового переплава.

Плоские крышки изготовлены из двух слоев цельного листа марки 09Г2С толщиной 50 мм. Двухслойная конструкция крышек позволила зажать элементы загрузочного люка типа «байонет» без сварного соединения с крышкой. Выпускной клапан сливного типа рассчитан на синтез в водяном мешке или ледяной оболочке, поэтому синтезируемый материал выгружается в водной основе. Обечайка вставлена в цилиндрические пазы в крышках, изготовленные в соответствии с диаметром обечайки. В качестве резинового уплотнения использовался вакуумный шланг соответствующего диаметра. Крышки стянуты восемнадцатью шпильками, изготовленными из стали 30 ХГСА (,), диаметр шпилек - 32 мм. Расчетный ресурс камеры составляет не менее 50 000 циклов подрыва.

Для данных параметров ВВ и оболочки максимальный удельный импульс, передаваемый на стенку корпуса камеры в соответствии с выражением (1) составляет

Максимальный удельный импульс, который корпус камеры может воспринять, работая в упругой области, в соответствии с выражением (2) равен

Таким образом, коэффициент запаса по удельному импульсу составляет n≈2,57, что обеспечивает надежную работу камеры в течение 50 000 циклов с учетом наличия сварного соединения.

Максимальное давление на крышку камеры для заданных параметров в соответствии с выражением (3) составляет

При таком давлении напряжения в шпильке не превосходят

Коэффициент запаса по пределу текучести составляет 7,2, условие прочности выполняется. При таком напряжении от внешней нагрузки момент затяжки для каждой из шпилек должен быть равен 1050 Н·м.