НАГРУЖАЮЩАЯ УСТАНОВКА СТВОЛЬНОГО ТИПА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ
BARREL-TYPE LOADING PLANT FOR INVESTIGATION OF DYNAMIC PROPERTIES OF MATERIALS

Изобретение относится к испытательной технике, к исследованию высокоскоростных ударных явлений, в частности к метательным установкам ствольного типа для проведения экспериментов по ударно-волновому нагружению исследуемых образцов при исследовании их динамических прочностных свойств.
При проведении исследований в экспериментальной механике и физике быстропротекающих процессов широкое распространение получили метательные установки ствольного типа.
Известен стенд с нагружающей установкой ствольного типа для проведения ударных испытаний (патент RU 2402004, публик. 02.09.2009, «Стенд для ударных испытаний»). Стенд представляет собой ствольную метательную установку с размещенными в ее разгонном стволе ударником и присоединенное со стороны среза разгонного ствола на некотором расстоянии под заданным углом приемное основание. Стенд снабжен датчиками регистрации момента прохода лобовой поверхностью ударника дульного среза ствола и момента соударения ударника с приемным основанием. На выходе из ствола размещены платформа и пленочная диафрагма, при этом ствол выполнен с возможностью вакуумирования участка между ударником и пленочной диафрагмой. Ударник снабжен расположенным сзади обтюратором, причем суммарная длина обтюратора и ударника больше расстояния от дульного среза ствола до мишени, закрепленной на платформе легко разрушаемыми и регулируемыми по длине связями.
Недостатком известного стенда является то, что при пробитии диафрагмы ударник испытывает возмущения, приводящие к изменению его исходного состояния. Кроме того, воздушная пробка, находящаяся между диафрагмой и приемным основанием, преднагружает исследуемый образец, расположенный на приемном основании. Помимо того, датчики, которые устанавливают на приемном основании, могут срабатывать не от воздействия ударника, а от воздушной пробки.
3
-3
Известна другая установка ствольного типа для исследования динамических свойств материалов (A.M. Братов, А.К. Ломунов, А.Р. Филиппов «Универсальная установка для высокоскоростных исследований», Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, №4 (1), с. 115-120), которая выбрана в качестве ближайшего аналога. Установка выполнена на базе газовой пушки калибра 85 мм, предназначенной для проведения широкого спектра исследований динамических свойств материалов при скоростях нагружения от 10 м/с до 500 м/с. Установка позволяет проводить эксперименты по различным методикам (метод прямого и обратного удара при нагружении, эксперименты на динамическое внедрение и т.д.). Установка включает ударник, размещенный в ее разгонном стволе и присоединенную со стороны среза разгонного ствола вакуумную камеру. Вакуумная камера служит для защиты помещения от осколков, а также для размещения приемного основания с исследуемым образцом, различными средствами регистрации и приспособлениями, необходимыми для проведения исследования в соответствии с требуемой методикой. Кроме того, вакуумирование ствола пушки и камеры позволяет исключить давление на исследуемый образец истекающего из ствола газа. Камера представляет собой стальной сосуд диаметром 600 мм и длиной 1800 мм. В ней предусмотрены монтажные и смотровые окна, патрубки для создания вакуума и отсоса пыли, образующейся при испытаниях образцов. Объем камеры составляет около 0,5 м. Для создания вакуума используется пластинчато-роторный вакуумный насос 2НВР-5ДМ, позволяющий создавать гарантируемый вакуум 5×10мм. рт. ст. Приемное основание в виде диска крепится к переходнику ствола, который размещен в вакуумной камере. Переходник наворачивается на дульный срез ствола до упора. При соударении ударника с образцом ударная нагрузка через образец передается на приемное основание, а затем через шпильки крепления на вакуумную камеру. Ударного воздействия на крепежные элементы приемного основания при этом не происходит, и тем самым сохраняется параллельность опорной поверхности приемного основания и торцевой поверхности ударника.
Недостатком ближайшего аналога является большой объем вакуумной камеры, что приводит к усложнению обслуживания, проведения экспериментов, увеличению стоимости. Кроме того, установка соответствует конкретным задачам исследований и ограничивает возможность ее применения при более высоких скоростях нагружения и давлениях рабочего газа.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение эксплуатационных возможностей установки, упрощение обслуживания и проведения эксперимента.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в нагружающей установке ствольного типа для исследования динамических свойств материалов, включающей ударник, размещенный в ее разгонном стволе, переходник ствола, вакуумную камеру, присоединенную со стороны среза разгонного ствола, систему вакуумирования, приемное основание для установки исследуемого образца, являющееся элементом вакуумной камеры, в которой также размещены средства регистрации, необходимые для проведения исследования в соответствии с требуемой методикой, новым является то, что вакуумная камера выполнена из легкоразрушаемого под действием ударных нагрузок материала, переходник ствола соединяет ствол с вакуумной камерой, приемное основание и корпус вакуумной камеры выполнены в виде единого конструктивного элемента, свободный торец камеры закрыт съемной крышкой, а приемное основание делит общий объем камеры на две части, при этом патрубок для соединения с системой вакуумирования выполнен в переходнике, а в приемном основании выполнены каналы для соединения двух объемов камеры.
Выполнение вакуумной камеры из легкоразрушаемого под действием ударных нагрузок материала ведет к возможности использования в конструкции стенда недорогих узлов однократного применения, уменьшению объема вакуумной камеры, обеспечению широкого спектра вариантов нагружения и соответственно изменению (в сторону увеличения) скорости ударника и калибра установки.
Соединение камеры со стволом с помощью переходника позволяет оптимизировать компоновочное решение по размещению системы вакуумирования и ее соединения с камерой, что позволяет расширить эксплуатационные возможности установки за счет размещения патрубка для соединения с вакуумной системой вне камеры и увеличить скорость нагружения при сохранении системы вакуумирования при проведении эксперимента.
Выполнение приемного основания и корпуса вакуумной камеры в виде единого конструктивного элемента позволяет обеспечить идеальное плоскопараллельное взаимодействие ударника и образца при упрощении конструкции, исключении крепежных элементов, снятии требований по центровке приемного основания в вакуумной камере.
Разделение приемным основанием объема вакуумной камеры на две части позволяет простым способом сформировать дополнительную полость за приемным основанием, тем самым обеспечить вакуум, как перед приемным основанием, так и за ним, что приводит к требуемому, без перекоса, взаимодействию ударника с образцом Применение съемной крышки на торце камеры позволяет перенести действие избыточного давления (за пределами вакуумной камеры - атмосферное давление) на крышку, и как следствие исключить деформацию приемного основания, повысить достоверность получаемой в эксперименте информации, исключить требования герметизации при установке средств регистрации на приемном основании, объединить выводы средств регистрации и использовать различные гермопроходники, что существенно облегчает подготовку и проведение эксперимента.
Выполнение в приемном основании каналов для соединения двух частей камеры позволяет расширить эксплуатационные возможности установки при простоте процесса герметизации вакуумной камеры, снижении временных затрат на подготовку и проведение эксперимента.
На фиг. 1 приведена схема заявляемой установки, где: 1 - разгонный ствол; 2 - переходник между разгонным стволом и вакуумной камерой; 3 - поддон; 4 - ударник; 5 - поджимное кольцо; 6 - корпус вакуумной камеры; 7 - приемное основание; 8 -съемная крышка; 9 - зона размещения образца и средств регистрации; 10 - зона выводов средств регистрации; 11 - вакуумные каналы; 12 - патрубок для соединения с вакуумной системой.
Примером конкретного выполнения заявляемого устройства может служить установка для проведения экспериментов по ударно-волновому нагружению образцов материалов с целью исследования их динамических прочностных свойств. Пороховая нагружающая установка ствольного типа выполнена калибром 100 мм и включает пороховой метательный заряд, размещенный в камере сгорания, соединенной с разгонным стволом, переходник ствола, ударник, размещенный в разгонном стволе и присоединенную со стороны дульного среза разгонного ствола к переходнику вакуумную камеру с приемным основанием для размещения исследуемого образца. Камера выполнена из оргстекла. Корпус камеры и приемное основание выполнены в виде единого конструктивного элемента. Камера через поджимное кольцо соединена с переходником ствола. Приемное основание делит объем камеры на две части, при этом в приемном основании выполнены четыре канала для соединения этих частей. На приемном основании установлены средства регистрации - электроконтактные датчики, манганиновые датчики давления, оптические датчики PDV и VISAR. Свободный торец камеры закрыт съемной крышкой.
-6
-4
Перед проведением эксперимента ударник 4 размещают на поддоне 3 в разгонном стволе 1 установки, образец устанавливают на приемном основании 7 в вакуумной камеры 6, на котором также размещают средства регистрации. Свободный торец камеры 6 закрывают крышкой 8. После соединения камеры 6 через переходник 2 со стволом 1 ее и ствол вакуумируют через патрубок 12 до остаточного давления 10…10атм, при этом за счет выполнения каналов 11 в приемном основании 7 полость, расположенная между крышкой 8 и приемным основанием 7 вакуумируется одновременно с другой частью объема камеры 6 и стволом 1. Наружное давление составляет 1 атм. Для нагружения ударника 4 и придания ему требуемой скорости газы, образующиеся при сгорании порохового заряда, поступают в разгонный ствол 1. Ударник 4 разгоняется в стволе 1 до скорости 2000 м/с и плоскопараллельно соударяется с приемным основанием 7. При этом исключается преднагружение исследуемого образца, размещенного на приемном основании 7, воздушной пробкой, что обеспечивает точность измерений отклика исследуемого образца на ударно-волновое нагружение. Плоскопараллельное соударение достигается за счет точного изготовления поддона, ударника, вакуумной камеры, а также отсутствия деформации приемного основания под действием внешнего атмосферного давления, которое принимает на себя крышка 8 камеры 6. Данная установка проверена экспериментально в 10 опытах и планируется к широкому использованию при проведении аналогичных экспериментов на различных нагружающих установках ствольного типа.
Т.о. заявляемая установка позволяет обеспечить проведение экспериментальных исследований динамических прочностных свойств материалов при ударно-волновом нагружении при скоростях соударения до 2000-4000 м/с при снижении трудоемкости и стоимости проведения эксперимента.