СПОСОБ ПРЕССОВАНИЯ МНОГОСЛОЙНЫХ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ
PRESSING METHOD OF MULTI-LAYERED PYROTECHNIC CHARGES

Изобретение относится к области пиротехники, а более конкретно к пиротехническому производству многослойных зарядов прессованием.
Уровень данной области техники характеризует способ последовательного автоматического прессования композитных зарядов в многопозиционном роторном устройстве, заключающийся в том, что на каждой позиции в матрицу порционно загружают порошок, который уплотняют встречным перемещением под действием кулачков соосных пуансонов (см. патент US 3063390, нац.кл. 107-1, 1962 г.).
Особенностью этого способа является то, что следующую порцию порошка загружают на отпрессованную таблетку и прессуют, прикладывая давление на порошок через нее, что определяет дополнительные технологические ограничения.
В частности, не представляется технически возможным прессование трехслойного изделия из-за пружинящего действия отпрессованных слоев (таблеток), демпфирующего усилие прессования, потерю которого необходимо компенсировать.
При увеличении усилия прессования, необходимого для уплотнения третьего слоя, готовые таблетки могут разрушаться, то есть гарантированно не обеспечивается монолитность многослойного изделия из-за низкой адгезионной связи структурных составляющих в монолит, что искажает заданный режим горения изготовленного слоеного пиротехнического заряда.
При этом необходимо в каждом конкретном случае сочетания материалов и количества слоев в заряде экспериментально устанавливать реологические коэффициенты в зависимости от физико-механических свойств сыпучих материалов, габаритных параметров многослойного заряда и соотношения толщин его слоев, что трудоемко и требует высокой квалификации технологов и лаборантов.
Кроме того, технологический поток для практической реализации способа громоздкий и сложный в регулировании.
Описанный способ ограничен практическим прессованием изделий из двух слоев.
Более совершенным является способ прессования трехслойных пиротехнических зарядов, описанный в журнале «Химическое и нефтегазовое машиностроение», №11, 2008 г., с.18-21, В.Ю. Архангельский и М.Б. Генералов «Исследование процесса прессования порошкообразных материалов со слоистой внутренней структурой», который по технической сущности и числу совпадающих признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенного способа.
В указанной статье описан способ прессования многослойного пиротехнического заряда цилиндрической формы из различных порошковых составов: воспламенительного, переходного и функционального, которые имеют разные чувствительность к трению и прессуемость, насыпную плотность и высоту слоя.
При прессовании порошкообразных материалов в замкнутом объеме матрицы за один рабочий ход пуансона давление нелинейно снижается в направлении к поддону из-за воздействия усилий радиальных и кольцевых сил вследствие ограничения перемещений материала со стороны внутренней поверхности матрицы, заклинивания прилегающих частиц, а также образующихся сводов и арочных эффектов.
В известном способе установлена аналитическая зависимость между силовыми параметрами прессования и плотностью материала в объеме спрессованного композитного изделия.
В результате прессования многослойного пиротехнического заряда за один ход пуансона изделия имеют различную плотность по высоте: максимальную - у рабочей поверхности пуансона в верхнем слое, минимальную на противоположном торце поддона в нижнем слое, что является лимитирующим параметром.
В зависимости от требуемых высоты и плотности материала в слоях заряда рассчетным путем устанавливают необходимое давление прессования на пуансоне.
Так, для типовых трехслойных пиротехнических зарядов соотношение высоты заряда к его диаметру экспериментально ограничено в диапазоне 1: (1-2), причем относительная высота каждого слоя должна быть меньше единицы.
Известный способ позволяет, с учетом реологических свойств материалов в слоях и определенных допущений, через табличные значения заданных плотности и толщины структурных слоев, рассчитанные по специальной методике, определять максимальное давление прессования композитного заряда за один рабочий ход пуансона.
Экспериментально в лабораторных условиях исследователями получены приемлемые результаты прессования трехслойных пиротехнических зарядов.
Однако для промышленного серийного производства известный способ является сложным, так как цеховой технолог не имеет инструментария и математической модели для практического применения при изготовлении различных по физико-механическим свойствам разных многослойных пиротехнических зарядов.
Недостатком известного способа является возможность возгорания составов при прессовании вследствие различной чувствительности структурных пиротехнических составов слоев к трению, а также неудовлетворительное качество изделия из-за различной прессуемости составляющих порошков, что определяет сложность практического его использования в серийном производстве.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является упрощение способа прессования многослойных пиротехнических зарядов необходимого качества, пригодного для безопасного промышленного применения в серийном производстве.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известном способе прессования многослойных пиротехнических зарядов, содержащем порционную последовательную засыпку в матрицу, установленную на поддоне, различных порошковых составов, которые с заданным усилием перемещения прессуют за один ход пуансона, согласно изобретению прессование проводят со скоростью 0,5-1,0 см/с с давлением на пуансоне, равным:
0
i
i
i
Р=Р·Π·[1+(0,10-0,12)·h/d], где
i=1, …, n - количество слоев;
0
Р - минимально допустимое давление на поддоне;
Π - оператор произведения;
i
h - высота слоя состава в заряде;
i
d - диаметр заряда.
Отличительные признаки предложенного технического решения позволяют по инженерной математической зависимости от заданных геометрических параметров многослойного заряда (относительной высоты каждого слоя, их количества) устанавливать необходимые технологические параметры прессования (скорость и давление на пуансоне, при лимитированном давлении на поддоне), что достаточно для реализации в серийном производстве при изготовлении различных пиротехнических зарядов из требуемого количества слоев структурно разных порошковых составов.
i
i
Множитель 0,10-0,12 относительной высоты слоя (h/d) является количественным эквивалентом произведения коэффициента внешнего трения и коэффициента бокового давления при прессовании со скоростью 0,5-1,0 см/с, учитывающих прессуемость пиротехнических составов насыпных материалов.
Экспериментально установлено, что коэффициент внешнего трения для воспламенительного, усилительного, цветопламенного, искрофорсового и т.п пиротехнических составов при прессовании со скоростью 0,5-1,0 см/с заметно не меняется, поэтому указанное произведение коэффициентов в рабочем диапазоне давлений прессования от 150 до 250 МПа остается практически постоянным для основных групп пиротехнических составов и находится в пределах 0,10-0,12.
Таким образом, давление прессования на пуансоне впрямую определяется аналитически по значениям минимально допустимого давления на поддоне и высоты каждого слоя, в частности для трех:
0
1
2
3
Р=Р·(1+0,2h/d)·(1+0,2h/d)·(1+0,2h/d).
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества, неприсущей признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решается не суммой эффектов, а новым эффектом суммы признаков.
Сущность предложенного изобретения поясняется следующим.
Для обеспечения заданной плотности каждого слоя прессовки необходимо задать максимальное давление прессования, которое определяется путем расчета напряжений и плотности по объему многослойного пиротехнического насыпного полуфабриката.
Расчет давления на пуансоне сводится к поэтапному анализу условий равновесия каждого из слоев материала, начиная с нижнего слоя. Уравнение равновесия для элементарного слоя нижнего состава имеет вид:
<mrow><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>σ</mi><mrow><msub><mi>z</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub><mo>+</mo><mi>d</mi><msub><mi>σ</mi><mrow><msub><mi>z</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mi>π</mi><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msub><mi>σ</mi><mrow><msub><mi>z</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub><mi>π</mi><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mi>τ</mi><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>r</mi><mi>d</mi><msub><mi>z</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mn>0,</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>r</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>d</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>σ</mi><mrow><msub><mrow /><mrow><msub><mi>z</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
где
- радиус пресс-инструмента (пиротехнического заряда);
- нормальное напряжение, действующее по оси z (в направлении прессования) на уплотняемый материал первого слоя.
0
0
Сопротивление сдвигу τ при таких процессах можно представить в виде: τ=α(ν)+f(ν)σ. Величины α и f являются функциями скорости скольжения  ν.
<mrow><msub><mi>σ</mi><mrow><msub><mi>z</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>σ</mi><mrow><msub><mi>z</mi><mn>1</mn></msub></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mn>01</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>ξ</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>α</mi><mrow><mn>11</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mi>γ</mi></mfrac><msub><mi>ξ</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>z</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><mn>01</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>ξ</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
1
Решение этого уравнения, с учетом граничных условий
, при z=0 , имеет вид
.
0
Так как аутогезионная составляющая сил внешнего трения α достаточно мала по сравнению с деформационной составляющей, то ее влиянием на напряженное состояние материала можно пренебречь.
Учитывая, что в пиротехнических зарядах относительная толщина слоя, как правило, меньше единицы, то показательный член полученного решения можно разложить в ряд Тейлора и упростить решение без существенного снижения точности расчета. В этом случае давление на границе первого и второго слоя будет равно:
<mrow><mi>σ</mi><msub><mi>H</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>f</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>ξ</mi><mn>1</mn></msub><mfrac><mrow><msub><mi>H</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mi>d</mi></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
.
Решая уравнение (1) для каждого слоя, можно рассчитать давление прессования для всего многослойного пиротехнического заряда из n составов:
<mrow><mi>p</mi><mo>=</mo><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∏</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>f</mi><mi>i</mi></msub><msub><mi>ξ</mi><mi>i</mi></msub><mfrac><mrow><msub><mi>H</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mi>d</mi></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>H</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mi>d</mi></mfrac></mrow>
0
i
i
, где p - давление прессования, необходимое для получения нижнего слоя с заданной плотностью и высотой,
- относительная высота i-го слоя пиротехнического состава, fξ - произведение коэффициента внешнего трения на коэффициент бокового давления. Экспериментально установлено, что это произведение в рабочем диапазоне давлений прессования от 150 до 250 МПа остается постоянным (фиг.1) и для основных групп пиротехнических составов находится в пределах от 0,10 до 0,12.
С учетом изложенного давление на пуансоне при прессовании многослойных пиротехнических зарядов следует принимать равным:
<mrow><mi>p</mi><mo>=</mo><msub><mi>p</mi><mn>0</mn></msub><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∏</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>n</mi></munderover><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>0,1</mn><mo>…</mo><mn>0,12</mn><mo stretchy="false">)</mo><msub><mi>H</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mi>d</mi></mfrac></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mstyle></mrow>
Исследования зависимостей коэффициента внешнего трения от скорости для основных групп пиротехнических составов: цветопламенных, форсовых, термобарических, осветительных и аэрозольных, показали, что с увеличением скорости сдвига смеси относительно внешней границы коэффициент трения вначале уменьшается до минимального значения, а затем монотонно увеличивается (фиг.2).
В рабочем интервале скоростей аппроксимацию этой зависимости можно представить в виде полинома второй степени с точностью, достаточной для технических расчетов:
2
ν
f=αν-b+c, где f - коэффициент внешнего трения, ν - скорость сдвига состава относительно стенок матрицы (скорость прессования); a, b и с - эмпирические коэффициенты.
<mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>f</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>ν</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup><mi>f</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><msup><mi>ν</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>></mo><mn>0</mn></mrow>
Очевидно, что работа сил внешнего трения при прессовании i-го слоя будет минимальной при скорости прессования, соответствующей минимальному значению коэффициента внешнего трения. Это условие выполняется, когда в некоторой точке функции
и
, то есть
<mrow><mrow><mo>{</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mfrac><mrow><mi>d</mi><mi>f</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><mi>ν</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>α</mi><mi>ν</mi><mo>−</mo><mi>b</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><mfrac><mrow><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup><mi>f</mi></mrow><mrow><mi>d</mi><msup><mi>ν</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>a</mi><mo>></mo><mn>0</mn></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow></mrow>
<mrow><mi>ν</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>b</mi><mrow><mn>2</mn><mi>a</mi></mrow></mfrac></mrow>
Из этих условий следует, что скорость, при которой работа сил внешнего трения минимальна, будет равна
.
При выборе скорости прессования многослойного пиротехнического заряда из n слоев следует выбирать минимальное значение ν для i-го слоя. С учетом того, что минимальные значения коэффициента внешнего трения для основных групп используемых пиротехнических составов лежит в пределах от 0,5 до 1,0 см/с, то скорость прессования многослойного пиротехнического заряда следует принимать в указанных пределах.
Сравнительные данные по плотности и высоте слоев для трехслойных пиротехнических зарядов диаметром 15 мм, запрессованных способом последовательного прессования и предлагаемым, приведены в Таблице.
Таблица
№ слоя
Состав
Высота слоя, мм
Средняя плотность состава в слое по способу прототипа, г/см<sup>3</sup>
Средняя плотность состава в слое по предлагаемому способу, г/см<sup>3</sup>
1
Воспламенительный
2
1,918
1,918
2
Переходной
4
1,922
1,925
3
Цветопламенный
9
1,935,
1,94
Как видно из приведенных данных, относительное отклонение плотности по предложенному способу не превышает 0,5%, что говорит о том, что предложенный способ, позволяя существенно повысить производительность, не снижает качества зарядов.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по пиротехнике, показал, что оно неизвестно, а с учетом возможности использования способа прессования многослойных пиротехнических зарядов в серийном производстве на действующем оборудовании можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.
Способ по изобретению успешно опробован в лабораторных условиях на всем практическом многообразии слоеных зарядов и может быть рекомендован для использования на серийных предприятиях отрасли.