УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ УДАРНЫХ ВОЛН

Полезная модель относится к испытательной и измерительной технике и может использоваться для регистрации быстропротекающих процессов, таких, как взрыв, горение, распространение воздушных ударных волн, их взаимодействие с различными материалами, а конкретнее, к импульсным испытательным установкам.
Преимущественная областью использования - определение способности отдельных материалов поглощать энергию ВУВ, основанное на исследовании параметров ударных волн, воздействующих на исследуемый объект.
Известна учебная лабораторная установка для исследования взрывных процессов (патент РФ №2373489, опубликован 20.11.2009 г.), представляющая собой специальную взрывную камеру, в которой на штативе подвешен заряд жидкого смесевого взрывчатого вещества (ВВ) в металлической или неметаллической оболочке. Инициирование заряда производится искровым разрядником или проводником, погруженным в жидкое ВВ. При этом разрядник соединен высоковольтным электрическим кабелем с источником электрического импульса. Камера рассчитана на подрыв 2-50 г. жидких высокочувствительных взрывчатых композиций, которые крайне опасны в обращении.
Другая учебная лабораторная установка для исследования и демонстрации взрывных процессов (патент РФ №141754 на полезную модель, МПК F42D 5/00, G01N 33/22, G01L 5/14, опубликован 29.01.2014 года) устраняет недостатки установки по патенту 2373489.
Установка по патенту РФ №141754 включает взрывную камеру в виде стандартного лабораторного вытяжного шкафа, а размещенный в ней на штативе заряд взрывчатого вещества представляет собой небольшую навеску исследуемого инициирующего ВВ в количестве не более 10-20 мг, для инициирования которого на алюминиевой пластине закреплен отрезок пиротехнического шнура который зажигается электроспиралью, соединенной с размещенным вне камеры источником электрического тока, через автотрансформатор и систему блокировки.
Недостаток: используется только для проведения сравнительных испытаний образцов инициирующих ВВ и непригодна для оценки способности различных материалов поглощать энергию воздушных ударных волны.
В настоящее время ведутся работы по созданию цилиндрической формы конструкций, в которых можно добиться равнонагруженного состояния корпуса при различной форме днища. Отказ от сферических форм камеры объясняется сложностью ее изготовления по сравнению с более технологичной камерой, имеющей цилиндрический корпус.
В Новосибирском филиале института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева разработана камера КВ-2 для выполнения разнообразных взрывных работ. Применяется как для обработки изделий с использованием энергии взрыва, так и для выполнения исследований взрывных процессов. В состав установки входит система управления (полуавтоматическая), система высоковольтного инициирования (включает генератор высоковольтных импульсов). Установка имеет раму, на которой смонтирован корпус, состоящий из основания с рабочим столом и подвижной части. Тип корпуса: цилиндрический с днищами из полусфер. Электровводы во внутреннюю полость корпуса позволяют получать запись получаемых при исследованиях электрических сигналов. Установка предназначена для выполнения взрывных работ в цехе или лаборатории с расположением обслуживающего персонала в соседней комнате.
Недостаток: нет возможности исследовать материалы на их способность поглощать энергию ударной волны.
Ближайший аналог патентуемого устройства не обнаружен.
Задача, на решение которой направлено патентуемое техническое решение, заключается в создании универсальной компактной установки для проведения работ, основанных на исследовании воздушных ударных волн, непосредственно воздействующих на исследуемый материал, параметры которых близки с реализуемыми на заданном расстоянии от натурного мощного взрыва.
Задача решается установкой для исследования параметров ударных волн, которая представляет собой взрывную камеру, в центре цилиндрического корпуса которой размещен сменный генератор воздушных ударных волн, инициируемый импульсным источником тока, пьезочувствительные высокочастотные датчики давления, равноудаленные от генератора ВУВ и размещенные на боковых крышках корпуса, причем в одной из крышек перед датчиком выполнено гнездо с проставкой для размещения образца исследуемого материала и защитным экраном в виде сетки.
Существенность представленных выше признаков: равноудаленность датчиков от генератора ВУВ повышает достоверность испытаний, так как обеспечивает работу обоих датчиков (один из которых контрольный) в равнонагруженных условиях (частях корпуса); проставка под образец исследуемого материала минимизирует искажения результатов измерений. Использование пьезочувствительных высокочастотных датчиков позволяет измерять быстроменяющиеся импульсные давления в широком динамическом и частотном диапазонах. Кроме того, они имеют малую массу, высокую надежность работы в жестких условиях. В установке использован автоматизированный измерительно-вычислительного комплекс на базе автономных цифровых измерителей давления (ИВК АЦИД) и система инициирования, обеспечивающие синхронность срабатывания генератора ВУВ и пьезоэлектрических датчиков давления.
Патентуемое техническое решение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показана установка в продольном сечении с продольным расположением датчиков давления (когда ось датчика совпадает с продольной осью корпуса взрывной камеры); на фиг. 2 - камера взрывания с поперечным расположением датчиков давления (когда ось датчика перпендикулярна продольной оси корпуса взрывной камеры);
на фиг. 3 - принципиальная схема электродетонатора ЭД-8;
на фиг. 4 - кривая изменения параметров ударной волны (давления ударной волны во времени) после подрыва генератора ВУВ;
на фиг. 5 - кривая изменения во времени давления волны, прошедшей через образец исследуемого материала.
Принятые обозначения:
1 - корпус взрывной камеры;
2 - боковая крышка корпуса взрывной камеры;
3 - пьезочувствительный высокочастотный датчик давления;
4 - образец исследуемого (энергодиссипирующего) материала;
5 - инициатор - мостик накаливания из нихромовой проволоки;
6 - генератор ударных волн;
7 - проставка;
8 - навеска ВВ
9 - защитный экран;
10 - токовводы (электровводы).
Установка для исследования параметров ударных волн (фиг. 1 и фиг. 2), представляет собой взрывную камеру, в центре цилиндрического корпуса 1 которой установлен сменный генератор воздушных ударных волн 6, инициируемый импульсным источником тока (не показан), размещенные на боковых крышках 2 корпуса 1 равноудаленно от генератора ВУВ 6 пьезочувствительные высокочастотные датчики давления 3, а перед одним из датчиком выполнено гнездо с проставкой 7 для размещения образца исследуемого материала 4.
Примеры реализации
Габариты корпуса 1 взрывной камеры с выступающими частями: 500 мм на 250 мм, без них: длина цилиндра 500 мм, диаметр 150 мм. Тип корпуса: цилиндрический с плоскими боковыми крышками. В зависимости от требуемых параметров ВУВ генератор может быть выполнен в виде одного электродетонатора (фиг. 4), двух или трех электродетонаторов, соединенных параллельно с системой инициирования (полностью не показана). Для получения требуемых параметров ВУВ (давление, длина волны) можно дополнительно использовать пресссованный или насыпной заряд ВВ.
Пример 1
Генератор воздушной ударной волны состоит из трех стандартных электродетонаторов, соединенных токовводами 10 с системой инициирования. В корпусе 1 установлены пьезочувствительные датчики динамического давления марки Вм 206 с диапазоном давлений до 30 МПа и собственной частотой 200 кгц.
Использован капельный электродетонатор, в котором инициатором 5 является нихромовая нить, при пропускании тока через которую инициируется 0,1 г. азида свинца. Для имитации прямых ударных волн пьезочувствительные датчики давления размещены так, что их продольные оси совпадают с продольной осью корпуса камеры для имитации прямых ВУВ (Фиг. 1). В этом примере воспроизводятся параметры ударных волн в условиях, максимально приближенных к реальному взрыву 1 кг тротила на расстоянии 1 метра.
Примеры 2 и 3 отличаются от первого тем, что для имитации взрыва на расстоянии двух и трех метров используется соответственно два или три электродетонатора.
Если пьезочувствительные датчики давления размещены таким образом, что их продольные оси перпендикулярны продольной оси корпуса взрывной камеры, это позволяет создавать косые ВУВ (фиг. 2).
Установка работает в следующем порядке. Объект испытаний-образцы в виде таблеток диаметром 12-15 мм и толщиной от 2 до 6 мм размещаются в гнезде перед одним из датчиков с использованием проставки. Гнездо (без позиции) снабжено проставкой 7, выполненной в виде стальной втулки, размеры которой зависят от размера образца.
Подается импульс из импульсного источника тока (не показан). Регистрируют параметры ударной волны одновременно двумя высокочастотными датчиками, один из которых установлен после образца исследуемого материала, а второй контрольный.
Замеряется величина давления ударной волны, импульс нарастания давления. Таким образом, один из датчиков (контрольный) определяет параметры ВУВ, возникающих при подрыве генератора ВУВ, а другой фиксирует измененные параметры в результате поглощения части энергии ВУВ испытуемым образцом энергодиссипируещего материала. Разница величины давления двух датчиков - показатель величины поглощения энергии ударной волны. Максимальный уровень давления не должен превышать расчетные характеристики по прочности установки к импульсному нарастанию давления (не более 6 грамм ВВ в тротиловом эквиваленте).
Конструкция камеры позволяет использовать автоматизированный измерительно-вычислительный комплекс на базе автономных цифровых измерителей давления (ИВК АЦИД) и систему инициирования, обеспечивающие синхронность срабатывания генератора ВУВ и пьезоэлектрических датчиков давления. В качестве средств измерения используются блоки АЦИД с датчиками давления, модулями АЦП (аналого-цифровой преобразователь) и памяти. Время одного преобразования АЦП - 2,5 мкс. Непосредственно измеряется только величина давления, остальные характеристики - временные параметры импульсов давления, интервалы времени между соседними импульсами давления, величина импульса давления ударной волны, скорость распространения ударной волны определяются при обработке цифровых массивов данных измерений всех блоков АЦИД, использованных в опыте.
Так как все блоки АЦИД в процессе испытаний работают автономно, не имея никакой связи между собой, то для приведения цифровых массивов данных измерения (регистрации) всех блоков АЦИД, используемых в опыте, к единой временной точке отсчета (приведение к единому времени) необходимо перед сеансом регистрации подавать на все блоки АЦИД единый синхросигнал пуска. При работе этот синхросигнал «Пуск» подается на все блоки с пульта управления.
Примечания: 1. Результаты испытаний, представленные в таблице, получены на установке (фиг. 1) при воздействии прямых ВУВ на датчики и испытуемый образец.
2. ЛТ - составы на основе полиуретана, КД ЭД-8 - один электродетонатор типа ЭД-8. Он генерирует волну давления по расчетам составляющую моделирование 1 кг ТНТ на расстоянии 3 метра, 2 КД ЭД-8-два электродетонатора типа ЭД-8, генерирующие волну давления на расстоянии 2 метра, 3 КД ЭД-8 - три электродетонатора типа ЭД-8, генерирующуе волну давления на расстоянии 1 метр.
Из таблицы следует, что полимерные композиции на основе полиуретана (Опыты К12) обеспечивают поглощение энергии ударной воздушной волны в пределах 70…90%. Отсутствие обгоревшего слоя (Опыты №№10-12) свидетельствует, что не происходит перехода энергии ВУВ в тепловую.
Другое возможное применение установки: оценка способности исследуемых материалов выдерживать динамические нагрузки. Обеспечивается исследование ударно-волновых процессов в исследуемых материалах во временном интервале 0,2-30 мкс в широком диапазоне температур, а также регистрируется процесс взаимодействия ВУВ с образцом материала и определяется распределения мощности поглощения во времени.
Заявленная полезная модель соответствует критериям «новизна» и «промышленная применимость».