ВЗРЫВОЗАЩИТНАЯ КАМЕРА
EXPLOSION-PROOF CHAMBER

Изобретение относится к области техники взрывных работ, защиты окружающей среды от взрывного воздействия и разработки технических устройств для локализации продуктов взрыва.
Преимущественная область его использования - проведение экспериментальных исследований с применением взрывчатых веществ (ВВ), хранение, транспортировка, разборка и уничтожение боеприпасов и террористических устройств, содержащих ВВ, радиоактивные и вредные материалы; промышленные технологии с использованием ВВ.
Известна «Взрывозащитная камера», патент РФ №2404407 С1 МПК F42D 5/045, опубл. 20.11.2010, бюл. №32. Взрывозащитная камера содержит металлический цилиндрический корпус с плоскими днищами, усиленными наружными и внутренними ребрами жесткости, причем на одном из днищ со стороны полости камеры может быть выполнен газодинамический отражатель, а на другом - герметичный вход во внутреннюю полость камеры. На корпусе в зонах соединения с ним ребер и днищ дополнительно установлены наружные цилиндрические оболочки, а в центральной зоне корпуса - внутренняя цилиндрическая оболочка.
Недостатком устройства является его низкая прочностная надежность при локализации взрыва осколочных боеприпасов. При взрыве в такой одноконтурной камере ее многослойный силовой корпус после воздействия на него динамических нагрузок воспринимает также и квазистатические нагрузки. В результате, повреждения, появившиеся в элементах корпуса в ходе реакции на динамическое воздействие, могут стать причиной последующего разрушения или потери герметичности конструкции при действии избыточного давления локализованных в объеме полости камеры газообразных продуктов взрыва, что снижает прочностную надежность камеры. Таким образом, в описываемой камере необходимо ограничивать допускаемые уровни повреждений силовых элементов: величину пластических деформаций, длину и глубину трещин, размеры и глубину кратеров и т.п., а, следовательно, не превышать определенные уровни нагрузок, которые вызывают такие повреждения. Камера не предусматривает замены отдельных силовых элементов, поэтому при последующем нагружении повреждения выше допустимых уровней могут привести к разрушению камеры.
Наиболее близким к изобретению техническим решением (прототипом) является «Контейнер для локализации взрыва», патент РФ №2257537 С1, МПК F42B 39/00, F42D 5/04, опубл. 27.07.2005, бюл. №21.
Контейнер содержит корпус из соосных внутренней и внешней камер, разделенных зазором. Внешняя камера выполнена разъемной и состоит из соединенных между собой фланцами центрального отсека и крышек. Каждая крышка выполнена в виде цилиндрической оболочки с плоским днищем. К днищу закреплен крешер, состоящий из цилиндрической оболочки, подкрепленной радиальными ребрами жесткости, и пластины, параллельной днищу, выполненной с центральным отверстием, закрытым со стороны центральной зоны съемной деформируемой мембраной. Внутренняя камера выполнена съемной и установлена в полости внешней камеры на фиксаторы положения с опиранием ее торцов на пластину крешера. Во внутренней камере размещен сменный противоосколочный экран, выполненный из набора продольных плоских или криволинейных пластин, а на поверхности мембраны установлен противоосколочный экран в виде пластины. Фланцевые соединения центрального отсека выполнены клиновидной формы, и их крепление осуществляется охватывающим разрезным кольцевым бугелем.
Недостатками устройства являются сложность изготовления и эксплуатации его крупногабаритных элементов, повышенная материалоемкость. Кроме того, известный контейнер имеет недостаточные прочность и надежность, что ограничивает ресурс его несущей способности как конструкции многократного применения. Это связано с тем, что при динамической реакции контейнера в продольном направлении на фланцы соединений центральной части с крышками и кольцевые бугели передаются значительные усилия, которые могут вызывать деформирование бугелей, расхождение их поверхностей, охватывающих фланцы, раскрытие стыка фланцев и разгерметизацию контейнера. При этом сами фланцы могут пластически деформироваться и разгибаться, что приводит к образованию зазора между ними и невозможности последующего герметичного соединения без их механической доработки. Увеличение толщины сечения фланцев и бугеля позволяет повысить жесткость соединения. Но при этом возрастает масса конструкции и повышается вероятность разрушения при незначительных пластических деформациях и даже в области упругих деформаций в зонах угловых стыков фланцев с цилиндрическими оболочками корпуса (крышек) и угловых зонах П-образного сечения бугеля, где реализуется сложное напряженное состояние.
Решаемой технической задачей является разработка взрывной камеры, способной многократно локализовать внутри своего объема взрыв заряда ВВ, или боеприпаса, или другого объекта, содержащего заряд ВВ и осколкообразующие материалы. Кроме того, камера должна обеспечить безопасную загрузку в нее взрывоопасных объектов, возможность замены поврежденных силовых элементов, удобство эксплуатации и транспортабельность. При использовании камеры в качестве взрывозащитного устройства для исследования взрывных физических процессов ее конструкция без снижения несущей способности должна позволять проводить измерения невозмущающими методами регистрации с требуемым разрешением по мощности импульса излучения сигнала для каждого измерительного метода.
Ожидаемыми техническими результатами от реализации заявленного изобретения являются упрощение технологии изготовления и эксплуатации с обеспечением повышенных несущей способности, надежности и эксплуатационного ресурса в заданных габаритах камеры.
Указанные технические результаты достигаются взрывозащитной камерой, содержащей наружный и съемный внутренний контуры, каждый из которых выполнен разъемным и образован цилиндрической частью и плоскими днищами, причем цилиндрические части обоих контуров установлены коаксиально и с зазором друг относительно друга, а днища наружного контура усилены радиальными ребрами жесткости.
Новым является то, что цилиндрическая часть внутреннего контура выполнена составной и разъемной с утолщением в центральной зоне в виде газодинамического отражателя, со стороны одного из торцов камеры в днищах обоих контуров установлена цилиндрическая горловина, закрепленная в днище наружного контура, внутри и на наружном торце которой размещены крышки с запорными устройствами, при этом ребра жесткости указанного днища соединены с горловиной, а между собой - пластинами, закрепленными на горловине, внутри камеры в местах соединения днищ внутреннего контура с его цилиндрической частью установлены кольцевые газодинамические отражатели.
Для проведения исследований в камере гидродинамических процессов с применением невозмущающих методов измерений в центральной зоне цилиндрических частей обоих контуров выполнены, по крайней мере, два диаметрально противоположных отверстия, в каждом из которых в наружном контуре закреплен патрубок с крышкой, а во внутреннем - толстостенная цилиндрическая вставка, усиленная продольными ребрами жесткости.
Выполнение цилиндрической части внутреннего контура составной и разъемной позволяет изготавливать отдельно каждый из ее элементов и затем заменять только один центральный элемент, который быстрее выработает прочностной ресурс, т.к. получает наибольшие повреждения при взрыве. При этом торцевые части, нагружаемые и повреждаемые в меньшей степени, имеют больший ресурс и могут выполняться с меньшей толщиной стенок.
Взрывоопасный объект располагается в центральном сечении камеры, поэтому при его взрыве это сечение подвергается максимальным импульсным нагрузкам. Газодинамический отражатель, расположенный в центральной зоне внутреннего контура, перераспределяет импульс давления ударной волны и продуктов взрыва, тем самым уменьшая нагрузки, а, следовательно, и вызываемые ими деформации этой зоны контура. Осколки, летящие по нормали к центральной зоне, обладают максимальной пробивной способностью и могут наносить наибольшие повреждения контуру. Отдельные осколки, внедряясь в отражатель, улавливаются им, а основная их часть, взаимодействуя с поверхностью отражателя не по нормали, за счет рикошета меняет направление движения, тем самым уменьшая степень повреждаемости и увеличивая прочностной ресурс центрального элемента.
Цилиндрическая горловина, установленная со стороны одного из торцов камеры, позволяет помещать взрывоопасный объект в полость камеры без открывания верхнего разъемного днища ее наружного контура. При этом трудоемкие технологические операции, связанные с открыванием и закрыванием массивного разъемного днища, требующие специальных приспособлений, выполняются только по мере необходимости, например, для замены или ремонта выработавших ресурс разъемных элементов внутреннего контура, что существенно упрощает эксплуатацию камеры и повышает безопасность при установке в нее взрывоопасного объекта.
Для обеспечения герметичного закрывания отверстия в загрузочной цилиндрической горловине и последующего герметичного удержания продуктов взрыва, создающих в полости камеры повышенное давление, внутри горловины и на ее наружном торце устанавливаются крышки, которые крепятся к горловине запорными устройствами. Внутренняя крышка воспринимает импульсные взрывные нагрузки, а со стороны полости от пробития осколками она защищена дополнительным слоем. Наружная крышка рассчитана на нагрузки от квазистатического давления продуктов взрыва и обеспечивает герметизацию камеры.
Для повышения прочности крепления горловины в днище наружного контура за счет увеличения площади контакта свариваемых поверхностей и их жесткости горловина соединяется с установленными на днище ребрами жесткости. Эти ребра соединены между собой пластинами, которые закреплены на горловине, что позволяет сохранять работоспособность ребер без потери устойчивости, ограничивает прогиб днища и повышает прочность соединения днища с горловиной, в результате чего повышается несущая способность камеры. Все вышеперечисленные элементы образуют единый силовой контур, увеличивающий прочность и жесткость днища с горловиной, что позволяет использовать более тонкостенные детали, а, значит, снизить материалоемкость конструкции.
В местах соединения днищ внутреннего контура с его цилиндрической частью установлены газодинамические отражатели, которые формируют конфигурацию полости, не создающую усиления импульса давления, которое может реализоваться в угловых зонах за счет столкновения потоков газообразных продуктов взрыва, движущихся вдоль стенок навстречу друг другу со стороны днища и со стороны корпуса камеры. Эти газодинамические отражатели также выполняют роль подкрепляющего цилиндрическую часть кольца в зоне повышенных нагрузок, что позволяет избежать заклинивания при разборе внутреннего контура и несколько уменьшить толщину указанной части.
Для возможности применения невозмущающих методов измерений (рентгенография, протонография, нейтронография, светооптические методы) при проведении исследований в камере гидродинамических (взрывных) процессов и уменьшения эффектов ослабления влияния толщины стенок камеры на энергию проходящего сканирующего пучка излучения в центральной зоне цилиндрических частей обоих контуров камеры выполняются, по крайней мере, два диаметрально противоположных отверстия.
В наружном контуре в каждом отверстии закреплены патрубки с крышкой для обеспечения герметичного закрывания камеры. В отверстия цилиндрической части внутреннего контура, которые при нагружении могут инициировать разрушение, устанавливаются толстостенные цилиндрические вставки, усиленные продольными ребрами, что позволяет увеличить жесткость центрального сечения в ослабленной отверстием зоне, снизить уровни напряжений, а, значит, и уменьшить вероятность появления трещины и начала разрушения зоны вблизи отверстия.
На фиг.1 изображена заявляемая взрывозащитная камера. На фиг.2 то же, вид А. На фиг.3 изображен фрагмент центральной зоны цилиндрических частей обоих контуров взрывозащитной камеры для проведения исследований гидродинамических процессов.
Заявляемая взрывозащитная камера состоит из наружного и съемного внутреннего разъемных контуров. Оба контура имеют цилиндрическую часть и плоские днища, причем цилиндрические части обоих контуров установлены коаксиально и с зазором друг относительно друга (см. фиг.1).
Наружный контур камеры имеет корпус 1 в виде цилиндрической оболочки и плоские днища - разъемное 2 и неразъемное 3, усиленные радиальными ребрами жесткости 4, 5, соответственно. Разъемное днище 2 крепится к корпусу 1 за фланцы с помощью кольцевого бандажного соединения 6, состоящего из 4-х частей П-образного сечения, скрепляемых посредством болтов. В этом же днище 2 крепится сварным швом цилиндрическая горловина 7. Ребра жесткости 4 соединены с горловиной 7, а между собой - посредством пластин 8, также закрепленных на горловине 7 (см. фиг.2). Отверстие горловины 7, которое служит для загрузки взрывоопасного объекта, закрывается крышками 9, 10 с запорными устройствами. Одна крышка 10 крепится при помощи разрезного кольца 11 и опорного кольца 12 внутри горловины 7, а со стороны полости ее закрывает противоосколочный экран в виде диска 13. Другая крышка 9 крепится на наружном торце горловины 7 за фланцы при помощи бугельного соединения 14 П-образного сечения, состоящего из двух частей, скрепленных болтами.
Внутренний контур имеет цилиндрическую часть, состоящую из трех разъемных кольцевых элементов 15, 16 и 17, и плоские днища в виде дисков 18, 19. На центральном кольцевом элементе 15 выполнен газодинамический отражатель переменного клиновидного сечения.
Диски 18, 19 установлены на кольцах 20, опирающихся на днища 2 и 3. За счет толщины кольца 20 сформирован зазор между дисками 18, 19 и днищами 2. 3. Диск 18 имеет отверстие для горловины 7.
В местах соединения днищ внутреннего контура с его цилиндрической частью на дисках 18, 19 закреплены кольцевые газодинамические отражатели 21, имеющие форму сечения в виде прямоугольного треугольника.
Для проведения исследований гидродинамических процессов с применением невозмущающих методов измерений в центральной зоне цилиндрических частей обоих контуров камеры выполнены два диаметрально противоположных отверстия (см. фиг.3). В каждом отверстии на наружном контуре размещен патрубок 22, на наружном торце которого имеется фланец. К фланцу при помощи бугельного соединения 23, аналогичного 14, крепится крышка 24. Крышка может быть выполнена толщиной меньше, чем толщина стенки камеры, из материала с плотностью меньше плотности железа (например, алюминий, бериллий, карбид бора, пластики на основе угольных, органических, стеклянных волокон и др.), что позволяет уменьшить потери энергии проходящего пучка сканирующего излучения. В каждом отверстии кольцевого элемента 15 внутреннего контура закреплена толстостенная цилиндрическая вставка 25, усиленная продольными ребрами жесткости 26.
Взрывозащитная камера работает следующим образом.
Взрывозащитная камера предварительно собирается при снятом верхнем днище 2 путем последовательной установки в корпус 1 с днищем 3 элементов внутреннего контура: диска 19 и кольцевых элементов 17, 15, 16, соответственно. После этого устанавливается диск 18 и днище 2, которое по фланцам герметично соединяется с корпусом 1 наружного контура при помощи бугельного соединения 6.
Объект, содержащий заряд ВВ, через горловину 7 устанавливается примерно в геометрический центр камеры, после чего отверстие горловины 7 закрывается внутренней крышкой 10, которая крепится болтами к диску 12 с противоосколочным слоем 13, а к горловине 7 - разрезным кольцом 11. Со стороны наружного торца горловина 7 закрывается наружной крышкой 9 с герметизирующими прокладками и закрепляется бугелем на фланцах горловины.
При взрыве заряда ВВ объекта в полости камеры происходит динамическое нагружение элементов внутреннего контура, на которые действует суммарный импульс давления воздушной ударной волны, газообразных и твердых (осколков) продуктов взрыва. Вследствие этого элементы деформируются, и на их поверхности со стороны полости появляются повреждения (вмятины, кратеры) от осколочного воздействия. В центральной зоне, где взрывоопасный объект расположен ближе всего к стенкам цилиндрической части камеры, и, следовательно, нагрузки на стенки больше, форма газодинамического отражателя задает направление движения продуктам взрыва под некоторым углом к поверхности стенки, что перераспределяет импульс давления отражения и снижает уровни нагрузок. Основная часть разлетающихся осколков также взаимодействует с поверхностью отражателя под некоторым углом, поэтому в направлении их внедрения в стенку «увеличивается» толщина материала или изменяется направление движения осколков, что приводит к их рикошету от стенки. В центральном сечении, где осколки внедряются по нормали к поверхности стенки, отражатель, выполняющий роль противоосколочной защиты, имеет максимальную толщину.
Наибольшие повреждения обычно получает центральный кольцевой элемент 15, а так как он выполнен разъемным с элементами 16 и 17, то может заменяться и ремонтироваться отдельно от них. Извлекать кольцевые элементы 16, 15, 17 гораздо легче по отдельности, когда после нагружения произошли изменения их размеров и формы.
Практически по всей поверхности между наружным и внутренним контурами камеры имеется конструктивный зазор, который сохраняется и в процессе реакции на взрывное нагружение, а, значит, наружный контур не подвергается прямому динамическому воздействию. В связи с этим горловина 7 крепится в наружном днище 2, которое менее нагружено.
Усиление днища 2 с закрепленной в нем горловиной 7 ребрами жесткости 4 и пластинами 8 повышает жесткость и прочность замкнутого контура «днище - горловина» при воздействии на него нагрузок, а пластины 8 препятствуют потере устойчивости ребер 4 и раскрытию горловины 7 при прогибе днища 2.
Кольцевые газодинамические отражатели 21 треугольного сечения, установленные в местах соединения днищ 18, 19 внутреннего контура с его цилиндрической частью, позволяют создать такую форму полости, при которой не происходит образование угловых зон повышенного давления при взаимодействии отраженных от стенок и днищ встречных потоков газообразных продуктов взрыва.
В варианте исполнения взрывозащитной камеры с двумя диаметрально противоположными отверстиями в центральной зоне патрубок 22 с крышкой закреплен в наружном контуре, где уровни взрывных нагрузок снижены внутренним контуром. Закрепленная в отверстии внутреннего контура толстостенная цилиндрическая вставка 25, усиленная ребрами жесткости 26, повышает жесткость кольцевого элемента 15 в зоне, ослабленной отверстием, что снижает деформации и препятствует развитию разрушения.
На действующем экспериментальном образце взрывозащитной камеры показана возможность реализации заявленного изобретения. Проведенные взрывные эксперименты подтвердили достижение заявленных технических результатов, заключающихся в упрощении технологии изготовления и эксплуатации с обеспечением повышенных несущей способности, надежности и эксплуатационного ресурса в заданных габаритах камеры.