СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ ПОЛЫХ ОБРАЗЦОВ ИЗ ВЗРЫВЧАТЫХ ВЕЩЕСТВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF DETERMINING BREAKING STRENGTH OF HOLLOW SAMPLES FROM EXPLOSIVES AND APPARATUS FOR IMPLEMENTING SAID METHOD

Группа изобретений относится к испытательной технике, а именно к устройствам для определения предела прочности хрупких и малопрочных материалов.
В настоящее время известно множество способов и устройств для испытания хрупких и малопрочных материалов, однако они, обладая определенными достоинствами, не могут обеспечить требуемую безопасность при определении предела прочности для таких образцов, например, как образцов из взрывчатых веществ (ВВ).
Испытание таких образцов необходимо для определения их механических свойств, значения которых могут быть применены в научно-исследовательских целях и в целях их безопасного хранения, транспортировки, эксплуатации, утилизации и т.д. Для проведения таких испытаний необходимо оборудование, позволяющее воспроизводить необходимые схемы нагружения образцов и обеспечивать безопасность процесса испытаний. Одним из важнейших факторов безопасности процесса испытаний является обеспечение безопасности работ после разрушения образца из ВВ. В зависимости от материала образца разрушение может быть хрупким (когда образец разрушается на отдельные, не связанные между собой фрагменты) и нехрупким (когда фрагменты образца связаны между собой). Последний вариант разрушения является менее безопасным, поскольку извлечение разрушенных таким образом крупногабаритных образцов из ВВ непременно приведет к изменению положения его фрагментов и трению между ними и может привести к инициированию взрыва. В связи с этим, необходимо принятие специальных мер по совершенствованию конструкции испытательной оснастки и применяемых методик.
Известен способ определения предела прочности полых образцов из описания изобретения под названием «Способ испытаний цилиндрического образца с закрытым концом на прочность при воздействии внутреннего давления воды» [Патент Японии №3164523, МПК G01M 19/00, G01N 3/10, G01N 3/12, опубл. 08.05.2001]. Данный способ заключается в том, что, в корпус устанавливают образец со сменным вкладышем, в полость образца вводят мембрану, при помощи которой производят нагружение образца до его разрушения, фиксируют величину нагружения в момент разрушения, после чего снимают нагрузку, убирают мембрану и извлекают сменный вкладыш и разрушенный образец.
Согласно данному способу сменный вкладыш размещают между манжетой и образцом на участках, где не требуется прикладывать нагрузку к образцу, блокируя тем самым воздействие манжеты на внутреннюю полость образца на этих участках. Таким образом, использование данного способа позволяет прикладывать нагрузку в любой части образца, реализуя различные схемы нагружения и расширяя его область применения.
Этот способ выбран в качестве прототипа, так как он имеет наибольшее количество общих существенных признаков с заявляемым способом.
К его недостаткам можно отнести низкую безопасность, обусловленную тем, что после разрушения образца положение его фрагментов никак не контролируется, вследствие чего может произойти перемещение фрагментов и трение между ними, что в случае с крупногабаритными образцами из ВВ недопустимо, так как это может привести к инициированию взрыва.
Известно устройство для определения предела прочности полых образцов из описания изобретения под названием «Способ испытаний цилиндрического образца с закрытым концом на прочность при воздействии внутреннего давления воды» [Патент Японии № JP3164523, МПК G01M 19/00, G01N 3/10, G01N 3/12, опубл. 08.05.2001]. Оно содержит корпус, сменный вкладыш (втулку), манжету (резиновую трубку) для нагружения, расположенную в полости образца и сообщенную с источником гидравлического давления. Сменный вкладыш выполнен из недеформируемого материала и расположен между манжетой и образцом, при этом наружная геометрия сменного вкладыша соответствует внутренней геометрии образца, а внутренняя геометрия сменного вкладыша соответствует геометрии манжеты. Все это позволяет прикладывать нагрузку в любой части образца, реализовывать различные схемы нагружения и расширять функциональные возможности устройства. Это устройство выбрано в качестве прототипа, так как оно имеет наибольшее количество общих существенных признаков с заявляемым устройством.
К недостаткам устройства можно отнести его низкую безопасность, обусловленную тем, что при извлечении образца из устройства его наиболее габаритные фрагменты под действием собственной массы могут спровоцировать дальнейшее (хрупкое) разрушение образца, что сделает небезопасным нахождение рабочего персонала в непосредственной близости от места испытаний. А в случае, когда образец изготовлен из ВВ, данная ситуация крайне недопустима, так как может привести к инициированию взрыва (что особенно существенно в случае с крупногабаритными образцами из ВВ).
Анализ известных способов и устройств для определения предела прочности полых образцов из взрывчатых веществ позволяет сделать вывод, что известный уровень техники не обеспечивает создания способа и устройства реализующего этот способ, позволяющих воспроизвести необходимые схемы нагружения образцов из ВВ с гарантированным уровнем безопасности.
Единой задачей, решаемой группой изобретений, является повышение безопасности испытания крупногабаритных полых образцов из взрывчатых веществ при сохранении функциональных возможностей испытательного оборудования.
Единый технический результат, на достижение которого направлено предполагаемая группа изобретений, заключается в повышении безопасности процесса определения предела прочности образца из взрывчатых веществ, достигаемого за счет исключения неконтролируемого перемещения фрагментов разрушенного образца и трения между фрагментами при всех последующих операциях по извлечению образца, хранению, транспортированию и утилизации.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - способ определения предела прочности полых образцов из взрывчатых веществ достигается тем, что в способе определения предела прочности полых образцов из взрывчатых веществ, заключающемся в том, что в корпус устанавливают образец, в полость образца вводят манжету, при помощи которой производят нагружение гидравлическим давлением образца до его разрушения, фиксируют величину давления в момент разрушения, после чего снимают нагрузку и убирают манжету, согласно изобретению, между корпусом и образцом устанавливают сменный вкладыш с опорной площадкой, образец частью его наружной поверхности помещают на опорной площадке с образованием полости между остальной частью наружной поверхности образца и внутренней поверхностью вкладыша, после разрушения образца образовавшиеся в нем трещины и указанную полость заполняют инертным к взрывчатым веществам самоотверждающимся материалом, после отверждения которого извлекают образец вместе со сменным вкладышем.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту - устройство для реализации способа определения предела прочности полых образцов из взрывчатых веществ достигается тем, что устройство для определения предела прочности полых образцов из взрывчатых веществ, содержащее корпус, предназначенный для установки внутри полого образца, манжету для нагружения образца, расположенную в полости образца и сообщенную с источником гидравлического давления, согласно изобретению, снабжено сменным вкладышем, размещенным между корпусом и образцом, при этом на поверхности сменного вкладыша, обращенной к образцу, выполнена опорная площадка, геометрия которой соответствует геометрии части наружной поверхности образца.
Возможность решения поставленной задачи обусловлена тем, что между корпусом и образцом введен сменный вкладыш, при этом на поверхности сменного вкладыша, обращенной к образцу, выполнена опорная площадка, геометрия которой соответствует геометрии части наружной поверхности образца, а также расположение образца частью его наружной поверхности на опорной площадке с образованием полости между остальной частью наружной поверхности образца и внутренней поверхностью вкладыша, и после, разрушения образца заполнение образовавшихся в нем трещин и указанной полости инертным к ВВ самоотверждающимся материалом, и после отверждения извлечение образца вместе со сменным вкладышем, все это дает возможность исключить из технологического процесса наиболее опасные операции по извлечению фрагментов разрушенного крупногабаритного образца из ВВ и гарантирует надежную фиксацию (исключение возможности к изменению их положения и трению между ними) этих фрагментов в сменном вкладыше при всех последующих операциях по хранению, транспортировки и утилизации.
Для уменьшения расхода количества самоотверждающегося материала перед его заполнением во внутреннюю полость образца вставляют дополнительный вкладыш с образованием зазора между ним и внутренней поверхностью образца для свободного затекания в зазор указанного материала.
Заявляемые способ и устройство для его реализации взаимосвязаны настолько, что образуют единый изобретательский замысел. Действительно, при создании способа определения предела прочности полых образцов из ВВ было создано новое устройство специально для осуществления указанного способа. Использование устройства позволяет получить требуемый технический результат - повысить безопасность при испытании крупногабаритных полых образцов из взрывчатых веществ при сохранении функциональных возможностей испытательного оборудования.
Следовательно, заявленные изобретения удовлетворяют требованию «единства».
При проведении анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной группы изобретений, не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленной группы изобретений. Определение из перечня выявленных аналогов - прототипов каждого изобретения, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков для каждого из заявленных объектов группы, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, каждый из объектов группы изобретений соответствует условию «новизна».
Для проверки соответствия заявленной группы изобретений условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от выбранных прототипов признаками для каждого объекта заявленной группы изобретений. Результаты поиска показали, что каждый объект заявленной группы изобретений не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлены технические решения, содержащие в совокупности признаки, сходные с отличительными признаками каждого объекта заявляемой группы.
Следовательно, каждый из объектов заявленной группы изобретений соответствует условию «изобретательский уровень».
Предполагаемое изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показана схема устройства для реализации способа определения предела прочности полых образцов из ВВ;
на фиг. 2 показана схема устройства после заполнения трещин образца и полостей, образованных между образцом и сменным вкладышем, инертным к ВВ самоотверждающимся материалом (со вставленным в полость образца дополнительным вкладышем).
Устройство для реализации данного способа определения предела прочности полых образцов 1 из ВВ (фиг. 1) содержит корпус 2, представляющий собой массивный стальной цилиндр, в верхней части которого имеется полусферическая выемка для установки внутри полого образца 1. Устройство также содержит сменный вкладыш 3 с опорной площадкой 4 для части наружной поверхности образца 1, манжету 5 для нагружения, расположенную в полости образца 1, закрепленную на крышке 6 и сообщенную с источником гидравлического давления (не показан) через штуцер 7. Вкладыш 3 размещен между корпусом 2 и образцом 1 и изготовлен таким образом, что при нагружении в образце 1 реализуется требуемый вид напряженно-деформированного состояния его материала. Опорная площадка 4 вкладыша 3 выполнена таким образом, что ее геометрия соответствует геометрии части наружной поверхности образца из ВВ 1, а высота опорной поверхности обеспечивает зазор между «неопертой» частью образца 1 и вкладышем 3. В нижней части корпуса 2, для снижения его массы, имеются полости 8, не влияющие на его прочностные свойства. В корпусе 2 выполнен паз 9, а сменный вкладыш 3 имеет выступ 10 для их взаимной центровки. С торца сменный вкладыш 3 имеет ограничитель 11 в виде буртика, который выполнен так, что нижняя и верхняя плоскости буртика параллельны между собой и перпендикулярны продольной оси вкладыша.
Сборка устройства осуществляется следующим образом.
Вкладыш 3 вставляют в корпус 2, совмещая выступ 10 с пазом 9, а нижнюю плоскость ограничителя 11 - с плоскостью верхней торцевой поверхности корпуса 2. На опорную площадку 4 вкладыша 3 устанавливают образец из ВВ 1 так, чтобы плоскость его торцевой поверхности совпала с верхней плоскостью ограничителя 11. На торцевую поверхность корпуса 2 в резьбовые отверстия 12 вкручивают шпильки 13 с гайками 14, на которые устанавливают крышку 6 с резиновой манжетой 5 для нагружения. Манжету 5 закрепляют на крышке 6 держателем 15, выполненным в виде кольца, и винтами (на рисунке не показаны). Форма манжеты 5 повторяет форму внутренней поверхности испытываемого образца из ВВ 1. С использованием гаек 14 (изменяя их положение на шпильках 13) крышку 6 устанавливают на корпус 2 таким образом, чтобы зазор между нижней плоскостью держателя 15 и торцевой поверхностью образца из ВВ 1 был минимальным, для исключения возможности выдавливания резиновой манжеты 5 в этот зазор при нагружении образца из ВВ 1. Крышку 6 окончательно закрепляют на корпусе 2 с использованием гаек 16, закрученных на шпильках 13.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
В корпус 2 устанавливают образец 1 из ВВ, между корпусом 2 и образцом 1 устанавливают сменный вкладыш 3 с опорной площадкой 4, образец 1 частью его наружной поверхности помещают на опорной площадке 4 с образованием полости между остальной частью наружной поверхности образца и внутренней поверхностью вкладыша 3. В полость образца 1 вводят манжету 5. Во внутреннюю полость манжеты 5 от источника гидравлического давления через штуцер 7 подают рабочую жидкость (например, минеральное масло), при этом воздух из внутренней полости манжеты 5 стравливают через спускной штуцер 17. После окончательного заполнения внутренней полости манжеты 5 рабочей жидкостью закрывают штуцер 17 и далее проводят дистанционное нагружение образца из ВВ 1. Давление во внутренней полости манжеты 5 повышают постепенно до разрушения образца из ВВ 1. За счет упругих свойств материала резиновая манжета 5 полностью прилегает к внутренней поверхности образца из ВВ 1, тем самым обеспечивая равномерное распределение давления по его внутренней поверхности. Разрушение образца из ВВ 1 происходит за счет увеличения растягивающих напряжений в его торцевой части до критических значений. Свободное перемещение торцевой части образца 1 под действием растягивающих напряжений при нагружении обеспечивает начальный зазор между «неопертой» частью образца 1 и сменным вкладышем 3. В момент разрушения с использованием датчика давления или манометра, установленных между штуцером 7 и источником гидравлического давления (не показано), фиксируют значение давления, по которому определяют предел прочности образца 1.
После разрушения образца 1 давление рабочей жидкости в полости устройства сбрасывают до нуля, со шпилек 13 откручивают гайки 14, демонтируют и убирают крышку 6 с манжетой 5, держателем 15 и штуцерами 7 и 17. Разрушенный образец из- ВВ 1 остается в сменном вкладыше 3. Как уже было сказано выше, разрушение образца может произойти на несколько несвязанных между собой фрагментов (хрупкое разрушение) или на несколько фрагментов, которые связаны между собой (нехрупкое разрушение). Последний вариант разрушения является менее безопасным, поскольку извлечение разрушенных таким образом крупногабаритных образцов из ВВ непременно приведет к изменению положения его фрагментов и трению между ними. Для исключения возможности возникновения такой ситуации разрушенный образец из ВВ 1 фиксируют самоотверждающимся материалом в сменном вкладыше 3 следующим образом (фиг. 2). Во внутренний объем сменного вкладыша 3, с находящимся в нем разрушенным образцом из ВВ 1, в образовавшиеся трещины образца и в зазоры между ним и сменным вкладышем 3 заливают инертный по отношению к ВВ самоотверждающийся материал 18 и, дав ему затвердеть, извлекают образец 1 вместе со сменным вкладышем 3.
Для уменьшения расхода количества самоотверждающегося материала перед операцией заполнения им трещин и указанной полости во внутреннюю полость образца из ВВ 1 может устанавливаться дополнительный вкладыш 19 с упором 20 из недорогого материала, по объему максимально приближенного к объему полости образца 1, с образованием зазора между ним и внутренней поверхностью образца 1 для свободного затекания в зазор указанного материала. Заполнение самоотверждающимся материалом внутреннего объема сменного вкладыша 3 с находящимся в нем разрушенным образцом из ВВ 1 и установленным дополнительным вкладышем 19 выполняют постепенно до максимального уровня, соответствующего уровню верхней плоскости ограничителя 11 сменного вкладыша 3. Самоотверждающийся материал подбирают таким образом, чтобы минимальное время его полного отверждения было больше времени, необходимого для выполнения всех операций по фиксации разрушенного образца из ВВ 1 в сменном вкладыше 3. Далее на поверхности образца из ВВ 1, ограничителя 11 и вкладыша 19 укладывают полиэтиленовую прокладку 21, диаметр которой совпадает с наружным диаметром ограничителя 11 сменного вкладыша 3. С использованием шпилек 13 на корпус 2 устанавливают защитную металлическую крышку 22 с кольцевой резиновой прокладкой 23, предназначенной для исключения жесткого контакта между торцевой частью разрушенного образца из ВВ 1 и крышкой 22. При помощи гаек 16 защитную крышку 22 фиксируют на корпусе 2. Далее всю эту сборку выдерживают в течении времени, необходимого для отверждения материала 18, и соответственно, фиксации частей разрушенного образца из ВВ 1 в сменном вкладыше 3. Гайки 24 откручивают со шпилек, демонтируют крышку 22 с прокладками 21 и вкладыш 3 с использованием грузоподъемных машин (на рисунках не показаны) извлекают из корпуса приспособления 2, устанавливают в тару, в которой и отправляют на уничтожение.
На предприятии было проведено экспериментальное опробование способа определения прочности и устройства его реализации на полых крупногабаритных образцах из ВВ в случаях, когда их разрушение происходит хрупко и в случаях, когда их разрушение происходит не хрупко. В устройстве применялся сменный вкладыш 3 из алюминия и дополнительного вкладыша 19 из пенопласта, а в качестве самоотверждающегося материала 18 использовалась композиция на основе компаунда «Виксинт ПК-68». Полученные результаты показали, что применяемое устройство и способ фиксации фрагментов разрушенного образца из ВВ 1 в сменном вкладыше 3 позволяют исключить из технологического процесса наиболее опасные операции по извлечению фрагментов ВВ из сменного вкладыша и гарантируют надежную фиксацию (исключение возможности к изменению их положения и трению между ними) этих фрагментов в сменном вкладыше при всех последующих операциях по извлечению из корпуса приспособления, хранению, транспортировки и утилизации. Применение вкладыша 19 из недорогого пенопласта позволяет значительно сократить количество используемого самоотверждающего материала.
Итак, представленные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой группы изобретений следующей совокупности условий:
- использование в области испытательной технике, а именно относится к устройствам для определения предела прочности хрупких и малопрочных материалов;
- повышение безопасности испытания крупногабаритных полых образцов из взрывчатых веществ при сохранении функциональных возможностей испытательного оборудования;
- для заявляемой группы изобретений в том виде, в котором они охарактеризованы в формуле изобретения, подтверждена возможность осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета средств и методов.
Следовательно, заявляемая группа изобретений соответствует условию «промышленная применимость».