УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ НА ПРОЧНОСТЬ КАНАЛЬНЫХ ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ ЗАРЯДОВ

Полезная модель относится к средствам обучения и может быть использована в учебном процессе для экспериментального определения разности главных напряжений и коэффициента концентрации напряжений поляризационно-оптическим методом.
Известна установка для демонстрации режимов работы ракетного двигателя твердого топлива, содержащая камеру сгорания, размещенную на стапеле, заряд, находящийся внутри камеры сгорания, воспламенитель, соединенный с передним торцом заряда, систему замера значений давления, подходящую к нижней части камеры сгорания, сопло, с возможностью шарнирного вращения вокруг оси, укрепленной в нижней части камеры сгорания, перпендикулярно оси симметрии камеры сгорания, и снабжена крюком, жестко укрепленным на поверхности сопла, диаметрально-перпендикулярно оси вращения сопла, входящим в защемление с рычагом, шарнирно закрепленным на скобе, соединенной с корпусом камеры сгорания, маятником, жестко закрепленным на кронштейне, установленным на стапеле с возможностью удара по рычагу в нижней части траектории маятника, пультом управления, закрепленным с возможностью обеспечения контакта электромагнитных стопоров, пружинного стопора, подвижных контактов с маятником и ванной, с воспламенителем, с электропневмоклапаном в системе выброса заряда, размещенной на стапеле, состоящей из воздушного баллона, соединенного трубопроводом через редуктор с ресивером, который, в свою очередь, соединен трубопроводом с электропневмоклапаном, соединенным с обратным клапаном, который соединен трубопроводом с форсункой, размещенной герметично на переднем торце двигателя (патент РФ на полезную модель № 59825, 2006 г).
Известно устройство для испытания на прочность канальных твердотопливных зарядов, включающее заряд, канал которого заполнен жидкостью, герметизирующую канал крышку с отверстиями, узел нагружения, включающий механизм ударного действия и поршень, при этом поршень установлен в отверстие крышки и размещен в жидкости, а механизм ударного действия установлен на одной оси с поршнем (патент РФ № 2211359, 2002 г.).
Наиболее близким по технической сущности решением является устройство для испытания на прочность канальных твердотопливных зарядов, содержащее корпус, герметизирующую крышку, испытуемый заряд, размещенный в корпусе, узел нагружения, в него введены пять тензорезисторов, причем три из них установлены с внутренней стороны заряда, два из которых расположены параллельно продольной оси заряда, а третий - перпендикулярно к ней, остальные два - с наружной стороны корпуса, один - параллельно продольной оси корпуса, а - другой перпендикулярно к ней, и все пять тензорезисторов подключены к регистрирующему устройству, испытуемый заряд прочно скреплен с корпусом, а в системе нагружения рабочим телом является воздух (RU № 96614, МПК F02K 9/96, опубл. 10.08.2010 г.).
Недостатком прототипа является невозможность визуально с помощью оптических средств измерения демонстрировать и вычислять экспериментальное значение коэффициента концентрации напряжений.
Задачей полезной модели является расширение наглядных возможностей при изучении процессов, протекающих внутри твердотопливных зарядов по исследованию напряжений на прозрачных геометрически подобных моделях методом фотоупругости.
Техническим результатом является возможность экспериментального исследования распределения разности главных напряжений в модели, определить ее в месте наибольшей концентрации напряжений и вычислить экспериментальное значение коэффициента концентрации напряжений.
Сущность полезной модели заключается в том, что в устройстве для испытания на прочность канальных твердотопливных зарядов, содержащем корпус, герметизирующую крышку, испытуемый заряд, размещенный в корпусе, узел нагружения, в системе нагружения рабочим телом является воздух, узел нагружения выполнен в виде полости, образованной корпусом, герметизирующей крышкой, стаканом и резиновой мембраной, облегающей боковой торец испытуемого заряда, расположенного на оптической оси между полярископом-поляриметром и анализатором и светофильтром, кроме того, полость соединена воздушной магистралью через вентиль, редуктор и манометр с баллоном.
Новизна заключаются в том, что узел нагружения выполнен в виде полости, образованной корпусом, герметизирующей крышкой, стаканом и резиновой мембраной, облегающей боковой торец испытуемого заряда, расположенного на оптической оси между полярископом-поляриметром и анализатором и светофильтром, кроме того, полость соединена воздушной магистралью через вентиль, редуктор и манометр с баллоном.
Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками в заявленном устройстве.
На фиг. 1 изображен общий вид устройства, на фиг. 2 - узел нагружения, на фиг. 3 - форма моделей, на фиг. 4 - система полос интерференции.
Испытуемый заряд 1, выполненный из оптически прозрачного материала, располагается между герметизирующей крышкой 2, жестко скрепленной с корпусом 3, и стаканом 4. Боковой торец испытуемого заряда 1 облегает резиновая мембрана 5, которая совместно с герметизирующей крышкой 2, корпусом 3 и стаканом 4 образуют полость, соединенную воздушной магистралью через вентиль 6, редуктор 7 и манометр 8 с баллоном 9 со сжатым воздухом, кроме того, магистраль снабжена предохранительным клапаном 10 и дренажным вентилем 11. Испытуемый заряд 1 расположен на оптической оси между полярископом-поляриметром, все детали которого размещены внутри корпуса 12, и анализатором 13 и светофильтром 14. В полярископе-поляриметре свет от прожекторной лампы 15 проходит через конденсорную систему 16, поляризатор 17, матовое стекло 18, испытуемый заряд 1, зеркало 19 изменяет направление движения света.
Устройство работает следующим образом.
Полярископ-поляриметр ПКС-250 предназначен для проведения исследований прозрачных оптически активных материалов, приобретающих под нагрузкой свойство двойного лучепреломления.
Регистрация полос производится визуально.
Модели, используемые для просвечивания, изготовлены из оптически активного материала ЭД-6М, представляющего собой отвержденную малеиновым ангидридом эпоксидную смолу ЭД-6. Форма моделей представлена на фиг. 3.
Если напряженное состояние модели однородное, то по мере монотонного изменения нагрузки наблюдается циклическое изменение интенсивности света. Количество таких циклов, отсчитанных при изменении нагрузки от нуля до конечной величины, определяет общую разность хода, выраженную числом длин волн. В случае неоднородного напряженного состояния на изображении модели одновременно наблюдается несколько темных мест - полос, отвечающих сдвигу фаз, равному целому числу длин волн. Возникают они постепенно по мере изменения нагрузки и могут быть пронумерованы в порядке появления.
Совокупность точек с равными величинами разности главных напряжений образует на изображении модели, рассматриваемом после анализатора, систему полос интерференции. Эти полосы называются изохромами. В случае монохроматического света изохромы представляют собой темные полосы с одинаковой интенсивностью света, а при использовании белого света - полосы одинакового цвета фиг. 4.
При изменении нагрузки новые полосы возникают в точках, имеющих наивысший порядок полос, а все остальные полосы перемещаются в направлении областей с более низким порядком полос.
На первом этапе экспериментально определяют значение оптической постоянной материала модели.
Значение оптической постоянной материала модели  определяется путем проведения тарировочных испытаний на моделях, для которых известны теоретические значения главных напряжений
где n - порядок полосы, находящейся в центре диска, при действии силы F.
Тарировочный диск из оптически активного материала ЭД-6М круглой формы устанавливают в тарировочное приспособление и вводят их в световое поле полярископа-поляриметра ПКС-250. Тарировочное приспособление позволяет производить диаметральное сжатие тарировочного диска. Открывают баллоном 9 со сжатым воздухом, плавно нагружая редуктор 7 вращением его маховика по часовой стрелке, добиваются появления в центре диска полос 1, 2, 3, и 4-го порядка. Давление контролируют по манометру 8 и записывают результат.
Плавно разгружая редуктор 7 вращением его маховика против часовой стрелки, стравливают давление из полости над поршнем тарировочного приспособления. Фиксируют и записывают показания манометра 8 при прохождении через центр диска полос 4, 3, 2 и 1-го порядков. Выключают ПКС-250, закрывают вентиль 6, полностью разгружают редуктор 7, открывают дренажный вентиль 11, выводят тарировочное приспособление из светового поля ПКС-250. Используя выражение, подсчитывают значение оптической постоянной . Оптически активный материал ЭД-6М при комнатной температуре является линейно упругим и для него справедлива линейная зависимость между порядком полос n и разностью главных напряжений, а следовательно, в соответствии с выражениями и между n и давлением над поршнем.
На втором этапе проводят экспериментальное исследование распределения разности главных напряжений в модели, определение ее в месте наибольшей концентрации напряжений в модели и вычисление экспериментального значения коэффициента концентрации напряжений.
Испытуемый заряд 1 располагают между герметизирующей крышкой 2, жестко скрепленной с корпусом 3, и стаканом 4 в нагрузочное приспособление. Нагрузочное приспособление вводят в световое поле полярископа-поляриметра ПКС-250. Открывают вентиль 6, закрывают дренажный вентиль 11, и, плавно нагружая редуктор 7, создают давление 0,6-0,7 МПа. Рассматривают картину полос на модели, выявляют места наибольшей концентрации напряжений (наибольшего сгущения полос). Разгружают редуктор 7, открывают дренажный вентиль 11.
Закрывают дренажный вентиль 11. Плавно нагружая редуктор 7, добиваются появления в месте наибольшей концентрации напряжений полос 1, 2, 3, и 4-го порядка. Записывают показания манометра 8. Догружают редуктор 7, чтобы порядок полосы в исследуемом месте был несколько больше 4. Плавно разгружая редуктор 7, стравливают давление из полости над манжетой нагрузочного приспособления. Фиксируют и записывают показания манометра 8 при прохождении через исследуемое место полос 4, 3, 2, и 1-го порядков. Выключают ПКС-250, закрывают вентиль 6, открывают дренажный вентиль 11, выводят нагрузочное приспособление из светового поля ПКС-250.
1
2
По зависимости  подсчитывают значение разности главных напряжений σ-σ, приходящееся на одну полосу в месте наибольшей концентрации. По формуле Ляме из сопротивления материалов подсчитывают разность главных напряжений , в том же месте модели без концентратора и по формуле  определяют экспериментальное значение коэффициента концентрации напряжений.
Предлагаемое устройство существенно расширяет наглядные возможности при изучении процессов, протекающих внутри твердотопливных зарядов, обеспечивает наглядность и возможность наблюдать и экспериментально исследовать распределение разности главных напряжений в модели, определить ее в месте наибольшей концентрации напряжений и вычислить экспериментальное значение коэффициента концентрации напряжений на прозрачных геометрически подобных моделях методом фотоупругости.