Деформация и воспламенение смесей металл-окислитель при нагружении в замкнутом объеме

31. Амосов А. П. Разогрев и воспламенение твердых реакционноспособных систем при высокоскоростном трении, сопровождающемся образованием пластической и жидкой прослоек//Хим. физика. 1982. № 10. С. 1401 —1411.

32. Либрович В. Б. О воспламенении порохов и взрывчатых веществ//ПМТФ. 1963. №6. С. 74—79.

33. Рыкалин Н. Н. Расчеты тепловых процессов при сварке. М.: Машгиз, 1951. 296 с.

34. Крагельский И. В. Трение и износ. М.: Машиностроение, 1968. 480 с.

35. Кудинов В. А., Толстый Д. М. Трения и колебания//Трение, изнашивание и смазка:

Справочник в 2 кн. М., 1979. Кн. 2. С. 11—22.

36. Амосов А. П. Релаксационные колебания при внешнем трении//ДАН СССР. 1973. Т. 212. №3. С. 565—572.

37. Амосов А. П. Об условиях возникновения релаксационных колебаний при внешнем трении//Машиноведение. 1975. №5. С. 82—89.

38. Амосов А. П. Тепловая теория автоколебаний при трении со смазкой//ДАН СССР. 1979. Т. 247. №2. С. 311—314.

39. Столин А. М., Худяев С. И. Неизотермическая неустойчивость течения вязкоупругих сред//ДАН СССР. 1972. Т. 207. № 1. С. 60—63. .

40. Амосов А. П., Ьостанджиян С. Л., Зиненко Ж. А. Разогрев и восламенение твердых ВВ при сдвиговом разрушении//ДАН СССР. 1973. Т. 209. №6. С. 1361 —1364.

41. Амосов А. П., Бостанджиян С. А. Релаксационный механизм локального разогрева твердых ВВ при механических воздействиях//ФГВ. 1976. №4. С. 559—568.

42. Холево Н. А. Чувствительность взрывчатых веществ к удару. М.: Машиностроение, 1974. 136 с.

43. Амосов А. П., Муратов С. М. Воздействие на тонкий пластический слой ударом// ДАН СССР. 1977. Т. 234. №5. С. 1051 — 1054.

44. Амосов А. П., Мишина В. А. К теории воздействия на тонкий пластический слой ударом//ФГВ. 1980. №2. С. 145—147.

45. Соколовский В. В. Теория пластичности. М.: Высш. школа, 1969. 608 с.

46. Муратов С. МАмосов А. П. и др. Инициирование жидких ВВ методом выдавливания в фильеру//Химическая физика процессов горения и взрыва. Детонация: Материалы VI Всесоюз. симпоз. по горению и взрыву (23—26 сентября 1980 г., Алма-Ата)-Черноголовка, 1980. С. 43—46.

47. А. P. Amosov, В. S. Seplyarsky etc. SHS Mixture Ignition at Adiabatic Gas Comp-ression//1993. РАС RIM. Meeting Program and Abstracts. November 7—10, 1993. Honolulu, Hawaii: ASC, 1993. P. 137.

48. Сеплярский Б.С. Воспламенение конденсированных систем пр’л фильтрации газа// ФГВ. 1991. № 1. С. 3—12.

49. Буркина Р. С., Вилюнов В. Н. О возбуждении химической реакции в «горячей точке»//ФГВ. 1980. №4. С. 75—79.

50. Тютяев А. В., Амосов А. П., Болховитинов J1. Г. Воспламенение парогазового пузырька в жидкости//ФГВ. 1983. №4. С. 58—62.

51. Тютяев А. В., Амосов А. П. Развитие сферического очага горения в жидкости/у'ФГВ.

1985. №4. С. 48—51. ‘

52. Марголин А. Д. Развитие очага горения в жидком ВВ//ФГВ. 1979. №3. С. 72—77.

53. Амосов А. П. Внедрение клиновидного пуансона в пластическую массу//Математи-ческая физика: Сб. тр. Куйбышев: КПтИ, 1979. С. 124—128.

54. Амосов А. П., Муратов С. М. Разогрев пластической массы при внедрении клиновидного пуансона//Математическая физика: Сб. тр. Куйбышев: КПтИ, 1979. С. 128—131.

УДК 614.838.4

С. П. БАЖАНОВ, А. П. АМОСОВ, В. А. МИШИНА

ДЕФОРМАЦИЯ И ВОСПЛАМЕНЕНИЕ СМЕСЕЙ МЕТАЛЛ-ОКИСЛИТЕЛЬ ПРИ НАГРУЖЕНИИ В ЗАМКНУТОМ ОБЪЕМЕ

Дается экспериментально-теоретическое обоснование модели разогрева применительно к прессованию смесей металл—окислитель при трении, учитывающей сдвигообразевание в смеси и возможность выдавливания в зазор. Проводятся оценки разогревав смесей с учетом наиболее опасных деформационных процессов при высоко- и низкоскоростном нагружении. Путем сопоставления разогревов и температур воспламенения смесей с учетом коэффициента безопасности даются рекомендации по безопасным скоростям нагружения образцов.

В связи с развитием технологии самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и металлотермии возникают проблемы безопасности промежуточной технологической операции изготовления образцов из смесей металл—окислитель методом прессования. В настоящей работе приведены результаты экспериментального и теоретического исследования процессов деформации и воспламенения смесей в условиях, моделирующих прессование.

Использовались цилиндрические матрицы высотой 60 мм, наружным диаметром 40 ¡мм и диаметром канала 10 мм. Нижний пуансон высотой 10 мм имел зазор С с матрицей 0,05 мм. Зазор между верхним пуансоном высотой 60 мм и матрицей мог быть в пределах 0,05—0,35 мм.

Торцы пуансонов либо имели острую кромку, либо фаску радиусом 1 мм. Испытания проводились в стальных матрицах и в матрицах, снабженных картонными трубками толщиной 0,7 и 1,25 мм для уменьшения теплоотвода в матрицу.

Исследовались смеси на основе циркония, магния или титана. Окислителем были или нитрат бария, или пероксид бария. Основные характеристики смесей будут приведены ниже. Смеси испытывались в насыпном или подпрессованном состоянии в виде шашки. Зазор (между шашкой и матрицей составлял 0,5 мм. Масса смеси была 50—2000 мг.

В эксперименте использовался режим ударного нагружения смесей на копре К-44-П грузом массой 10 кг, время воздействия порядка 1 мс. В теоретических расчетах рассматривался также и режим медленного нагружения длительностью до 1 с. Для характеристики удара использовалась его энергия в джоулях. Уплотнение смесей осуществлялось однократными и многократными ударами, энергия которых увеличивалась с шагом 5—10 Дж. Степень опасности смесей оценивали по нижнему пределу частости воспламенения при ударе на копре [1, 2]. Учитывался опыт работ со смесями металл—окислитель [3—7]. Для изучения процесса нагружения применялся метод тензометрирования [3]. Процесс регистрировался цифровым запоминающим двухлучевым осциллографом С8-7. Фиксация момента воспламенения осуществлялась с помощью фотодиодов ФД-10.

Копровые испытания показали, что наиболее опасными являются условия нагружения смесей в насыпном состоянии, при которых происходит выдавливание смесей в зазор между пуансоном и матрицей. При минимальном зазоре 0,05 мм воспламенение смесей наблюдалось лишь при ударе грузом со скоростью 4 м/с, т. е. с энергией удара около 100 Дж. Наличие зазора 0,35 мм и фаски на пуансоне уменьшает энергию инициирования воспламенения в несколько раз. Увеличение высоты образца с 1—2 до 15—20 мм (мало сказывается на частости воспламенения. При многократном нагружении энергия инициирования в стальных матрицах увеличивается до 65 Дж, т. е. наклеп смесей при последовательных ударах затрудняет воспламенение.

Смеси на основе магния в виде шашки при однократном нагружении в матрицах с картонной трубкой оказываются менее чувствительными (85—90 Дж). При наличии картонных трубок различной толщины энергия инициирования практически не зависит от режима нагружения ударом (однократный или многократный).

пара-

Типичные осциллограммы и метры процесса деформации смесей металл-окислитель при нагружении в замкнутом объеме

Типичные осциллограммы процесса нагружения, иллюстрирующие различный характер деформации смесей в условиях испытания, приведены на рисунке.

Первый тип осциллограмм Р(/)-зависимости давления от времени характеризует процесс уплотнения образца без выдавливания смеси в зазор, когда облой после испытания практически не наблюдается. На первой стадии, в основном, происходит упругопластическое уплотнение смеси до предельной плотности при значениях параметров Р1 и и. На второй стадии преобладает упругое сжатие смеси в системах ударника, происходит накопление энергии в системе нагружения, и вторая часть осциллограммы напоминает холостой удар [2].

Второй тип осциллограммы характеризует процесс пластического выдавливания предварительно уплотненной смеси в зазор под действием незначительно меняющегося давления. После испытания наблюдается облой смеси в зазоре на глубине до 2 мм и более. Выдавливание в зазор можно характеризовать параметрами Р2 и /2. Фотодиод фиксирует воспламенение в конце процесса выдавливания (показано стрелкой на осцилло-граммме).

Третий тип — соответствует хрупкому 'разрушению уплотненной смеси и последующему выдавливанию ее в зазор при параметрах Р3 и /3. Воспламенение происходит при разрушении или спустя 100— 200 мкс после разрушения.

Четвертый тип — наблюдается при многократном нагружении и аналогичен холостому удару. Параметры, закладываемые в расчетную модель, Р4 и /4. Воспламенение происходит в процессе упругой разгрузки на спадающей части кривой.

Известно, что для твердых реакционноспособных систем основной причиной воспламенения при ударе является образование очагов разогрева за счет внешнего трения [2, 4—6]. На основании этого факта и приведенных экспериментальных результатов можно предложить объяснение воспламенения рассмотренных смесей следующими источниками разогрева.

Для первого типа осциллограмм это трение боковой цилиндрической поверхности слоя смеси о матрицу при оседании слоя вместе с нижним пуансоном при упругом сжатии. Обозначим этот разогрев Д7\.

Для второго типа осциллограмм — это трение смеси о матрицу в кольцевом зазоре при выдавливании облоя., Разогрев Д7\. Скорость трения здесь значительно выше скорости движения пуансона:

1/

Утр О2/^2— 1 '

Для третьего типа осциллограмм — это трение на поверхностях разрушения внутри слоя [8]. Разогрев ДГ3. Скорость трения относительного скольжения разрушенных частей [7]

£•, Р = V / У 2.

Разогрев смесей при трении во всех рассмотренных случаях можно приближенно оценить по следующей простой формуле для постоянного теплового потока [9]:

АТ і = —4-Ул

t

У аСр

где /= 1, 2, 3; I — время трения; X — коэффициент температуропроводности; С — удельная теплоемкость; р — плотность смесей. Значения тепловых потоков:

<?i = ат.п-f-l-P V;

<J2 = ат.п-f - %-P-V/(D2/d2—1); (73 = 0,5 Xs-V/f2,

где — произведение коэффициентов трения и бокового давления (принимается 0,1); Р — давление; V — скорость пуансона; О — диаметр канала матрицы; й — диаметр пуансона; ат.п — коэффициент распределения тепловых потоков (равен 0,73 для пары смесь— картон); — предел прочности на сдвиг смеси. Значения указанных

характеристик для использованных смесей приведены в табл. 1.

Зьачения характеристик смесей

Таблица 1

Смесь на основе я, Вт/м-К с, Дж/кг-К S, кг/м3 I Т S, | МПа &ТП t в паре | трения со ; сталью  Гв, К

Магния 0,9 1100 3070 150 0,12 623

Титана 1,15 730 3220 100 0,11 673

Циркония 1,15 440 1850 185 0,10 473

В табл. 1 также приведены значения температуры воспламенения смесей Гв, определенной в стандартных условиях при 10-минутной задержке. Эта температура необходима для сопоставления с величинами разогрева смесей в рассматриваемых условиях.

Формула (1) использовалась для оценки разогрева смесей в условиях испытаний. Параметры механического воздействия брались из экспериментальных зависимостей P(t). Для облегчения многократных расчетов использовалась микроЭВМ с распечаткой результатов расчетов. Некоторые результаты приведены в табл., 2. Сравнение расчетных значений со стандартными температурами воспламенения Тв исследованных смесей, несмотря на некоторую условность такого сравнения (импульсный и длительный нагрев), показывает на удовлетворительное соответствие результатов и может служить подтверждением предложенных модельных представлений.

Разработанная программа счета разогревов использовалась для прогнозирования безопасных режимов медленного нагружения. Результаты расчета показывают, что значительные разогревы возникают за счет длительности процесса прения при нагружении. Наименьшие разогревы (АТг= 1—100 К) получаются на стальной матрице на первой стадии нагружения. Замена стальной матрицы на картонную трубку дает на порядок больший разогрев АТ]. Значительно большие

разогревы, соизмеримые с Гв, получаются при образовании поверхности трения в смеси, что находится в соответствии с экспериментальными результатами об эффективности процесса трения внутри смеси, получаемыми в условиях копровых испытаний [9]. Существенные разогревы получаются и при выдавливании смеси в зазор. Задаваясь двухкратным коэффициентом безопасности [10], по температуре можно выделить безопасные режимы переработки, которые составляют для смеси на основе магния (нагружение в картонную трубку) — 0,17 мм/с, смеси с цирконием — 5 мм/с, смеси с титаном — 30 мм/с.

Таблица 2

Значения разогревов смесей при динамическом нагружении

Параметры механического воздействия Значения разогре- вов, А7Ж

Смесь на основе і І І Рг, 1 1 МПа І У, мм/с ; и, с С, мм Результат

Магния 1 924 3720 540 0,05 1017 Воспламенение

(картонная трубка) 2 424 3420 2,5-10-4 0,35 2200 Воспламенение

1 400 3420 2,4-10~3 0,05 220 Отказ

Титана 1 254 4450 і,ью-3 0,05 282 Отказ

1 289 4450 1,2-10-3 0,05 335 Отказ

2 500 4450 1,Ь10-4 0,35 672 Воспламенение

Циркония 2 432 4220 1,5-10-4 0,35 1330 Воспламенение

3 592 4220 4,35-10-4 0,35 1256 Воспламенение

2 280 4450 3,5-10-4 0,35 160 Отказ

1 504 4220 3,4-10“3 0,05 104 Отказ

Примечания. 1. Воспламенение смесей на основе титана и циркония происходило в зазоре, не распространяясь на весь образец из-за толщины слоя меньше критической, а смесь на основе магния сгорала после отскока груза.

2. При определении разогрева Т2 время затекания в зазор принималось равным времени образования облоя высотой 2 мм при скоростях затекания в зазор Уг = У/(/)2/^2—1).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Андреев К. К-, Беляев А.Ф. Теория взрывчатых веществ. М.: Оборонгиз, 1960. 513 с.

2. ГОСТ 4545-88. Вещества взрывчатые. Методы определения чувствительности к удару. М.: Госстандарт, 1988.

3. Бажанов С. П., Лапшина И. А., Гидаспова Е. X., Капцилович В. К. и др. Инициирование горения экзотермических смесей вспышкой от удара//ФГВ. 1992. 28. №3. С. 26—29,

4. Бажанов С. П., Лапшина И. А., Амосов А. П. Чувствительность и пожароопасность смесей для СВС при воздействии ударом//ФГВ. 1992. 28. №5. С. 54—58.

5. Бажанов С. П., Гидаспова Е. X., Муратов С. М. и др. Чувствительность к удару смесей металл-окис/1итель//ФГВ. 1988. 24. №5. С. 106—110.

6. Муратов С. М., Бажанов С. П., Гидаспова Е. X. и др. Деформация и возбуждение

взрыва смесей металл-окислитель при воздействии ударом и трением//ФГВ. 1985. 21. №4. С. 123—126. в

7. Муратов С. М., Постное С. И., Бажанов С. П. и др.//Первый Всесоюзный симпозиум по макрокинетике и химической газодинамике; Тез. докл. Черноголовка, 1984. Т. 2. С. 128—129.

8. Афанасьев Г. Т., Боболев В. /(. и др. Разрушение и инициирование тонкого слоя

при ударе//ФГВ. 1975. 11. № 3. С. 467—475. и

9. Амосов А. П. Теория разогрева взрывчатых веществ при трении: Учеб. пособ. Куйбышев, 1984. 79 с.

10. ГОСТ 12.1.010-76. Взрывобезопасность. Общие требования.