ВЗРЫВОЗАЩИТНАЯ КАМЕРА
EXPLOSION-PROOF CABIN

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), промышленные взрывные или взрывоопасные технологии; хранение, транспортировка, разборка и уничтожение боеприпасов и террористических устройств, содержащих ВВ, радиоактивные и вредные материалы.
Известен «Контейнер для локализации взрыва», патент РФ №2257537С1, 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 (и даже упругих) деформациях в зонах угловых стыков фланцев с цилиндрическими оболочками корпуса (крышек) и угловых зонах П-образного сечения бугеля, где реализуется сложное напряженное состояние.
Наиболее близким к изобретению техническим решением (прототипом) является «Контейнер для локализации взрыва», патент РФ №2244253С1 МПК F42D 5/045, F42B 39/14, опубл. 10.01.2005, бюл. №1. Контейнер для локализации взрыва содержит металлический цилиндрический корпус с плоскими днищами, в одном из которых выполнен герметичный вход во внутреннюю полость, амортизаторы, выполненные в виде внутренней цилиндрической оболочки, установленной коаксиально с зазором относительно корпуса и прикрепленной к днищам, и пластин, расположенных параллельно днищам и закрепленных на внутренней оболочке, в контакте с которой закреплена дополнительная оболочка, перекрывающая центральную зону полости.
Элементы амортизирующего контура предохраняют цилиндрический корпус и днища контейнера от разрушения за счет снижения уровня взрывной нагрузки при их пластическом деформировании. Цилиндрический корпус контейнера имеет утолщенные торцы, которые служат опорой для внутренней цилиндрической оболочки и днищ, препятствуют раскрытию и разрушению оболочки в этой зоне при возможном прогибе днищ. Пластины выполнены кольцевыми, соединены с равномерно расположенными по окружности ребрами, которые крепятся к внутренней оболочке и днищам, и служат опорой для плит, закрывающих отверстия в пластинах.
Недостатками устройства являются технологическая сложность изготовления и повышенная материалоемкость, которые связаны с выполнением днищ большей толщины, чем остальные элементы контейнера, утолщением торцов цилиндрического корпуса для повышения их жесткости. Однако увеличение толщины указанных элементов повышает вероятность их разрушения от динамических нагрузок при возникновении незначительных пластических (и даже в области упругих) деформаций. Кроме того, так как в одном из плоских днищ выполнен герметичный вход во внутреннюю полость, его жесткость и масса отличаются от жесткости и массы второго днища, что приводит к несимметричной реакции и различным перегрузкам, возникающим на днищах. Это снижает несущую способность и прочностную надежность контейнера. При различных прогибах и перегрузках днищ может произойти разрушение корпуса в зоне его углового стыка с одним днищем, где реализуется сложное напряженное состояние и максимальные перегрузки.
Совокупность приведенных недостатков свидетельствует о снижении прочности и надежности контейнера.
Решаемой технической задачей является разработка взрывной камеры, способной 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, удобство эксплуатации и транспортабельность. При использовании камеры в качестве взрывозащитного устройства для исследования взрывных физических процессов ее конструкция при заданной 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 повышение несущей способности и надежности при одинаковых (с прототипом) габаритно-массовых характеристиках камеры, расширение функциональных возможностей камеры и областей техники для ее применения.
Указанные технические результаты достигаются взрывозащитной камерой, содержащей цилиндрический корпус с плоскими днищами, амортизаторы днищ, внутреннюю цилиндрическую оболочку, установленную коаксиально с зазором относительно корпуса и усиленную в центральной части, и загрузочную горловину с внутренней и герметичной наружной крышками.
Новым является то, что загрузочная горловина размещена в корпусе и внутренней цилиндрической оболочке со смещением относительно геометрического центра камеры и закреплена в корпусе, причем корпус и внутренняя цилиндрическая оболочка в зонах размещения горловины усилены соответственно наружной и внутренней накладками, а каждый амортизатор выполнен в виде массивной плиты, установленной с возможностью плоскопараллельного перемещения относительно днища и опирающейся на равномерно расположенные отрезки труб, закрепленные на пластине, соединенной с корпусом и установленной с зазором относительно днища.
Для повышения прочности усиление внутренней цилиндрической оболочки в центральной части обеспечивается посредством рулона из стального листа.
Для проведения исследований в камере гидродинамических процессов с применением невозмущающих методов измерений вдоль оси камеры в днищах, пластинах и плитах амортизаторов выполнены отверстия, в которые установлены цилиндрические вводы, закрепленные в днищах и закрываемые изнутри герметизирующими прочными крышками.
Для установки проходных элементов эксплуатационного назначения в корпусе и внутренней цилиндрической оболочке взрывозащитной камеры выполнено, по крайней мере, по одному отверстию, при этом отверстия соосны между собой и смещены относительно центральной части.
Размещение загрузочной горловины в корпусе и внутренней цилиндрической оболочке со смещением относительно геометрического центра камеры позволяет снизить на нее нагрузки, т.к. горловина оказывается размещенной в зоне корпуса, где возникают незначительные упругие деформации. При этом для повышения жесткости ослабленных отверстиями корпуса и внутренней цилиндрической оболочки в зонах размещения горловины указанные составные части усилены соответственно наружной и внутренней накладками. Кроме того, такое размещение горловины позволяет выполнить одинаковыми по конструкции оба днища и реализовать на торцах камеры симметричную реакцию при взрыве в ее геометрическом центре заряда ВВ, что обеспечивает равнопрочность днищ, а следовательно, повышает несущую способность камеры при заданных ее габаритно-массовых характеристиках.
Выполнение каждого амортизатора в виде массивной плиты, опирающейся на равномерно расположенные отрезки труб, закрепленные на пластине, соединенной с корпусом и установленной с зазором относительно днища, позволяет перераспределить импульс давления ударной волны и продуктов взрыва вдоль оси камеры и тем самым уменьшить нагрузки на днища и вызываемые ими прогибы. Плоскопараллельное перемещение массивной плиты под действием нагружающего импульса давления продуктов взрыва, передающей давление на равномерно расположенные отрезки труб и через них - на пластину, на которой они закреплены, приводит к продольному смятию труб и прогибу пластины, при этом за счет пластического деформирования труб и пластины поглощается часть выделенной при взрыве энергии. Установка пластины, соединенной с корпусом, с зазором относительно днища не дает возможности пластине при прогибе ударно воздействовать на центральную часть плоского днища.
Взрывоопасный объект располагается в центральном сечении камеры, поэтому при его взрыве это сечение подвергается максимальным импульсным нагрузкам. Рулон из стального листа, расположенный в центральной зоне внутреннего контура, перераспределяет импульс давления ударной волны и продуктов взрыва, улавливает все осколки, тем самым уменьшая нагрузки, а следовательно, и деформации от их действия на внутренней цилиндрической оболочке. В зависимости от уровня ожидаемых нагрузок изменением количества слоев подбирается требуемая толщина рулона для обеспечения прочности внутренней оболочки. Так как рулон состоит из большого количества слоев тонкого стального листа, то допускается разрушение отдельных слоев со стороны воздействия нагрузки. Остальная часть слоев рулона, испытывая пластические деформации, не разрушается, т.е. сквозной трещины по всей толщине рулона не образуется, как в случае разрушения сплошной оболочки такой же толщины, как рулон. Использование рулона повышает прочность центральной, наиболее нагруженной части внутренней оболочки, а значит, и камеры в целом.
При проведении исследований в камере гидродинамических (взрывных) процессов с применением невозмущающих методов измерений (рентгенография, протонография, нейтронография, светооптические методы) для устранения влияния элементов металлической камеры, снижающих энергию проходящего через них сканирующего пучка излучения, вдоль оси камеры в днищах, пластинах и плитах амортизаторов выполнены отверстия. В отверстия установлены цилиндрические вводы, закрепленные в днищах и закрываемые изнутри герметизирующими прочными крышками. Применение амортизаторов уменьшает нагрузки на днища и их прогибы, что приводит к снижению уровней напряжений в ослабленной отверстием центральной зоне плоских днищ, а значит, уменьшается вероятность появления трещины и начала разрушения в этой зоне днищ.
Для установки в камере проходных элементов эксплуатационного назначения, например электрических и светооптических гермопереходов, вентиля для стравливания газа и др., в корпусе и внутренней цилиндрической оболочке камеры выполняются соосные между собой отверстия. Расположение отверстий со смещением относительно наиболее нагруженной центральной части камеры в зонах с достаточно низкими уровнями напряжений позволяет не допускать инициирования разрушения ослабленной зоны оболочек вблизи отверстий без дополнительных мер по повышению их жесткости.
На фиг.1 изображена заявляемая взрывозащитная камера. На фиг.2 - то же, сечение А-А. На фиг.3 изображен фрагмент одного днища с амортизатором взрывозащитной камеры, оснащенного вводом для проведения исследований гидродинамических процессов неразрушающими методами измерений. На фиг.4 показан фрагмент корпуса и внутренней цилиндрической оболочки с соосными отверстиями, в которых установлен проходной элемент эксплуатационного назначения.
Взрывозащитная камера выполнена в виде стальной сварной конструкции, содержащей цилиндрический наружный корпус 1, соединенный с плоскими днищами 2, имеющими наружные ребра жесткости 3. Коаксиально с зазором относительно корпуса 1 установлена внутренняя цилиндрическая оболочка 4, на которой в центральной части изнутри закреплен рулон 5 из стального листа. В корпусе 1 и внутренней оболочке 4 выполнены со смещением относительно геометрического центра камеры отверстия, в которые установлена загрузочная горловина 6 цилиндрической формы, закрепленная в корпусе 1. Загрузочное отверстие в горловине 6 закрывается внутренней и герметичной наружной крышками 7, 8, соответственно. Внутренняя крышка 7 крепится к оболочке 4 прижимным устройством 9 и петлями 10, на которых она поворачивается при открывании во внутреннюю полость. Наружная крышка 8 имеет уплотнительные прокладки и крепится к наружному фланцу горловины 6 бандажным соединением 11. Снаружи на корпусе 1 и изнутри на внутренней оболочке 4 в зонах расположения отверстий для горловины 6 установлены и закреплены соответственно накладки 12, 13. Перед обоими днищами 2 установлены амортизаторы, каждый из которых состоит из массивной плиты 14, размещенной со стороны полости камеры и опирающейся на торцы отрезков труб 15. Отрезки труб 15 распределены равномерно по периметру двух окружностей разного диаметра и другими торцами закреплены на пластине 16, с противоположной стороны которой установлено кольцо 17 (для обеспечения зазора между пластиной 16 и днищем 2), опирающееся на днище 2 и соединенное с ним и корпусом 1. Снаружи торцевые зоны корпуса 1 в месте крепления днищ 2 усилены накладками 18.
Для проведения исследований гидродинамических процессов с применением невозмущающих методов измерений с обеих сторон камеры в днищах 2, плитах 14 и пластинах 16 вдоль оси камеры выполнены отверстия (см. фиг.3), в которые установлены цилиндрические вводы 19, торец каждого из которых со стороны полости закрыт силовой и герметизирующей крышками 20, 21, соответственно. Силовая крышка 20 конической формы из материала с плотностью меньше плотности железа (например, алюминий, бериллий, карбид бора, пластики на основе угольных, органических, стеклянных волокон и др.) имеет толщину меньше, чем суммарная толщина днища 2, плиты 14 и пластины 16, что позволяет уменьшить потери энергии проходящего вдоль оси камеры пучка сканирующего излучения. Герметизирующая крышка 21 выполняется тонкостенной из стали, алюминиевого сплава или другого металла и практически не влияет на интенсивность проходящего излучения.
В корпусе 1 и внутренней цилиндрической оболочке 4 выполнены соответствующие соосные отверстия со смещением относительно геометрического центра камеры (см. фиг.4). В отверстии корпуса 1 закреплен диск 22, в который установлен электрический герморазъем 23, закрытый со стороны внутренней полости камеры крышкой 24, закрепленной на оболочке 4.
Взрывозащитная камера работает следующим образом.
Объект, содержащий заряд ВВ, через горловину 6 устанавливается примерно в геометрический центр камеры, после чего отверстие в цилиндрической оболочке 4 закрывается внутренней крышкой 7, которая крепится к оболочке 4 прижимным устройством 9. Со стороны наружного торца горловина 6 закрывается наружной крышкой 8 с герметизирующими прокладками и закрепляется бандажным соединением 11 на фланцах горловины 6.
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. Практически по всей поверхности между цилиндрической оболочкой 4 и корпусом 1 камеры имеется конструктивный зазор, который сохраняется и в процессе реакции на взрывное нагружение, а значит, наружный корпус 1 не подвергается прямому динамическому воздействию. Горловина 6 установлена со смещением относительно геометрического центра камеры, наиболее нагруженного при взрыве, и закреплена в корпусе 1, где при реакции камеры на взрывное нагружение возникают незначительные упругие деформации (напряжения), поэтому обеспечивается высокая прочность соединения горловины 6 с корпусом 1. Усиление наружной и внутренней накладками 12, 13 соответственно корпуса 1 и внутренней цилиндрической оболочки 4 в зонах размещения горловины 6 повышает их жесткость в зонах, ослабленных отверстиями.
Амортизаторы перераспределяют импульс давления ударной волны и продуктов взрыва вдоль оси камеры, тем самым уменьшая динамические нагрузки на днища 2 и вызываемые ими прогибы, а также защищают днища 2 от осколочных повреждений. Плоскопараллельное перемещение массивной плиты 14 под действием нагружающего импульса давления продуктов взрыва приводит к продольному смятию труб 15 и прогибу пластины 16, при этом за счет их пластического деформирования поглощается часть выделенной при взрыве энергии. Сохраняемый зазор между пластиной 16 и днищем 2, обеспечиваемый высотой кольца 17, не дает пластине 16 при прогибе ударно воздействовать на центральную часть плоского днища 2, а значит, исключает его повреждение и разрушение при ударе.
В варианте исполнения взрывозащитной камеры в центральной зоне, где взрывоопасный объект расположен ближе всего к стенкам цилиндрической части камеры, и, следовательно, нагрузки на стенки больше, цилиндрическая оболочка 4 усиливается массивным рулоном 5, который совместно с оболочкой 4 воспринимает импульс давления отражения продуктов взрыва, за счет чего на ней снижаются уровни деформаций (напряжений). Основная часть разлетающихся в сторону оболочки 4 осколков взаимодействует со слоями рулона 5 и внедряется в них, не допуская повреждения оболочки 4, т.е. рулон также является противоосколочной защитой для цилиндрической оболочки.
В варианте исполнения взрывозащитной камеры для проведения исследований гидродинамических процессов имеются два цилиндрических ввода 19, расположенных вдоль оси камеры и закрепленных в днищах 2, где уровни взрывных нагрузок снижены амортизаторами, установленными перед днищами 2. Отверстия вводов 19 со стороны внутренней полости закрыты прочными коническими крышками 20 из алюминиевого сплава и тонкостенными герметизирующими крышками 21 из стали. Конические крышки 20 воспринимают импульс давления от ударной волны, продуктов взрыва, в том числе высокоскоростных осколков, и защищают герметизирующие крышки 21 от этих динамических нагрузок. Тонкостенные крышки 21 выдерживают квазистатическое давление, установившееся в камере после взрыва, обеспечивая герметичность камеры.
В варианте исполнения взрывозащитной камеры с отверстиями на корпусе 1 и внутренней цилиндрической оболочке 4 для элементов эксплуатационного назначения, смещенными относительно наиболее нагруженного геометрического центра камеры, в зоне отверстий возникают незначительные (упругие) деформации (напряжения), а значит, снижается вероятность разрушения камеры в зоне, ослабленной отверстиями. В отверстии корпуса 1 обеспечивается прочное закрепление диска 22, в котором устанавливается электрический герморазъем 23, закрываемый со стороны полости крышкой 24, закрепленной на оболочке 4 и обеспечивающей защиту разъема от поражающих факторов взрыва.
На действующем экспериментальном образце взрывозащитной камеры показана возможность реализации заявленного изобретения. Проведенные взрывные эксперименты подтвердили достижение заявленных технических результатов, заключающихся в обеспечении повышенной несущей способности и надежности в заданных габаритах камеры, а также в расширении функциональных возможностей для применения неразрушающих методов диагностики при проведении в ней исследований быстропротекающих гидродинамических процессов.