CC BY
12
Определение геометрических параметров
аварийно-спасательного инструмента для разрушения элементов строительных конструкций
Виноградов С. А.,
Национальный университет гражданской защиты Украины,
г. Харьков
Учитывая современные требования, аварийно-спасательный инструмент (АСИ), необходимый для разрушения элементов строительных конструкций и создания в них проломов, должен обеспечивать достаточную производительность, быть компактным, переносным, работать по возможности без вибраций и обеспечивать минимальное пылеобразование. С учетом этого, масса АСИ гидроимпульсного разрушения не должна превышать 30 кг. Инструмент такой массы относиться к переносным, а расчет для его обслуживания не превышает двух человек.
Наиболее просто реализовать механизм гидроимпульсного разрушения, используя пороховой привод для АСИ. Пороховой инструмент обладает большой мощностью и высокой надежностью в виду отсутствия движущихся частей. Для работы в взрывоопасной зоне пороховой заряд может быть изолирован. Геометрические размеры устройства должны учитывать возможность серийного выпуска и применения уже существующих оружейных патронов. Поэтому авторами предлагается использовать схему аварийно-спасательного инструмента, который состоит из опоры с рукояткой, ствольной и сопловой части, а также набора удлинителей ствола с соединителями. Трехмерная модель предлагаемого АСИ представлена на рис. 1.
Рис. 1. Трехмерная модель аварийно-спасательного инструмента гидроимпульсного разрушения элементов строительных конструкций: 1 - сопло, 2 - удлинитель ствола, 3 - соединители, 4 - ствол, 5 - ударно-спусковой механизм, 6 - опора с рукояткой
На рис. 2 представлено схематическое изображение ствольной и сопловой части в собранном виде.
Отметим, что наибольшее влияние на скорость струи оказывает соотношение диаметра ствола dc и диаметра сопла ds [1]. Для того, чтобы определить соотношение этих параметров, при которых скорость струи достаточна для разрушения различных конструкционных материалов, проведем оценочный расчет.
II П| I III
■ ■f
* VVUUUVUVVAVVmUVA \\\ \wvn mm пиши ппиш мп Ш//Ш//Ш/ m
'' 1 1 [ -J г m,
Iwlwu uunnuuuumww ^тттпптчттпптг mm/mm
i j Ls и Lc -V \
Рис. 2. Схематическое изображение ствольной и сопловой части АСИ
Работа ствольных гидроимпульсных устройств, имеющих сопловую часть, описывается системой уравнений в нестационарной постановке [1]:
ди д di дХ
Í „ „х \и-А
2 2 и a
/ л Р
2 n -1
V Vp у у
дрг )+дри )=0,
di дХ
= 0,
(1)
где и - скорость истечения струи из сопла; а - скорость звука в воде; р - плотность жидкости; F - площадь поперечного сечения ствола; «=7,15 - коэффициент, зависящий от энтропии; x - координата; t - время.
Краевые условия для системы (1) принимают вид
и(0, x) = 0, p(0, x) = 0, р(0, x) = p0, 0 < x < L, (2)
p(t, L )= 0, и (t, xg ) = ug, p(t, xg )= pg, (3)
где р - давление воды; L - длина водяного заряда; xg, ug - координата и скорость контактной поверхности; pg - давление пороховых газов на контактной поверхности.
Параметры порохового заряда рассчитываются в постановке, стандартной для задач внутренней баллистики в артиллерии [2].
Расчет проводился для АСИ конкретной конструкции: длина патрона (камеры сгорания) Lg=70 мм, длина ствола Lc=700 мм, длина сопла Ls=15 мм, длина коллиматора Lk=55 мм, длина водяного заряда L=350 мм, диаметр ствола dc=18,5 мм, масса порохового заряда mp=10 г. На рис. 3-6 представлены результаты расчетов параметров АСИ с разным диаметром сопла ds. Здесь кривая 1 - давление пороховых газов в патроне (сечение I-I на рис. 2), кривая 2 - давление воды на входе в сопло (сечение II-II на рис. 2), кривая 3 - давление воды на выходе из сопла (сечение III-III на рис. 2) и кривая 4 - скорость истечения воды из АСИ.
Анализируя график на рис. 3 можно увидеть, что отчетливо проявляются волновые процессы, связанные с большой длиной водяного заряда. Скорость водяной струи достигает всего u=600 м/с. Давление пороховых газов pg=350 МПа. На рис. 4 максимальная скорость струи достигает всего u=980 м/с. Поскольку количество пороха не менялось, давление пороховых газов остается прежним -pg=350 МПа. Давление воды при этом составляет р=450 МПа. Для разрушения современных конструкционных материалов таких параметров не достаточно.
800
600
400
200
0
р, МПа и, м/с 4 \
\
1
2 3
1000
800
600
400
200
0
0.5
1
1.5 г1, мс2
Рис. 3. Характеристики выстрела АСИ при ^=18,5 мм
1500
1000
500
р,МП и, м/с а /4
1 -~3
0 1 2 3 И, мс 5
Рис. 5. Характеристики выстрела АСИ при ё=10 мм
р, МПа и, м/с г^1 4
1 /
1 (г гт ,3
/ { г'
V — 4-,
0
1
3 и мс 4
Рис. 4. Характеристики выстрела АСИ при ё=12 мм
1500
1000
500
р, МПа и, м/с
А -3
ьГ
к
/ 7
0 2 3 А и мс 5
Рис. 6. Характеристики выстрела АСИ при ё=8 мм
На графике на рис. 5 скорость струи возросла до и=1170 м/с, а давление воды - до 670 МПа. В распределении скорости есть хорошая полочка, которая соответствует однородному участку струи с высокой скоростью. Таких параметров струи достаточно для разрушения большинства конструкционных материалов. При этом давление внутри установки приемлемое для улучшенных сталей. Параметры ГП, приведенные на рис. 6, достаточны для разрушения крепких материалов (бетон, гранит и т.д.). Самый напряженный участок вблизи сопла.
На основе проведенного анализа конструкционных особенностей установок гидроимпульсного разрушения, а также требований к характеристикам струи, предлагается схема АСИ, реализующего технологию гидроимпульсного разрушения. Для конкретной конструкции такого АСИ проведен расчет скорости струи и ее давления внутри АСИ при разных соотношениях диаметра ствола и сопла. Установлено, что получить струи, достаточные для разрушения крепких конструкционных материалов можно при соблюдении соотношения )- 2 •
Библиографический список
1. Семко А. Н. Импульсные струи жидкости высокого давления / Семко Александр Николаевич. - Донецк: Вебер, 2007. - 149 с.
2. Проектирование ракетных и ствольных систем / Под ред. Орлова Б. В. — М.: Машиностроение, 1974. — 832 с.
