Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
26
НАЦІОНАЛЬНИЙ АЕРОКОСМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ім. М.Є. ЖУКОВСЬКОГО
"ХАРКІВСЬКИЙ АВІАЦІЙНИЙ ІНСТИТУТ"
ПОЛІЩУК Олена Олексіївна
УДК 623.4.002.8
ТЕХНОЛОГІЯ ІНЕРЦІЙНОГО СПОСОБУ УТИЛІЗАЦІЇ АВІАЦІЙНИХ БОЄПРИПАСІВ З УРАХУВАННЯМ КРИТЕРІЮ БЕЗПЕКИ
Спеціальність 05.07.04 – технологія виробництва літальних апаратів
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Харків – 2006
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент
Нечипорук Микола Васильович,
Національний аерокосмічний університет
ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, м. Харків,
доцент кафедри експертизних технологій
та екологічної безпеки.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Бабушкін Анатолій Іванович,
Національний аерокосмічний університет
ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, м. Харків,
завідувач кафедри економіки;
кандидат технічних наук, доцент
Савченко Микола Федорович,
Харківський національний економічний університет, м. Харків,
доцент кафедри техніки і технології.
Провідна установа: Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування
Міністерства промислової політики України, м. Харків.
Захист відбудеться “_9_” _лютого_ 2007 р. о ___1400__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.04 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут” за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.
Автореферат розісланий “_5_”_січня_ 2007 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Застела О.М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Пілотовані літальні апарати бойового призначення (літаки і вертольоти), що використовуються для знищення літальних апаратів противника, його наземних сил і матеріальних об'єктів, а також засобів та об'єктів морського (підводного) базування, залежно від поставлених задач, оснащуються певним комплексом авіаційного озброєння. Проте з розвитком військової техніки перед бойовою авіацією все частіше ставляться нові задачі, для успішного вирішення яких виникає необхідність у розробці нових видів озброєння або модернізації існуючих систем, що в свою чергу призводить до скупчення значної кількості як “морально” застарілих боєприпасів, модернізація яких з ряду причин недоцільна, так і боєприпасів, непридатних для бойового застосування, з термінами зберігання, що закінчилися.
У даний час на базах і арсеналах різних видів Збройних Сил і родів військ знаходяться мільйони одиниць різних боєприпасів, що списані або підлягають списанню з подальшою утилізацією або знищенням. Згідно з Державною програмою утилізації звичайних видів боєприпасів необхідно утилізувати 335 тис. тонн боєприпасів, значна частина яких складають авіаційні боєприпаси (авіаційні бомбардувальні засоби поразки; некеровані авіаційні ракети; авіаційні керовані ракети; авіаційні патрони, снаряди). Непридатні до бойового використання боєприпаси, що зберігаються на складах, потенційно являють собою значні матеріально-сировинні ресурси, які можуть бути витягнуті в процесі утилізації й використані для потреб економіки, але в даний час не використовуються або знищуються.
Крім того, через переповнювання баз і арсеналів (у 1,5-2 рази) не забезпечуються належні умови для зберігання боєприпасів, що призводить до реальної небезпеки аварійної ситуації, яка може викликати значні екологічні і матеріальні збитки, а також людські жертви. Прикладами за останні декілька років можуть служити вибухи складу боєприпасів в Артемівську в 2003 році і військової бази в Новобогданівці в 2004, 2006 роках.
У зв'язку з цим розробка технологій, що забезпечують повну утилізацію боєприпасів, при дотриманні норм виробничої й екологічної безпеки, є актуальною задачею, оскільки може дати значний народногосподарський економічний і екологічний ефект.
Переважну масу боєприпасів (у т.ч. авіаційних) є патрони, тобто вироби, в яких за допомогою гільзи сполучені в одне ціле куля (снаряд), пороховий заряд і пристрій займання пороху (капсуль).
Для цього виду боєприпасів оптимальним вирішенням задачі утилізації є демонтаж складових елементів патронів, що використовує інерційний спосіб створення необхідних зусиль для розбирання.
Суть інерційного способу – створення у вузлах кріплення елементів спорядження унітарних патронів інерційних перевантажень, тобто сили інерції, величина якої перевершує значення зусилля, що витягує снаряд (кулю).
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Дана робота виконувалася відповідно до держбюджетних тем:
Г106-1/2003 – Системне моделювання впливу техногенних факторів на функціональне перебування людини на всіх етапах життєвого циклу аерокосмічних виробів;
Д106-1/2006 – Математичне моделювання етапів життєвого циклу аерокосмічних виробів і методика визначення числових критеріїв безпеки;
Д106-2/2006 – Математичне моделювання в процесі утилізації літальних апаратів і об'єктів спецтехніки.
Результати роботи є частиною комплексних досліджень у рамках НДР, що проводяться в лабораторії судових балістичних, вибухотехнічних, пожежно-технічних досліджень, охорони праці та безпеки життєдіяльності Харківського науково-дослідного інституту судових експертиз ім. засл. проф. М.С. Бокаріуса з теми “Криміналістичне дослідження тактико-технічних і балістичних характеристик патронів до нарізної та гладкоствольної зброї з метою вирішення діагностичних і класифікаційних задач” (номер державної реєстрації 0100U000325, шифр ІІ.3.Д8-200, УДК 343.977.008.4).
Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є вирішення важливої народно-господарської задачі утилізації авіаційних боєприпасів для ствольних систем озброєння літальних апаратів, основаної на інерційному методі демонтажу елементів спорядження патронів, що забезпечує високий ступінь виробничої й екологічної безпеки, а також максимально повне повторне використання комплектуючих і матеріалів, що демонтуються.
Для досягнення поставленої мети в дисертації вирішено такі задачі:
- встановлено особливості існуючих і перспективних методів утилізації та розроблено критерій, який найбільшою мірою відповідає сучасним вимогам безпеки до процесу демонтажу унітарних патронів авіаційного озброєння;
- розроблено принципову модель технологічного процесу демонтажу боєприпасів ствольних систем, що використовує інерційний ефект розбирання патрона й кулі;
- аналітично визначено основні технологічні параметри інерційного процесу демонтажу авіаційних боєприпасів;
- змодульовано інерційний процес демонтажу складових елементів спорядження боєприпасів;
- експериментально досліджено основні технологічні параметри інерційного процесу демонтажу елементів авіаційних боєприпасів і виведено емпіричні залежності для визначення їх раціональних значень;
- дано рекомендації для розробки робочого технологічного процесу і устаткування для демонтажу патронів.
Об'єктом дослідження є технологія утилізації авіаційних боєприпасів ствольних систем озброєння літальних апаратів, яка основана на інерційному методі демонтажу їх елементів.
Предметом дослідження є авіаційні патрони, непридатні для бойового застосування, з термінами зберігання, що закінчилися.
Методи дослідження. Теоретичні дослідження виконувалися на базі основних положень теоретичної механіки й механіки твердого деформованого тіла. Числове моделювання процесів, що проходять при інерційних перевантаженнях під час демонтажу боєприпасів, здійснювалося з використанням методу скінчених елементів.
Експериментальні дослідження проводилися на розробленій автором імпульсній газодинамічній установці, яка реалізує прямий динамічний метод, в умовах спеціалізованої лабораторії Харківського науково-дослідного інституту судових експертиз ім. засл. проф. М.С. Бокаріуса.
Наукова новизна отриманих результатів
- вперше розроблено технологію утилізації авіаційних боєприпасів ствольних систем озброєння літальних апаратів, основану на дії інерційних перевантажень у процесі швидкісного зіткнення тіл, таку, що дозволяє значно підвищити ступінь виробничої й екологічної безпеки процесів утилізації боєприпасів, а також повторно використовувати їх елементи спорядження при виготовленні аналогічних зразків;
- розроблено математичну модель інерційного демонтажу авіаційних боєприпасів для визначення основних енергосилових параметрів технологічного процесу;
- обґрунтовано та запропоновано критерій вибору технологічного зусилля витягання кулі з гільзи патрона, виходячи з вимог безпеки;
- експериментально досліджено параметри та особливості фізичного процесу демонтажу боєприпасів при швидкісному зіткненні технологічного блока з патроном і робочого елемента конструкції технологічного устаткування та отримано емпіричні залежності визначення раціональних значень технологічних параметрів процесу, які найбільшою мірою відповідають вимогам безпеки.
Практична значимість отриманих результатів.
1. Розроблено рекомендації щодо складання раціональних технологічних процесів утилізації авіаційних боєприпасів різних типів, які основані на створенні інерційних перевантажень у вузлах кріплення складових елементів патрона і забезпечують максимальну безпеку робіт при демонтажі на окремі елементи.
2. Експериментально отримано дані про величину витягуючого зусилля (які зазвичай визначаються статично і дають достатньо широкий діапазон значень) для конкретних зразків боєприпасів в умовах динамічного навантаження вузлів кріплення елементів спорядження.
3. Визначено основні параметри, необхідні для розробки робочого технологічного процесу і рекомендацій при проектуванні оснащення і устаткування для демонтажу патронів.
4. Розроблено імпульсну газодинамічну установку утилізації унітарних боєприпасів при дрібносерійному демонтажі.
5. Отримані в роботі результати включені в звіти держбюджетних тем, виконаних у ХАІ: “Системне моделювання впливу техногенних факторів на функціональне перебування людини на всіх етапах життєвого циклу аерокосмічних виробів”, “Математичне моделювання етапів життєвого циклу аерокосмічних виробів і методика визначення числових критеріїв безпеки”, “Математичне моделювання в процесі утилізації літальних апаратів і об'єктів спецтехніки”, а також використані в НДР з теми “Криміналістичне дослідження тактико-технічних і балістичних характеристик патронів до нарізної та гладкоствольної зброї з метою вирішення діагностичних і класифікаційних задач”, проведеній в Харківському НДІ судових експертиз.
Особистий внесок здобувача полягає в розробці:
- інерційного методу демонтажу елементів спорядження авіаційних боєприпасів й умов його застосування;
- перспективного раціонального технологічного процесу утилізації авіаційних боєприпасів, який найбільшою мірою відповідає критерію безпеки;
- програми і серії натурних досліджень за визначенням параметрів процесу демонтажу в умовах інерційних перевантажень;
- експериментальної імпульсної газодинамічної установки для визначення основних технологічних параметрів.
Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати роботи доповідалися на міжнародних молодіжних науково-практичних конференціях “Людина й космос” (м. Дніпропетровськ, 2004, 2005 рр.); міжнародній науково-практичній конференції “Дні науки 2005” (м. Дніпропетровськ, 2005 р.); міжвузівській науково-практичній конференції “Можливості використання методів механіки для розв’язання питань безпеки в умовах надзвичайних ситуацій” (м. Харків, 2005 р.); міжнародних науково-практичних конференціях “Проблеми створення та забезпечення життєвого циклу авіаційної техніки” (м. Харків, 2005, 2006 рр.); міжнародній науково-практичній конференції “Наука: теорія і практика” (м. Дніпропетровськ, 2005 р.).
Публікації. Результати дослідження за темою дисертації опубліковані у 13 наукових роботах і представлені у 7 тезах конференцій, з них 6 статей опубліковані у спеціалізованих виданнях, що увійшли в затверджений перелік ВАК України.
Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота викладена на 156 сторінках, що включають у себе 97 сторінок основного тексту, містить 73 рисунки і 15 таблиць, список використаних джерел складається з 173 найменувань.
Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, додатку, що містить акти впровадження результатів роботи.
ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертації, визначено мету роботи, виділено напрями та сформульовано задачі дослідження, наведено основні наукові результати, які виносяться на захист, дано коротку характеристику їх теоретичного й практичного значення.
У першому розділі розглянуто сучасний стан проблеми, пов'язаної із списаними боєприпасами, непридатними для подальшого бойового застосування. Дослідження проблеми знищення і утилізації авіаційних і дрібнокаліберних боєприпасів показало, що в даний час є три основні напрями, кожний з яких характерний для певного часового періоду існування цієї проблеми. Проте кожна з них може паралельно здійснюватися залежно від умов, що склалися, і виду утилізованого боєприпасу. На першому етапі проблема списаних боєприпасів здійснювалася безпосередньо їх знищенням. Із висуненням на перше місце економічних факторів з'явилися методи утилізації боєприпасів, основані на збереженні отриманих дефіцитних матеріалів, з яких вони виготовляються. Підвищення вимог до екологічної безпеки технологічних процесів утилізації, а також превалювання економічних факторів привели до необхідності створення практично безвідходних технологій, тобто створення умов демонтажу елементів спорядження боєприпасів з урахуванням можливості подальшого їх повторного використання у виробничому процесі виготовлення нових боєприпасів або в інших виробах.
У результаті аналізу літератури визначено основні способи утилізації боєприпасів авіаційного озброєння і сформульовано принципи утилізації, основані на комплексності переробки боєприпасів та їх компонентів, безпеці проведення цих процесів, екологічності й економічності. Сформульовано цілі та задачі дослідження для вирішення вказаної проблеми.
Другий розділ присвячений теоретичному дослідженню енергосилових параметрів, пов'язаних з процесом демонтажу, який оснований на створенні інерційних перевантажень у вузлах кріплення елементів спорядження в гільзах патронів.
Загальний порядок побудови технологічного процесу інерційного способу демонтажу патронів може бути описаний такою логічною моделлю, розділеною на п’ять стадій:
1-а стадія - технологічна підготовка й створення імпульсу розгону контейнера (блока) з патроном;
2-а стадія - розгін контейнера при заданих технологічних характеристиках (математичний опис процесу розгону);
3-я стадія - зупинка (удар), створення імпульсу витягання кулі;
4-а стадія - гасіння інерції й видалення кулі та пороху в накопичувальну тару;
5-а стадія - видалення капсуля з гільзи.
Запропоновано критерій вибору технологічного зусилля витягання кулі з урахуванням безпеки проведення інерційного демонтажу боєприпасу на складові елементи. Процес демонтажу боєприпасу (унітарного патрона) на елементи спорядження (кулю, гільзу) небезпечніший, ніж процес спорядження (Fвит.< Fінер. <Fініц..).
Умовою для розробки подальшої установлення для демонтажу патронів є дотримання наступного критерію безпеки:
, (1)
де - зусилля ініціації капсуля; - інерційна сила, необхідна для виштовхування кулі з гільзи.
При невиконанні даної умови відбудеться ініціація капсуля, унаслідок якого займання порохового заряду і подальший “постріл” унітарного патрона.
Головний етап, що визначає основні параметри технологічного процесу інерційного демонтажу, – розгін контейнера з патроном. Для детального аналізу другої стадії виникає необхідність в розробці динамічної моделі (рис. 1) інерційного способу демонтажу кулі.
При дії на контейнер лінійного прискорення на всі його елементи, в тому числі і на снаряд (кулю), закріплений в гільзі, діятимуть інерційні сили, спрямовані в бік, зворотний прискоренню.
Імпульс інерційних сил має бути таким, який дозволить подолати сили закріплення кулі в гільзі патрона. Цю умову можна записати в математичному вигляді такою залежністю:
, (2)
де mконт – маса контейнера; mгіл – маса гільзи; mк – маса кулі; mпор – маса пороху; mкап – маса капсуля; - величина прискорення, необхідного для розгону контейнера зі снарядом; – коефіцієнт тертя; - ширина ділянки контакту поверхні кулі з дульцем гільзи; pk – контактний тиск; d1 – діаметр кулі.
Аналіз залежності (2) дозволяє визначити ті основні технологічні параметри, які необхідні для розробки технології демонтажу:
- величини зусилля подолання сил закріплення (права частина нерівності);
- величини імпульсу, необхідного для подолання сил закріплення (ліва частина).
|
Дослідження проведені для зразків, що моделюють авіаційні боєприпаси. Для цих цілей були розглянуті патрони калібру 9Ч18 ПМ, 9Ч19 “Parabellum” і 7,62Ч39 і прийняті розрахункові схеми витягання кулі з урахуванням їх конструктивних особливостей і характеристик. Для визначення раціональних параметрів технологічного процесу демонтажу боєприпасів проведені теоретичні дослідження характеристик напружено-деформованого стану (НДС) у вузлах кріплення системи “гільза – куля (снаряд)”, що дає можливість визначити величину утримання кулі в гільзі, а отже, і потрібну для демонтажу силу витягання кулі з гільзи. Кріплення кулі в гільзі здійснюється шляхом посадки з певним натягом і подальшим кернінням, обтиском дульця гільзи або її кромки. В результаті цього в матеріалах гільзи і елементів конструкції кулі виникає напруга, яку необхідно подолати при демонтажі та розрахунку витягуючого зусилля. Спосіб спорядження боєприпасу, посадки кулі з певним натягом у дульці гільзи і напруги, що виникають при цьому та навантаження, що діють на окремі елементи вузла кріплення, аналогічно схемі навантаження та дії внутрішньої напруги складеного циліндра. |
|
|
Рис. 1. Динамічна модель інерційного способу демонтажу патрона: 1 – пристрій утримання технологічного контейнера з патроном в імпульсній установці демонтажу боєприпасу; 2,3 – контейнер із закріпленим у ньому патроном; 4 – опорна плита, що сприймає удар технологічного контейнера; 5 – відбиваючий екран. mi – маса контейнера, гільзи, пороху, кулі, капсуля; Lрозг.– довжина розгону контейнера; Lпог.ін.кулі – довжина погашення інерції кулі; Fін.конт. – зусилля інерції контейнера; Fреак. – зусилля реакції опори; Fім.кулі – зусилля заданого імпульсу кулі |
Як розрахункова схема для моделювання НДС гільзи прийнято складений циліндр, в якому куля моделюється суцільним стрижнем, а гільза – тонкостінною обичайкою (рис. 2).
|
dкулі – dгіл. = д |
|
|
а) |
|
|
Fзапр. = f (рк, d, Н, д, f) |
|
|
б) |
|
|
Fвит. = fpkрd1H |
|
|
в) |
|
|
г) |
|
|
Рис. 2. Розрахункова схема для визначення зусиль: а) початковий стан; б) після запресовування; в) у процесі демонтажу; г) прийнята розрахункова схема |
Для знаходження величини сили утримання кулі в гільзі основним є визначення величини контактного тиску на поверхнях, що сполучаються, при певному натягу, що є різницею між зовнішнім діаметром внутрішнього циліндра I і внутрішнім діаметром зовнішнього циліндра II.
Оскільки після посадки одного циліндра на інший зовнішній радіус внутрішнього циліндра і внутрішній радіус зовнішнього циліндра стають однаковими, то відповідно сума абсолютних величин радіальних переміщень обох циліндрів на радіусі поверхні контакту, викликаних контактним тиском, дорівнюватиме половині натягу:
, (3)
де – зменшення зовнішнього радіуса внутрішнього циліндра; – збільшення внутрішнього радіуса зовнішнього циліндра.
Спочатку позначивши, і , отримаємо, що радіальне переміщення контактної поверхні внутрішнього циліндра
; (4)
радіальне переміщення контактної поверхні для зовнішнього циліндра
(5)
де і – модулі пружності матеріалу циліндрів; і – коефіцієнти Пуассона матеріалу циліндрів.
Вираз для визначення контактного тиску для різнорідних матеріалів має вигляд
. (6)
Для випадку, коли внутрішній циліндр є суцільним, що відповідає випадку устанвлення кулі в дульці гільзи, контактний тиск визначається як
, (7)
де ; ; і – відповідно, зовнішній діаметр внутрішнього та зовнішній діаметр зовнішнього циліндрів.
Напруги в складеному циліндрі при дії контактного тиску визначаються з умови розгляду НДС його окремих компонентів у циліндричній системі координат (рис. 3). При цьому розглядається, що внутрішній циліндр знаходиться під дією зовнішнього стискаючого тиску, а зовнішній циліндр знаходиться в умовах дії внутрішнього тиску, величина яких дорівнює величині контактного тиску.
Для внутрішнього циліндра діаметром радіальна і окружна напруги . Проте слід зазначити, що формули (6) і (7) справедливі для щодо товстостінних циліндрів і випадків, коли напруга не перевищує межі текучості. При появі в процесі посадки пластичних деформацій фактичні значення контактного тиску будуть менше розрахункових.
|
Як видно з емпіричних виразів (6) і (7), на величину контактного тиску, а отже, в кінцевому підсумку і на величину витягуючого зусилля Fвит. істотно впливає величина натягу . При масовому виробництві куль і гільз величина натягу може змінюватися в діапазоні допуску на їх виготовлення, в зв'язку з цим стало необхідним визначити для досліджуваних зразків боєприпасів межі натягу. |
|
|
Рис. 3. Дія напруги в циліндричному елементі |
Вимірювання посадочних місць елементів спорядження (посадочних частин куль і внутрішніх діаметрів дульців гільз) патронів, які надалі були використані для експериментів, показало таке.
Для патронів калібру 9Ч18 ПМ, 9Ч19 “Parabellum” величина натягу коливається в межах =70…150 мкм. Для патронів калібру 7,62Ч39 величина натягу складає =40…70 мкм.
Технологічним фактором, який може помітно впливати на величину контактного тиску і перерозподіл напруги в матеріалі гільзи, є явище “перекосу” при установленні куль у гільзу.
При цьому найчастіше це явище виявляється у гільз пляшкової форми, що пов'язано з їх нестійкістю у момент поздовжнього стиснення в процесі спорядження. Тому теоретичні розрахунки щодо визначення витягуючого зусилля з урахуванням контактного тиску показали його невідповідність як заводським натурним випробуванням, так і експериментальним значенням.
Стало очевидним, що необхідно ввести в розрахункові залежності для визначення Fвит. поправки, що враховують всі фактори кріплення кулі в дульці гільзи. Для цієї мети використовуємо метод скінчених елементів (МСЕ).
Завдяки своїй універсальності МСЕ дозволяє також урахувати в розрахунках вплив такого технологічного фактора, як перекіс, і визначити з урахуванням цього фактора зусилля, яке витягує кулю, що має актуальне значення для проектування технологічного устаткування.
При розгляді НДС складеного циліндра за допомогою МСЕ отримані розподіли колової та радіальної напруг, а також радіальне переміщення контактуючих тіл по внутрішньому й зовнішньому циліндру, при порівнянні яких з результатами розрахунково-аналітичного методу видно, що вони повністю збігаються для напруги по внутрішньому циліндру, радіальних переміщень по внутрішньому та зовнішньому циліндру і трохи відрізняються для радіальної й колової напруг по зовнішньому циліндру (табл. 1).
Таблиця 1
Порівняльний аналіз даних, отриманих розрахунково-аналітичним методом, і результатів числового моделювання НДС складеного циліндра (товщина обичайки – 0,25 мм) за допомогою МСЕ для контактного тиску =105 МПа і натягу =100 мкм
|
Параметри НДС |
Розрахунково-аналітичний метод |
Метод МСЕ |
|
Для обичайки |
||
|
Колова напруга, МПа, при |
2218,9 |
1776 |
|
Колова напруга, МПа, при |
2113,7 |
1804 |
|
Радіальні переміщення , мм, при |
0,483 |
0,483 |
|
Радіальні переміщення , мм, при |
0,477 |
0,477 |
|
Для внутрішнього циліндра |
||
|
Радіальна напруга, МПа |
105,3 |
105,3 |
|
Колова напруга, МПа, при |
105,3 |
105,3 |
|
Радіальні переміщення , мм |
1,693 |
1,693 |
Наступним етапом теоретичних досліджень був розгляд розподілу напруги за висотою циліндра, оскільки в багатьох джерелах указується на його нерівномірність. Вирішення задачі визначення НДС методом скінчених елементів по поздовжньому перерізу складеного циліндра показало нерівномірність у розподілі радіальної напруги по висоті складеного циліндра, що є наслідком дії крайових ефектів.
Необхідно враховувати нерівномірність розподілу радіальної напруги по поздовжньому перерізу, яка впливає в кінцевому підсумку на витягуюче зусилля. Результати порівняльного аналізу даних про величину зусилля, що витягує кулю, для різних видів патронів наведені в табл. 2. За наявності перекосу характер розподілу радіальної напруги по поперечному перерізу стає неоднорідним.
Таблиця 2
Дані про величину зусилля, що витягує кулю Fвит.
|
Калібр патрона |
ТУ на розробку, Н |
Дані заводських випробувань, Н |
Розрахункові дані з урахуванням натягу *, Н |
Дані натурних досліджень, Н |
|
9Ч18ПМ |
200…1000 |
350…490 |
232…303** |
336 |
|
9Ч19“Parabellum” |
200…1000 |
250…400 |
220…442* |
208 |
|
7,62Ч39 |
400…1100 |
480…700 |
370…660* |
2346 |
* – натяг =40…70 мкм;
** – натяг =70…100 мкм.
Дані про значення величини зусилля, що витягує кулю, в умовах натягу і перекосу показані на рис. 4.
Рис. 4. Графіки залежності витягуючого зусилля для патрона 7,62Ч39 з урахуванням натягу й перекосу: - натяг без перекосу; - натяг з перекосом
Виходячи з наведених вище досліджень був запропонований алгоритм визначення технологічних параметрів устаткування для демонтажу авіаційних боєприпасів:
1. Задається діапазон технологічного натягу з урахуванням полів допусків на розміри посадочних місць елементів спорядження боєприпасів.
2. Визначається контактний тиск, відповідний натягу за формулою (6).
3. Будується скінченноелементна модель за зовнішнім діаметром гільзи після збирання і діаметром контактної поверхні кулі. Задаються граничні умови закріплення (жорстке в місці фіксації донця гільзи) і навантаження (контактний тиск на межі зовнішньої поверхні кулі).
4. За радіальною напругою, отриманою МСЕ на поверхні контакту, визначаються витягуючі зусилля.
5. За наявності перекосу для унітарних боєприпасів, що мають велику висоту гільзи, необхідно додатково розглянути розподіл радіальної напруги по поперечному перерізу. Для цього додатково будується скінченноелементна модель. Після визначення розподілу радіальної напруги по поперечному і поздовжньому перерізах визначається витягуюче зусилля.
6. Будується залежність зусилля, що витягує кулю, від натягу, що може реалізуватися, і перекосу. З урахуванням набутих значень витягуючого зусилля Fвит. визначається максимальне значення швидкості частин, що співударяються, технологічного устаткування – інерційної установки (контейнера з патроном і робочої плити), що гарантує повне витягання кулі з гільзи у момент зіткнення.
Третій розділ присвячений експериментальному дослідженню параметрів інерційного процесу демонтажу елементів спорядження стрілецько-гарматних авіаційних боєприпасів. Для вивчення фізичних явищ, що проходять під час цього процесу, найбільш прийнятний прямий динамічний метод. Він дозволяє відтворити реальні умови демонтажу об'єктів дослідження в умовах швидкісного зіткнення, є найбільш простим, але в той же час забезпечує отримання найбільш достовірної інформації про процес, що відбувається.
Проведення експериментів щодо дослідження параметрів інерційного процесу демонтажу здійснювалося в умовах лабораторії вибухотехнічних і балістичних досліджень Харківського науково-дослідного інституту судових експертиз ім. засл. проф. М.С. Бокаріуса. Для цих цілей була розроблена спеціальна імпульсна газодинамічна установка, показана на рис. 5.
Її основою є трубчаста напрямна для контейнера і пусковий пристрій для імпульсного газодинамічного генератора енергії розгону патрона. Як робоче тіло в генераторі використовуються порохові гази, що створюються під час горіння заряду, займання якого відбувається при ініціації спеціального піротехнічного складу під дією зовнішнього динамічного навантаження з боку відповідних деталей механізму пускового пристрою.
|
Рис.5. Загальний вигляд експериментальної установки |
Під дією тиску порохових газів контейнер (рис. 6) з жорстко закріпленим у ньому боєприпасом (патроном) розганяється по трубчастій напрямній і після вильоту з неї ударяється об вертикально розташовану масивну металеву плиту. Швидкість зіткнення контейнера з плитою фіксується оптичним приладом для вимірювання швидкості польоту снарядів фірми “SHOOTING CHRONY” моделі М1. Завдяки варіюванню маси порохового заряду стало можливим добитися швидкостей зіткнення в межах 6…100 м/с.
Під час гальмування руху системи “контейнер–боєприпас” жорстко закріплена гільза зупиняється разом із контейнером, але під дією сили інерції куля продовжує рухатися вперед і її руху перешкоджає тільки сумарна сила, що являє собою дії сил запресовування стичних поверхонь кулі та дульця гільзи й сили обтискання дульця гільзи.
В експериментальних дослідженнях стрілецько-гарматні авіаційні боєприпаси з метою зниження вартості експерименту моделювалися звичайними стрілецькими патронами калібрів 9Ч18ПМ, 9Ч19 “Parabellum” і проміжного патрона калібру 7,62Ч39. Зразки були виготовлені на Луганському патронному заводі тільки з гільз і куль з дотриманням усіх умов технологічних процесів їх спорядження. Для кожного з досліджуваних зразків унітарних патронів були проведені експерименти з метою вивчення характеристик процесу їх інерційного демонтажу. Зразки при експерименті практично не отримали пластичних деформацій, і, отже, після незначного калібрування вони придатні для повторного використання у виробництві таких же видів боєприпасів. На основі отриманих даних були побудовані графіки залежності зусилля Fвит., що
|
витягувало кулю, і переміщення кулі в гільзі ДL від швидкості зіткнення Vk. Окрім цього, на основі апроксимації результатів досліджень отримані емпіричні залежності для опису цього процесу. В ході проведення експериментальних досліджень були встановлені фактори, які помітно впливають на процес інерційного демонтажу елементів спорядження боєприпасів. До них відносяться: маса снаряда (кулі), |
|
|
Рис. 6. Загальний вигляд контейнера і елементів кріплення експериментального зразка |
величина площі контакту дотичних ділянок на зовнішній поверхні кулі та внутрішньої поверхні снаряда, характер фіксації кулі в гільзі, швидкість зіткнення й тривалість процесу. Варіювання останніх факторів дозволяє сформулювати вимоги до проектування технологічного устаткування.
У четвертому розділі викладені рекомендації щодо розробки робочого технологічного процесу утилізації авіаційних боєприпасів і впровадження інерційного способу в існуючий виробничий процес.
Головна особливість технології утилізації полягає в створенні безпеки і екологічності на будь-якому етапі процесу: зберіганні, транспортуванні, демонтажі, а також при повторному корисному використанні отриманих при демонтажі матеріалів.
Боєприпаси, що поступають на утилізацію, в обов'язковому порядку мають пройти вхідний контроль за ступенем їх пошкодженості. При цьому, надійшовши на демонтаж (на підприємство), слід перевірити наявність супровідної документації на вироби, потім оглянути в доступних місцях тари з виробами на відсутність пошкоджень. У разі пошкодження тари рішення щодо ухвалення виробів на утилізацію приймає комісія.
Під час надходження виробів на склад розсортовування та вхідного контролю зовнішнім оглядом виявляють пошкодження на ящику з патронами і перевіряють наявність і цілісність пломбувань замків тари, маркіровку, після чого роблять відмітку в журналі вхідного контролю. При виявленні на виробах механічних пошкоджень (тріщин, вм’ятин і т.д.), розташованих у будь-якому місці на виробах, що перевіряються, останні відбраковуються і надалі пред’являються спеціальній комісії для ухвалення остаточного рішення.
На етапі вхідного контролю відбувається також огляд партії патронів, що поступила, з метою визначення їх вигляду (трасуючі, бронебійно-запалювальні, пристрілювальні) для визначення можливості їх демонтажу або знищення. Патрони, споряджені кулями спеціального призначення, до складу яких входять піротехнічні суміші (трасери, запальні суміши), за винятком бронебійних, спрямовуються на знищення (випалювання в спеціально обладнаних печах).
У розділі 3 була описана експериментальна імпульсна газодинамічна установка, принцип роботи якої може бути використаний для проектування промислової роторної установки (рис. 7).
|
Рис. 7. Принципова схема роторної установки для демонтажу патронів: 1 – ротор завантаження контейнера; 2 – робочий ротор демонтажу; 3 – ротор видалення демонтованих елементів патрона і зняття контейнера для перезавантаження; 4 – ротор зарядження енергоносія для створення імпульсу сили в робочому роторі; 5 – станина роторної машини |
Роторні машини паралельної дії набули найбільшого поширення для виготовлення деталей масового виробництва, оскільки вони забезпечують велику продуктивність порівняно із звичайними однопозиційними машинами. Такі машини конструктивно складаються з ряду роторів, що пов'язанні між собою на одній загальній станині і мають один загальний привід, який повідомляє всім роторам синхронне обертання.
Проведено техніко-економічне обґрунтування інерційного методу утилізації авіаційних патронів, який підтвердив економічну ефективність шляхом повторного використання отриманих елементів спорядження (очікуваний економічний ефект складає 119 тис. грн.).
ВИСНОВКИ
Згідно з поставленою метою, а також сформульованими та вирішеними задачами в дисертації отримані такі результати:
1. Запропонована технологія утилізації дрібнокаліберних боєприпасів, основана на використанні інерційного методу демонтажу, для авіаційного стрілецько-гарматного озброєння дозволяє не тільки безпечно демонтувати унітарні патрони 7,62 -12,5 мм, але і раціонально використовувати їх окремі елементи спорядження (гільзу, кулю) у виробничому процесі нових боєприпасів, що істотно скорочує терміни виготовлення та їх вартість.
2. Вибраний критерій безпеки, що дозволяє виключити ініціацію капсуля, забезпечує безпечний демонтаж стрілецько-гарматних авіаційних боєприпасів і “екологічну чистоту” пропонованої технології утилізації.
3. Теоретичні дослідження з використанням методу скінчених елементів дозволили отримати достовірні дані про величину і характер зміни напруги та деформацій, зокрема для патронів калібру 9Ч18 ПМ і 9Ч19 “Parabellum” і 7,62Ч39, зразки яких були використані для натурних досліджень. На основі даних про параметри напружено-деформованого стану в їх вузлах кріплення куль і гільз було визначено розрахункові значення витягуючого зусилля і досліджено вплив на цей параметр величини натягу і перекосу.
4. Запропонований алгоритм, що враховує конструктивні особливості зразків патронів, які піддаються утилізації, і ряд технологічних факторів, що мають відношення до умов обтиску і кріплення їх компонентів, дозволяють теоретично визначити такі технологічні параметри утилізації, як зусилля витягання кулі, швидкість зіткнення, масу контейнера.
5. Найбільш простим і ефективним методом дослідження інерційного процесу демонтажу елементів спорядження боєприпасів є прямий динамічний метод, що дозволяє досліджувати вплив окремих конструктивних особливостей вузлів кріплення елементів спорядження боєприпасів на величину витягуючого зусилля і значення швидкостей зіткнення, при яких починається процес витягання кулі з дульця гільз і повний її вихід.
6. Отримана в ході проведення експерименту інформація про характер зміни параметрів інерційного процесу демонтажу елементів спорядження боєприпасів дозволила за допомогою апроксимації отримати для них емпіричні залежності, які мають практичне застосування для процесу проектування спеціального технологічного устаткування для утилізації стрілецько-гарматних авіаційних боєприпасів.
7. У ході проведених експериментів було встановлено, що при інерційному методі демонтажу елементів спорядження останні практично не отримують пластичних деформацій, що робить можливим їх повторне використання при виробництві таких же видів боєприпасів після незначних доопрацювань. Це в основному стосується дульців гільз, що потребують подальшого калібрування.
8. Запропоновані схеми нестандартного устаткування для демонтажу унітарних патронів дозволяють проводити його швидке переналадження для розбирання виробів різних калібрів і реалізувати найбільш раціональний технологічний процес розбирання.
9. Проведений техніко-економічний аналіз підтвердив високу економічну ефективність утилізації унітарних патронів інерційним методом за рахунок повторного використання отриманих елементів спорядження при виготовленні нових патронів, а також використання кольорових металів в інших виробах. Застосування роторної установки для демонтажу унітарних патронів дозволяє безпечними методами провести їх утилізацію і тим самим знизити техногенну напруженість у місцях їх зберігання.
ПУБЛІКАЦІЇ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ
1. Кобрин В.Н., Полищук Е.А. Исследование проблемы утилизации списанных боеприпасов // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: Сб. науч. тр. – Х.: Нац. аєрокосм. ун-т “ХАИ”.- 2005. - Вып. 27. - С. 190 - 194.
2. Исследование процесса демонтажа авиационных мелкокалиберных боеприпасов / Н.В. Нечипорук, А.В. Коломийцев, Е.А.Полищук, Н.В. Кобрина // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: Сб. науч. тр. – Х.: Нац. аэрокосм. ун-т “ХАИ”. - 2005. - Вып. 28. - С. 144 - 147.
3. Нечипорук Н.В., Полищук Е.А. Состояние проблемы утилизации авиационных боеприпасов для систем вооружения летательных аппаратов // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: Сб. науч. тр. – Х.: Нац. аэрокосм. ун-т “ХАИ”. - 2005. - Вып. 29. - С. 144 - 148.
4. Нечипорук Н.В., Полищук Е.А., Кобрина Н.В. Основные положения технологии утилизации патронов к стрелковому оружию // Вестник Национального технического университета “ХПИ”: Сб. науч. тр. Тематический выпуск: Новые решения в современных технологиях. – Х.: НТУ “ХПИ”, 2005. - Вып. 43. - С. 9 – 13.
5. Нечипорук Н.В., Полищук Е.А., Кобрина Н.В. Исследование процесса демонтажа авиационных мелкокалиберных боеприпасов // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии: Сб. науч. тр. Х.: Нац. аэрокосм. ун-т “ХАИ”. - 2006. - Вып. 30. - С. 179 - 182.
6. Нечипорук Н.В., Полищук Е.А., Кобрина Н.В. Экспериментальные исследования параметров инерционного процесса демонтажа элементов снаряжения авиационных боеприпасов // Авиационно-космическая техника и технология. - Х: Нац. аєрокосм. ун-т “ХАИ”. - 2006. - Вып. №3(29). - С. 5 - 9.
АНОТАЦІЯ
Поліщук О.О. Технологія інерційного способу утилізації авіаційних боєприпасів з урахуванням критерію безпеки. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.07.04 – технологія виробництва літальних апаратів. Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", Харків, 2006.
Робота присвячена розробці технологічного процесу утилізації авіаційних боєприпасів для ствольних систем озброєння літальних апаратів, що базується на інерційному методі демонтажу елементів спорядження боєприпасів, який забезпечує високий ступінь екологічної безпеки виробничих процесів і навколишнього середовища, а також вторинне використання комплектуючих у виробництві. Проведено числове моделювання напружено-деформованого стану у вузлах кріплення елементів спорядження авіаційних боєприпасів за допомогою методу скінчених елементів.
За допомогою прямого динамічного методу досліджено вплив окремих конструктивних особливостей вузлів кріплення елементів спорядження боєприпасів на величину витягаучого зусилля і значень швидкостей співудару, при яких починається процес демонтажу. Експериментальні дані про характер змінення параметрів інерційного процесу дозволили за допомогою апроксимування отримати емпіричні вирази, що мають практичне значення для проектування спеціального технологічного обладнання, і визначити його характеристики. Розробка технологічного обладнання дасть можливість безпечно утилізувати боєприпаси і тим самим знизити техногенну напруженість у місцях їх зберігання.
Результати роботи впроваджені у навчальний процес Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, а також у експертну практику лабораторії судових балістичних і вибухотехнічних досліджень ХНДІСЕ ім. засл. професора М.С. Бокаріуса.
Ключові слова: літальний апарат, авіаційне озброєння, унітарний патрон, витягаюче зусилля, метод скінчених елементів, напружено-деформований стан, прямий динамічний метод.
АННОТАЦИЯ
Полищук Е.А. Технология инерционного способа утилизации авиационных боеприпасов с учетом критерия безопасности. – Рукопись.
Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.07.04 – технология производства летательных аппаратов. Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского "Харьковский авиационный институт", Харьков, 2006.
Работа посвящена разработке технологического процесса утилизации авиационных боеприпасов для ствольных систем вооружений летательных аппаратов, основанной на инерционном методе демонтажа элементов снаряжения боевых припасов, обеспечивающего высокую степень экологической безопасности производственных процессов и окружающей среды, а также вторичное использование комплектующих в производстве. Проведено численное моделирование напряженно-деформированного состояния в узлах крепления элементов снаряжения авиационных боеприпасов с помощью метода конечных элементов. Предложен алгоритм расчета технологических параметров оборудования для демонтажа элементов снаряжения боеприпасов, который учитывает конструктивные особенности утилизируемых патронов и ряд технологических факторов, которые относятся к условиям обжима и крепления их компонентов. С помощью прямого динамического метода экспериментально исследовано влияние отдельных конструктивных особенностей узлов крепления элементов снаряжения боеприпасов на величину извлекающего усилия и значений скоростей соударений, при которых начинается процесс демонтажа. Предложен и обоснован критерий безопасности проведения процесса утилизации инерционным методом. Проведенный технико-экономический анализ показал экономическую эффективность утилизации, основанной на инерционном процессе демонтажа, благодаря использованию полученных элементов снаряжения в повторном технологическом процессе изготовления новых патронов и применения цветных металлов для изготовления других изделий. Разработка технологического оборудования позволит безопасно утилизировать боеприпасы и тем самым снизить техногенную напряженность в местах их хранения.
Результаты работы внедрены в учебный процесс Национального аэрокосмического университета им. Н.Е. Жуковского “ХАИ”, а также в экспертную практику лаборатории судебных баллистических и взрывотехнических исследований ХНИИСЭ им. засл. профессора Н.С. Бокариуса.
Ключевые слова: летательный аппарат, авиационное вооружение, унитарный патрон, извлекающее усилие, метод конечных элементов, напряженно-деформируемое состояние, прямой динамический метод.
SUMMARY
Polischuk E.A. Technology of inertial method of utilization of aviation ammunition taking into account safety criterion. - Manuscript.
Thesis for obtaining Candidate of Technical Sciences degree in specialty 05.07.04 – technology of the aircrafts production. – The National Aerospace University named after N.Y. Zhukovsky “Kharkov aviation institute”, Kharkov, 2006.
The thesis deals with the development of the manufacturing process of utilization of aviation ammunition for a barrel armament of flying vehicles, based on inertial method of dismantling of ammunition arming elements, which provides high level of environmental safety of both manufacturing processes and environment, accompanied with secondary use of components in manufacturing. Numerical modeling of the deformation mode in attachment points of ammunition arming elements using finite-element method was being accomplished. Influence of some constructive features of attachment points of ammunition arming elements on value of extracting force was being investigated with the straight dynamic method. Carried out technical and economic analysis have shown profitability of utilization accomplishment, which is reached because of use of the obtained arming elements in a repeated manufacturing process of shells production and also because of presence of non-ferrous metals in such products.
Key words: flying vehicle, aviation ammunition, unitary shell, extracting force, finite-element method, deformation mode, straight dynamic method.
________________________________________________________________________________
Відповідальний за випуск: В.В. Вамболь
Підписано до друку 28,12,2006
Умов. друк. арк. 1,0. Замовлення №11
Наклад 100 прим.
________________________________________________________________________________
Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського
“Харківський авіаційний інститут”
61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17
Видавничий центр “ХАІ”