Способ определения характеристик чувствительности взрывчатых веществ к динамическим нагрузкам
Изобретение относится к измерительной технике. Способ включает возбуждение взрыва монотонным наращиванием амплитуды динамического нагружения при ряде фиксированных частот, что позволяет определить динамическую частотную характеристику системы, частоту собственных сдвиговых колебаний этой системы и рассчитать динамическую тангенциальную жесткость. Технический результат - повышение достоверности определения и повышение безопасности работы. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к методам исследования взрывчатых веществ /ВВ/ и может использоваться в процессе испытаний ВВ на безопасность при механических воздействиях.
Известен способ определения чувствительности ВВ при ударе на копре, в соответствии с которым ВВ размещают между торцами двух роликов, сбрасывают на них груз, постепенно увеличивают высоту сбрасывания груза, фиксируют высоту сбрасывания, при которой происходит взрыв, и по этой величине делают вывод о степени чувствительности ВВ к удару. Кроме того, определяют изменение во времени давления при ударе с помощью тензометрических датчиков и осциллографа, на осциллограммах наблюдают процесс выдавливания ВВ из пространства между торцами роликов и определяют сопротивление этому выдавливанию, от которого зависит возбуждение взрыва [1].
Способ испытаний ВВ на копре имеет принципиальные недостатки:
- условия испытаний не в полной мере соответствуют характеру механических воздействий при обработке и применении ВВ, в частности отсутствует нагружение постоянным давлением и циклической составляющей;
- результаты испытаний носят качественный характер, что ограничивает возможность их переноса в область технологии и эксплуатации ВВ.
Известен также способ испытаний на приборе Боудена-Козлова для определения чувствительности ВВ к трению [2]. При таких испытаниях ВВ зажимают между торцами двух роликов: закрепленного и подвижного. При горизонтальном ударе по боковой поверхности подвижного ролика возникает взрыв. Здесь трение имеет место независимо от текучести ВВ, что существенно отличает этот метод от испытаний на копре.
Такой метод лучше характеризует практическую опасность ВВ при механических воздействиях, но здесь также отсутствуют вибрационные нагрузки, которые имеют место в технологических процессах обработки ВВ и при применении ВВ, а результаты метода имеют лишь качественный характер.
Наиболее близким к предлагаемому является метод определения нижнего предела чувствительности к удару твердых ВВ по ГОСТ 4545-88 [3]. В соответствии с этим способом взрывчатое вещество размещают между торцами двух роликов, подпрессовывают, прикладывают к нему динамическую нагрузку, постепенно увеличивают ее величину и фиксируют величину динамической нагрузки, которая возбуждает взрыв.
Достоверность определения характеристик чувствительности ВВ к динамическим нагрузкам по этому способу недостаточна, ибо при испытании не учитываются циклические нагружения ВВ, которые являются очень угрожающими в неизбежно возникают при обработке ВВ /смешивание, прессование, резание, шнекование/, транспортировке /тряска/, хранении /сейсмические колебания/, утилизации и других условиях. Результаты испытаний по этому способу даст лишь условную характеристику чувствительности ВВ, что ограничивает возможность переноса результатов испытаний на методы практической работы с ВВ.
В основу изобретения поставлена задача создать способ определения характеристик чувствительности взрывчатых веществ и динамическим нагрузкам, согласно которого возбуждение взрыва осуществляется циклическим нагружением ВВ в рабочем диапазоне частот, что позволяет увеличить достоверность способа приближением условий испытаний к условиям обработки и эксплуатации ВВ, а также охарактеризовать наиболее опасные частоты нагружения ВВ.
Технический результат, который можно получить при внедрении изобретения, состоит в повышении безопасности работы с ВВ благодаря возможности предупреждения угрожающих резонансов во взрывчатых веществах.
Поставленная задача решается за счет того, что в способе определения характеристик чувствительности взрывчатых веществ к динамическим нагрузкам, в соответствии с которым взрывчатое вещество размещают между торцами двух роликов, нагружают постоянным давлением, прикладывают к нему динамическую нагрузку, постепенно увеличивают ее величину и фиксируют величину динамической нагрузки, которая возбуждает взрыв, динамическое нагружение осуществляют по гармоническому закону при ряде фиксированных частот, на каждой из которых увеличивают амплитуду динамической нагрузки до момента взрыва, фиксируют величину этой амплитуды и определяют динамическую частотную характеристику системы /ролик - взрывчатое вещество - ролик/, как зависимость амплитуды динамической нагрузки, которая возбуждает взрыв, от частоты нагружения.
Такое выполнение способа позволяет получить характеристику чувствительности ВВ к действию циклических нагрузок разных частот, что приводит к повышению достоверности способа вследствие приближения условий испытаний к условиям обработки и применения ВВ.
В конкретных формах выполнения способа по минимальной величине амплитуды нормальной динамической нагрузки, которая возбуждает взрыв, на динамической частотной характеристике системы /ролик - взрывчатое вещество - ролик/ можно определить частоту собственных сдвиговых колебаний этой системы, то есть обозначить наиболее опасное для ВВ динамическое воздействие.
Кроме этого, появляется возможность расчитать динамическую тангенциальную жесткость взрывчатого вещества по формуле
где М1 и М2 - приведенные массы роликов,
ωв - частота собственных сдвиговых колебаний системы /ролик - взрывчатое вещество - ролик/.
Полученная величина С позволяет перенести результаты частотных испытаний ВВ на процессы обработки и применения взрывчатых веществ путем вычисления наиболее опасных частот нагружения технологических машин и зарядов ВВ.
Предложенный способ поясняется на фиг.1 чертежом устройства, которое реализует этот способ. На фиг.2 представлена схема устройства, а фиг.3 показывает условия получения динамических частотных характеристик системы /ролик - ВВ - ролик/, фиг.4 дает представление о методике частотных испытаний ВВ. На фиг.5 приведена типичная динамическая частотная характеристика системы /ролик - ВВ - ролик/.
Устройство /фиг.1/ содержит электродинамический вибростенд GRW, на столике 1 которого жестко закреплен ролик 2. В станину 3 вибростенда с помощью резиновых втулок 4 установлен магнитный корпус 5 из стального литья. Магнитный корпус внутри оснащен обмоткой 6. Вибрационная система, кроме рабочего столика 1, имеет ведущий стержень 7 и катушку 8. С помощью двух нижних 9 и двух верхних 10 плоских пружин система ведется в зазоре параллельно ему. Ток, который проходит через катушку 8, можно плавно изменять по силе и частоте. Таким образом, электродинамическая система силовозбуждения позволяет плавно регулировать амплитуду и частоту нагружения. В центре ролика 2 кучкой размещают навеску ВВ 11 /например, гексогена/, а сверху на нее с помощью груза 12 надавливают роликом 13. Ролик 13 жестко соединен с грузом 12.
Ролики 2 и 13 имеют возможность перемещения во втулке 14, жестко скрепленной с экраном 15, который опирается на кожух 16. Для измерения динамических нагрузок на ВВ служат проволочные тензодатчики 17, наклеенные на шейку ролика 13. При этом используется усилитель 18 /например, ТА-5/ и шлейфовый осциллограф /например, Н-700/. Тарировку датчиков 17 осуществляют путем дискретного изменения величины груза 12 при выключенном вибраторе и при отсутствии взрывчатого вещества 11.
На эквивалентной динамической схеме устройства /фиг.2/ введены следующие обозначения:
m1 - масса колебательного элемента,
m2 - масса верхнего ролика,
m3 - масса груза,
С1 - жесткость подвески подвижной системы электродинамического преобразователя,
C2 - нормальная жесткость взрывчатого вещества,
С3 - жесткость упругого элемента /шейки/ силоизмерителя,
Рп - постоянная составляющая нагружения ВВ,
P·sinωt - возмущающая сила,
ω - частота вынужденных колебаний,
t - время.
Методика испытаний ВВ на чувствительность к механическим воздействиям состоит в наращивании амплитуды вомущающей силы Р до момента взрыва и фиксации величины амплитуды нормального динамического нагружения взрывчатого вещества Рд, которое возбуждает взрыв. Испытания повторяют при ряде фиксированных частот нагружения ω и определяют динамическую частотную характеристику системы /ролик - ВВ - ролик/, как зависимость Рд от ω.
При этом надо иметь уверенность в том, что амплитуда динамической составляющей на силоизмерителе соответствует амплитуде циклического нагружения ВВ. Дело в том, что при статическом нагружении последовательно расположенные ВВ и измеритель нагружаются одинаково, а показания измерителя полностью соответствуют величине нагружения взрывчатого вещества. При работе устройства в динамическом режиме указанные величины /в общем случае/ не соответствуют друг другу. Относительная ошибка измерения амплитуды динамического нагружения ВВ составляет
где Рш - амплитуда циклического усилия на упругом элементе /шейке/ силоизмерителя непосредственно перед взрывом,
Рд - амплитуда нормального динамического нагружения ВВ, которое возбуждает взрыв.
Усилия, которые действуют в упругих элементах колебательной системы, можно представить в виде произведения жесткости соответствующих элементов и их абсолютной деформации:
где а1, а2, а3 - вертикальные перемещения масс m1, m2, m3.
Абсолютная деформация упругих элементов зависит от знака и амплитуды перемещений соединенных с ними сосредоточенных масс. Поэтому расчетное определение усилий, которые действуют в упругих элементах колебательной системы, сводится к определению соответствующих перемещений из системы дифференциальных уравнений движения:
где Р - амплитуда усилия, развиваемого возбудительным устройством.
Зависимости для перемещений:
где 
При установившемся процессе динамического нагружения испытательного стенда амплитудные значения усилий:
Тогда относительная ошибка измерения амплитуды Рд циклической составляющей нагружения ВВ, которое возбуждает взрыв:
В разработанном устройстве, в связи с малой жесткостью С1, можно принять С2-С1≈С2. Тогда
Таким образом, величина ошибки Е не зависит от m1 и C2. При больших значениях 
и малых значениях 
можно получить достаточно широкую область частот нагружеиия ω1<ω<ω2, в которой величина ошибки измерения Е будет незначительной. Так для разработанного устройства в диапазоне частот нагружения 25÷260 Гц имеем /фиг.3.а/ Е≤0,07.
Это позволяет снять динамические частотные характеристики системы /ролик - ВВ - ролик/ с приведенными массами роликов:
Приведенные расчеты справедливы лишь в случае, если возникающий в механической части системы колебательный процесс несущественно влияет на величину возбуждающей силы. Этого можно достичь использованием диапазона частот нагружения, в котором максимальная мощность возбудителя колебаний во много раз больше величины мощности, необходимой для возбуждения взрыва. В связи с этим обстоятельством на фиг.3,б схематично представлено соотношение максимального усилия Рmax, которое способен развивать электродинамический преобразователь в диапазоне частот ω1<ω<ω2, и максимальных усилий 
, необходимых для возбуждения взрыва.
На основании приведенного анализа установлена возможность применения предложенного способа для определения динамических характеристик системы /ролик - ВВ - ролик/ в диапазоне частот нагружения 25÷260 Гц.
Типовые осциллограммы испытаний ВВ на чувствительность к циклическим нагрузкам разных частот имеют вид, приведенный на фиг.4. Взрывы возбуждаются в момент времени t0 нормальной динамической нагрузкой с амплитудой Рд. Осциллограммы свидетельствуют о том, что /благодаря эффекту вибропрессования/ колебания взрывчатого вещества до момента взрыва имеют, главным образом, упругий характер.
Типичная динамическая частотная характеристика системы /ролик - ВВ - ролик/ показана на фиг.5 сплошной линией. Поле взрывов заштриховано, а его границы обозначены пунктиром.
Случай, приведенный на фиг.4,а, соответствует частоте нагружения ω1, на фиг.4,б - частоте ωв, а на фиг.4,в - частоте ω2.
Известно, что взрыв происходит только при достаточно высоких напряжениях сдвига в ВВ /при стендовых испытаниях - в плоскости торцов роликов/. При нормальных вынужденных колебаниях взрывчатого вещества неизбежно возникают его тангенциальные колебания, которые и обусловливают взрыв. Когда частота циклического нагружения ВВ ω приближается к частоте ωв собственных сдвиговых колебаний системы /ролик - ВВ - ролик/, деформация сдвига ВВ резко возрастает, наступает явление резонанса. На динамической частотной характеристике системы /ролик - ВВ - ролик/ частоту ωв можно определить по минимальной величине амплитуды нормальной динамической нагрузки Рд, которая возбуждает взрыв.
По частоте собственных сдвиговых колебаний системы /родин - НВ - ролик/ 
можно вычислить динамическую тангенциальную жесткость взрывчатого вещества С.
Найденная предложенным способом величина С позволяет расчитывать наиболее опасные частоты вынужденных колебаний зарядов взрывчатых веществ и технологического оборудования для обработки ВВ. Выявленные угрожающие частоты нагружения ВВ позволяют оценить реальную опасность возникновения взрыва и разработать мероприятия по предотвращению резонанса во взрывчатых веществах.
С другой стороны, при помощи данного способа раскрыт механизм использования вынужденных колебаний с частотами ω≈ωв для инициирования зарядов взрывчатых веществ с пониженной чувствительностью.
Источники информации
1. Теория взрывчатых веществ. Сборник статей под ред. К.К.Андреева, А.Ф.Беляева, А.И.Гольбиндера, А.Г.Горста. М., Оборонгиз, 1963, с.97, фиг.2. Устройство для измерения давления во времени при ударе на копре.
2. Горст А.Г. Пороха и взрывчатые вещества. М., Машиностроение, 1972, с.43, рис.10. Узел прибора Боудена-Козлова для определения чувствительности ВВ к трению.
3. ГОСТ 4545-88. Вещества взрывчатые бризантные. Методы определения характеристик чувствительности к удару.
1. Способ определения характеристик чувствительности взрывчатых веществ к динамическим нагрузкам, в соответствии с которым взрывчатое вещество размещают между торцами двух роликов, нагружают постоянным давлением, прикладывают к нему динамическую. нагрузку, постепенно увеличивают ее величину и фиксируют величину динамической нагрузки, которая возбуждает взрыв, отличающийся тем, что динамическое нагружение осуществляют по гармоническому закону при ряде фиксированных частот, на каждой из которых увеличивают амплитуду динамической нагрузки до момента взрыва, фиксируют величину этой амплитуды и определяют динамическую частотную характеристику системы /ролик - взрывчатое вещество - ролик/, как зависимость амплитуды динамической нагрузки, которая возбуждает взрыв, от частоты нагружения.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что по минимальной величине амплитуды нормальной динамической нагрузки, которая возбуждает взрыв, на динамической частотной характеристике системы /ролик - взрывчатое веществе - ролик/ определяют частоту собственных сдвиговых колебаний этой системы.
3. Способ по п.2, отличающийся там, что расчитывают динамическую тангенциальную жесткость взрывчатого вещества по формуле
где M1 и М2 - приведенные массы роликов;
ωв - частота собственных сдвиговых колебаний системы /ролик - взрывчатое вещество - ролик/.
