Материал: Химия и технология баллиститных порохов, твердых ракетных и специальных топлив. Т. 2 Технология

Прямой поток — производительность пресса без противо­ давления.

Противоток — условный обратный поток в канале под действием сил давления и внешнего трения массы о поверх­ ность винта.

Утечки в зазоре между гребнем винта и поверхностью втулки являются следствием осевого градиента давлений и сил внешнего трения по поверхности втулки.

Количественно две последних составляющих потока опре­ деляются градиентом давления по оси канала и по оси пресса. Градиент давления по оси канала называется напорностыо1 пресса и характеризует способность пресса преодолевать со­ противление (развивать давление) на участке, равном единице длины канала.

С качественной стороны напорность характеризует способ­ ность пороха удерживаться на рифах втулки без сдвига его в направлении, противоположном движению.

Количественно она определяется предельным напряжением среза в слое между гребнем винта и поверхностью втулки. То есть напорность зависит только от свойств массы и геометри­ ческих размеров канала винта. Сопротивление на выходе из пресса не влияет на величину напорности, а только на длину напорной зоны. При увеличении сопротивления (давления) пресс-инструмента длина прессующей части канала увеличива­ ется, при уменьшении — сокращается. Связь этих двух вели­ чин (РвЬ1Хи 1пресс) при условии постоянства напорности по дли­ не канала прямо пропорциональна. На производительность пресса величина противодавления не влияет до определенного предела. Этот предел характеризуется, с одной стороны, мак­ симальной длиной напорной зоны, при которой зона уплотне­ ния еще не сказывается на степень заполнения винта в зоне загрузки. С другой стороны, при значительной длине винта и, следовательно, большой по длине допустимой напорной зоне повышенный тепловой разогрев пороха приводит к повыше­ нию температуры массы в канале и, следовательно, к умень­ шению вязкости пороха и предельного напряжения на срез. При этом снижается напорность винта, и может увеличивать­ ся противоток, снижая тем самым производительность. Одна­ ко уменьшение напорности пресса однозначно не определяет

1Иногда под напорностыо пресса понимают максимально развиваемое прессом давление при работе всей напорной зоны.

301

снижение его производительности, ибо напряжения в порохе по сечению канала при этом падают.

В данном случае величина обратного потока будет зависеть от интенсивности снижения предельного напряжения среза и вязкости пороха. Если вязкость пороха с ростом температу­ ры снижается значительнее, чем напряжение на срез, произво­ дительность пресса упадет. В противном случае она возрастает.

Учитывая неравномерное распределение скоростей сдвига по сечению канала и максимальное их значение именно в зо­ не рифов, следует здесь же ожидать и большего разогрева по­ роха. То есть повышение температуры должно более сущест­ венно сказываться на снижении предельного напряжения сре­ за, нежели вязкости пороха. Таким образом, при прочих равных условиях локальные тепловыделения в зазоре, снижая напорность пресса, должны несколько увеличивать его произ­ водительность. На практике же чаще имеет место первое явле­ ние: снижение напорности приводит к недопустимому росту длины запрессованной зоны, выходу зоны уплотнения непо­ средственно к бункеру и снижению степени заполнения межвиткового объема. Создаются критические условия: незначи­ тельное увеличение давления на входе в пресс-инструмент не может быть преодолено прессом, исчерпавшим свои возмож­ ности по дальнейшему увеличению длины напорной части. Пороховая масса вместе с винтом начинает вращаться и разо­ греваться до температуры воспламенения. Это явление носит название «срыв массы с рифов». Оно может иметь место и при малой длине напорной зоны в области низких противо­ давлений в случае, если пороховая масса совершенно не по­ ступает в пресс («отсутствие питания», «зависание в бункере»).

Синхронность работы загрузочной и прессующей зон в значительной мере сказывается на напорности пресса. Уменьшение степени заполнения винта в зоне загрузки («недопитка») снижает напорность вследствие повышения интен­ сивности сдвиговых процессов и локальных температур в зазо­ ре (порох в напорной части как бы ждет, оставаясь на месте, подачи следующей порции массы из зоны загрузки). Увеличе­ ние производительности загрузки выше производительности прессующей зоны запрессовывает винт, искусственно снижая его напорность.

И то, и другое снижение напорности может быть настоль­ ко существенным, что приведет к загоранию пороха в услови-

302

ях, далеких от критических для нормально работающей прес­ сующей зоны.

Следовательно, загрузочная зона должна подавать столько порохового полуфабриката в прессующую зону, сколько по­ следняя может в данных конкретных условиях выдать в виде результирующего потока (с учетом противотока и утечек). От­ клонение в ту и другую сторону ухудшает работу пресса, по­ вышая опасность процесса и снижая качество изделий.

Условие синхронизации производительностей двух зон приводит к следующему равенству:

а — коэффициент, учитывающий противоток; f$ — коэффици­ ент, учитывающий утечки; р — плотность пороха в прессую­ щей зоне; i|/] — коэффициент, учитывающий степень заполне­ ния межвиткового объема; \|/2 — коэффициент, учитывающий объемную долю вращения материала вместе с винтом; d — на­ сыпная плотность полуфабриката; А — глубина канала винта;

градиенты давлений по оси канала и по оси пресса; FT — си­ ла сцепления между пороховыми элементами.

Из этого соотношения получаем важнейшую характеристи­ ку винта — степень сжатия, т. е. соотношение сечений канала в загрузочной и прессующей зонах:

Итак, на основании вышеизложенного можно сформулиро­ вать следующие направления исследования процесса прессова­ ния с разработкой математических моделей:

—градиента давлений в канале винта;

—производительности прессующей зоны с учетом проти­ вотока и утечек;

—тепловых процессов и распределения температур;

зоз

— затрат мощности и удельной мощности прессования;

— определение коэффициентов v|/1( vjt2 в загрузочной зоне;

— исследование критических условий прессования: «срыв массы с рифов», «недопитка», локальные тепловые разогревы до температуры воспламенения и пр.

4.4.2 Напориость пресса (градиент давления) и максимально развиваемое прессом давление

В основу вывода уравнения для напорности пресса поло­

и внутренней поверхностью втулки, равно предельному напряже­ нию сдвига, аппроксимированному к нулевой скорости. Предста­ вим два случая неравенства: напряжение сдвига больше на­ пряжения среза и второй — меньше предельного напряжения сдвига.

В первом случае порох будет двигаться, срезаясь на рифах, назад до тех пор, пока сила, удерживающая его на рифах, не сравняется с силой, толкающей пороховой элемент назад, т. е. пока напряжение сдвига не сравняется с предельным напря­ жением сдвига (напряжением среза).

Во втором случае порох в канале винта может выдержать, не сдвигаясь по рифам назад, более высокий градиент давле­ ния и, следовательно, он вынужденно продвигается вперед до тех пор, пока вследствие увеличения градиента давления на­ пряжение сдвига не приблизится к предельному. Таким обра­ зом, градиент давления в канале винта соответствует предель­ но-напряженному состоянию пороха в слоях, граничащих со втулкой пресса, т. е. прессование относится к таким процес­ сам, когда порох находится на пределе своих механических возможностей и не может отступить от этого предела как в ту, так и в другую сторону. Следовательно, условие равновесия сил в канале может быть выражено равенством напряжений сдвига напряжениям среза в слоях пороха, граничащих со втулкой.

Рассмотрим баланс сил, действующих на элемент массы в канале винта. Необходимые обозначения конструктивных параметров винта (для цилиндрического и конусного) приве­ дены на рис. 150.

На пороховой элемент по сечению канала с толщиной, равной dZ, действуют следующие силы (рис. 151а):

— противодавление:

304

— внешнее трение по винту:

т™(b+2h)dZ,

— составляющая силы нормального давления реборды, преодолевающей силы трения массы по втулке (рис. 1516):

Рис. 150. Геометрические параметры винта пресса:

De — внутренний диаметр винта; D„ — наружный диаметр винта; h, в — глубина и ширина канала винта; / — ход винта; z — число заходов винта; а ; — угол конусного винта; а 2 — угол сердечника винта; i K — длина шага винтовой линии; <р — угол подъема винтовой линии

305