Диссертация (Разработка и исследование индукционно-резистивного нагревателя для уничтожения боеприпасов), страница 20

Изфотографии и термограммы (рис. 5.13, а и б) видно, что осколки находятся в месте под боеприпасом и имеют температуру порядка 700°С. Остальная часть локализатора практически не нагревается и имеет температуру 450°С, которая была довзрыва.После нескольких подрывов на внутренней поверхности в месте размещения боеприпаса наблюдается увеличение температуры на 150 – 200°С (рис. 5.13,в). Однако за счет перераспределения через несколько минут температура выравнивается. Установлено, что месте локального перегрева быстрее образуется воронка из-за снижения прочностных свойств материала.

Это явление наблюдаетсятолько при уничтожении макетов с массой ВВ 0,7 кг, при меньшей массе перегревне наблюдается.Экспериментально установлено, что для исключения локального перегревалокализатора цикл уничтожения должен быть не менее 15–20 мин, что согласует-141ся с данными моделирования (Глава 4) для макетов боеприпасов с массой ВВ 0,7кг.а)б)в)Рис. 5.13. Фотография осколков (а), термограммы внутренней поверхности локализаторапосле одного (б) и нескольких (в) подрывов5.7.

Экспериментальное определение ресурса нагревателяОсновной целью экспериментов являлась оценка стойкости нагревателя кмногократному уничтожению боеприпасов. Для этого в АО «КНИИМ» проведеныресурсные испытания на опытном образце нагревателя (рис. 5.14) с использованием макетов боеприпасов без ОВ (рис. 5.15). С целью упрощения, на опытном образце нагревателя отсутствовал защитный кожух, и индуктор охлаждался за счетестественной конвекции [82].Рис.

5.14. Опытный образец нагревателя и макеты боеприпасовРесурсные испытания нагревателя показали, что:– производительность достигает 8 шт./ч, что превышает заданную 5–6 шт/ч;142– обеспечивается интенсивный нагрев боеприпасов с полной детонацией ВВ,о чем свидетельствуют мелкие осколки макетов;– не зафиксированы отказы уничтожения, что говорит о надежности работынагревателя в режиме уничтожения.Выявлено, что наибольшее разрушение локализатора возникает на его внутренней поверхности под местом размещения боеприпаса с образованием воронкиглубиной Нвн (рис.

5.15). С увеличением количества подрывов толщина стенкиуменьшается, а на наружной поверхности появляется выпуклость высотой Нн. Остальная часть внутренней поверхности имеет множественные вмятины глубинойне более 15 мм от осколков. После 2000 подрывов индуктор без защитного кожуха не получил повреждений и сохранил свою работоспособность.Рис. 5.15.

Схема деформации локализатора и фотография его внутреннейповерхностиВ результате испытаний определены критические деформации локализатораHвн = 40 мм, Нн ≤ 20 мм, при которых должна производиться его замена. При превышении этих значений может произойти заклинивание локализатора в индукторе, а также сквозное разрушение стенки локализатора и повреждение индуктора.Установлено, что при увеличении массы ВВ в боеприпасе ресурс локализатора уменьшается. В табл. 5.5 приведены экспериментальные данные о ресурсе локализатора и индуктора при уничтожении боеприпасов с разной массой ВВ [82].143Таблица 5.5. Ресурс работы нагревателяМасса ВВ, кг0,10,250,450,7Ресурс работы (количество подрывов)ЛокализаторИндуктор8000не менее 1000050001000не менее 5000300После многократных подрывов повыведены исследования механическихсвойств материала локализатора, в результате сравнения полученных данных с исходными установлено, что провалов прочности и пластичности не наблюдается,микроструктура материала остается без изменения.

На основании этого можносделать вывод, что магнитные свойства локализатора не изменяются и эффективность нагрева в процессе уничтожения не снизится.5.8. Разработка методики проектирования ИРН, апробация ивозможности ее примененияВ завершении теоретических и экспериментальных исследований ИРН сформулирована методика расчета параметров и выбора режимов работы (рис.

5.16).Проектирование ИРН в общем виде состоит из следующей последовательности действий:1. Исходя из длины Lб и диаметра Dб боеприпаса, выбираются размеры локализатора, при этом длина локализатора Lлок должна быть на 10–20% больше,чем Lб. Внутренний диаметр локализатора Dвн должен быть в 2–3 раза больше Dб,для обеспечения загрузки и выгрузки осколков. Кроме этого, при увеличениивнутреннего объёма локализатора снижается бризантное действие взрыва.2. На основании прочностных расчетов взрывного нагружения локализатора(Приложение А), выбирается толщина стенки локализатора S, при этом, учитываяконтактное действие взрыва в нижней части локализатора, стенка должна бытьтолще, чем в верхней. Рекомендуемая толщина стенки в нижней части составляетSmax =120 мм. Определяется тепловая мощность, поглощаемая локализатором при144взрыве Рвзр, которая складывается из тепловыделения при пластическом деформировании и передачи тепла от продуктов взрыва.Рис.

5.16. Блок схема методики проектирования ИРН3. На основании расчета кинетики разложения ВВ при его нагреве внутрибоеприпаса (Приложение Б) определяется температура Твн и допустимый перепадтемпературы ΔТвн по длине локализатора, исходя из заданного времени уничтожения. Определяется мощность, необходимая для нагрева локализатора Рнагр.4.

По найденным параметрам локализатора выбираются начальные размеры индуктора: длина Lинд, количество слоев n, зазор между индуктором и локализатором δ. Задается начальное значение тока в индукторе I.5. Проводится электромагнитный расчет нагревателя с определением тепловыделения в локализаторе Pлок и индукторе Pинд. Кроме этого, определяются напряжение, сопротивление и мощность в индукторе, которые в дальнейшем используются при разработке структурной модели (п. 10).6. Проводится газодинамический расчет естественной конвекции локализатора по найденному тепловыделению Pлок в п. 5.

В результате определяется коэффициент конвективной теплоотдачи локализатора αлок при заданной температу-145ре окружающего воздуха и давлении в камере уничтожения, который используется в качестве граничных условий в п. 8.7. Проводится газодинамический расчет принудительного охлаждения индуктора на основании тепловыделения Pинд, полученного в п. 5. В результате определяется коэффициент теплоотдачи индуктора αоб, который в дальнейшем используется в качестве граничных условий в п. 8. Кроме этого, определяется давление на входе в коллектор и выходе из индуктора, расход воздуха, начальная иконечная температуры.

Эти данные в дальнейшем используются для разработкиструктурной модели ИРН (п. 10) и подбора параметров системы подачи сжатоговоздуха.8. Проводится тепловой расчет нагревателя на основании данных, полученных в пп. 5, 6 и 7. В результате определяются температурные поля в локализаторе,которые сравниваются с требуемыми для уничтожения боеприпасов (п. 3).9. Если температурное поле в локализаторе не соответствует требуемому,корректируются параметры индуктора в п. 4 и проводится повторный расчет пп.5–8.10.

При достижении заданного температурного поля создается структурнаямодель системы регулирования температуры с использованием данных полученных в пп. 5, 6, 7, 8. Кроме этого, для учета теплообмена при уничтожении боеприпасов задается Рвзр и Рнагр, рассчитанные в п. 2 и 3 соответственно.11. Моделируется пусковой нагрев локализатора и режим уничтожения боеприпасов, в результате чего определяются время пускового нагрева и время циклауничтожения боеприпасов из условия максимального перегрева локализатора на50°С. Кроме этого, определяются коэффициенты усиления и передачи, которыеиспользуются при программировании промышленного контроллера.Разработанная методика проектирования может использоваться как в полномобъеме для разработки новой конструкции нагревателя, так и отдельными пунктами для модернизации существующих нагревателей. Недостатком математических моделей является то, что отсутствует программная связь между всеми ее146элементами (кроме электротепловой задачи), позволяющая в интерактивном режиме производить полный комплекс расчетов из одного интерфейсного окна.

Этообусловлено ограниченными вычислительными возможностями, имеющегосяперсонального компьютера, что не позволяет объединить все задачи в одну. Однако, программа ANSYS, имеет данную возможность и позволяет связать междусобой модели при использовании вычислительного кластера.С использованием разработанной методики спроектировано три варианта нагревателей для уничтожения различных типов боеприпасов, отличающихся размерами локализатора и индуктора (табл. 5.6).Таблица 5.6. Характеристики разработанных нагревателейПараметрНаружный диаметр локализатора Dнар, ммМасса локализатора Млок, кгДлина индуктора Lин, ммПолная мощность Р, кВАКоличество витков, штВарианты123140350 500250400 500600420 470182740180160 130Данные нагреватели были изготовлены в АО «КНИИМ», прошли предварительные и государственные испытания и внедрены на объектах по уничтожениюхимического оружия, что подтверждается актами о внедрении (Приложение Д).Безопасность и работоспособность нагревателей подтверждена положительнымзаключением экспертизы промышленной безопасности и разрешением на применение (приложение Д).В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработан промышленный образец ИРН (рис.

5.17), который включает локализатор, индуктор, защитный кожух, системы подвода электропитания и охлаждения. В данной конструкции локализатор выполнен со скосами, которые совмещаются с клиновыми поверхностями отбойника, для предотвращения вылета осколков. Локализатор установлен на двух стойках и зафиксирован от горизонтального и вертикального перемещений.147Рис.

5.17. Конструкция ИРН для уничтожения боеприпасов:1– локализатор; 2 – индуктор; 3 – защитный кожух; 4 – стойка; 5 – теплоизоляция; 6 –коллектор охлаждения; 7 – термопарыМногослойный индуктор размещен внутри защитного кожуха, имеющегособственные стойки, при этом между кожухом и локализатором имеется радиальный зазор. Конструктивная развязка индуктора и локализатора позволяет производить замену изношенного локализатора без демонтажа индуктора.Обмотка индуктора в четыре слоя наматывается на корпус внутри защитного кожуха, при этом выводы кабеля выводятся наружу через боковой патрубок вкожуха. Между слоями индуктора размещается коллекторная система охлаждения, представляющая собой перфорированную трубку с радиальными ответвлениями.