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

Таким образом, получена важная зависимость скорости де­ формации (сдвига) массы при ее течении в конусных каналах:

скорость деформации прямо пропорциональна производительно­ сти. тангенсу половины угла конического элемента и обратно пропорциональна кубу текущего радиуса.

Далее, необратимую деформацию (продольный сдвиг слоев массы относительно друг друга) при течении массы в конус­ ном элементе находим как интеграл скорости сдвига по оси конуса.

Проведя ряд несложных преобразований, получим:

L D = - 2 ln(R-Itqa / 2) = 2[ln(Æ- R+r)-lnR] = 2ln —.

Из (4.32) следует важный вывод: интегральная деформация в конусном элементе не зависит ни от угла конусности, ни от длины элемента, а является функцией только двух параметров: входного и выходного радиусов.

На рис. 96 графически в виде равных площадей представ­ лены деформации в двух конусных элементах, имеющих оди­ наковые радиусы, но различные углы конусности.

Итак, полученные зависимости являются основой инже­ нерных расчетов, позволяющих исследовать закономерности деформирования массы при ее течении в реальных аппаратах и оптимизировать как конструкцию аппаратов, так и техноло­ гические параметры переработки.

4.1.2.7 Внешнее трение

Закономерности внешнего трения баллиститных порохов по металлической подложке различной химической природы и физического состояния исследованы достаточно широко [87, 88, 94—96, 101, 115]. Однако полученные зависимости удель­ ной силы внешнего трения тц от температуры, давления, ско­ рости скольжения недостаточно корректны вследствие, в пер-

198

х (ось пресс-инструмента)

Рис. 96. Скорость и интегральная величина деформации при течении мас­ сы в конусных элементах с различными углами

вую очередь, методических погрешностей. Кроме того, интер­ вал исследования параметров, в котором производились измерения, не охватывал реальных условий переработки, в особенности, по давлению и скорости скольжения. Поэтому получаемые данные носили качественный, сравнительный ха­ рактер и не могли быть использованы для корректных инже­ нерных расчетов оборудования.

Этим обстоятельством, равно как и отсутствием экспери­ ментальных результатов по внешнему трению новых топлив, содержащих значительное количество твердых порошкообраз­ ных компонентов, и диктовалась необходимость работ по оп­ ределению удельной силы внешнего трения для условий пере­ работки топливной массы.

На рис. 97 представлена схема установки (машины трения ТР-6ММ) для определения параметров внешнего трения. Ра­ бочими органами машины являются вращающиеся с различ­ ной скоростью металлический диск с кольцевой канавкой, в которую вставляется топливное кольцо (диаметр — 30, ши­ рина — 4, толщина — 3 мм), и силоизмерительный ротор, приводимый во вращение электродвигателем через коробку передач.

19 9

Рис. 97. Схема и рабочий узел машины трения ТР-6ММ для исследова­ ния внешнего трения термопластов:

1 — привод; 2 — рабочий узел; 3 — гидросистема нагружения; 4 — ротор; 5 — образец; 6 — контр-тело; 7 — полость для теплоносителя

Гладкий рабочий диск прижимается к образцу снизу гидро­ цилиндром (через обогреваемый канал) с силой, обеспечиваю­ щей давление в требуемом диапазоне (0...30 МПа).

Для учета диссипативного фактора, который может суще­ ственно исказить результаты эксперимента, в металлический рабочий диск вмонтирована термопара, обеспечивающая изме­ рение температуры на поверхности трения.

Экспериментальные результаты определения удельной силы внешнего трения как функции давления, скорости скольжения и температуры для некоторых баллиститных топлив представ­ лены на рис. 98 — 100 (относительная погрешность измере­ ния — 10...15%).

Необходимо отметить несколько закономерностей, опреде­ ляющих внешнее трение баллиститных топлив по металличе­ ской поверхности.

Зависимость удельной силы внешнего трения от давления яв­ ляется линейной и с высоким коэффициентом корреляции ап­ проксимируется выражением тц = тй0 + кР, где тц0 — значение ординаты при Р = 0 на графике тм=ЛР)> Р — давление, с ко-

200

т;,-10'5. Па

201

v i o 5. Па

a

Рис. 100. Зависимость внешнего трения от температуры:

1 - АПДМ-2К; 2 - ВИК-2Д; 3 - РДМ-3; 4 - РСТ-4К; 5 - РСИ-12М

а — функция тц=У(7); б — энергия активации и функция 1пти= / ^ |

торым образец прижимается к подложке, к — коэффициент трения, равный тангенсу угла наклона графика тц ~АР)-

Тцо имеет физический смысл удельной силы внешнего тре­ ния при нулевом давлении, т. е. является в определенном смысле адгезионной составляющей при начальной поверхно­ сти контакта тел.

202

Рассматривая внешнее трение баллиститных топлив с точ­ ки зрения классической теории трения [116, 117], нужно было бы разделить тм на две составляющие: адгезионную тма и де­ формационную (гистерезисную) тиг, оценив вклад каждой из них, а также зависимость их от различных параметров (Р, 9, 7). Учитывая, однако, что даже для чистых металлов и поли­ меров это разделение довольно сложно и связано с экспери­ ментами на оптически зеркальных поверхностях и с примене­ нием смазки, в нашем случае оно практически невозможно, так как баллиститное топливо — сложная композиция, содер­ жащая в составе смазки (вазелиновое масло).

В любом случае выявить ту и другую составляющую в чис­ том виде довольно трудно и для инженерных целей не требу­ ется.

Приведенные на рис. 98 графики тм—J{P) для различных составов баллиститных топлив показывают:

— в исследованном диапазоне давления тц монотонно воз­ растает. Эти результаты не согласуются с ранее полученными [87, 88, 94 — 96, 101, 115] и являются более корректными вследствие меньших методических погрешностей. Надо отме­ тить, что это в большей степени согласуется и с данными, по­ лученными на других полимерных системах [116—121]

ис универсальным законом Кулона F = кР;

—зависимость тц =J{P), как отмечалось выше, имеет ли­ нейный характер;

—коэффициенты трения для различных составов при од­ ной и той же температуре отличаются довольно значительно,

ас повышением температуры существенно снижаются.

Влияние химического состава на тй не может быть выраже­ но в настоящее время математической моделью, однако неко­ торые положения могут быть сформулированы довольно четко:

—компоненты, которые могут служить смазкой на по­ верхности трения, существенно снижают тц и могут использо­ ваться как технологические добавки (вазелиновое масло, стеа­ раты, графит и др.);

—компоненты, имеющие высокий коэффициент трения на металлической подложке, должны быть достаточно тверды­

ми и не деформироваться, увеличивая поверхность контакта с поверхностью оборудования при рабочих давлениях на фазах переработки. По этой причине в составе баллиститных топлив не может использоваться чистый алюминий, имеющий недос­

203

таточную микротвердость. Значительное повышение микро­ твердости частиц алюминия достигается легированием послед­ него добавками магния, циркония, железа. Поэтому использу­ ются сплавы с магнием (АМД), железом (АМД-Ж) и др.;

— использование компонентов, вызывающих коррозию металлической поверхности (например, K2S04), приводит с те­ чением времени к росту деформационной (гистерезисной) со­ ставляющей и увеличению тц в целом. В связи с этим альтер­ нативное требование: вывод данного компонента из состава топлива или защита металлической поверхности от коррозии (хромирование, никель-фосфатирование и т. д.).

Зависимость внешнего трения от скорости скольжения

представлена на рис. 99 в логарифмических координатах, по­ казывающих допустимость для аппроксимации данной зависи­ мости степенной функцией. Коэффициенты степенной функ­ ции тм= ку&" при Т = 343 К и Р = 10 МПа представлены в табл. 20.

Явно выраженная зависимость внешнего трения от скоро­ сти скольжения не согласуется с классическим законом Амон- та-Кулона (коэффициент трения не зависит от скорости скольжения).

Коэффициенты степенного уравнения зависимости удельной силы внешнего трения от скорости скольжения

Более корректные исследования зависимости внешнего трения от скорости скольжения для металлов [117] показали, что можно считать справедливым соотношение:

где / — коэффициент трения, a, b, с, d — постоянные для различных пар скольжения и различных нормальных давле­ ний.

В зависимости от давлений наблюдается или некоторое по­ вышение / (при низких давлениях), или, напротив, снижение (при высоких давлениях). При средних давлениях коэффици­ ент трения при увеличении скорости скольжения меняется не­ значительно.

204