Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Остапенко Е.Н. 1

---

1 ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»

Дан краткий обзор возможностей строительных артиллерийских систем, предназначенных для застреливания строительных элементов в грунт. Показано, что существующие одноствольные строительные пушки способны застреливать сваи в грунт на расстояние до 4 м. Исходя из того, что в многоствольных артсистемах необходимо одновременное завершение предварительных периодов выстрела во всех стволах при различных условиях заряжания, поставлена задача аналитического описания этих периодов. При допущениях, принятых в классической термодинамической теории выстрела, получены соотношения, позволяющие определять продолжительности предварительных периодов для каждого ствола системы, что позволяет неравномерно воспламенять заряды в стволах с учетом одновременного завершения предварительных периодов выстрела. Приведен пример использования полученных в статье формул для двуствольной строительной пушки.

Статья в формате PDF

501 KB

строительный элемент

свая

пушка

внутренняя баллистика

основная задача внутренней баллистики

предварительный период выстрела

1. Маланин В.В., Пенский О.Г., Проничев А.А., Ракко А.Ю. Установка для погружения в грунт строительных элементов. Патент России № 2348757. – 2009. – Бюл. № 7.

2. Маланин В.В., Пенский О.Г. Сопряженные модели динамики импульсно-тепловых машин и проникания недеформируемых тел в сплошную среду: монография / Перм. ун-т. – Пермь, 2007. – 199 с.

3. Русяк И.Г., Ушаков В.М. Внутрикамерные гетерогенные процессы в ствольных системах: монография. – Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 2001. – 259 с.

4. Цирульников М.Ю., Хабибуллин Р.Х., Шафран С.Б., Гвиндяев Б.Н., Григорьев В.Н., Пенский О.Г. Установка для погружения строительных элементов. А.С. СССР 1258105. – 1986. – Бюл. № 9.

5. Pensky O.G. Engineering Construction Cannons: Theory and Practice // Journal of Civil Engineering. – 2013. – Vol.7, № 17. – P. 1–6.

В настоящее время создана математическая теория, разработаны и внедрены в промышленность одноствольные строительные артиллерийские орудия [5]. Применение на практике строительных пушек показало их большую эффективность в нефтегазовом и промышленном строительстве.

Однако основным недостатком созданных орудий является невозможность их использования для застреливания свай на большие глубины при помощи одного выстрела. Так, например, максимальная величина проникания свай в глинистый грунт с консистенцией 0,5 при использовании установки УЗАС-2, созданной на базе модернизированного крупнокалиберного артиллерийского орудия М-47 [4], составляет 3,8 м [2]. Поэтому перед разработчиками строительных пушек встала задача создания артсистемы, способной застреливать сваи на глубину до 8 м. В работе [1] была предложена принципиальная схема многоствольных откатных пушек. На рисунке приведена эта принципиальная схема.

Работает установка следующим образом. В стволы 1 вставляется фигурный поршень 3 с платформой 2, которая опирается на строительный элемент 4, упирающийся на поверхность грунта 5. Во время выстрела платформа 2 давит на сваю 4, в результате чего свая 4 проникает в грунт 5.

Принципиальная схема многоствольной строительной артиллерийской системы

При работе многоствольных строительных артсистем возникает задача выбора условий заряжания таким образом, чтобы предварительный период выстрела завершался одновременно в каждом орудии, входящем в многоствольную конструкцию, поэтому аткуальной является задача математического моделирования предварительных периодов выстрела для каждого из стволов.

Описание численно-аналитического способа

Пусть n – количество стволов, входящих в многоствольную артиллерийскую систему.

Введем следующие допущения:

1. Состав продуктов горения во время выстрела не меняется, величина силы пороха f и коволюма пороховых газов α постоянны.

2. Показатель адиабаты (θ + 1) пороховых газов принимается постоянным, равным некоторому среднему значению.

3. Предполагается, что строительный элемент стоит на месте, пока давление газов не достигает величины давления форсирования p_0,i, где i – номер ствола в многоствольной строительной артиллерийской системе, .

4. Растяжением стенок ствола при выстреле и прорывом газов через зазоры между строительным элементом и каналом ствола пренебрегается.

5. Орудия, входящие в многоствольную строительную артиллерийскую систему, имеют разные технические характеристики и условия заряжания.

6. При выстреле используется трубчатый зерненый порох.

Пусть известны значения давлений форсирования p_0,i, в каждом из стволов.

Согласно работе [3] относительную часть сгоревшего пороха в предварительном периоде выстрела можно рассчитать по формуле

где i – номер ствола; Ψ_0,i – относительная часть сгоревшего пороха в конце предварительного периода выстрела в стволе i;  – плотность заряжания; ω_i – масса заряда в стволе i, W_0,i – объем каморы в стволе i, δ – плотность пороха; f – сила пороха; p_0,i – давление форсирования в стволе i, здесь .

На основе работы [2] легко показать, что энергия Ei, выделяемая при горении пороховых газов в предварительном периоде выстрела в стволе i, описывается соотношением

где  – свободный объем каморы i-го ствола к моменту сгорания в ней части заряда Ψi.

Так как в предварительном периоде выстрела пороховые газы не совершают внешних работ, то справедливо равенство

которое влечет соотношение

(1)

Согласно геометрическому закону горения трубчатого зерненого пороха справедливо равенство [3]

(2)

где t – время; I_pi – импульс пороха в стволе i.

Подставляя соотношение (1) в выражение (2), получим равенство

(3)

Легко видеть, что соотношение (3) является обыкновенным дифференциальным уравнением в разделяющихся переменных, решение которого определяется формулой

(4)

где C_i – произвольная постоянная.

Так как первоначальное давление в каморах равно атмосферному pa, то будем считать, что справедливы соотношения

(5)

Учитывая равенства (5), можно вычислить значения C_i по формулам

Зная величины C_i, можно из соотношения (4) определить продолжительность t_i предварительного периода в каждом из стволов:

Пусть минимальное время горения заряда (ствол k) в предварительном периоде выстрела до достижения давления форсирования p_0,k. Тогда очевидно, что воспламенять заряды в стволах многоствольной артиллерийской системы нужно раньше, чем в стволе k на время λi, удовлетворяющее соотношению λ_i = t_i – t_k, t ≠ k.

Пример реализации способа

Рассмотрим использование предложенного способа расчета предварительных периодов выстрела для двуствольной строительной артиллерийской системы, условия заряжания которой приведены в табл. 1.

Таблица 1

Условия заряжания

Таблица 2

Результаты расчетов

Расчетное время опережения порохового заряда в каморе первого ствола относительно воспламенения пороха в каморе второго ствола (табл. 2) составило 0,00048 с.

Заключение

Таким образом, предложенный в статье аналитический способ оценки времени воспламенения пороховых зарядов в камерах многоствольных строительных артиллерийских орудий позволяет без применения приемов программирования получить необходимые характеристики предварительных периодов выстрела, что облегчает проектирование и расчет строительных артсистем.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (базовая часть государственного задания на проведение научно-исследовательских работ).

Пенский О.Г., д.т.н., доцент, профессор кафедры фундаментальной математики, Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь;

Ясницкий Л.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой прикладной информатики, Пермский государственный гуманитарно-педагогический университет, г. Пермь.

Работа поступила в редакцию 04.04.2014.

Библиографическая ссылка