Обзор литературы по герметизации шахт

ВВЕДЕНИЕ

Подземные взрывы в угольных шахтах являются смертельно опасными событиями и постоянной угрозой, для смягчения которой шахтеры и инженеры должны прилагать большие усилия. Длительный процесс образования угля также приводит к образованию газа метана, который, особенно в глубоко залегающих угольных жилах, не может выйти наружу до тех пор, пока горные работы не нарушат уголь. Пока газ метан в пластах находится под более высоким давлением, чем окружающий воздух, и имеет возможность выхода, он будет постоянно выходить в горные выработки. Это приводит к потенциально взрывоопасным условиям, когда метановоздушная смесь достигает нижнего предела взрываемости. MSHA (Управление по безопасности и охране труда на шахтах) требует от подземных угольных шахт либо проветривать все участки шахты, чтобы исключить риск взрыва метана, либо отгораживать заброшенные участки уплотнениями, которые обычно изготавливаются из бетона или другого невоспламеняющегося материала. Требуемая прочность этих уплотнений зависит от типа атмосферы за (внутри) уплотнением, либо 50 фунтов на квадратный дюйм (345 кПа) для инертной и контролируемой атмосферы, 120 фунтов на квадратный дюйм (827 кПа) для неинертной и неконтролируемой, и более 120 фунтов на квадратный дюйм (827 кПа) для особых случаев. Уплотнения должны быть рассчитаны на сопротивление этим давлениям в течение четырех секунд.Избыточное давление - не единственная опасность взрыва под землей. Из-за замкнутого характера таких взрывов за ударной волной образуется длинный промежуток воздуха высокой скорости и высокого давления, который распространяется по всей шахте и способен привести в движение любые предметы в шахте с очень высокой скоростью. Крупные или тяжелые предметы, такие как валуны, болты кровли и оборудование, в случае взрыва могут быть подняты и выброшены в герметичную шахту. Эти объекты могут достичь скорости более 700 футов/с (213 м/с) на основе моделирования взрыва, при котором 120 фунтов на квадратный дюйм (827 кПа) было приложено к репрезентативной шахте в течение четырех секунд. Хотя минные уплотнения предназначены для того, чтобы выдерживать высокое давление, они не предназначены для того, чтобы выдерживать удар. Целью данного исследования было спроектировать, изготовить и испытать генератор снарядов, способный приводить в движение различные типичные шахтные материалы до необходимой скорости, и изучить их воздействие на шахтные уплотнения, одобренные MSHA, под давлением 50 фунтов на квадратный дюйм (345 кПа) и 120 фунтов на квадратный дюйм (827 кПа).1 ИСТОРИЯ1.1 Обзор литературы по герметизации шахтМетан выделяется из большинства угольных пластов непрерывно после добычи и во многих шахтах накапливается до нижнего и верхнего пределов взрывоопасности в соотношении метана и воздуха от 5 до 16%, а затем переходит их. Шахты, расположенные близко к поверхности, или те, в которых имеются прорывы, приводящие к обмену воздухом с текущими выработками или поверхностью, могут никогда не преодолеть верхний предел взрывоопасного соотношения и будут оставаться опасными в течение всего срока эксплуатации шахты. Для повышения безопасности MSHA считает атмосферу инертной в диапазоне менее 3% метана или более 20% метана. Если показания находятся в диапазоне от 4,5% до 17% метана, а кислорода - 10% или более, необходимо принять срочные меры для атмосфер, находящихся за уплотнениями с давлением менее 120 фунтов на квадратный дюйм (827 кПа).Исторически сложилось так, что старые горные выработки закрывались с помощью самых разнообразных стен или уплотнений, включая уплотнения, построенные из небольших отдельных цельных блоков, шлакоблоков (бетонных кладочных блоков или CMU), залитого бетона, железобетона, стен из глыб (пустой породы), древесины и других материалов и методов. Катастрофа на шахте Саго 2 января 2006 года и последующее расследование заставили MSHA разработать более строгие и надежные требования к герметизации угольных шахт. До этого события уплотнения шахт, подобных той, что была на шахте Саго, должны были выдерживать только 20 фунтов на квадратный дюйм (138 кПа) на основании исследования USBM 1992 года; а до этого не существовало стандартов для уплотнений шахт, рассчитанных на давление (Гейтс и др., 2007). Уплотнения на шахте Саго были построены из бетонных блоков и блоков летучей золы, скрепленных цементом, и были сделаны простыми, недорогими в строительстве и легкими в установке. В результате опросов и расследования MSHA установило, что уплотнения были разрушены, а отдельные блоки выброшены в шахту. рабочих зон шахты во время взрыва, который первоначально произошел на внутренней, невентилируемой стороне шахты. Воспламенение, вероятно, произошло в результате удара молнии, которая вызвала искру, проскочившую через металлическую арматуру в шахте, воспламенив метановоздушную смесь. В отличие от других взрывов на угольных шахтах, угольная пыль, все еще присутствующая в шахте, не способствовала взрыву. По оценкам MSHA, давление за уплотнением в момент его разрушения могло достигать более 90 фунтов на квадратный дюйм (655 кПа), что намного больше, чем 20 фунтов на квадратный дюйм (138 кПа), на которые было рассчитано уплотнение.После этого случая MSHA приняло решение о трех различных стандартах давления для шахтных уплотнений, обоснование которых приведено в отчете NIOSH IC 9500. Производители шахтных уплотнений могут представлять проекты уплотнений на утверждение в MSHA, которое ведет список всех утвержденных уплотнений. Конструкции шахтных уплотнений рассчитаны на проемы разного размера и требуют различной толщины бетона или слоев КМУ в зависимости от расчетного давления. Согласно требованиям MSHA, уплотнения должны выдерживать давление 50 фунтов на квадратный дюйм (345 кПа) в течение четырех секунд, если атмосфера за уплотнением инертна, и 120 фунтов на квадратный дюйм (827 кПа) в течение четырех секунд, если атмосфера не контролируется. В настоящее время ни одно уплотнение не утверждено для давления свыше 120 фунтов на квадратный дюйм (827 кПа).Производители шахтных уплотнений представляют проекты в MSHA для утверждения после завершения инженерно-конструкторских работ. Конструкции уплотнений не подлежат полевым испытаниям из-за высокой стоимости и сложной логистики испытаний; инженеры используют программы анализа CAD и инженерные уравнения для оценки свойств сопротивления давлению своих конструкций. Конструкции могут включать монолитные блоки с армированием или без него, блоки CMU, а также бокаловидные уплотнения, созданные путем нагромождения пустой породы для формирования барьера. Уплотнения, испытанные в ходе данного исследования были монолитные бетонные блоки, один с армированием (называемый армированным уплотнением) и один без армирования (называемый пробковым уплотнением).1.2 Обзор литературы по черному порохуИспытания строительных материалов часто проводятся при испытании на воздействие атмосферных явлений. Ударные испытания конструкций обычно проводятся с использованием пневматических пушек (сжатого воздуха) для определения их устойчивости к экстремальным погодным явлениям. Этот вид испытаний предназначен для оценки стен, дверей и окон на предмет их устойчивости к обычным предметам, выбрасываемым торнадо и ураганами. Хотя пневматическая пушка изначально рассматривалась для данного исследования, быстро стало ясно, что любая пушка на сжатом воздухе может производить лишь скромную энергию снаряда (960 футо-фунтов или 1,3 кДж) по сравнению с генератором снарядов, работающим на сгорании (>73 800 футо-фунтов или 100 кДж). Легкие газовые пушки - еще один вид генератора снарядов, который мог бы быть полезен для проекта, но они ограничены снарядом малого диаметра в любом практическом орудии, требуют большой горизонтальной площади и очень дороги.Исходя из этих соображений, в качестве топлива был выбран стандартный черный порох, а для генератора снарядов - дульнозарядная конструкция, чтобы безопасно и экономически эффективно производить высокоскоростные снаряды. Черный порох относительно недорог, создает достаточное давление газа для достижения высоких скоростей и не способен создавать настолько большое давление газа, чтобы потребовалась дорогая конструкция оружия для его безопасного удержания.Исследования черного пороха проводились с начала и середины 1900-х годов, но эта область представляется довольно заумной из-за устаревания черного пороха как взрывчатые вещества. Перед Первой мировой войной военные заменили большую часть своего оружия на основе черного пороха на нитроцеллюлозное топливо, хотя во время войны было произведено более 10 миллионов фунтов для использования во взрывателях и старом огнестрельном оружии. Она до сих пор используется в некоторых видах военной техники, применяемых сегодня, например, в РПГ-7, в качестве надежного механизма воспламенения для других зарядов. Появление нитроглицеринового динамита устранило его использование в горнодобывающей промышленности. Устаревание черного пороха произошло до того, как было достигнуто полное понимание его свойств. При всей своей древности, как первого низкого взрывчатого вещества человечества, черный порох все еще не до конца изучен.Черный порох (или порох) классифицируется как метательное или слабое взрывчатое вещество, а не как взрывчатое вещество высокой мощности. Он не детонирует и не может детонировать при большинстве обстоятельств. Детонация по определению включает в себя образование ударной волны (волны давления), движущейся быстрее скорости звука в детонирующем материале, а черный порох вместо этого только горит, хотя и очень быстро, выделяя горячие газы и твердые продукты, но без ударной волны. Типичный черный порох состоит всего из трех компонентов: углерода (C) или древесного угля, серы (S) и нитрата калия (KN03). Их соотношение составляет примерно 75% нитрата калия, 15% древесного угля и 10% серы по весу и соответствует стехиометрической формуле:2 KN03 + 3C + S^K2S + N2 + 3 C02 (1)в которой при сгорании черного пороха образуются сульфид калия (K2S), двухатомный азот (N2) и двуокись углерода (C02). Однако это соотношение не было исторически согласовано; многочисленные алхимики и более поздние ученые (среди них знаменитый Роджер Бэкон) приписывали значительно отличающиеся формулы.Правильное стехиометрическое соотношение компонентов было известно к концу 18 века. Изменение соотношений не обязательно отражает ошибку со стороны тех средневековых ученых. Различные соотношения дают различные профили давления, которые могут быть более подходящими для того, чтобы использовать их в то время. Например, более высокое содержание серы, вероятно, облегчало воспламенение низкочистого раннего черного пороха. Следует отметить, что хотя сера и способствует увеличению количества образующихся газов, она не является строго необходимой. Основная задача серы - снизить температуру воспламенения, что облегчает воспламенение и ускоряет горение. Когда черный порох подвергается воздействию пламени, низкая температура плавления и температура горения серы выступает в качестве промежуточной ступени между пламенем воспламенения и относительно высокой температурой воспламенения нитрата калия и углерода.Порох, изготовленный с 15% серы, имеет температуру горения 1300° C (2372° F), что близко к максимально возможной температуре горения черного пороха 1350° C (2462° F). Согласно закону идеального газа, изменение температуры газа приводит к тому, что при линейном изменении давления. В целях безопасности в данной диссертации при расчете давления газа в качестве температуры реакции будет использоваться более высокая температура 1350° C. Лучший вид древесного угля, дерево, из которого он был произведен, и его точный химический состав - эти вопросы широко обсуждались и исследовались в средневековый период и в начале индустриальной эпохи. Фактически, этот вопрос остается актуальным и сегодня, и его влияние на производство газа будет обсуждаться далее в диссертации. Различные породы деревьев производят уголь разного состава и могут быть пригодны для получения различных эффектов в черном порохе и других веществах.До сих пор ведутся споры о том, как летучие вещества в древесном угле влияют на скорость горения; некоторые исследователи утверждают, что количество летучих веществ в древесном угле оказывает большое влияние на его реактивность и скорость горения. Как это было типично для ранних научных исследований, производство черного пороха было искусством, выработанным путем проб, ошибок и смертельного опыта, когда многие фрезерные операции разрушали сами себя. Единственная современная компания в Соединенных Штатах, которая до сих пор производит черный порох, хранит свой точный рецепт и методы в коммерческой тайне, как выяснил автор, пытаясь собрать больше информации по этому вопросу.Для понимания сути черного пороха также важно рассмотреть его реакционные характеристики в зависимости от геометрии. Обычно считается, что при дефлаграции воспламенение распространяется от одного зерна к другому за счет расплавленного распыления солей калия в зернистых порохах. Распространение замедляется серой, и более высокое содержание серы замедляет реакцию, хотя и повышает чувствительность. Размер зерна также значительно влияет на скорость распространения (распространения пламени). Крупнозернистые пороха могут иметь скорость распространения до 560 футов/с (171 м/с), а мелкозернистые - до 2130 футов/с (650 м/с). Это также видно из использования пороха в дульнозарядном огнестрельном оружии: пороха с малым зерном используются в оружии с меньшим отверстием, стреляющем снарядами малого веса, где требуется быстрое повышение давления, пороха с большим зерном используются для противоположного. В данном исследовании использовался порох пушечного качества - самый крупнозернистый из имеющихся в продаже порохов для огнестрельного оружия. Удельный вес мелкозернистых порохов может достигать 1,6. Порох пушечного класса, использованный в данном исследовании, имел измеренный удельный вес 1. Более низкая плотность крупных порохов приводит к более низкой плотности энергии на единицу объема.Продукты реакции также представляют особую важность при оценке эффективности черного пороха. Лишь немногие химические смеси являются абсолютно однородными; каждый раз, когда одно вещество смешивается с другим, происходит небольшая разница в смешивании. Компании, производящие порох, исторически обнаружили, что это верно и по сей день. Эмпирические измерения были бы более точным, и Дэвис приводит анализ продуктов реакции, проведенный сэром Эндрю Ноублом и Фредериком Абелем в конце XIX века.Результаты не показаны: процентное содержание твердых веществ - 55,91%, газа - 42,98%, воды - 1,11%; объем - 274,2 куб. см при 0° C под давлением 760 мм ртутного столба (единицы измерения температуры не указаны, автор предполагает, что это градусы Цельсия). Существует большое и разнообразное количество продуктов реакции, а древесный уголь состоит из большего количества элементов, чем углерод. В современных порохах древесный уголь приблизительно соответствует C9H40, округленное эмпирическое среднее значение, используемое другими исследователями для конкретного черного пороха, использованного в данном исследовании.1.3 Обзор литературы по дизайну оружияКонструкция оружия имеет долгую и увлекательную историю. Раннее огнестрельное оружие представляло собой простую железную трубку, открытую с одного конца и имеющую отверстие для касания, просверленное или выкованное в другом конце. В трубку засыпали порох, за ним опускали округлый камень или стальной шарик (или несколько), а к отверстию прикасались горящей спичкой. Черный порох, вероятно, впервые был обнаружен в Китае, где самые старые известные записи датируются 808 годом н.э., и кажется логичным, что изобретение огнестрельного оружия последовало вскоре после этого. Огнестрельное оружие появилось и/или было разработано в средневековой Европе в 14-м веке, а к концу 15-го оно было доставлено Колумбом в Америку.Так называемая "кустарная промышленность", как называли большинство производств до промышленной революции, не производила одинаковых деталей, потому что технология того времени была недостаточно точной, а производители были достаточно разбросаны. Каждое огнестрельное оружие изготавливалось индивидуально, а детали подгонялись вручную. Для облегчения заряжания ствол или "Отверстие" часто было слишком большим для выстреливаемого снаряда, что позволяло газу выходить мимо снаряда или "продувать" его при выстреле, снижая точность и скорость.К 1600-м годам развитие ружья шло довольно быстро, появились современные пружинные спусковые крючки, а также кремневый механизм как средство инициирования, а не поджигание спичечных шнуров. Возможно, предвещая будущую американскую культуру, английские колонисты сами были неплохо вооружены в 1609 году, имея, по словам Джона Смита, "24 пики [sic] ординарцев, 300 мушкетов, ружей и огнестрельных замков [sic], порох и спички". Флинтлоки уступили место ударным капсюлям в начале и середине 1800-х годов, как раз вовремя, чтобы получить широкое распространение перед Гражданской войной в США. В ударных капсюлях для взведения основного заряда пороха в стволе использовался фульминат ртути, взрывоопасное и высокочувствительное соединение.Многие современные конструкции огнестрельного оружия и особенно идеи возникли в этот период; и, как очевидно из приведенной выше краткой истории, большая часть исследований проводилась методом проб и ошибок, интуиции и идей. Огнестрельное оружие и традиционная "академическая" инженерия не всегда были тесно связаны. Джон Браунинг, конструктор оружия, который является для огнестрельного оружия тем же, чем Эйнштейн является для физики, не имел формального высшего образования. Сегодня, как и в большинстве инженерных дисциплин, огнестрельное оружие проектируется инженерными группами, использующими программное обеспечение CAD и имеющими высшее инженерное образование. Некоторые из этих знаний будут рассмотрены в следующих параграфах, поскольку они относятся к проектированию генератора снарядов для данной диссертации.С инженерной точки зрения, оружие можно представить как сосуд под давлением, содержащий поршень, который может свободно двигаться в одном направлении. Формула Барлоу, которая является общей формулой, используемой в гражданском строительстве (49 CFR 192.105) для определения расчетного давления стальной трубы, была упрощена до формулы: и дает давление текучести и разрыва на основе текучести и прочности на разрыв материала, где Pt - максимальное внутреннее давление (фунтов на квадратный дюйм), S - текучесть или прочность на разрыв (фунтов на квадратный дюйм), t - толщина стенки (дюймы), D - наружный диаметр трубы (дюймы). Формула Барлоу, хотя и широко используется для оценки давления в промышленности, не предназначалась для использования в оружейных стволах, но является точной для тонкостенных труб.Для создания безопасного огнестрельного оружия необходимо также знать давление, возникающее при выстреле патрона. Точные расчеты могут быть невероятно сложными и выходят за рамки данной диссертации. Однако несколько уравнений с некоторыми допущениями могут значительно упростить процесс.Закон идеального газа может быть использован для нахождения давления любого идеального газа при близких к стандартным температурам и давлениях и выражается в двух формах: и P - давление (паскали), n - количество газа в молях, R - удельная газовая постоянная, Ru - универсальная газовая постоянная, T - абсолютная температура (градусы Кельвина), V - объем в метрах кубических. Это уравнение не является особенно точным при увеличении температуры и давления.Проектирование и разработка снарядов значительно продвинулись вперед с тех пор, как первый человек зарядил камень в трубку, наполненную порохом, хотя основные идеи всех видов метательного оружия остаются неизменными. Одна из конкретных разработок, широко используемая в данном проекте, - это сабо (французское слово, обозначающее тип обуви, произносится как say-bow). Под сабо здесь понимается любое устройство, позволяющее стрелять снарядами, диаметр которых меньше диаметра ствола оружия. Поскольку материалы сабо обычно имеют гораздо меньший вес и/или массу (они не предназначены для нанесения ущерба или достижения цели), легкий снаряд, заключенный в сабо, может достигать гораздо большей скорости, чем типичная для оружия данного калибра.Широко распространенным примером современного сабота является сабо для дробовика - кусок формованного пластика, который удерживает пулю меньшего диаметра, чем диаметр ствола ружья, позволяя охотникам убивать оленей и других животных с гораздо большего расстояния, чем при использовании традиционной картечи. Фактически, типичный дробовой пыж, удерживающий дробь, может быть классифицирован как сабо чашечного типа, что позволяет ружью стрелять одновременно многими подкалиберными снарядами. Многие военные также используют сабо в различных орудиях (например, в 120-мм пушке танка M1 Abrams) для стрельбы чрезвычайно высокоскоростными снарядами, способными поражать тяжелобронированные цели. В данном проекте также использовались сабо для той же цели; на рис. 2.3 показан чертеж одного из стальных снарядов, использованных в данном проекте, с сабо из дерева и пенопласта.Выбор материала сабо является критической частью конструкции сабо. Не оказывая никакого воздействия на цель, вес сабли является паразитным, поэтому инженеры стараются разрабатывать сабо как можно легче. Однако, как и во многих других инженерныхЭто представляет собой дилемму выбора, которая заставляет инженера решать, основываясь на многомерной шкале, включающей вес, стоимость производства, время, функции и безопасность, какие атрибуты или их комбинация наилучшим образом отвечают потребностям пользователя. В качестве примера: Министерство обороны США, будучи в некоторой степени хорошо финансируемым, может позволить себе потратить около 13 370 долларов США на один снаряд M829A4 с плавниковой стабилизацией отбрасывающего сабота для основного орудия танка серии M1 Abrams. Этот проект, будучи хорошо, но несколько хуже финансируемым, чем Министерство обороны, все же иногда имел себестоимость единицы продукции более 100 долларов США за выстрел при использовании самых дешевых материалов и рабочей силы.2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ И РАСЧЕТЫ2.1 Конструкция стволаИсследователи остановились на дульнозарядной конструкции генератора снарядов из-за простоты использования и изготовления. Конструкции с казенной частью ствола, характерные для большинства современных огнестрельных и артиллерийских орудий, были рассмотрены, но отвергнуты. Для стрельбы разнообразными снарядами генератору снарядов требовался большой ствол (внутренний диаметр ствола), примерно 12 дюймов (30,5 см). Для функционирования орудий с замковым стволом, таких как современные артиллерийские орудия, требуется значительная механическая обработка ствола и множество точно обработанных и дорогостоящих деталей. Это, в свою очередь, привело бы к созданию очень большого и тяжелого устройства, которое невозможно было бы обработать на любом оборудовании, имеющемся в Missouri S&T или в местном регионе. Поэтому простая стальная труба, заглушенная с одного конца и заряжаемая с дула, была признана лучшим выбором, так как изготовление и установка заглушки было в пределах возможностей механических мастерских и персонала S&T.Найти стальную трубу достаточной длины для изготовления ствола оказалось непросто. В конце концов, в США была найдена бесшовная труба из стали 4140 с внутренним диаметром 12 дюймов (30,5 см) и внешним диаметром 20 дюймов (51 см), которая была отрезана от куска, привезенного из Германии. Этот кусок стал стволом генератора снарядов, весом примерно 5800 фунтов (2630 кг) и длиной 8,5 футов (2,6 м).Прежде чем приобрести предложенный ствол, его сначала нужно было оценить, чтобы определить, сможет ли он выдержать давление при стрельбе несколькими выстрелами, не выходя из строя. Для обеспечения безопасности и упрощения расчетов ствол был оценен по наихудшему сценарию для оружия: полностью закупоренное отверстие под давлением от самого большого порохового заряда. Расчеты давления в стволе проводились исходя из предположения, что ствол должен был выдержать остаточное давление трех фунтов пушечного черного пороха, сгорающего полностью и расширяющегося только в объеме "камеры" за снарядом.Согласно предоставленному отчету завода, сталь ствола имеет предел текучести при растяжении 61 000 фунтов на кв. дюйм (421 МПа) и предел прочности при растяжении 112 000 фунтов на кв. дюйм (772 МПа). Внутреннее давление текучести и предельное давление разрыва трубы были рассчитаны и сравнены с максимальным давлением, которое может создать ракетное топливо. Внутреннее давление текучести и предельное давление разрыва были рассчитаны с использованием двух различных уравнений для резервирования: формула Барлоу (2) и уравнение соотношения стенок (3). Расчеты по этому уравнению дали давление текучести около 24 400 фунтов на кв. дюйм (168 МПа) и давление разрыва около 45 000 фунтов на кв. дюйм (310 МПа).Расчеты по уравнениям 11 и 12 дали давление текучести около 22 000 фунтов на кв. дюйм (152 МПа) и давление разрыва около 41 000 фунтов на кв. дюйм (283 МПа). Обе формулы дают несколько схожие результаты. Однако формула Барлоу предназначена только для тонкостенных труб при относительно низком давлении. Уравнение соотношения стенок, приведенное Карлуччи и Якобсоном, предназначено специально для стволов орудий и является производной от критерия фон Мизеса для напряжения. В уравнениях 11 и 12 говорится, что разрушение произойдет, если давление в стволе превысит предел текучести материала ствола. Поскольку уравнение соотношения стенок более точно отражает фактические напряжения в толстостенном стволе и дает меньшее максимальное давление, чем формула Барлоу, в качестве максимального давления, которому должен подвергаться ствол, было использовано 22 000 фунтов на кв. дюйм.Следующим шагом проектирования после определения максимального давления в стволе было определение того, какое давление производит черный порох пушечного качества на единицу веса и какой объем камеры позволит удержать это давление ниже предела текучести ствола. Каждое горючее или взрывчатое вещество имеет максимальное статическое давление, которое оно способно создать (при условии, что оно находится в пространстве, равном его объему), основанное на количестве (молях) газа, образующегося на единицу объема при заданной начальной плотности и постоянной температуре реакции. Максимальное статическое давление может быть найдено с помощью комбинации стехиометрии, модифицированное уравнение состояния Нобеля-Абле, приведенное Купером, и несколько допущений. Самое простое уравнение, обычно приводимое для сгорания черного пороха, дано в уравнении (1). Однако, возможно, эта реакция слишком проста. Автор не смог найти в ранее опубликованных исследованиях стехиометрическую формулу, которая точно представляла бы эту реакцию, вероятно, потому, что черный порох был в значительной степени вытеснен бездымным порохом в начале 20-го века, и с тех пор публиковались лишь отдельные исследования.Анализ Ноубла и Абеля был использован для разработки более точного представления реакции, аппроксимирующей древесный уголь как C9H40. Их анализ был несколько упрощен для облегчения расчетов; из реактивов была исключена вода, что изменило соотношение массы твердого вещества к массе газа примерно на 56,4% и 43,6% соответственно. В своем отчете Ноубл и Абель оставили объем в процентах; для того чтобы использовать газ в расчетах давления, его необходимо перевести в моли на единицу веса.H20 была включена в это уравнение, поскольку ее образование при сгорании весьма вероятно. Опять же, для простоты анализа Ноубла и Абеля были исключены несколько минутных продуктов, таких как карбонат аммония и чистый углерод. Балансировка была выполнена методом "угадай и проверь", поскольку уравнение не может быть решено алгебраически, вернее, оно имеет почти бесконечное число решений. Обычная конвенция для химических уравнений предусматривает исключение дробей и десятичных дробей, но в данном уравнении это привело бы к очень большим и несводимым коэффициентам. Как уже говорилось, число возможных реакций практически математически бесконечно.Цель данного уравнения заключалась в том, чтобы получить уравнение с балансом, максимально приближенным к реакции; вероятно, возможен баланс, более представительный для данной реакции.Массовое отношение твердых веществ к газам (~57% твердых веществ к ~43% газов) находится в пределах одного процента от отношения, найденного Ноублом и Абелем, хотя соотношения различных газообразных продуктов отличаются на 14%. Однако уравнение Купера уже учитывает общие продукты реакции в значении R и корректировке совместного объема, поэтому фактические соотношения различных газов должны оказывать незначительное влияние на расчет давления. Стехиометрически сбалансированное уравнение имеет бесконечное количество решений и, по-видимому, не так близко представляет реальную реакцию черного пороха, как строго эмпирический расчет. Упрощенная реакция уравнения 1 не учитывает большинство известных продуктов сгорания черного пороха. Для целей данной диссертации предполагается, что анализ Нобля-Абеля, используемый в таблице 3.1, является наиболее точным представлением молей образовавшегося газа.2.2 Конструкция казенной части стволаБольшинство современных артиллерийских орудий заряжается с казенной части, то есть с задней части ствола, в отличие от почти всех орудий до XIX века, которые заряжались с дула или передней части. Заряжание с казенной части имеет много преимуществ: быстрое заряжание благодаря отсутствию необходимости проталкивать топливо и снаряд по стволу, доступ к задней части ствола в случае ошибки при стрельбе и более легкая чистка. Хотя генератор снарядов с казенной частью ствола был бы предпочтительнее из-за этих преимуществ, требуемое время проектирования и сложность обработки тяжелого ствола, к сожалению, выходили за рамки проекта. Поэтому была разработана относительно простая казенная пробка и пластина для герметизации ствола. Исследователи хотели получить простую конструкцию с высоким коэффициентом безопасности для закупоривания казенной части генератора снарядов, но таким образом, чтобы заглушку можно было удалить, если снаряд закрепится в стволе из-за ошибок при заряжании. Максимально возможное усилие на казенной части ствола можно рассчитать, взяв максимальное статическое давление 9 074 фунтов на квадратный дюйм (63 МПа) и умножив его на площадь отверстия (113 дюймов на квадратный дюйм, 713 см2), в результате чего получится усилие в 1 026 кип (4,6 МН). Исследователи выбрали в качестве казенной части литой стальной цилиндр диаметром 12 дюймов и длиной 12 дюймов (30,5 см), который был закреплен на месте с помощью выдвижных стальных штифтов, а затем закрыт стальной казенной частью. Демонтаж казенной части и, в частности, заглушки будет затруднен, но не невозможен, если возникнет такая необходимость. Для фиксации казенной части и пластины использовались сорок четыре штифта и болта (по двадцать два каждого). Штифты располагались в два ряда по одиннадцать штук в каждом, отверстия просверливались в стволе и на два дюйма в казеннике, а штифты длиной четыре дюйма вставлялись через стенку ствола в казенник.При прочности на срез 102 000 фунтов. (0,45 МН), выдвижные штифты имеют суммарную прочность 2 244 000 фунтов. (10 МН) Еще 22 отверстия были просверлены по окружности казенной части и в двух дюймах в задней части генератора снаряда параллельно его оси. Исследователи нарезали в этих отверстиях резьбу под болты и прикрепили казённую часть к задней части генератора снарядов с помощью болтов. При прочности на разрыв 117 810 фунтов. (0,52 МН), двадцать два болта имеют суммарную прочность 2 591 820 фунтов. (11,5 МН) В целом, конструкция казенной части может выдержать усилие в 4 835 820 фунтов. (21,5 МН) Это значение d-знака дает коэффициент безопасности казенной части генератора снарядов. Ствол и казенник были признаны безопасными с использованием этих методов, но фактический коэффициент безопасности намного выше, так как ствол не полностью герметичен из-за наличия сенсорного отверстия.При проектировании рамы учитывались два основных соображения: рама должна быть достаточно простой, чтобы ее можно было изготовить из местных материалов с помощью инструментов, имеющихся в S&T, и она должна выдерживать силы тяжести и отдачи. Исходя из этих соображений, исследователи решили изготовить раму из квадратных труб с толщиной стенки 1/8 дюйма, два дюйма на два дюйма, или, используя промышленные термины, полых структурных секций или HHS. 2.3 Проектирование рамыВ общей сложности 8 ПСК были установлены в качестве горизонтальных опор для удержания веса генератора снарядов, каждая из которых имеет прочность на изгиб 4,9 кип (21,8 кН) на раме шириной два фута, что дает раме возможность выдерживать направленную вниз силу в 39,4 кип (175 кН). Сила тяжести, обусловленная весом генератора снаряда, включая казенную часть и пластину, равна примерно 7 кип (31 кН), что дает коэффициент безопасности 5,6. В этом отношении рама несколько перегружена. После первоначального строительства рамы у автора осталось несколько отрезков быстрорежущей стали, и он добавил их вертикально между вертикальными секциями (поддерживая среднюю точку горизонтальных секций), что еще больше увеличило конструкционную прочность.Отдача в этой конструкции сдерживается четырьмя ушками и рамками отдачи, по две с каждой стороны, которые представляют собой треугольные HHS, прикрепленные к центральной линии ствола. Они были изготовлены путем приваривания стального кубика к треугольному ВСС вдоль осевой линии генератора снаряда между горизонтальными опорами, сверления отверстия диаметром один дюйм через двухдюймовый кубик и сверления еще двух дюймов в стволе. Затем через куб и в отверстие в стволе был вставлен стальной выдвижной штифт. Эта рама была приварена к задней части генератора снарядов, примыкая к казенной части ствола. Используя табличные значения прочности ВГС и геометрию рамы, автор рассчитал суммарную прочность рамы отдачи составляла 16,5 кип (73 кН). Согласно третьему закону Ньютона, сила отдачи может быть рассчитана как сила, вызванная снарядом весом 30 фунтов (14 кг), разогнанным до 700 футов/с (213 м/с) - максимального веса снаряда с наибольшей ожидаемой скоростью, который будет выпущен из генератора снарядов. Расчет силы отдачи значительно упрощен по сравнению с реальным баллистическим ускорением, предполагая постоянное ускорение через ствол, но дает хорошую оценку средней силы, испытываемой снарядом и, наоборот, генератором снарядов во время выстрела. Если бы генератор снаряда был закреплен на земле и не двигался, конструкция бы не выдержала, поскольку рама отдачи способна выдержать усилие только 16,5 кип (73 кН) (FS ~ 0,54). Однако, как будет показано в следующем разделе, генератор снарядов был установлен на поверхность из чистого щебня. Поэтому статическая сила трения между гравием и нижней частью стальной рамы является фактической максимальной силой, которую рама должна выдержать, остальная сила преобразуется в движение генератора снаряда назад (кинетическая сила трения, меньшая, чем статическая, задерживает импульс генератора снаряда).Используя 0,4 в качестве коэффициента трения между чистым гравием и сталью и прижимную силу в 7 кип (31 кН), автор рассчитал силу трения в 2,8 кип (12 кН), или примерно 1/6 часть силы сопротивления рамки отдачи (FS ~ 6). Однако, если бы генератор снаряда слегка погрузился в гравий (что и произошло), сила статического трения была бы значительно выше, и ее было бы очень трудно предсказать с помощью инженерных расчетов. Правильный ответ, скорее всего, находится между этими двумя крайностями, и снаряды генератора снарядов достигали только половины расчетной дульной энергии, таким образом, сила отдачи в любом случае была значительно ниже силы рамы отдачи.

3. КОНСТРУКЦИЯ, СНАРЯДЫ И ПОДГОТОВКА ПЛОЩАДКИ

Экспериментальная шахта университета Missouri S&T обеспечила безопасное место для проведения испытаний уплотнений. Исследователи выбрали площадку и очистили ее от кустарника и деревьев; был уложен слой гравия для создания прочного основания для уплотнений и генератора снарядов. Для создания основания под уплотнения была залита бетонная площадка, и команда из Strata Mine Services залила уплотнения.Строительство генератора снарядов проводилось в здании S&T по механике горных пород. Для обеспечения устойчивости во время стрельбы были установлены аутригеры, а для повышения безопасности были добавлены угловые ограничители крена (видны в верхней правой части рамы).Генератор снарядов был специально разработан для стрельбы практически любым снарядом, который вписывается в круг диаметром 12 дюймов. Для этого исследователи остановились на конструкции, очень похожей на систему дробового пыжа, в которой деревянный пыж или диск используется для уплотнения ствола во время стрельбы и двигают снаряды по стволу. Первоначально пыжи представляли собой диски, отрезанные от деревянного столба и обточенные на токарном станке до диаметра ствола, но они часто были слишком расколоты вдоль своей оси для создания эффективного газового уплотнения и весили до 10 фунтов.Затем исследователи использовали станок с ЧПУ для гидроабразивной резки и фрезерный станок с ЧПУ для резки фанерных дисков, которые складывались вместе и склеивались для создания пыжа. Этот метод работал хорошо, обтурируя отверстие и удерживаясь вместе во время стрельбы; он также сократил вес пыжа вдвое, что позволило достичь более высоких скоростей для снаряда того же веса. Однако фанерные пыжи разрушались в стволе при стрельбе с более чем двумя фунтами черного пороха из-за повышенного давления. Испытания показали, что заряды свыше двух фунтов становятся экономически неэффективными (из-за умеренного прироста скорости при использовании дополнительного пороха), поэтому исследователи использовали фанерные пыжи и только 1 фунт (2,2 кг) пороха. (2,2 кг) пороха для всех последующих испытаний.В качестве метательного вещества использовался пушечный черный порох, свойства которого обсуждались в разделе 2. Исследователи изготовили пороховые заряды, дважды завернув нужный вес пороха в плоский цилиндр из алюминиевой фольги, затем закрепив этот цилиндр в центре куска пенопластовой изоляции толщиной два дюйма, вырезанного под отверстие. Защищая черный порох от искр и поражения электрическим током при загрузке, фольга в то же время легко прокалывалась латунным стержнем через контактное отверстие генератора снарядов. После прокалывания порохового заряда исследователи вставляли электрическую спичку через контактное отверстие в порох. Генератор снарядов был запущен из безопасного места с помощью электровзрывной машины. Пенопластовая изоляция быстро разрушается под воздействием высокой температуры и давления, и исследователи поняли, что она обеспечивает дополнительную степень безопасности генератора снарядов за счет увеличения объема камеры. Когда генератор снарядов заряжается, пороховой заряд, содержащийся в толстом пенопластовом диске, прижимается к задней части генератора снарядов. Затем пыж трамбуется в отверстие до контакта с пенопластовым диском, а снаряд опускается вниз поверх пыжа.Чтобы снаряды не повреждали отверстие, исследователи вырезали сабо из пенопласта, чтобы они облегали каждый снаряд. Это позволило использовать множество различных типов снарядов: деревянные балки, кровельные болты, пластины кровельных болтов, бетонные и стальные цилиндры, ручные инструменты и т.д. На рис. 4.8 показан 30-фунтовый (13,6 кг) бетонный снаряд с сабо из пенопласта. Пена незначительно увеличила общий вес снаряда и не повредила уплотнения или оборудование, как это могли бы сделать пластиковые или металлические сабо.

4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ

Оба уплотнения были подвергнуты одинаковой батарее испытаний. Эти испытания включали стрельбу следующим образом: деревянный брус 5х5 дюймов длиной 5 футов, бетонная пуля весом 30 фунтов (13,6 кг), четыре пластины кровельных болтов в сабо, четыре кровельных болта в сабо, различные ручные инструменты, отрезок узкоколейного шахтного рельса, а также десяти-, двадцати- и тридцатифунтовые стальные пенетраторы. В общей сложности, девять различных снарядов были выпущены по усиленному уплотнению и 16 - по неусиленному. Реакция неармированного уплотнения на удары была подробно рассмотрена в работе von Niederhausern, и здесь мы остановимся на ней лишь вкратце. Один фунт черного пороха приводил снаряды в движение со скоростью до 507 футов/с (158 м/с). Два комплекта излучателей/приемников ИК-лучей, подключенных к системе данныхСистема сбора данных сообщала о времени, когда каждый луч прерывался при прохождении снаряда через них. В сочетании с расстоянием между датчиками исследователи рассчитали среднюю скорость каждого снаряда.Генератор снарядов запускался с помощью электрической спички из длинного провода (100 футов, 30 м) за укрытием для безопасности. Повреждение уплотнения оценивалось по визуальному осмотру, данным тензометрии (шесть тензометров были установлены на задней поверхности) и сканированию поверхности с помощью LIDAR после каждого выстрела. Несмотря на то, что повреждения правой стороны были катастрофическими, их не следует воспринимать как полностью репрезентативные для возможного воздействия на месте.Удар тридцатифунтовой стальной пули, видимый как крайний правый кратер, вызвал повреждения и был последним снарядом, выпущенным по неармированному уплотнению. Уплотнение уже было слабым от многочисленных ударов, в частности, от ударов десяти- и двадцатифунтовой пули (слева и справа). Это повреждение усугублялось близостью открытой правой стороны и верхней части уплотнения. Отражение волн давления, вероятно, значительно увеличило растягивающее напряжение на уплотнении, что привело к его разрушению. Если бы уплотнение находилось на месте в шахте, оно было бы прижато к крыше и стенам шахты с обеих сторон и не испытало бы такого разрушения, хотя, возможно, разрушение произошло бы в другом месте. Однако, если не принимать во внимание потерю угла, стальные пули вызвали значительные трещины и сколы в дополнение к материалу, выброшенному из кратеров при ударе. Все остальные снаряды, выпущенные по этому уплотнению, вызвали не более чем поверхностные повреждения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных исследований лично автором получены следующие результаты. 1. Обоснованы методические принципы энерготехнологического анализа электропотребления для управления энергоэффективностью проведения горнопроходческих работ (ГПР) в угольных шахтах. В основу методики положен алгоритм обработки экспериментальных данных, а также модели электропотребления, позволяющие определить значения общего и удельного расхода электроэнергии. Для определения уровней электропотребления предложено использовать корреляционные эллипсы, определяющие зону эффективной работы проходческих участков. 2. Установлены статистические параметры и законы распределения вероятностей электропотребления проходческих участков в условиях угольных шахт. В результате проведения исследований установлено, что общий расход электроэнергии подчиняется равномерному закону распределения вероятностей, а удельный расход электроэнергии по пройденным погонным метрам выработки – логнормальному закону распределения вероятностей. 3. Разработаны математические энерготехнологические модели, позволяющие проводить анализ электропотребления для повышения энергоэффективности ГПР. В основу моделей положены энерготехнологические характеристики, позволяющие определить их рациональные значения в соответствии с показателями сменной производительности проходческих участков.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеев В. В. Рудничные насосные, вентиляционные и пневматические установки. М., Недра, 1983.2. Беркалиев Б. Т. Вскрытие рудных месторождений при подземной разработке с применением безрельсового транспорта. Алма-Ата. Наука,3. Брылсв С. А. Горное дело. М., Недра, 1975.