КУМУЛЯТИВНЫЙ ЗАРЯД Российский патент 2004 года по МПК F42B1/28 

Изобретение относится к взрывным работам, в частности к конструкциям зарядов направленного действия, и может быть использовано для дробления горных пород на открытых и подземных горных работах, а также для разрушения крупногабаритных объектов (кирпичные кладки, фундаменты, бетонные колонны) и отходов металлургического производства.

Известен кумулятивный заряд, состоящий из взрывчатого вещества, помещенного в оболочку с конусообразной кумулятивной выемкой, содержащей центральные сопряженные V-образные выемки, сходящиеся в вершине кумулятивной выемки, и дополнительные V-образные выемки (RU патент №2077695, F 42 В 1/028).

Недостатком данного заряда являются увеличенные габариты за счет конусообразности кумулятивной выемки. Соответственно увеличивается масса взрывчатого вещества и материальные затраты на дробление. Кроме того, конструктивные особенности заряда ограничивают область его использования. Площадь приложения нагрузки от воздействия центральных V-образных выемок недостаточна для нарушения структурных связей и развития трещиноватости в сложноструктурных неоднородных средах, например, в брекчиевидных породах или кремнистых известняках.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является кумулятивный заряд, включающий оболочку, размещенный в ней заряд взрывчатого вещества с кумулятивной выемкой, верхняя часть которой выполнена в виде полусферы, и содержащий центральные сопряженные V-образные выемки и дополнительною V-образные выемки, примыкающие к основанию кумулятивного заряда (Уваров В.Н. и др. Промышленное освоение кумулятивных зарядов в профилированных оболочках. - Горный журнал, № 11-12, 1998, с.113-114).

Особенностью данного заряда является выполнение облицовки кумулятивной выемки из материала с низкой плотностью - полиэтилена (ρ=0,5-0,7 г/см³).

Недостаточная масса и плотность высокоскоростного газового потока кумулятивной выемки, а также быстрое расширение газообразных продуктов взрыва значительно ограничивают возможности заряда. В результате выполнения дополнительных V-образных выемок равновеликими в большей степени осуществляется ″подпитка" центральной кумулятивной струи, чем создание неравномерного поля напряжений, способствующего разрушению объекта по плоскостям ослаблений. Вследствие этого нарушаются оптимальные условия формирования поля напряжений на поверхности объекта, что приводит к росту энергетических затрат на разрушение.

Единым техническим результатом предлагаемого технического решения является повышение эффективности разрушающего действия взрыва за счет увеличения мощности кумулятивных струй и снижение затрат на разрушение за счет рационального перераспределения энергии взрывчатого вещества.

Указанный единый технический результат достигается тем, что в известном кумулятивном заряде, состоящем из взрывчатого вещества, помещенного в оболочку с кумулятивной выемкой, содержащей верхнюю часть, выполненную в виде полусферы, центральные сопряженные V-образные выемки и дополнительные V-образные выемки, прилегающие к основанию кумулятивного заряда, соседние дополнительные V-образные выемки выполнены разновеликими, а полусфера верхней части кумулятивной выемки и центральные V-образные выемки выполнены облицованными разнородными и разноплотными материалами, при этом дополнительные V-образные выемки и центральные V-образные выемки выполнены облицованными разнородными и разноплотными материалами, причем плотность материала облицовок полусферы верхней части кумулятивной выемки и дополнительных V-образных выемок превышает плотность материала облицовки центральных V-образных выемок в 2,5-15 раз.

Новым в техническом решении является то, что соседние дополнительные V-образные выемки выполнены разновеликими, а полусфера верхней части кумулятивной выемки и центральные V-образные выемки выполнены облицованными разнородными и разноплотными материалами, при этом дополнительные V-образные выемки и центральные V-образные выемки выполнены облицованными разнородными и разноплотными материалами, причем плотность материала облицовок полусферы верхней части кумулятивной выемки и дополнительных V-образных выемок превышает плотность материала облицовки центральных V-образных выемок в 2,5-15 раз.

Сущность технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан общий вид заряда; на фиг.2 - вид сверху, на фиг.3 - его вертикальный разрез по А-А.

Кумулятивный заряд состоит из взрывчатого вещества 1, помещенного в оболочку 2 с кумулятивной выемкой 3, содержащей верхнюю часть, выполненную в виде полусферы 4, центральные сопряженные между собой V-образные выемки 5, дополнительные V-образные разновеликие выемки минимальной величины 6 и максимальной величины 7.

Ребра 8 и 9 дополнительных V-образных выемок соответственно минимальной и максимальной величины расположены под углом к центральной оси 10 кумулятивного заряда, при этом угол β₁ между ребрами 8 и центральной осью 10 меньше угла β₂ между ребрами 9 и центральной осью 10, т.е. β₁<β₂.

Полусфера 4 верхней части кумулятивной выемки 3 и дополнительные V-образные выемки 6 и 7 выполнены из металла (сталь 3) с плотностью ρ₁=7,86 г/см³. Центральные V-образные выемки 5 выполнены из полиэтилена, плотность которого ρ₂=0,7 г/см³.

Превышение плотности материала облицовок полусферы 4 верхней части кумулятивной выемки и дополнительных V-образных выемок 6 и 7 в 2,5-15 раза плотности материала облицовки центральных V-образных выемок позволяет создавать условия для образования газовой высокоскоростной кумуляции центральных V-образных выемок 5, облицованных низкоплотными полимерными материалами (например, полиэтиленом), и кумулятивных струй высокой плотности, образующихся из материала облицовок (например, металла) полусферы 4 и дополнительных V-образных кумулятивных выемок 6 и 7.

Экспериментально установлено, что полимерные облицовки кумулятивных выемок (полиэтилен ρ=0,7 г/см³, полистирол ρ=1 г/см³) генерируют газовую кумуляцию, а при облицовке кумулятивной выемки стеклом (ρ=2,5 г/см³) образуется материальная кумулятивная струя высокой плотности.

Также экспериментально установлено, что разница плотностей облицовок в 2,5 раза является нижним пределом, при котором проявляется значительный эффект взаимодействия кумулятивных струй, генерируемых разнотипными и разноплотными материалами.

Верхний предел разницы плотностей облицовок в 15 раз обусловлен использованием в качестве материала облицовки меди (ρ=8,95 г/см³), использование более плотных материалов облицовок является экономически нецелесообразным. Возбуждение детонации взрывчатого вещества предусматривается инициатором 11.

Кумулятивный заряд работает следующим образом. При взрыве инициатора 11 по взрывчатому веществу 1 распространяется детонационная волна, которая достигает полусферы 4 верхней части выемки 3 (см. фиг.3 сечение I-I). При этом металлическая облицовка полусферы 4 под действием продуктов взрыва обжимается, происходит формирование кумулятивной струи, металл облицовки выбрасывается вдоль центральной оси заряда 10 в виде металлической компактной струи высокой плотности.

Кумулятивные облицовки с малой кривизной поверхности (полусфера) в отличие от конических облицовок с большой кривизной образуют компактную, кумулятивную струю (см. Янке Ф. Свойства, физический принцип взрывного действия и применение кумулятивных зарядов. - “Глюкауф”, № 8, 1992, с.50; Г.И.Покровский. Взрыв. - М.: Недра, 1980, с.52).

По мере продвижения детонационной волны она выходит на плоскости центральных V-образных выемок 5, выполненных из низкоплотного полиэтилена.

За счет направленного движения продуктов детонации от центральных V-образных выемок 5 происходит формирование центральной газовой высокоскоростной кумулятивной струи. Использование низкоплотного полиэтилена в качестве облицовки центральных V-образных кумулятивных выемок 5 вследствие своих физико-механических свойств предопределяет образование газовой кумулятивной струи. Так, температура размягчения полиэтилена в зависимости от марки находится в диапазоне 103-170°С, а при температуре +50°С полиэтилен деструктируется (см. Ю.Д.Нациевский и др. Справочник по строительным материалам и изделиям. Киев, Будивэльник, 1990, с.91-92).

Продукты взрыва концентрируются в сходящемся потоке вдоль центральной оси 10 кумулятивного заряда, при этом центральная газовая кумулятивная струя обладает высокой скоростью, которая достигает величин 12000-1500 м/с (Ф.А.Баум и др. Физика взрыва. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959, с.477).

При этом движение металлической кумулятивной струи полусферы 4 верхней части кумулятивной выемки 3 происходит в плотном газовом потоке струй центральных V-образных выемок 5.

Выполнение облицовок полусферы 4 верхней части кумулятивной выемки 3 и центральных V-образных выемок 5 из разнородных и разноплотных материалов способствует перераспределению энергии между продуктами взрыва центральных V-образных выемок 5 и материалом облицовки полусферы 4 верхней части кумулятивной выемки 3, формированию металла облицовки полусферы 4 в компактную кумулятивную струю и поддержанию ее продольной устойчивости за счет подпитки и бокового подпора газовыми кумулятивными струями центральных V-образных выемок 5 (см. фиг.3, сечение II-II).

В реальных условиях возможна деформация металлической кумулятивной струи, сдвиг струи относительно центральной оси заряда 10 и ее искривление в результате асимметрии взрывного импульса или кумулятивной выемки (см. Ф.А.Баум и др. Физика взрыва. - М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1959 с.539).

В процессе движения металлической кумулятивной струи из-за постоянного подпора газовыми кумулятивными струями образуется область высокого давления, препятствующая деформации и искривлению металлической струи.

Следовательно, выполнение облицовок полусферы 4 и центральных V-образных выемок 5 из разнородных и разноплотных материалов обеспечивает осевое движение плотной массы кумулятивной струи полусферы 4 в высокоскоростном поле газовых потоков центральных V-образных выемок 5, при этом реализуется совместное воздействие на объект высокоскоростной газовой струи и мощной металлической струи большой плотности и массы.

При достижении детонационной волны вершин периферийных V-образных выемок 6 и 7 интенсивность кумулятивного потока центральных V-образных выемок 5 начинает снижаться в связи с последовательным уменьшением геометрических размеров выемок 5 (см. фиг.3 сечение III-III).

Одновременно происходит формирование “плоских” продольных металлических кумулятивных струй дополнительных V-образных разновеликих выемок 6 и 7. Часть энергии этих струй расходуется на обеспечение “подпитки” центральной осевой кумулятивной струи.

В результате выполнения облицовок дополнительных V-образных выемок 6 и 7 и центральных V-образных выемок 5 из разнородных и разноплотных материалов обеспечивается “обжатие” газовыми кумулятивными струями центральных V-образных выемок 5 “плоских” продольных кумулятивных струй дополнительных V-образных выемок 6 и 7 идущих на “подпитку” центральной осевой кумулятивной струи.

Основная часть энергии кумулятивных струй дополнительных V-образных выемок 6 и 7 расходуется на создание нового очага взрывного нагружения, воздействующего непосредственно на объект.

Выполнение дополнительных V-образных выемок 6 и 7 из высокоплотного материала позволяет значительно увеличить мощность “плоских” продольных кумулятивных струй. В части дополнительных V-образных выемок 6 и 7, прилегающих к основанию кумулятивного заряда, обеспечивается создание “плоских” продольных струй, имеющих высокую плотность, создающих концентраторы напряжений и проникающих в среду. Достигаемая глубина проникновения зависит от материала облицовки, его плотности и вещественного состава (Физика быстропротекаюших процессов. Под ред. Н.А.Златина. - М.: Мир, 1971, с.334).

Выполнение соседних дополнительных V-образных выемок 6 и 7 разновеликими позволяет оптимально перераспределить энергию взрывчатого вещества заряда при взрывном нагружении объекта.

Принцип действия предлагаемого кумулятивного заряда основан на поэтапном воздействии на объект кумулятивных струй от центра и периферии в последовательности: центральная кумулятивная струя, струи дополнительных V-образных выемок минимальной величины 6; струи дополнительных V-oбразных выемок максимальной величины 7. Угол β₁ и β₂ наклона ребер 8 и 9 дополнительных V-образных выемок 6 и 7 к центральной оси 10 кумулятивного заряда предопределяет направленность кумулятивных струй дополнительных V-образных выемок 6 и 7 минимальной и максимальной величины.

Конструктивное выполнение дополнительных V-образных выемок 6 и 7 равновеликими достигается за счет увеличения длины ребер 9 каждой соседней выемки с увеличением длины ребер соответственно увеличивается угол β₂ между ребрами 9 дополнительных V-образных выемок 7 максимальной величины и центральной осью 10 кумулятивного заряда.

С увеличением угла наклона ребер 9 дополнительных V-образных выемок 7 к центральной оси 10 кумулятивного заряда соответственно увеличивается угол встречи кумулятивной струи с объектом. Воздействие на объект происходит на заданном расстоянии от центральной оси 10 кумулятивного заряда (см. фиг.3 сечение III-III).

Тем самым создаются условия для последовательного развития трещин и плоскостей ослабления в направлении от центра к периферии, увеличивается зона действия заряда, соответственно уменьшаются энергетические и материальные затраты на разрушение.

Взаимодействие разноплотных струй позволяет избежать энергетических потерь ВВ на стадии формирования кумулятивных потоков, так и на стадии их воздействия на объект, что обеспечивает создание мощной продолжительной нагрузки на разрушаемый объект.

Изобретение относится к взрывным работам, в частности к конструкциям зарядов направленного действия, и может быть использовано для дробления горных пород на открытых и подземных горных работах, а также для разрушения крупногабаритных объектов и отходов металлургического производства. Кумулятивный заряд состоит из взрывчатого вещества 1, помещенного в оболочку 2 с кумулятивной выемкой 3, содержащую верхнюю часть, выполненную в виде полусферы 4, центральные сопряженные V-образные выемки 6 и 7. Соседние дополнительные выемки 6 и 7 выполнены разновеликими. Полусфера 4 верхней части кумулятивной выемки 3 и центральные V-образные выемки 5 выполнены облицованными разнородными и разноплотными материалами, при этом дополнительные V-образные выемки 6 и 7 и центральные V-образные выемки 5 выполнены облицованными разнородными и разноплотными материалами, причем плотность материала облицовок полусферы 4 верхней части кумулятивной выемки 3 и дополнительных V-образных выемок 6 и 7 превышает плотность материала облицовки центральных V-образных выемок в 2,5–15 раз. Технический результат изобретения - повышение эффективности разрушаемого действия взрыва за счет увеличения мощности кумулятивных струй и снижение затрат на разрушение за счет рационального перераспределения энергии взрывчатого вещества. 3 ил.

Кумулятивный заряд, состоящий из взрывчатого вещества, помещенного в оболочку с кумулятивной выемкой, содержащей верхнюю часть, выполненную в виде полусферы, центральные сопряженные V-образные выемки и дополнительные V-образные выемки, прилегающие к основанию кумулятивного заряда, отличающийся тем, что соседние дополнительные V-образные выемки выполнены разновеликими, а полусфера верхней части кумулятивной выемки и центральные V-образные выемки выполнены облицованными разнородными и разноплотными материалами, при этом дополнительные V-образные выемки и центральные V-образные выемки выполнены облицованными разнородными и разноплотными материалами, причем плотность материала облицовок полусферы верхней части кумулятивной выемки и дополнительных V-образных выемок превышает плотность материала облицовки центральных V-образных выемок в 2,5-15 раз.