Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số kết cấu của lượng nổ dạng máng đến khả năng cắt vỏ trụ tròn xoay

Vì vậy, việc triển khai nghiên cứu về phương pháp cắt nổ dùng để cắt các tấm vật liệu nói chung và lượng nổ dạng máng tròn xoay máng nổ tròn xoay nói riêng là cần thiết để tiến tới thiết

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

-

NGUYỄN QUANG HUY

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ KẾT CẤU LƯỢNG NỔ DẠNG MÁNG ĐẾN KHẢ NĂNG CẮT VỎ TRỤ TRÒN XOAY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2018

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

-

NGUYỄN QUANG HUY

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ KẾT CẤU LƯỢNG NỔ DẠNG MÁNG ĐẾN KHẢ NĂNG CẮT VỎ TRỤ TRÒN XOAY

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật

Mã số: 9 52 01 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Nguyễn Trang Minh

2 TS Trần Văn Doanh

HÀ NỘI - 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các nội dung, số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực

và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Tác giả luận án

Nguyễn Quang Huy

Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài Quân đội đã cho luận án những ý kiến đóng góp quý báu

Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn Đảng ủy, Ban Giám đốc Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Thủ trưởng và các cán bộ, nhân viên phòng Đào tạo đã tạo điều kiện tốt cho tôi hoàn thành nhiệm vụ

Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn Đảng ủy, Thủ trưởng Viện Tên lửa đã tạo mọi điều kiện cho tôi có được những kết quả mong muốn

Tác giả luận án xin chân thành cảm ơn Bộ môn Đạn, Trung tâm Kỹ thuật Vũ khí và Khoa Vũ khí, Học viện Kỹ thuật quân sự đã giúp đỡ tôi trong thực hiện các thử nghiệm và các nội dung khoa học khác

Tác giả

MỤC LỤC

Trang

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt vi

Danh mục các bảng viii

Danh mục các hình vẽ ix

MỞ ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CẮT VẬT LIỆU BẰNG NỔ 6

1.1 Tổng quan về ứng dụng cắt vật liệu bằng năng lượng nổ 6

1.1.1 Các ứng dụng cắt vật liệu bằng phương pháp nổ 6

1.1.2 Công nghệ cắt nổ các cấu trúc kim loại 9

1.2 Những vấn đề chung về lý thuyết cắt nổ bằng dòng tích tụ 20

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về quá trình cắt nổ bằng dòng tích tụ 21

1.3.1 Trong nước 21

1.3.2 Ngoài nước 23

1.3.3 Những tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án 31

Kết luận chương 1 32

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH CẮT VỎ TRỤ BẰNG MÁNG NỔ TRÒN XOAY 34

2.1 Mô hình vật lý quá trình cắt vỏ trụ bằng máng nổ tròn xoay 34

2.2 Thiết lập mô hình tính toán đối với máng nổ thẳng 40

2.2.1 Quá trình nổ nén ép máng lót 41

2.2.2 Quá trình nhập khép máng lót hình thành lưỡi cắt 43

2.2.3 Quá trình tương tác của lưỡi cắt với vật đích 52

2.2.4 Trường hợp tính đến quá trình vuốt dài lưỡi cắt 57

2.3 Thiết lập mô hình tính toán đối với máng nổ tròn xoay 61

2.4 Giải bài toán quá trình cắt vỏ trụ của máng nổ tròn xoay 71

2.4.1 Đặt bài toán 71

2.4.2 Các bước giải bài toán cắt vỏ trụ của máng nổ tròn xoay 72

Kết luận chương 2 75

Chương 3: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ KẾT CẤU ĐẾN KHẢ NĂNG CẮT VỎ TRỤ CỦA MÁNG NỔ TRÒN XOAY 77

3.1 Đặt vấn đề 77

3.2 Ảnh hưởng của góc mở máng lót 84

3.3 Ảnh hưởng của chiều dài đường sinh máng lót 88

3.4 Ảnh hưởng của chiều dày máng lót 91

3.5 Ảnh hưởng của thuốc nổ 95

3.6 Ảnh hưởng của bán kính cong của lượng nổ 99

3.7 Ảnh hưởng của mật độ vật liệu máng lót 101

3.8 Ảnh hưởng của mật độ vật liệu vỏ bọc 103

Kết luận chương 3 107

Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 109

4.1 Mục đích, nội dung nghiên cứu thực nghiệm 109

4.2 Thiết kế mẫu thử nghiệm 109

4.2.1 Thiết kế mẫu thử nghiệm máng nổ thẳng 109

4.2.2 Thiết kế mẫu thử nghiệm máng nổ tròn xoay 110

4.3 Xác định các tham số đầu vào của thử nghiệm 112

4.3.1 Đo đạc các tham số kết cấu của lượng nổ 112

4.3.2 Xác định một số đặc trưng cơ học của vật cần cắt 113

4.3.3 Xác định một số đặc trưng cơ bản của thuốc nổ chính 114

4.4 Thực nghiệm đánh giá khả năng cắt của máng nổ thẳng 115

4.4.1 Các tham số đầu vào của mô hình thử nghiệm 115

4.4.2 Mô hình thử nghiệm 116

4.4.3 Phương pháp xác định kết quả: 116

4.4.4 Kết quả thử nghiệm6 117

4.5 Thực nghiệm đánh giá khả năng cắt của máng nổ tròn xoay 118

4.5.1 Các tham số đầu vào của mô hình thử nghiệm 118

4.5.2 Mô hình thử nghiệm 119

4.5.3 Phương pháp xác định kết quả 119

4.5.4 Kết quả thử nghiệm 120

4.6 So sánh, đánh giá kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm 122

4.6.1 Tính khả năng cắt của mẫu thử theo lý thuyết 122

4.6.2 Đánh giá sai số 123

Kết luận chương 4 123

KẾT LUẬN 125

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 127

TÀI LIỆU THAM KHẢO 128

PHỤ LỤC P-1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

A : hệ số phụ thuộc độ bền vật liệu cần cắt

b : chiều sâu cắt

D : tốc độ nổ của thuốc nổ

D H : tốc độ nổ của liều dẫn nổ

D H qđ : tốc độ nổ quy đổi của liều dẫn nổ

E : năng lượng của hệ

f : cự ly cắt (khoảng cách từ lượng nổ tới vật cần cắt)

F : tiêu cự cắt (cự ly đảm bảo lưỡi cắt hình thành hoàn toàn)

k : chỉ số mũ đoạn nhiệt của sản phẩm nổ

lC0 : chiều rộng lưỡi cắt khi mới hình thành

lC : chiều rộng lưỡi cắt khi vuốt dài

l 0 : chiều rộng thành máng lót (chiều dài đường sinh máng)

Mmđ , M mm : khối lượng máng lót tại đỉnh và miệng máng

Mv.đ , M v.m : khối lượng vỏ bọc tại đỉnh và miệng máng

mđ, mm : khối lượng thuốc nổ tại đỉnh và miệng máng

rđ : bán kính cong của lượng nổ

Rđ, Rm : bán kính đỉnh và miệng máng nổ khai triển;

U gh : vận tốc giới hạn của lưỡi cắt

δvđ : bề dày vỏ lượng nổ tại đỉnh máng

δvm : bề dày vỏ lượng nổ tại miệng máng

δωđ : bề dày thuốc nổ tại đỉnh máng lót

δωm : bề dày thuốc nổ tại miệng máng lót

Δt : thời gian vuốt dài lưỡi cắt

A-IX-1 : thuốc nổ Hexogen thuần hóa

C4 : thuốc nổ dẻo trên cơ sở Hexogen dùng trong quân sự

MSP, BK : ký hiệu dàn khoan dầu khí dạng dàn nặng và dàn nhẹ

DM-11 : ký hiệu dây nổ của Đức

Super cord-40, ДШЭ-50, ДШВУ-60: ký hiệu các loại dây nổ mạnh với khối lượng thuốc nổ cho mỗi mét dài tương ứng là 40, 50 và 60 gam

TrKKN : máy cắt ống theo đường vòng tích lũy bên ngoài

ТГ-40 : thuốc nổ hỗn hợp nóng chảy của Hexogen và TNT

ТГА-50 : thuốc nổ hỗn hợp của Hexogen và TNT và bột nhôm

УВЗ : lượng nổ va đập

УКЗ : lượng nổ lõm dạng máng thẳng

УКЗ-Л : lượng nổ lõm dạng máng kéo dài

ШКЗ, ШКЗ-М: ký hiệu các dây nổ dạng máng lõm có thể uốn cong

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Đặc tính kỹ thuật của máng nổ thẳng 13

Bảng 1.2 Đặc tính kỹ thuật của lượng nổ УКЗ-Л 16

Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của mìn đĩa cắt ống 18

Bảng 2.1 Vận tốc giới hạn của lưỡi cắt 55

Bảng 2.2 Các tham số kết cấu của máng nổ tròn xoay 553

Bảng 4.1 Kết quả đo độ bền của vật liệu cần cắt 113

Bảng 4.2 Kết quả đo đạc tốc độ nổ của thuốc nổ chính 115

Bảng 4.3 Số liệu kết quả thử nghiệm khả năng cắt của máng nổ thẳng 117

Bảng 4.4 Kết quả thử nghiệm khả năng cắt của máng nổ tròn xoay không vuốt dài lưỡi cắt 121

Bảng 4.5 Kết quả thử nghiệm khả năng cắt của máng nổ tròn xoay có vuốt dài lưỡi cắt 122

Bảng 4.6 Kết quả tính khả năng cắt của máng nổ thẳng 122

Bảng 4.7 Kết quả tính khả năng cắt của máng nổ tròn xoay 123

Bảng 4.8 So sánh kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm đo chiều sâu cắt của các dạng máng nổ 123

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu tạo dây nổ ДШ-А 9

Hình 1.2 Cấu tạo các lượng nổ va đập kiểu kéo dài 10

Hình 1.3 Các lượng nổ lõm dạng máng 12

Hình 1.4 Lượng nổ lõm dạng máng thẳng (ЗКЛ) và (УЖЗ) 13

Hình 1.5 Dây nổ lõm có thể uốn cong 15

Hình 1.6 Lượng nổ lõm УКЗ-Л 16

Hình 1.7 Mìn đĩa cắt ống TRK 17

Hình 1.8 Mìn vòng tròn kết cấu hỗn hợp dạng ngăn 19

Hình 1.9 Sơ đồ xuyên của luồng tích tụ tới vật cản 24

Hình 1.10 Sơ đồ hình thành lưỡi cắt tích tụ của máng nổ thẳng 26

Hình 2.1 Mô hình kết cấu máng nổ cắt vỏ trụ tròn xoay 35

Hình 2.2 Mô hình kết cấu máng nổ cắt tấm phẳng 36

Hình 2.3 Mô hình nghiên cứu cắt tấm vỏ của phần tử lượng nổ máng 38

Hình 2.4 Mô hình vật lý quá trình cắt của phần tử lượng nổ dạng máng 39

Hình 2.5 Sơ đồ nổ đẩy của phân tố nổ 41

Hình 2.6 Sơ đồ quá trình hình thành lưỡi cắt tích tụ 44

Hình 2.7 Mô hình tương tác giữa lưỡi cắt tích tụ với vật cần cắt 52

Hình 2.8 Sơ đồ tính toán chiều sâu cắt của lưỡi cắt tích tụ 53

Hình 2.9 Nguyên lý kết cấu của lượng nổ lõm dạng máng tròn xoay 61

Hình 2.10 Mặt sóng nổ trên mặt phẳng trung tâm của lượng nổ 63

Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán khảo sát ảnh hưởng của một số tham số kết cấu máng nổ tròn xoay đến khả năng cắt 83

Hình 3.2 Ảnh hưởng của góc mở máng lót đến khả năng cắt - trường hợp kích nổ tại 1 điểm 86

Hình 3.3 Ảnh hưởng của góc mở máng lót đến khả năng cắt - trường hợp kích nổ đồng thời 87

Hình 3.4 Ảnh hưởng của chiều dài đường sinh máng lót đến khả năng cắt - trường hợp kích nổ tại 1 điểm 89

Hình 3.5 Ảnh hưởng của chiều dài đường sinh máng lót đến khả năng

cắt - trường hợp kích nổ đồng thời 90

Hình 3.6 Ảnh hưởng của chiều dày đỉnh máng lót đến khả năng cắt - trường hợp kích nổ tại 1 điểm 94

Hình 3.7 Ảnh hưởng của chiều dày đỉnh máng lót đến khả năng cắt - trường hợp kích nổ đồng thời 95

Hình 3.8 Ảnh hưởng của tốc độ nổ của thuốc nổ đến khả năng cắt - trường hợp kích nổ tại một điểm 96

Hình 3.9 Ảnh hưởng của tốc độ nổ của thuốc nổ đến khả năng cắt - trường hợp kích nổ đồng thời 97

Hình 3.10 Ảnh hưởng của bề dày thuốc nổ đến khả năng cắt - trường hợp kích nổ tại một điểm 98

Hình 3.11 Ảnh hưởng của bề dày thuốc nổ đến khả năng cắt - trường hợp kích nổ đồng thời 99

Hình 3.12 Ảnh hưởng của bán kính cong lượng nổ đến khả năng cắt - trường hợp kích nổ tại một điểm 100

Hình 3.13 Ảnh hưởng của mật độ vật liệu máng lót đến khả năng cắt - trường hợp kích nổ tại một điểm 102

Hình 3.14 Ảnh hưởng của mật độ vật liệu máng lót đến khả năng cắt - trường hợp kích nổ đồng thời 102

Hình 3.15 Ảnh hưởng của mật độ vật liệu vỏ bọc đến khả năng cắt - trường hợp kích nổ tại một điểm 103

Hình 3.16 Ảnh hưởng của mật độ vật liệu vỏ bọc đến khả năng cắt - trường hợp kích nổ đồng thời 104

Hình 4.1 Kết cấu mẫu máng nổ thẳng 110

Hình 4.2 Mẫu máng nổ tròn xoay sử dụng trong thử nghiệm 111

Hình 4.3 Mô hình đo khả năng cắt của máng nổ thẳng 116

Hình 4.4 Kết quả thử nghiệm cắt bằng máng nổ thẳng khối lượng 80g 117

Hình 4.5 Kết quả thử nghiệm cắt bằng máng nổ thẳng khối lượng 90g 117

Hình 4.6 Kết quả thử nghiệm cắt bằng máng nổ thẳng khối lượng 100g 117Hình 4.7 Mô hình đo khả năng cắt của máng nổ tròn xoay 119Hình 4.8 Kết quả thử nghiệm máng nổ tròn xoay kích nổ tại 1 điểm 120Hình 4.9 Kết quả thử nghiệm máng nổ tròn xoay kích nổ tại nhiều điểm 120Hình 4.10 Kết quả thử nghiệm máng nổ tròn xoay có vuốt dài lưỡi cắt 121Hình 4.11 Kết quả thử nghiệm máng nổ tròn thay đổi tiêu cự cắt 121

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu:

Công tác cắt các kết cấu vật liệu sử dụng năng lượng nổ (cắt nổ) là lĩnh vực công nghệ đã được nhiều nước trên thế giới nghiên cứu và phát triển từ nhiều năm trước đây và đã áp dụng vào nhiều lĩnh vực của nền kinh tế và trong quân sự Cắt nổ đã được sử dụng tương đối rộng rãi đối với các cấu trúc công trình trong các điều kiện khác nhau trên mặt đất, dưới nước và trên không trung [28]

Đã có nhiều phương pháp cắt nổ được đưa ra bởi nhiều tác giả khác nhau [28], [41], cùng với đó là các loại lượng nổ dùng để cắt nổ được chế tạo

ở dạng tiêu chuẩn và phi tiêu chuẩn Mỗi phương pháp cắt nổ, mỗi loại lượng

nổ đều có những ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng riêng Tuy vậy, các công bố còn hạn chế, chủ yếu ở dạng thông tin chào hàng thương mại hoặc các patten ứng dụng với những số liệu khoa học ít ỏi

Trong nước, đã có một số tác giả triển khai nghiên cứu ứng dụng nổ để cắt các kết cấu vật liệu, nhưng kết quả còn nhiều hạn chế Các nghiên cứu về cắt nổ chủ yếu là dạng nổ tạo lỗ xuyên ứng dụng trong quân sự để chế tạo các loại đạn chống tăng kiểu xuyên lõm và đạn xuyên mở vỉa trong khai thác dầu khí [8] Trong khi đó, chưa có các nghiên cứu về cắt nổ các tấm vật liệu bằng lượng nổ dạng hốc lõm kéo dài (lượng nổ dạng máng), dạng cắt nổ tạo ra các đường cắt dài Vì vậy, việc triển khai nghiên cứu về phương pháp cắt nổ dùng

để cắt các tấm vật liệu nói chung và lượng nổ dạng máng tròn xoay (máng nổ tròn xoay) nói riêng là cần thiết để tiến tới thiết kế chế tạo các loại thiết bị cắt

nổ phục vụ cắt các cấu trúc vật liệu trong các tình huống đặc thù, thay thế các phương pháp cắt truyền thống, ứng dụng trong công nghiệp và trong quân sự

Để giải quyết vấn đề tính toán có hệ thống đối với việc sử dụng năng lượng nổ để cắt các kết cấu dạng vỏ trụ tròn xoay cũng như thiết kế các phần

tử nổ dạng máng tròn xoay theo phương pháp nổ mìn kín, cần phải xây dựng

một mô hình nghiên cứu mô tả được quá trình làm việc của thiết bị cắt nổ Mô hình đó cho phép xác định khả năng cắt của lượng nổ đối với vỏ trụ tròn xoay, thông qua các tham số kết cấu của phần tử nổ và các tham số trung gian của quá trình nổ tương tác với vật cần cắt Do đó nghiên cứu sinh đã chọn đề tài:

Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số kết cấu lượng nổ dạng máng đến khả năng cắt vỏ trụ tròn xoay

2 Mục tiêu nghiên cứu:

Mục tiêu nghiên cứu luận án là xây dựng mô hình và các biểu thức tính toán xác lập mối liên hệ giữa các tham số kết cấu (bài toán năng lượng) với chiều sâu cắt vỏ trụ tròn xoay (bài toán phá hủy) của máng nổ tròn xoay, làm

cơ sở tính toán thiết kế thiết bị cắt nổ ống thép bằng máng nổ tròn xoay

3 Nội dung nghiên cứu:

Để thực hiện mục tiêu nghiên cứu đã nêu ở trên, luận án đã thực hiện các nội dung chính sau:

- Khảo sát, phân tích các kết quả nghiên cứu hiện nay liên quan đến phương pháp cắt nổ bằng dòng tập trung (hay còn gọi là dòng tích tụ), đánh giá ưu nhược điểm của phương pháp và tính khả thi của mô hình

- Đề xuất mô hình lý thuyết mô tả quá trình hình thành và vuốt dài lưỡi cắt, phản ánh được bản chất vật lý các quá trình diễn ra từ khi lượng nổ được kích nổ tạo nên lưỡi cắt tích tụ cho tới khi tương tác của lưỡi cắt tích tụ với vật cần cắt

- Thiết lập các biểu thức tính toán để giải bài toán quá trình hình thành lưỡi cắt bằng năng lượng nổ tập trung cũng như quá trình cắt vật liệu đích của lưỡi cắt

- Khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của một số tham số kết cấu cơ bản đến khả năng cắt vỏ trụ của lượng nổ dạng máng tròn xoay, đưa ra một số khuyến nghị hữu ích cho quá trình thiết kế các công tác cắt nổ trên thực tế

- Thiết kế mẫu thử theo kết quả khảo sát, thực nghiệm xác định các thông số đầu vào của mẫu thử cũng như các thông số trung gian của quá trình cắt Đo đạc các thông số khả năng cắt của lượng nổ mẫu trên vết cắt, so sánh với kết quả tính toán lý thuyết, đánh giá tính đúng đắn phù hợp của mô hình

lý thuyết

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu của luận án là lượng nổ lõm dạng máng thẳng và lượng nổ lõm dạng máng tròn xoay

Phạm vi nghiên cứu của luận án là lượng nổ lõm dạng máng thẳng có mặt cắt máng lót hình chữ V cắt tấm phẳng và lượng nổ lõm dạng máng tròn xoay cắt vỏ trụ từ trong ra có mặt cắt máng lót hình chữ V, thực hiện quá trình cắt vật liệu trong môi trường không khí

5 Phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp nghiên cứu là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm để kiểm chứng kết quả lý thuyết

Nghiên cứu lý thuyết: xây dựng mô hình nghiên cứu tính toán các quá trình động học của thiết bị cắt (lượng nổ dạng máng) từ khi kích nổ cho đến khi phá hủy hoàn toàn vật cần cắt (tấm phẳng và vỏ trụ tròn xoay) Sử dụng các phương pháp và công cụ tính toán để giải bài toán xác định các đặc trưng động lực học của dòng sản phẩm nổ tương tác vào vật cần cắt theo mô hình đã lựa chọn

Thực nghiệm: trên cơ sở kết quả nghiên cứu lý thuyết, tiến hành thiết

kế một số mẫu thử đặc trưng của quá trình cắt nổ Tiến hành đo lường xác định các thông số kết cấu đầu vào của mẫu thử cũng như một số thông số trung gian của quá trình cắt và cuối cùng là đo các thông số khả năng cắt thực

tế trên vết cắt sau nổ Xử lý kết quả đo đạc và so sánh với các kết quả tính toán khả năng cắt bằng lý thuyết

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:

Ý nghĩa khoa học: hoàn thiện cơ sở khoa học của phương pháp tính toán

khả năng cắt của lượng nổ dạng máng (thẳng và tròn xoay) để cắt nổ các cấu trúc tấm phẳng và vỏ trụ Đề xuất mô hình và các biểu thức tính toán khả năng cắt của lượng nổ dạng máng thẳng và tròn xoay mà mục tiêu đề tài đặt ra

Ý ngh ĩa thực tiễn: kết quả nghiên cứu của luận án phục vụ cho thiết kế,

chế tạo các công cụ cắt nổ các kết cấu tấm phẳng và vỏ trụ tròn xoay, các ống trong công nghiệp và trong quân sự

để tìm ra hướng nghiên cứu chính của luận án

Chương 2: nghiên cứu quá trình cắt các tấm vật liệu bằng lượng nổ dạng máng Thiết lập mô hình nghiên cứu đối với lượng nổ dạng máng thẳng

và máng tròn xoay, phân tích bản chất các tương tác của lượng nổ đến vật cần cắt từ khi kích nổ đến khi phá hủy hoàn toàn vật cần cắt, trong đó thể hiện được ảnh hưởng của các tham số kết cấu của lượng nổ và các tham số trung gian đến kết quả cắt Xây dựng các biểu thức và chương trình tính toán các tham số động học và động lực học của lưỡi cắt tích tụ để xác định khả năng phá hủy vật cần cắt của lượng nổ

Chương 3: khảo sát ảnh hưởng của một số tham số kết cấu đến khả

năng cắt vỏ trụ của máng nổ tròn xoay Tiến hành khảo sát với sự thay đổi của mỗi tham số kết cấu trong khi cố định các tham số còn lại để tính khả năng cắt của lượng nổ Đánh giá sự ảnh hưởng của một số tham số kết cấu chính của lượng nổ dạng máng đến khả năng cắt vỏ trụ tròn xoay, đưa ra một số khuyến nghị cho lựa chọn các tham số kết cấu trong thiết kế máng nổ tròn xoay

Chương 4: nghiên cứu thực nghiệm Thiết kế một số mẫu thử điển hình,

xây dựng mô hình và tiến hành nổ thử nghiệm, đo đạc đánh giá để đo khả năng cắt trong thực tế của các lượng nổ khác nhau So sánh với kết quả tính toán lý thuyết để kiểm chứng, đánh giá sự đúng đắn của mô hình tính toán

Chương 1:

TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CẮT VẬT LIỆU BẰNG NỔ 1.1 Tổng quan về ứng dụng cắt vật liệu bằng năng lượng nổ

1.1.1 Các ứng dụng cắt vật liệu bằng phương pháp nổ

Theo điều kiện tiến hành thực hiện công tác cắt nổ, người ta đã phân

chia ra các trường hợp ứng dụng cắt nổ sau [28], [51]:

- Cắt nổ trong tháo dỡ các công trình ở các tình huống đặc thù;

- Cắt nổ trong các tình huống khẩn cấp;

- Cắt nổ các ống trong công nghiệp

* Cắt nổ trong tháo dỡ công trình ở các tình huống đặc thù:

Hiện nay, có rất nhiều cấu trúc kim loại lớn đã hết hạn sử dụng cần phải thu hồi để giải phóng mặt bằng cho xây dựng các công trình khác, hoặc đơn giản là để không gây tổn hại đến môi trường xung quanh Cấu trúc kim loại

đó có thể là các dầm cầu thép, các cầu trục lớn, các xác tàu thủy, các loại xe tăng, xe bọc thép loại khỏi trang bị Thông thường các kết cấu này có thể cắt bằng khí gas Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp việc cắt bằng khí gas khó có thể thực hiện được vì một trong các lý do sau:

- Không gian hạn chế, không thể triển khai được thiết bị, hoặc gây nguy hiểm cho người thực hiện;

- Việc cắt bằng khí gas có thể dẫn tới cháy nổ, do các cấu trúc kim loại còn liên quan tới các vật liệu dễ cháy nổ như xăng, dầu, hóa chất, polime ;

- Quá trình tháo dỡ bị hạn chế về mặt thời gian, đối với các dầm cầu vượt sông, cầu cạn, bắc qua các tuyến giao thông đường thủy đường bộ huyết mạch;

- Các cấu trúc kim loại quá dày lên đến hàng chục, hàng trăm mét, chẳng hạn như lớp gang thép trong lò luyện cần phải cắt bỏ trong sửa chữa lò;

mi-li Cắt tháo dỡ các cấu trúc kim loại dưới nước;

Những tình huống tháo dỡ các cấu trúc nói trên được gọi là các tình huống đặc thù Trong các tình huống này, sử dụng phương pháp cắt nổ sẽ giải quyết được vấn đề một cách hiệu quả Giải pháp này đã được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới cho hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cao, tiết kiệm được nhiều thời gian và chi phí Ví dụ như: để đánh sập một nhịp cầu thép khối lượng lớn chỉ cần tới vài trăm kilogam thuốc nổ với thời gian nửa ngày, vật liệu thu hồi có thể vận chuyển bằng xe tải hoặc xà lan [19], [22], [23] Ngay cả với các cấu trúc có thể cắt dễ dàng bằng khí gas thì chi phí cắt bằng nổ bao giờ cũng là phương án có chi phí thấp nhất

* Cắt nổ trong các tình huống khẩn cấp:

Các thiết bị phân tách bằng công nghệ cắt nổ được sử dụng trong điều kiện bình thường hoặc khẩn cấp khi cần phải phân tách các kết cấu mà yêu cầu chủ đạo là phải phân tách thật nhanh, đặc biệt là khi điều này không thể thực hiện bằng các giải pháp công nghệ khác Các thiết bị này tìm được ứng dụng rộng rãi trong khí cụ bay [20] Trong hàng không quân sự, thiết

bị dùng để tách đẩy cabin phi công và bung dù khi máy bay gặp nguy hiểm, tách cánh máy bay, tách cánh quạt vít nâng của máy bay trực thăng Trong hàng không dân dụng, dùng để mở cửa thoát hiểm trên thân máy bay [21] Trong hàng không vũ trụ, dùng để tách các tầng của tên lửa đẩy ở cả điều kiện bình thường và khẩn cấp, tách tên lửa đẩy khỏi khoang máy móc, phá rách thùng nhiên liệu khi tai nạn [18] Một hướng áp dụng khác của các thiết bị này là tách các modul của công trình công nghiệp khi xẩy ra tai nạn, ví dụ như mở vết rách trên ống chịu áp suất cao trong trường hợp khẩn cấp cần giảm áp cho hệ thống

Mìn ph ân tách dùng trong các thiết bị bay:

Loại mìn này dùng trong các thiết bị bay, thiết bị hàng không vũ trụ, tên lửa hành trình, máy bay và các khí tài bay khác rất đa dạng, điều này được

tạo ra bởi sự đa dạng của những nhiệm vụ cần được giải quyết bởi công nghệ này trong lĩnh vực hàng không Thiết bị nổ phân tách cũng được sử dụng rộng rãi trong việc cắt bỏ các tầng động cơ đẩy sau khi hoàn thành nhiệm vụ khỏi tên lửa hành trình, cắt khoang tải ra khỏi tên lửa đẩy, cắt rạch thùng nhiên liệu trong trường hợp tai nạn nguy hiểm [28]

Cắt nổ tạo cửa thoát hiểm:

Trong trường hợp tai nạn đã xảy ra, để xử lý tai nạn, hạn chế thiệt hại của đám cháy, động đất, hoặc những hậu quả thiên tai khác, thường phải nhanh chóng tạo được cửa vào bên trong của kiến trúc hoặc đối tượng kỹ thuật nào đó Tương tự khi giải quyết nhiệm vụ của đặc nhiệm trong việc đột nhập vào nhà ở hoặc công sở với nhiệm vụ giải phóng con tin, khi phải tạo đường thoát trên cửa, thành hoặc ô cửa của phương tiện giao thông thường sử dụng các dụng cụ cầm tay (cưa, rìu, xà beng) hoặc búa phá, dụng cụ cắt gas, trong nhiều trường hợp không đủ thời gian để thực hiện việc tạo cửa thoát bằng các dụng cụ trên Việc sử dụng các thiết bị cắt nổ để tạo cửa thoát hiểm

sẽ hữu dụng hơn, đặc biệt trong các trường hợp khẩn cấp Trong quân sự hiện nay có kiểu mìn khung ảnh được trang bị cho bộ đội đặc công

* Cắt nổ các ống trong công nghiệp:

Trên thực tế, ngày càng nhiều các tình huống đòi hỏi phải sử dụng phương pháp nổ để cắt các kết cấu hình vỏ trụ hoặc các ống mà không sử dụng phương pháp cắt bằng cơ khí hoặc cắt bằng khí gas do điều kiện làm việc không cho phép hoặc do chi phí tốn kém hơn [51]

Kỹ thuật cắt nổ còn được áp dụng để cắt và sửa chữa các ống trong đường ống dẫn gas đang hoạt động với điều kiện an toàn nghiêm ngặt [36] do đường ống dẫn gas đặt dưới lòng đất cho phép sử dụng các mối nối mặt bích Chính vì vậy, mục tiêu đảm bảo an toàn khi cắt là yêu cầu bổ sung khi tiến hành công việc này Các giải pháp kỹ thuật được tính toán để lưu ý đến các

đặc điểm đã nêu, trong đó điều cốt yếu là hơi đốt có khả năng cháy và nổ nằm trong tỉ lệ giới hạn hỗn hợp giữa khí gas với oxi

1.1.2 C ông nghệ cắt nổ các cấu trúc kim loại

Theo cơ chế tác động của vụ nổ tới vật cần cắt, người ta phân chia công tác cắt nổ thành các phương pháp công nghệ khác nhau đó là:

Hình 1.1 Cấu tạo dây nổ ДШ-А

1 Thuốc nổ; 2 Sợi dẫn hướng;3, 4, 5 Các lớp vỏ bọc

Để cắt các tấm kim loại có độ dày nhỏ, người ta đã sử dụng các loại dây nổ có cấu trúc tương tự dây nổ ДШ-А, ДШ-В của Nga (hình 1.1) [1], hoặc các dây nổ có cấu trúc tương tự của các nước khác như dây nổ Prime cord của Mỹ [17] với các loại thông thường, tăng cường và nổ mạnh Các loại dây nổ này được chế tạo nhằm mục đích cơ bản là truyền xung nổ, khi nổ, sản phẩm nổ va đập trực tiếp lên bề mặt vật cần cắt tạo nên khả năng cắt

Ưu điểm cơ bản của các dây nổ là có khả năng uốn tốt, độ bền cơ học của dây khá cao Nhược điểm của chúng là mật độ chất nổ không đều dọc theo chiều dài dây, tốc độ nổ của chất nổ không lớn, nên không thể cắt tin cậy và/hoặc cũng không cắt được các tấm kim loại có độ dày lớn

Đối với các tấm dày hơn, cần phải dùng những loại dây nổ chế tạo riêng Các loại dây nổ này được nhồi nhiều thuốc nổ hơn, loại thuốc nổ mạnh hơn như: Superkord-40, ДШЭ-50, ДШВУ-60 [28]

Ưu điểm của cắt nổ bằng dây nổ là thao tác đơn giản, chi phí cho việc cắt thấp, có thể cắt được các tấm vật liệu mỏng có hình dạng khác nhau Nhược điểm của phương pháp này là độ chính xác thấp, vết cắt không gọn và không cắt được các tấm có độ dày lớn

Để cắt các tấm kim loại có độ dày trên 8 mm, người ta đã sử dụng các liều thuốc nổ chuyên dụng chế tạo sẵn áp sát vào bề mặt tấm kim loại (các lượng nổ va đập) Khi được kích nổ, vụ nổ của liều thuốc nổ này va đập trực tiếp lên bề mặt tấm kim loại, phá hủy tại chỗ bề mặt kim loại tạo lên vết cắt

Phương pháp cắt nổ bằng sóng va đập trực tiếp kiểu này có ưu điểm là dễ thao tác, hiệu suất cắt cao hơn sử dụng dây nổ, có thể cắt được các tấm thép dày hơn, tuy vậy khi nổ, các sản phẩm nổ có thể gây phá hủy các kết cấu lân cận, việc sử dụng trong thực tế không linh hoạt (chỉ cắt được các kết cấu có hình dạng cố định) và/hoặc cũng không cắt được các tấm vật liệu có độ dày lớn

Hình 1.2 Cấu tạo các lượng nổ va đập kiểu kéo dài

1 Thuốc nổ; 2 Kíp nổ; 3 Vật liệu trơ; 4 Chi tiết phụ; 5 Chướng ngại

Một ví dụ điển hình của công nghệ cắt nổ dạng này là các lượng nổ va đập có cấu tạo đặc biệt (УВЗ) như trong hình 1.2.c, để cắt các cấu trúc kim loại có độ dày từ 3 đến 30 mm, được phát triển thành công tại trường Đại học Ban tích - Liên bang Nga [42] Những lượng nổ này được dán trực tiếp lên bề

mặt tấm kim loại, khi kích nổ sẽ tạo ra trong vùng vật liệu cần cắt một trạng thái ứng suất đặc biệt biến đổi nhanh, ban đầu là trạng thái chịu nén sau đó chuyển sang trạng thái chịu giãn, làm đứt mối liên kết kim loại tạo nên vết cắt Vùng kim loại bị cắt có nhiệt độ không vượt quá 1000C, không tạo ra các mảnh vỡ hoặc các phần tử gây nguy hiểm

Tiếp đến là công trình nghiên cứu của Tiến sĩ Trần Văn Doanh, nghiên cứu sinh thuộc trường Đại học Ban tích - Liên bang Nga [54] Công trình nghiên cứu đã mô hình hóa quá trình cắt tấm kim loại bằng nổ tiếp xúc đối với môi trường chất rắn, trong đó có tính đến sự chuyển pha của cấu trúc kim loại khi chịu tác động của vụ nổ Mô hình tính toán đã mô tả vụ nổ và tính toán áp lực lên bề mặt vật liệu, đồng thời mô hình hóa quá trình lan truyền sóng trong vật liệu dưới tác động của vụ nổ để tính toán được các tham số động lực học của vật liệu Mô hình toán của tải trọng động trong vật liệu được xây dựng trên cơ sở hệ phương trình cân bằng khối lượng, cân bằng xung lượng, cân bằng năng lượng đối với dòng chảy của chất lỏng không nhớt, có thể nén Khi tính đến sự vi phạm điều kiện môi trường liên tục, sử dụng tiêu chuẩn phá hủy tức thời

Mô hình tính toán tải trọng nổ được hiện thực hóa cho hai sơ đồ, có và không có lõi chắn sóng Kết quả nghiên cứu đã giúp cho việc thiết kế tối ưu lượng nổ va đập có tấm chắn sóng

Kết hợp với vỏ bọc và tối ưu hóa về hình dạng, lượng nổ dạng này có hiệu quả cắt rất cao, tiêu thụ lượng thuốc nổ nhỏ, khi cắt các tấm đối với các tấm kim loại dày từ 8÷40 mm chỉ cần từ 0,8÷2,6 gam cho mỗi cm2 tiết diện cần cắt, việc cắt này cũng đảm bảo an toàn cho môi trường xung quanh [49]

Ưu điểm lớn nhất của công nghệ cắt nổ kiểu này là hiệu suất sử dụng chất nổ rất cao, có thể cắt được các tấm vật liệu tương đối dày, tuy vậy cũng khó đưa vào ứng dụng trong các tình huống đòi hỏi đảm bảo cắt tin cậy với bề dày cắt lớn hơn 40 (mm) Vết cắt tạo ra không đảm bảo tách rời hoàn toàn các

phần của tấm vật liệu cần cắt Ngoài ra, cần phải có bề mặt tương đối bằng phẳng để lượng nổ áp sát bề mặt vật cần cắt

* Cắt bằng dòng tích tụ của vụ nổ:

Để cắt các tấm vật liệu với hiệu suất sử dụng chất nổ cao, độ tin cậy cắt cao, người ta đã sử dụng các lượng nổ với hốc lõm kéo dài trên suốt chiều dài gọi là lượng nổ dạng máng hay máng nổ Nguyên lý của việc cắt nổ kiểu này cũng là do dòng sản phẩm nổ tích tụ tác động vào vật cần cắt, phá hủy vật liệu đích tạo ra vết cắt [50] Khi kích nổ lượng nổ dạng máng, các sản phẩm nổ bên trong lòng máng hội tụ tạo thành lưỡi cắt tích tụ có mật độ cao và động năng rất cao, cho phép cắt đứt những tấm thép có độ dày lớn tới hàng chục, thậm chí hàng trăm milimet trên đường đi của chúng [43]

Trong nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân và cả quốc phòng, các lượng nổ lõm dạng máng được sử dụng rộng rãi [4], [24], [52] Tác dụng của lượng nổ lõm dạng máng có máng lót là tạo nên một lưỡi cắt bằng dòng chuyển động tập trung có tốc độ cao từ vật liệu máng lót bằng kim loại trên bề mặt hốc lõm

Hình 1.3 Các lượng nổ lõm dạng máng [28]

1 Giá đỡ; 2 Máng lót; 3.Thuốc nổ;4 Liều dẫn nổ

Các loại lượng nổ lõm dạng máng đơn giản nhất thể hiện trên hình 1.3, biên dạng của máng lót có hình chữ V hoặc chữ U, thuốc nổ được nhồi ở vị trí mặt sau máng lót Khi cắt, lượng nổ được đặt cách bề mặt vật cần cắt một khoảng cách nhất định để đảm bảo chiều sâu vết cắt trên tấm kim loại của nó

là lớn nhất, khoảng cách này được gọi là tiêu cự cắt Việc đảm bảo tiêu cự cắt được thực hiện nhờ các cấu trúc giá đỡ của thiết bị cắt nổ

Sự có mặt của máng lót sẽ tạo nên lưỡi cắt tích tụ có mật độ cao hơn so với lưỡi cắt tạo thành khi không có máng lót, làm tăng hiệu quả cắt của lượng

nổ lõm Máng lót có thể làm từ các kim loại như thép, đồng, nhôm, gốm, thậm chí các vật liệu phi kim loại khác, ví dụ thủy tinh [46]

Để bảo vệ chất nổ trong quá trình bảo quản và sử dụng các lượng nổ này thường có vỏ bọc Các vỏ bọc này còn làm giảm đáng kể tác hại của sóng xung kích tạo thành từ vụ nổ, nhờ vậy giảm tác hại đối với môi trường xung quanh [33] Vỏ bọc làm từ vật liệu dễ phân tán (bột ép) sẽ không tạo thành các mảnh văng lớn gây phá hủy các cấu trúc lân cận Điều đó có nghĩa là vỏ bọc lượng nổ cho phép cô lập tác dụng nổ, bảo vệ môi trường xung quanh

Kết cấu điển hình của lượng nổ lõm dạng máng được thể hiện trên hình 1.4 (а) và (b), các đặc tính kỹ thuật của chúng được thể hiện trong bảng 1.1

Để có thể cắt các tấm kim loại có biên dạng cong, các liều nổ lõm dạng máng thẳng rất khó lắp đặt Vì vậy, người ta đã tạo ra các dạng máng nổ cong Một dạng điển hình của loại này là dây nổ lõm có khả năng uốn cong được [28], kết cấu của các loại dây nổ này dựa trên các vật liệu polime làm vỏ và đồng đỏ là máng lót còn thuốc nổ là các loại thuốc nổ dẻo

Ngoài ra, các dây nổ này có thể có phần vỏ và phễu lót cùng một loại vật liệu có khả năng uốn được, chẳng hạn làm từ các ống đồng hoặc thép có hàm lượng các bon thấp, người ta nhồi vào đó thuốc nổ dạng bột thuần hóa hoặc thuốc nổ dẻo, sau đó cán ép biến dạng dọc theo chiều dài ống tạo lên máng lõm Điển hình cho các dây nổ lõm này là các loại ШКЗ, ШКЗ-М của Nga [28] Các sản phẩm này đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp phá dỡ công trình xây dựng của Liên bang Nga

Một dạng kết cấu dây nổ lõm do Viện nghiên cứu hàn mang tên Е О Platon [28], được đưa ra trên hình 1.5 (а) Các phương án lắp đặt dây nổ trên cấu trúc kim loại khi tiến hành cắt bằng công nghệ nổ được thể hiện trên

hình 1.5(b) Bán kính cong của máng lót bằng khoảng 0,4÷0,5 bán kính cong của vỏ dây nổ Dạng dây nổ này có 14 loại với các kích thước khác nhau Vỏ lượng nổ liền với máng lót làm từ đồng đỏ, thuốc nổ nhồi bên trong được chế tạo từ Hecxogen có mật độ lên đến 1,72 (g/cm3) Lượng tiêu thụ thuốc

nổ riêng để cắt thép tấm mác CT-3 có bề dày từ 4 đến 70 (mm) trong khoảng

từ 0,4 đến 6,0 (g/cm2) [49] Kết cấu của lượng nổ dạng này tuy đã được xem xét tối ưu hóa nhưng các hạn chế về công nghệ chế tạo cũng như các giới hạn trong điều kiện sử dụng chúng làm cho khó phát huy hết ảnh hưởng của các tham số kết cấu đến khả năng cắt của lượng nổ Độ tin cậy của lượng nổ dạng này cũng không cao, do đó khó có thể đưa vào ứng dụng trong các công tác cắt đặc biệt

Hình 1.5 Dây nổ lõm có thể uốn cong

а Mặt cắt ngang dây nổ, b Các phương án lắp đặt dây nổ trên kết cấu kim loại:

1 Vỏ ngoài; 2 Thuốc nổ; 3 Máng lót

Mặc dù các dây nổ lõm có thể uốn cong cho phép cắt các tấm kim loại biên dạng bề mặt khác nhau là ưu điểm vượt trội so với kết cấu lượng nổ thân vỏ cứng, nhưng các dây nổ trên lại có nhược điểm là không cắt được các cấu trúc kim loại có độ dày lớn Bản thân vỏ của các dây nổ này có thể tạo thành các mảnh văng gây nguy hiểm cho con người và môi trường xung quanh Khắc phục nhược điểm này, một loại lượng nổ lõm khác có ký hiệu УКЗ-Л (hình 1.6), được nghiên cứu bởi Đại học Tổng hợp Quốc gia Xamarck [28]

Hình 1.6 Lượng nổ lõm УКЗ-Л

1 Vỏ polyetylen; 2 Thuốc nổ; 3 Máng lót

Lượng nổ lõm này có đường kính từ 24 đến 180 mm, nhồi thuốc nổ hỗn

hợp ТГ-40, hoặc ТГА-50 Vật liệu máng lót có thể làm từ đồng đỏ, đồng thau, nhôm và thép có hàm lượng các bon thấp Vật liệu vỏ lượng nổ làm từ nhựa polyetylen Đặc tính kỹ thuật của lượng nổ УКЗ-Л với máng lót bằng đồng đỏ được thể hiện trên bảng 1.2 [28]

Bảng 1.2 Đặc tính kỹ thuật của lượng nổ УКЗ-Л

Lượng tiêu thụ thuốc nổ riêng (g/сm2) 3,1 9,4 12,6 18,6

Các số liệu trên bảng 1.2 cho thấy: chiều sâu cắt tỷ lệ với đường kính máng lót; lượng tiêu thụ thuốc nổ riêng trong các lượng nổ УКЗ-Л tăng theo bình phương сhiều sâu cắt kim loại

Để cắt nổ tin cậy các kết cấu vật liệu dạng tấm vỏ tròn xoay, phương án tối ưu lựa chọn là công nghệ cắt nổ bằng lượng nổ dạng máng tròn xoay vì khi đó, biên dạng hoạt động của lượng nổ đồng dạng với biên dạng của vật liệu cần cắt, đảm bảo tiêu cự nổ đồng đều trên toàn biên dạng cắt

Máng nổ tròn xoay là dạng biến thể trực tiếp của máng nổ thẳng trên cơ

sở lòng máng được uốn cong thành hình vành khăn, lưỡi cắt tích tụ hướng ra

phía ngoài cung tròn của máng dùng trong trường hợp cắt từ trong ra, lưỡi cắt tích tụ hướng vào phía trong cung tròn của máng dùng trong trường hợp cắt từ

đến mật độ dòng càng lớn

Máng nổ tròn xoay phát triển trên cơ sở máng nổ thẳng nên các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng cắt của loại máng này tương tự như của máng nổ thẳng: máng lót, khối thuốc nổ, mạch nổ,

Hình 1.7 Mìn đĩa cắt ống TRK

1 D ây kích nổ trong vỏ nhôm; 2 Lượng nổ dạng đĩa tròn;

3 Đĩa thép; 4 Vỏ thép; 5 Nút bịt thép;

Một ví dụ đặc trưng của máng nổ tròn xoay là mìn đĩa dùng để cắt các loại ống đã được ứng dụng rộng rãi trong công tác khoan bắn giếng, khoan nước, khoan địa chất Nhiệm vụ chính có thể giải quyết bằng thiết bị cắt nổ này là cắt các ống bơm nén khí hoặc ống khoan khi có tai nạn xảy ra Việc này chủ yếu là để rút các ống khoan hoặc ống bơm nén khí nằm bên trong lên khỏi giếng khoan khi các ống này bị vỡ và kẹt Hiện nay, sử dụng rất phổ biến loại mìn đĩa cắt ống TRK [39]

Bảng 1.3 Thông số kỹ thuật của mìn đĩa cắt ống [28]

Ký hiệu

mìn

Đường

kính ngoài

(mm)

Khối lượng thuốc nổ (gam)

Đối tượng cắt Điều kiện sử dụng Tên gọi kính (mm) Đường max (MPa) Áp suất max (°C) Nhi ệt độ

nổ của mìn cắt ống

Hình 1.8 Mìn vòng tròn kết cấu hỗn hợp dạng ngăn [42]

Các thiết bị cắt ống kiểu mìn đĩa và mìn vòng đã được ứng dụng rộng rãi trong ngành địa chất là minh chứng rõ ràng và đầy đủ của việc lựa chọn công nghệ cắt nổ các ống bằng lượng nổ dạng máng tròn xoay Tuy vậy, các

thiết kế nói trên bộc lộ một số nhược điểm đó là: lượng nổ của mìn đĩa không

áp dụng được đối với các kích thước lớn; kết cấu của mìn vòng có thể áp dụng cho các kích thước lớn, tuy vậy các lượng nổ được chế tạo sẵn có máng lót và vỏ bọc nhưng lại được lắp ráp từ nhiều lượng nổ dạng máng thẳng riêng biệt do đó vết cắt có thể không liên tục và/hoặc bị gẫy tại các điểm tiếp nối giữa hai lượng nổ; mạch nổ của mìn vòng có tâm nổ không chính xác sẽ dẫn đến lưỡi cắt không đồng đều

Để khắc phục các nhược điểm nói trên, phát huy hết các tính năng ưu việt trong cắt nổ các kết cấu ống trụ tròn xoay với kích thước lớn, cần thiết xem xét kết hợp hai mô hình cắt ống của mìn đĩa và mìn vòng, đồng thời với thiết kế mạch nổ phù hợp đảm bảo cắt nổ tin cậy các ống trong thực tế, đó

chính là mô hình thiết kế của máng nổ tròn xoay

1.2 Những vấn đề chung về lý thuyết cắt nổ bằng dòng tích tụ

Lý thuyết cắt nổ bằng dòng tích tụ của vụ nổ dựa trên nền tảng của các

lý thuyết khác trong cơ học và vật lý nổ [15], [47], đó là: lý thuyết về sự lan truyền nổ trong chất nổ ngưng tụ; lý thuyết về tác dụng đẩy của nổ; lý thuyết thủy động của dòng sản phẩm nổ tích tụ; lý thuyết về tác dụng phá hủy của dòng sản phẩm nổ tích tụ Theo lý thuyết về sự lan truyền nổ trong chất nổ ngưng tụ [30], quá trình lan truyền sóng nổ được coi là theo mặt cầu có tâm là tâm nổ Sản phẩm nổ sinh ra với tốc độ và áp suất cao tạo ra lực đẩy theo hướng chuyển động của sản phẩm nổ Hướng chuyển động của sản phẩm nổ vuông góc với bề mặt khối thuốc nổ Trường hợp trên mặt biên, sóng nổ lan truyền theo đường ngắn nhất đến các điểm trên bề mặt của lượng nổ

Lý thuyết thủy động của dòng sản phẩm nổ tập tích tụ [43] chỉ ra hiện tượng kết hợp của hai hay nhiều dòng sản phẩm nổ chuyển động gặp nhau thì xảy ra hiện tượng nhập khép tạo ra dòng mới theo quy luật của dòng chất lỏng chuyển động

Lý thuyết về tác dụng của dòng tích tụ [43] với tốc độ, áp suất và mật độ cao, phá hủy vật cần cắt trên đường đi của chúng theo nguyên lý cân bằng áp suất trên bề mặt tiếp xúc của dòng và vật cần cắt (lý thuyết của tác giả Lav renchiev)

Lý thuyết về tác dụng đẩy của nổ nổ, sản phẩm nổ tạo ra của vụ nổ chuyển động theo hướng vuông góc với mặt thoáng của lượng nổ [34] đẩy các phần tử kết cấu khác trên bề mặt chúng với vận tốc nhất định phụ thuộc vào khối lượng và kết cấu lượng nổ, hướng vuông góc với bề mặt lượng nổ Sản phẩm nổ tại các mặt đối diện nhau của lượng nổ phía bên trong hốc lõm gặp nhau tại tâm hội tụ của lượng nổ Tại đó, xảy ra hiện tượng nhập khép tạo ra dòng sản phẩm tích tụ có khả năng cắt vật liệu trên đường đi của chúng

Vì vậy, khi nổ định hướng với hốc lõm dạng nón, sản phẩm nổ sinh ra hội tụ theo đường trục của nón thành dòng tích tụ hình trụ có tốc độ và mật độ cao phá hủy kết cấu vật cần cắt trên đường đi của nó tạo lỗ xuyên hình trụ Trường hợp này, tâm hội tụ là một điểm, tác dụng cắt dạng dòng xuyên

Khi nổ định hướng với hốc lõm dạng máng thẳng, sản phẩm nổ sinh ra hội tụ theo mặt phẳng trung tâm của máng thành dòng tích tụ hình lưỡi cắt tích tụ phẳng có mật độ và tốc độ cao phá hủy kết cấu vật cần cắt trên đường

đi của nó, tạo ra vết cắt (cắt tấm vật liệu phẳng) Trường hợp này, tâm hội tụ

là tập hợp của nhiều điểm liên tục thẳng nhau Tác dụng cắt dạng mặt phẳng gọi là lưỡi cắt phẳng

Khi nổ định hướng với hốc lõm dạng máng cong, sản phẩm nổ sinh ra hội tụ theo mặt trung tâm của máng tạo thành lưỡi cắt tích tụ cong có mật độ cao và tốc độ cao phá hủy vật cần cắt trên đường đi của nó, tạo ra vết cắt (cắt tấm vật liệu hình mặt cong) Trường hợp này, tâm hội tụ là tập hợp của nhiều điểm liên tục Tác dụng cắt dạng mặt cong gọi là lưỡi cắt cong

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về quá trình cắt nổ bằng dòng tích tụ

số 8 tại một điểm, lượng nổ đặt cách mặt thép với tiêu cự nổ bằng 1,5 lần độ

mở của máng Các công bố hoàn toàn là các kết quả thực nghiệm có tác dụng trong ứng dụng công tác nổ cho các yêu cầu về tác chiến của đơn vị tại thời điểm nghiên cứu Cho đến nay chưa thấy có các nghiên cứu tiếp theo để phát triển và hoàn thiện kết quả nghiên cứu này

Nghiên cứu quá trình cắt tấm thép bằng thanh nổ lõm dưới nước của Viện Tên lửa/ Viện Kỹ thuật quân sự:

Đề tài đã đạt được các chỉ tiêu đề ra như: chiều sâu cắt; chiều dài vết cắt Tuy nhiên, các nghiên cứu chủ yếu là thực nghiệm, phần tính toán còn đơn giản, mang tính lựa chọn là chính Các thông số như góc mở máng 2α, khối lượng thuốc nổ ω, chiều dài đường sinh máng lót và vật liệu chế tạo máng lót, tiêu cự nổ chủ yếu là phân tích và lựa chọn Kết quả nghiên cứu

đã chế tạo ra thanh nổ lõm bằng đồng đỏ dài 210 (mm), nhồi thuốc nổ RDX thuần hóa khối lượng 4,5 (gam), tiêu cự nổ f=3 (mm) Vật cần cắt là tấm thép thân đạn PK-16 dày δ=3 (mm) Thí nghiệm đã cắt đứt vỏ đạn với vết cắt dài 230 (mm)

Đề tài nghiên cứu thiết kế chế tạo đạn cắt chân giàn khoan của Viện Thuốc phóng Thuốc nổ đã đặt vấn đề nghiên cứu thiết kế lượng nổ cấu tạo dạng đĩa để cắt các ống cọc chân đế của giàn khoan dầu khí trên biển phục

vụ công tác tháo dỡ thu hồi sau khai thác Trong quá trình nghiên cứu, đề tài đã đưa ra được phương án cắt nổ hiệu quả bằng mìn đĩa cho các cọc chân đế dạng ống ghép phức hợp (thép - bê tông - thép) với bề dày lớp cắt phức hợp lên đến trên 80 (mm) Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng cho việc cắt nổ một trường hợp cụ thể là các ống chân đế giàn khoan trên biển Tuy vậy, đề tài chưa đặt vấn đề xây dựng lý thuyết hoàn chỉnh về cắt nổ các ống bằng lưỡi cắt tích tụ

1.3.2 Ngoài nước

Trên thế giới, đã có một số công trình nghiên cứu quá trình cắt vật liệu bằng dòng tích tụ của lượng nổ lõm được công bố, trong đó đầy đủ nhất là công trình nghiên cứu tính toán quá trình xuyên đích thép của đạn xuyên lõm Kết quả của công trình dựa trên việc nghiên cứu tính toán 3 quá trình vật lý và

cơ học cơ bản đó là: quá trình tương tác của chất nổ lên phễu lót (bài toán nổ đẩy); quá trình hình thành dòng tích tụ (bài toán động học của dòng chảy);

quá trình tương tác phá hủy vật đích của dòng tích tụ (bài toán phá hủy)

Cùng với đó là mô hình nghiên cứu quá trình xuyên phá vật liệu bằng luồng tích tụ của tác giả Lavrenchiev và mô hình tính toán va đập nghiêng đối với lượng nổ dạng máng thẳng của GS.TSKH Mikhaylov N.P (Đại học Ban tích - Liên bang Nga) [43] Việc đi sâu xem xét phân tích thấu đáo các công trình trên làm cơ sở cho nghiên cứu quá trình cắt các kết cấu vỏ trụ bằng máng nổ tròn xoay mà đề tài đặt ra

Mô hình tính toán tác dụng xuyên thép của đạn lõm đã được hoàn thiện, được công bố và áp dụng rộng rãi Kỹ thuật đạn dược trong nước hay

sử dụng các mô hình tính toán của Viện Nghiên cứu Pháo binh Liên xô (cũ) (АНИИ) [4] và mô hình tính toán của Đại học Ban Tích (БГТУ) thuộc Liên bang Nga [4]

Mô hình nghiên cứu tính toán tác dụng xuyên đích thép của đạn xuyên lõm dựa trên lý thuyết động lực học của dòng chảy là dòng sản phẩm nổ sinh

ra khi gây nổ đầu đạn với hốc lõm dạng nón với lý thuyết tác dụng phá hủy

của dòng tích tụ dạng trụ [45], [25] Các tính toán lý thuyết đã được đo đạc

thực tế phù hợp với sai số không lớn Phần tương tác với vật đích dựa trên nguyên lý chảy sói cho tác dụng cắt của dòng sản phẩm nổ tích tụ dạng trụ

[47], với một số giả thiết phụ thuộc vào thực nghiệm về tốc độ dòng giới hạn

có thể gây ra một số sai sót nhất định Tuy vậy, cho đến nay, việc nghiên cứu

tính toán quá trình cắt xuyên của đạn xuyên đã đạt được những kết quả vượt bậc Kết cấu đầu đạn xuyên trở nên tối ưu với những tính toán lý thuyết của nhiều tác giả khác nhau trên thế giới và trong nước được kiểm chứng bằng

thực tế sử dụng

Mô hình này cũng chỉ dừng lại ở việc tính toán đối với quá trình nổ tạo

lỗ xuyên Tuy nhiên, các kết quả này là cơ sở hữu dụng cho nghiên cứu phân

tố nổ để tính toán quá trình cắt của máng nổ

Mô hình nghiên cứu quá trình xuyên phá vật liệu bằng luồng tích tụ của tác giả Lavrenchiev căn cứ theo lý thuyết thủy động lực học xuyên thấu của vật liệu tia là chất lỏng bắn phá vào vật liệu vật cản là những chất lỏng lý tưởng không nén [53] Sơ đồ tương tác như trong hình 1.8

Hình 1.9 Sơ đồ xuyên của luồng tích tụ tới vật cản

a - Trong hệ tọa độ cố định; b - trong hệ tọa độ di động (điểm dừng K đứng yên)

Sau giai đoạn tác dụng tương hỗ ban đầu sẽ là sự xuyên thấu của luồng tích tụ đi vào vật cản với tốc độ không đổinpoh Sơ đồ tương tác của dòng tích

tụ đối với vật cản được thể hiện trên hình 1.8 Trong hệ tọa độ di động (hình 1.8, b), mối liên hệ giữa đỉnh hình thành trong hốc vật cản, tạo ra hai luồng chất lỏng chảy ngược lại với tốc độ đồng đều và tương đương nhau Vật cản

(luồng chất lỏng có đường kính vô tận) đi từ trái với vận tốc npoh, còn luồng

tích tụ đi từ phải với vận tốc





2

KC KC npoh noph

Với đích cắt bán vô tận: L=k 1 Q yk3

Với đích cắt vô tận: L KOH =k 2 L

Với k 1 , k 2: hệ số thực nghiệm tính đến bản chất vật liệu máng lót và đích cắt

Với máng lót đồng và đích cắt là thép và titan: k 1 =1,8-2,4; k 2 =1,2 Đích cắt là bê tông: k 1 =3-5; k 2 =1,3-1,8

Biểu thức thực nghiệm tính chiều sâu xuyên của luồng xuyên tích tụ có tính đến ảnh hưởng của các tham số độ bền vật cần cắt và mở rộng cho các suy biến trên đường thẳng và đường tròn gọi là lý thuyết Lavrenchiev mở rộng [53] có thể ứng dụng cho lưỡi cắt tích tụ

Nhận xét mô hình của Larvanchiev: Mô hình tính toán cho phần tử xuyên lõm có độ chính xác không cao, phụ thuộc vào nhiều hệ số kinh nghiệm Mô hình chưa tính đến ảnh hưởng của hình dạng liều nổ, suy biến trên đường thẳng hoặc/và đường tròn Tuy nhiên, mô hình này đang được sử dụng phổ biến để tính toán chiều sâu xuyên của luồng tích tụ hiện nay

Hiện nay, các mô hình nghiên cứu sự hình thành lưỡi cắt tích tụ của máng nổ thẳng được công bố rất hạn chế Một mô hình loại này được công bố chính thức trong các tài liệu [42], [43], do Giáo sư Mikhaylov N.P đưa ra Sơ

đồ tính toán thể hiện trên hình 1.9

Hình 1.10 Sơ đồ hình thành lưỡi cắt tích tụ của máng nổ thẳng

1 Máng lót; 2 Lưỡi cắt 3 Chuôi lưỡi cắt

Trên hình 1.9 trình bày sơ đồ nén ép làm biến dạng máng lót và hình thành lưỡi cắt theo sơ đồ tính toán liều nổ va đập nghiêng [41] Sử dụng hệ tọa độ OXYZ’ liên hệ với mặt sóng nổ của liều dẫn nổ kéo dài với D H D

Mô hình nghiên cứu của Giáo sư Mikhaylov N.P đưa ra áp dụng đối với lượng nổ dạng máng thẳng không có vỏ bọc, biên dạng máng lót hình máng, bề dày của máng lót và liều thuốc nổ không thay đổi

Mô hình nghiên cứu tính toán các thông số lưỡi cắt tích tụ của máng nổ thẳng được xây dựng trên cơ sở phát triển mô hình tính toán nổ đẩy trong

không gian dùng cho tính toán bài toán hàn nổ [31], [52], [53] Khi kích nổ

lượng nổ, sóng nổ lan truyền dọc theo chiều dài máng nổ nén ép phễu lót chảy

về mặt phân giác của máng nổ tạo thành lưỡi cắt tích tụ

Phần kết cấu tạo nên lưỡi cắt tích tụ tuân theo quy luật thủy động lực học với giả thiết vận tốc nén ép máng lót không thay đổi trên toàn bề mặt máng và có hướng vuông góc với các bề mặt của máng Kết hợp với lý thuyết thủy động để phân tích chuyển động của dòng vật liệu máng lót khi bị nén ép chảy về mặt phẳng trung tâm của máng lót tạo thành lưỡi cắt tích tụ có bề rộng, bề dày, vận tốc không thay đổi từ sau khi hình thành đến hết quá trình cắt Chiều dài lưỡi cắt chính là chiều dài máng nổ do đó, chiều dài vết cắt cũng chính là chiều dài máng nổ

Phần tương tác với vật liệu đích là tấm kim loại cũng sử dụng lý thuyết của tác giả Larvanchiev với một số giả thiết phụ thuộc vào thực nghiệm về tốc

độ dòng tới hạn để tính toán chiều sâu cắt và bề rộng vết cắt

Các phương trình toán đưa ra chứa các tham số của máng nổ trong không gian 3 chiều, đủ để tiến hành các khảo sát cơ bản về kết cấu lượng nổ dạng máng thẳng như: Góc mở của máng; Chiều dài đường sinh của máng;

Độ dày và vật liệu chế tạo máng; Độ dày, mật độ và loại thuốc nổ…

Kết quả tính toán khả năng cắt của máng nổ thẳng theo mô hình của Giáo sư Mikhaylov N.P thể hiện trong các biểu thức sau:

Để đảm bảo va đập hiệu quả của máng,góc nghiêng của máng nổ thỏa mãn điều kiện:  n Góc nhập khép của máng sau khi nổ bằng

2 



AF một góc  - góc biến dạng máng Sau khi máng bị “sập” hoàn toàn thì đường nhập khép của máng dịch chuyển một quãng đường bằng với bề rộng của lưỡi cắt vừa được hình thành

0 / cos

co