工業(yè)電雷管延期時(shí)間分段測(cè)時(shí)系統(tǒng)的研究

周富強(qiáng)，韓體飛，侯寒冬，孫 倩，馬志鋼

(1.淮南舜泰化工有限責(zé)任公司，安徽 淮南，232001；2. 安徽理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南，232001)

現(xiàn)行的工業(yè)電雷管延期時(shí)間的測(cè)試方法有探針法、光電法、靶線法和聲電法[1]，研究人員可根據(jù)不同的測(cè)試目標(biāo)和目的選擇不同的測(cè)試方法。光電法是利用光電傳感技術(shù)建立的測(cè)試系統(tǒng)，用于電雷管作用時(shí)間的測(cè)量以及點(diǎn)火元件和延期元件噴火狀態(tài)的測(cè)試[2-3]。但目前光電測(cè)試系統(tǒng)均在敞口環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試[4]，主要測(cè)試目標(biāo)外界輸出燃燒和爆炸參數(shù)，而無法進(jìn)行內(nèi)部參數(shù)的測(cè)量。

本文自行設(shè)計(jì)了一套工業(yè)電雷管分段測(cè)時(shí)系統(tǒng)，分段測(cè)雷管各元件各序列的作用時(shí)間，包括橋絲通斷時(shí)間、點(diǎn)火藥頭噴火時(shí)間、延期藥點(diǎn)火延遲期、延期體延期時(shí)間和工業(yè)電雷管總延期時(shí)間，并判斷影響雷管精度的因素，對(duì)于研制高精度多段別的毫秒延期雷管具有重要的作用。

1 測(cè)試系統(tǒng)的介紹

1.1 工業(yè)電雷管延期時(shí)間的構(gòu)成

毫秒延期電雷管的發(fā)火過程為[5]：點(diǎn)火→點(diǎn)火能量傳遞→引燃延期藥→延期藥穩(wěn)定燃燒→裝藥爆炸。根據(jù)發(fā)火過程，毫秒延期雷管的延期時(shí)間構(gòu)成為：

式（1）中：t為毫秒延期雷管總的延期時(shí)間；t1為點(diǎn)火元件接受激發(fā)能到發(fā)火的時(shí)間；t2為點(diǎn)火元件發(fā)火到延期體接受點(diǎn)火能開始穩(wěn)定燃燒的時(shí)間；t3為延期藥穩(wěn)定燃燒的時(shí)間；t4為延期藥燃燒后引爆起爆藥直至猛炸藥爆炸的時(shí)間。以上所列延期時(shí)間中，t2為延期藥點(diǎn)火延遲期，此時(shí)間很短[6]，在光電測(cè)試中無法進(jìn)行直接測(cè)量，本文采用間接測(cè)量，利用回歸分析計(jì)算t2值。對(duì)于常規(guī)的起爆藥而言，由于起爆藥在極短的時(shí)間內(nèi)可達(dá)到穩(wěn)定爆轟，又在極短的時(shí)間內(nèi)引爆猛炸藥，故t4極小，一般只有幾十微秒，在毫秒雷管的設(shè)計(jì)中可忽略不計(jì)。因此，可以假設(shè)：t=t1+t2+t3，其中t1、t2、t3是構(gòu)成總延期時(shí)間的重要部分，依據(jù)此理論研制分段測(cè)試系統(tǒng)。

1.2 專用密封器的設(shè)計(jì)

工業(yè)電雷管在點(diǎn)火過程中，氣室內(nèi)的壓強(qiáng)會(huì)達(dá)到數(shù)兆帕以上[7]，在該壓強(qiáng)環(huán)境下點(diǎn)火藥頭能夠可靠點(diǎn)燃延期體端面藥劑，延期藥穩(wěn)定燃燒并將能量傳遞至下一序列。專用密封器的設(shè)計(jì)為雷管或半成品雷管提供真實(shí)的爆炸或燃燒壓強(qiáng)環(huán)境，通過多個(gè)密封透明的信號(hào)傳輸孔輸出雷管內(nèi)部藥劑爆炸或燃燒的光信號(hào)，從而進(jìn)行雷管內(nèi)部參數(shù)測(cè)量。專用密封器截面圖和實(shí)物圖見圖1。

圖1 密封器截面圖和實(shí)物圖Fig.1 Sectional view and actual picture of the sealer

密封器包括雷管固定模塊、自制密封墊片、透明有機(jī)玻璃和加壓模塊，另有附件螺栓、螺帽和防護(hù)箱等。雷管固定模塊的中心為雷管固定孔，被測(cè)雷管管殼的固定位置處鉆有圓孔，將該成品或半成品雷管裝入雷管固定孔中，使圓孔與對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出孔位置一致。在信號(hào)輸出孔處先后裝配帶有圓孔的自制密封墊片和透明有機(jī)玻璃塊，在加壓模塊的作用下，透明有機(jī)玻璃壓緊密封墊片，保證待測(cè)雷管完全密封的同時(shí)，測(cè)量雷管內(nèi)部藥劑爆炸或燃燒的光信號(hào)，探測(cè)孔處的光電傳感器采集該信號(hào)。

1.3 電雷管延期時(shí)間分段測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)由專用密封器、光電傳感器、恒流源、數(shù)字存儲(chǔ)示波器及計(jì)算機(jī)組成，如圖2所示。

測(cè)試系統(tǒng)的主要部件及作用：（1）專用密封器：密封樣品管殼上的預(yù)留圓孔，同時(shí)通過透明有機(jī)玻璃輸出光信號(hào)；固定光電傳感器；作為防護(hù)裝置確保測(cè)試過程中的安全。（2）光電傳感器：采用2CU2B光敏二極管，在一定測(cè)試條件下，該型號(hào)二極管最高工作電壓為30V，響應(yīng)時(shí)間為5～50ns，靈敏度極高，能將雷管殼內(nèi)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。（3）恒流源：提供恒定電流，引爆實(shí)驗(yàn)樣品，并將信號(hào)以電壓形式輸出。（4）數(shù)字存儲(chǔ)示波器：采用日置 HIOKI8841數(shù)字存儲(chǔ)示波器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集，記錄、存儲(chǔ)時(shí)間——電壓曲線，可將所測(cè)數(shù)據(jù)存盤，通過專用軟件在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

測(cè)試過程中，將鉆有圓孔的成品或半成品雷管固定在密封器中，裝配時(shí)確保圓孔與探測(cè)孔位置一致。將光電傳感器分別插入探測(cè)孔中，并且與數(shù)字存儲(chǔ)示波器相應(yīng)的通道連接。調(diào)節(jié)恒流源電流值，將雷管腳線與恒流源相應(yīng)電極連接，用傳輸線將恒流源與數(shù)字存儲(chǔ)示波器相應(yīng)通道連接，記錄雷管從通電到斷電過程中的電壓信號(hào)。由示波器顯示多個(gè)信號(hào)的時(shí)間——電壓波形圖，讀出各段時(shí)間，將所測(cè)數(shù)據(jù)存入計(jì)算機(jī)。

2 分段延時(shí)測(cè)試

2.1 試驗(yàn)樣品的制備

模擬工業(yè)電雷管延期過程，制備半成品雷管，這種半成品雷管無起爆藥和猛炸藥，裝配在測(cè)試系統(tǒng)中的密封器中，能夠確保點(diǎn)火環(huán)境和延期藥劑燃燒環(huán)境與成品雷管一致，保證測(cè)試的真實(shí)、安全、環(huán)保。待測(cè)樣品為四段半成品煤礦許用毫秒延期電雷管，其結(jié)構(gòu)圖及實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 半成品四段煤礦許用毫秒延期電雷管Fig.3 Semi-finished coal mine permitted MS-4 electric detonator

根據(jù)四段煤礦許用毫秒延期電雷管內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分別在待測(cè)樣品內(nèi)部延期體前端面部位和后端面部位預(yù)留圓孔，孔徑1.5mm。在裝配過程中，先裝延期體，使延期體處于兩個(gè)圓孔之間，卡中腰；然后用塑料塞將底端封口；最后裝配點(diǎn)火元件并封口。

2.2 測(cè)試程序

2.2.1 測(cè)試樣品的裝配

將制備好的半成品雷管裝入密封器的雷管固定孔中，使樣品管殼上的預(yù)留圓孔分別與信號(hào)輸出孔a、b位置對(duì)齊；安裝自制密封墊片和透明有機(jī)玻璃塊，最后固定加壓模塊，此時(shí)亦確保加壓模塊上的探測(cè)孔與對(duì)應(yīng)的信號(hào)輸出孔位置一致。擰緊固定螺母，使點(diǎn)火過程中雷管殼內(nèi)完全密封。

2.2.2 數(shù)字存儲(chǔ)示波器及恒流源參數(shù)設(shè)置

數(shù)字存儲(chǔ)示波器采用存儲(chǔ)記錄模式，采樣頻率設(shè)置為500kHz，采樣點(diǎn)為100μs/div，記錄長(zhǎng)度為200ms，1通道觸發(fā)，觸發(fā)電壓為20mV；恒流源在校檢狀態(tài)下設(shè)置電流值為1.2A，然后調(diào)至單發(fā)狀態(tài)。

2.2.3 接線

先將光電傳感器插入兩個(gè)探測(cè)孔中，并與數(shù)字存儲(chǔ)示波器2、3通道連接，將恒流源輸出端與示波器的1通道連接，最后將雷管腳線與恒流源兩電極連接。

2.2.4 數(shù)據(jù)記錄

數(shù)字存儲(chǔ)示波器處于等待觸發(fā)狀態(tài)，恒流源復(fù)位、起爆，存儲(chǔ)并記錄數(shù)據(jù)。

2.3 延期藥點(diǎn)火延遲期t2值的測(cè)定

利用該套測(cè)時(shí)系統(tǒng)，按照上述試驗(yàn)樣品制備方法，點(diǎn)火藥頭質(zhì)量?。?2±0.5）mg，氣室長(zhǎng)為13mm，延期體切長(zhǎng)(X)約為4mm、6mm、8mm、10mm、12mm 5種長(zhǎng)度，每種長(zhǎng)度平行5組，制成試驗(yàn)樣品，分別測(cè)量(t2+t3)（Y）值，假設(shè)此過程中延期體燃速恒定，建立方程：Y=a+bX，通過線性擬合求解a、b值，其中a為所測(cè)延期藥點(diǎn)火延遲時(shí)間，b為常量。

2.4 測(cè)試結(jié)果分析

2.4.1 信號(hào)曲線的結(jié)果分析

所測(cè)信號(hào)曲線由數(shù)字存儲(chǔ)示波器顯示并存儲(chǔ)，可以由示波器直接讀數(shù)，也可將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，由計(jì)算機(jī)通過專用軟件或者圖形分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，圖4為半成品四段煤礦許用毫秒延期電雷管輸出信號(hào)圖。

圖4 輸出信號(hào)的時(shí)間——電壓曲線Fig.4 Time——voltage curve of the output signal

如圖4所示，恒定電流通入橋絲后，通過恒流源輸出電壓信號(hào)，顯示在示波器上，表示橋絲通、斷信號(hào)；橋絲升溫并將熱量傳給點(diǎn)火藥劑，使藥劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，藥劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放的熱量使藥劑繼續(xù)升溫，直至自動(dòng)發(fā)火[8]，從而在探測(cè)孔a處獲得發(fā)出的光信號(hào)，此信號(hào)為點(diǎn)火藥頭發(fā)火信號(hào)。探測(cè)孔a信號(hào)曲線上特征轉(zhuǎn)折點(diǎn)C后出現(xiàn)波形突躍，為藥頭發(fā)火時(shí)刻。從C點(diǎn)開始3～4ms內(nèi)藥頭燃燒發(fā)出的光強(qiáng)達(dá)到最大，也是在此刻藥頭開始加熱延期體前端面的延期藥劑，經(jīng)過延期藥的點(diǎn)火延遲期后，鉛芯延期體開始穩(wěn)定燃燒，至鉛芯后端面噴火，在探測(cè)孔b獲得一個(gè)延期藥噴火信號(hào)作為延期體延期結(jié)束時(shí)刻。由以上分析可知，A、B點(diǎn)分別表示橋絲通、斷電時(shí)刻，C點(diǎn)為點(diǎn)火藥頭開始噴火時(shí)刻，D點(diǎn)為延期體噴火時(shí)刻。從圖中讀出A、B、C、D 4點(diǎn)的橫坐標(biāo)分別為：-5.91、2.14、-1.76、70.29，單位為 ms。計(jì)算所測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試參數(shù)記錄結(jié)果Tab.1 Records of the test parameters

表1中橋絲通斷時(shí)間XBA表示橋絲從點(diǎn)火到橋絲熔斷的時(shí)間，t1（XCA或XDA）為點(diǎn)火元件接受激發(fā)能到發(fā)火的時(shí)間，t2+t3（XDC）為鉛芯延期體總的燃燒時(shí)間，t（XDA）為被測(cè)半成品雷管從點(diǎn)火到噴火時(shí)間。其中t2通過試驗(yàn)測(cè)定。

2.4.2 測(cè)試結(jié)果分析

四段煤礦許用毫秒延期電雷管延期體點(diǎn)火延遲期t2測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 點(diǎn)火延遲期測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test records of the ignition delay time

根據(jù)表2，利用繪圖軟件，以延期體實(shí)際切長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，延期體總的燃燒時(shí)間為縱坐標(biāo)做圖，線性擬合，得方程Y=3.76+7.04X，由此可得四段延期體點(diǎn)火延遲時(shí)間：t2=3.76ms。

圖5 測(cè)試結(jié)果回歸分析Fig.5 Regression analysis of the test results

2.4.3 分段測(cè)試結(jié)果

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，半成品四段煤礦許用毫秒延期電雷管延期時(shí)間分段測(cè)試結(jié)果如下：在1.2A恒流源作用下橋絲通斷時(shí)間為8.05ms；點(diǎn)火元件接受激發(fā)能到發(fā)火的時(shí)間 t1=4.15ms；點(diǎn)火元件發(fā)火到延期體接受點(diǎn)火能開始穩(wěn)定燃燒的時(shí)間 t2=3.76ms；延期藥穩(wěn)定燃燒的時(shí)間t3=68.29 ms；毫秒延期電雷管總的延期時(shí)間t=76.20ms。

3 結(jié)語

從測(cè)試結(jié)果分析可以得到如下結(jié)論：工業(yè)電雷管鎳鉻橋絲在 1.2A恒流源作用下的橋絲熔斷時(shí)間為8.05ms，點(diǎn)火藥頭在密閉氣室內(nèi)發(fā)火時(shí)間為4.15ms，藥頭發(fā)火后，延期元件點(diǎn)燃時(shí)間試驗(yàn)值為3.76ms。

該裝置比較準(zhǔn)確地測(cè)量了鉛芯延期體在雷管中自點(diǎn)燃至噴火的過程，相比目前常用的將延期體裝配成成品雷管后測(cè)延期秒量的方法，該方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）能夠模擬雷管內(nèi)部各延期元件真實(shí)的燃燒或爆炸反應(yīng)環(huán)境，分段測(cè)量各序列延期時(shí)間；（2）避免了起爆藥至猛炸藥段所帶來的延期時(shí)間測(cè)量誤差及爆炸危害；（3）避免了裝配成成品雷管所帶來的材料浪費(fèi)，提高了效率。

延期藥點(diǎn)火延遲期t2為試驗(yàn)確定，其測(cè)試方法有待進(jìn)一步研究。本測(cè)時(shí)系統(tǒng)的建立，更有助于認(rèn)識(shí)延期雷管內(nèi)部各序列（點(diǎn)火元件和鉛芯延期體）對(duì)雷管延期時(shí)間精度的影響，為高精度延期雷管的研究和生產(chǎn)提供延期時(shí)間精確測(cè)試條件。

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