雷管爆炸威力自動化動態(tài)測試系統(tǒng)研究

湯江文，蔣 毅，楊秋霞，徐傳娣

（1.中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021；2.四川理工學(xué)院，四川 自貢 643000）

0 引 言

雷管的輸出威力是雷管重要性能之一。目前國內(nèi)在測量雷管輸出威力時仍主要采用鉛板穿孔法（間接法），它根據(jù)雷管爆炸時對一定厚度鉛板穿孔直徑的大小來判斷雷管的輸出威力，主要用于產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗[1]。長期以來，這種方法固有的弊病越來越引起技術(shù)人員的重視，主要表現(xiàn)為3點：（1）鉛屬于有毒的重金屬元素，在熔煉、壓延、爆炸試驗等過程中污染環(huán)境，易引起鉛中毒，對人體危害大；（2）鉛材料的硬度隨環(huán)境溫度的變化大，我國南北地區(qū)的溫度差可達幾十攝氏度，高溫、低溫下的炸孔直徑較常溫時要差20%以上，其誤差大、準確性低；（3）雷管通常是用來引爆下一級傳爆序列，通常能否引爆下一級傳爆序列的關(guān)鍵因素不是對時間的積分效應(yīng)，而是瞬間的沖擊脈沖，鉛板法反映的只是雷管在整個作用過程的綜合結(jié)果而不能反映瞬間脈沖的大小，因此鉛板法只是定性地或半定量地對雷管輸出威力進行比較，不能了解雷管輸出與過程的關(guān)系，在一定程度上影響了傳爆序列的設(shè)計，這使得雷管的驗收結(jié)果與實際使用需求之間存在一定差距。在科學(xué)研究中，測量雷管輸出威力常用的方法有：凹痕法、霍普金森壓桿法、錳銅壓阻法、PVDF壓電法、脈沖X光攝影法、高速光學(xué)攝影法、飛片速度測量法等[2-3]。這些方法存在操作復(fù)雜、試驗消耗量大、試驗周期長或者不夠準確等缺點，作為研究性實驗也許可行，但要作為能夠普遍使用的方法還存在一定困難。因而通過分析雷管輸出特性，吸收其他動態(tài)測試方法的優(yōu)點并結(jié)合相關(guān)技術(shù)提出和研制了一套新的測試方法——動量式測試系統(tǒng)。

1 測試系統(tǒng)原理及數(shù)據(jù)處理

1.1 測試系統(tǒng)原理

一般認為，雷管輸出有3種形式：沖擊波、破片、熱爆炸氣體產(chǎn)物。隨著雷管作用距離的變化，這3種作用形式在雷管輸出性能中所起的作用是不同的。熱爆炸氣體從雷管中沖出后遇到空氣形成沖擊波，由于空氣密度小，其很快冷卻衰減，所以熱爆炸氣體的作用可以歸在沖擊波中。因此，雷管的起爆能力主要取決于沖擊波（包括爆炸氣體）和碎片[4]。目前無論是鉛板法還是動態(tài)法測定雷管輸出特性時主要是測量雷管沖擊波壓力、沖擊片速度、破片速度、聲波譜等參數(shù)或者同時考慮作用時間，以不同方式表征雷管的輸出威力[3]。

首先，雷管爆炸過程中作用時間是非常關(guān)鍵的，因此，當考察沖擊波的作用時僅僅考慮沖擊波壓力對目標的作用是不夠的。雷管的輸出實質(zhì)是炸藥的猛炸作用，因此其威力可用表示炸藥猛度的方法來表征。在表示炸藥猛度時，可以利用爆炸產(chǎn)物作用在傳播方向垂直面積上的沖量來表示，它考慮了壓力和時間的共同作用；所以在測量雷管輸出威力時，決定引入沖量的概念。雷管作用在目標上的沖量是指作用在目標上的壓力與該力對目標作用時間的乘積[5]，而對于一個自由剛體，則作用在其上的沖量等于它動量的變化量，對于轉(zhuǎn)動體，即有：

式中：Im——傳遞的沖量；

J——轉(zhuǎn)動慣量；

ω——角速度；

t——沖量的傳遞時間；

Tm——雷管的作用時間。

基于上述觀點，建立了以測量雷管爆炸時對目標不同距離不同時間作用的沖量為主的測試系統(tǒng)——沖擊式測試系統(tǒng)。圖1為該測試系統(tǒng)的測試裝置簡圖。當雷管爆炸時，作用在靶臺上的輸出沖擊波（包括爆炸氣體）推動靶盤，對靶臺做功，使靶臺沿沖擊波方向位移，旋臂旋轉(zhuǎn)。傳感器檢測到角位移信號，經(jīng)高速數(shù)據(jù)處理電路傳給計算機并記錄，再通過計算機軟件進行數(shù)據(jù)處理，整個系統(tǒng)由計算機協(xié)調(diào)控制，以實現(xiàn)自動化測試。

圖1 測試裝置示意圖

角位移傳感器測得的是旋臂的角速度，由于其轉(zhuǎn)動慣量是一定值，通過角速度可以得到旋臂獲得的沖量，所以其角速度特性能表現(xiàn)出威力特性。通過數(shù)據(jù)處理，得到角速度-時間曲線（ω-t曲線）。利用將雷管輸出能量轉(zhuǎn)化為機械動能的方法，通過旋臂的角速度特征，實時地反應(yīng)了雷管的輸出特性，對角速度-時間曲線進行分析，計算得到評價雷管動態(tài)輸出威力的物理量，包括雷管作用沖量（Im）、沖擊波峰值壓力（Pm）和雷管作用時間（Tm）。

圖2為角速度-時間曲線，其中角速度從零加速到最高值所用的時間為雷管的作用時間Tm，角速度再次降為零的時間為Tend；角速度ω與裝置轉(zhuǎn)動慣量的乘積為裝置的角動量L[6]，裝置的角動量L在Tm時間內(nèi)積分為裝置獲得的沖量Im。由于是雷管對裝置做功，所以雷管向裝置靶臺上輸出的沖量就等于裝置獲得的沖量Im，可見Im就是雷管在一定方向的一定面積內(nèi)的沖量輸出。由系統(tǒng)特性和沖量公式可知，沖量曲線對時間求微分可得到爆炸壓力曲線 （P-t曲線），根據(jù)小于0的曲線段可得出阻尼補償參數(shù)。綜合分析這些物理量可以相對定量地表征雷管輸出威力，再引入實驗裝置中爆炸作用面的分度進行補償則可計算出雷管輸出的沖量絕對值。

1.2 數(shù)據(jù)處理

在計算機上編制專門的數(shù)據(jù)處理軟件，構(gòu)成數(shù)據(jù)終端，負責(zé)處理和輸出數(shù)據(jù)結(jié)果，從而搭建起一個自動化的實驗系統(tǒng)。其軟件中數(shù)據(jù)處理過程如圖3所示。

圖2 角速度曲線

圖3 數(shù)據(jù)處理過程圖

2 實驗研究

2.1 雷管樣品

實驗準備了4種藥量、裝藥壓力直徑都不相同的雷管，每組10只，其規(guī)格如表1所示，分別用沖擊法和鉛板法進行試驗。

表1 樣品參數(shù)

測試是在空曠的外部環(huán)境下進行的，實驗裝置轉(zhuǎn)動軸軸線順風(fēng)向放置，裝置轉(zhuǎn)動慣量為0.03636kg·m2。

2.2 試驗結(jié)果

文中提到的參數(shù)有 ωm、Tm、Im、Pm以及鉛板法實驗的孔徑，所以將實驗數(shù)據(jù)整理得出表2。以1#參數(shù)為準，作出相對值散點圖，如圖4所示。

表2 實驗結(jié)果數(shù)據(jù)

圖4 相對值散點圖

由圖4可知利用沖擊法測得的結(jié)果符合雷管的裝藥量越大其輸出能量越大的規(guī)律，而且提供了定量的數(shù)據(jù)，并能通過進一步的補償?shù)贸隼坠鼙ㄡ尫诺慕^對能量值。

3 結(jié)束語

由實驗知利用沖擊法測得的ω-t曲線進而得到的雷管輸出沖量，可以更靈敏地反應(yīng)雷管輸出威力的變化（其靈敏度與系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼轉(zhuǎn)矩成反比），這更有利于細化雷管威力梯度，可為雷管的性能優(yōu)化和質(zhì)量控制提供更大的助力。文中建立的測試系統(tǒng)及測試裝置，具有構(gòu)造簡單、可重復(fù)使用、操作簡便、數(shù)據(jù)處理方便等優(yōu)點，因此有很強的實用性。該測試系統(tǒng)實現(xiàn)了對雷管動態(tài)輸出特性的準確、經(jīng)濟、方便、環(huán)保、定量測量，并實現(xiàn)了自動化的測試過程。

[1]劉自湯，蔣榮光.工業(yè)火雷管性能可靠度評估[J].爆破器材，1998，27（3）：20-23.

[2]Tetal O.The construction and calibration of an inexpensive PVDF stress gauge for fast pressure measurements[J].Meas Sci&Technol，1995（6）：345-348.

[3]陳西武，秦志春.雷管輸出威力的動態(tài)測量法[J].爆破器材，1998，27（5）：24-26.

[4]陳福梅.火工品原理與設(shè)計[M].北京：兵器工業(yè)出版社，1990：115-119.

[5]惠君明，陳天云.炸藥爆炸理論[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1995：271-273.

[6]許鐘城.角動量定理與參考系[J].河池學(xué)院學(xué)報，1992（3）：49-55.