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

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

1 測試系統(tǒng)的介紹

1.1 工業(yè)電雷管延期時間的構(gòu)成

毫秒延期電雷管的發(fā)火過程為[5]：點火→點火能量傳遞→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間構(gòu)成為：

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

1.2 專用密封器的設(shè)計

工業(yè)電雷管在點火過程中，氣室內(nèi)的壓強會達到數(shù)兆帕以上[7]，在該壓強環(huán)境下點火藥頭能夠可靠點燃延期體端面藥劑，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)計為雷管或半成品雷管提供真實的爆炸或燃燒壓強環(huán)境，通過多個密封透明的信號傳輸孔輸出雷管內(nèi)部藥劑爆炸或燃燒的光信號，從而進行雷管內(nèi)部參數(shù)測量。專用密封器截面圖和實物圖見圖1。

圖1 密封器截面圖和實物圖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、透明有機玻璃和加壓模塊，另有附件螺栓、螺帽和防護箱等。雷管固定模塊的中心為雷管固定孔，被測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，使圓孔與對應(yīng)的信號輸出孔位置一致。在信號輸出孔處先后裝配帶有圓孔的自制密封墊片和透明有機玻璃塊，在加壓模塊的作用下，透明有機玻璃壓緊密封墊片，保證待測雷管完全密封的同時，測量雷管內(nèi)部藥劑爆炸或燃燒的光信號，探測孔處的光電傳感器采集該信號。

1.3 電雷管延期時間分段測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)由專用密封器、光電傳感器、恒流源、數(shù)字存儲示波器及計算機組成，如圖2所示。

測試系統(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，同時通過透明有機玻璃輸出光信號；固定光電傳感器；作為防護裝置確保測試過程中的安全。（2）光電傳感器：采用2CU2B光敏二極管，在一定測試條件下，該型號二極管最高工作電壓為30V，響應(yīng)時間為5～50ns，靈敏度極高，能將雷管殼內(nèi)的光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。（3）恒流源：提供恒定電流，引爆實驗樣品，并將信號以電壓形式輸出。（4）數(shù)字存儲示波器：采用日置 HIOKI8841數(shù)字存儲示波器對輸出信號進行動態(tài)采集，記錄、存儲時間——電壓曲線，可將所測數(shù)據(jù)存盤，通過專用軟件在計算機上進行數(shù)據(jù)分析。

測試過程中，將鉆有圓孔的成品或半成品雷管固定在密封器中，裝配時確保圓孔與探測孔位置一致。將光電傳感器分別插入探測孔中，并且與數(shù)字存儲示波器相應(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。由示波器顯示多個信號的時間——電壓波形圖，讀出各段時間，將所測數(shù)據(jù)存入計算機。

2 分段延時測試

2.1 試驗樣品的制備

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，裝配在測試系統(tǒng)中的密封器中，能夠確保點火環(huán)境和延期藥劑燃燒環(huán)境與成品雷管一致，保證測試的真實、安全、環(huán)保。待測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，使延期體處于兩個圓孔之間，卡中腰；然后用塑料塞將底端封口；最后裝配點火元件并封口。

2.2 測試程序

2.2.1 測試樣品的裝配

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)留圓孔分別與信號輸出孔a、b位置對齊；安裝自制密封墊片和透明有機玻璃塊，最后固定加壓模塊，此時亦確保加壓模塊上的探測孔與對應(yīng)的信號輸出孔位置一致。擰緊固定螺母，使點火過程中雷管殼內(nèi)完全密封。

2.2.2 數(shù)字存儲示波器及恒流源參數(shù)設(shè)置

數(shù)字存儲示波器采用存儲記錄模式，采樣頻率設(shè)置為500kHz，采樣點為100μs/div，記錄長度為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探測孔中，并與數(shù)字存儲示波器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)字存儲示波器處于等待觸發(fā)狀態(tài)，恒流源復(fù)位、起爆，存儲并記錄數(shù)據(jù)。

2.3 延期藥點火延遲期t2值的測定

利用該套測時系統(tǒng)，按照上述試驗樣品制備方法，點火藥頭質(zhì)量?。?2±0.5）mg，氣室長為13mm，延期體切長(X)約為4mm、6mm、8mm、10mm、12mm 5種長度，每種長度平行5組，制成試驗樣品，分別測量(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為所測延期藥點火延遲時間，b為常量。

2.4 測試結(jié)果分析

2.4.1 信號曲線的結(jié)果分析

所測信號曲線由數(shù)字存儲示波器顯示并存儲，可以由示波器直接讀數(shù)，也可將數(shù)據(jù)存儲，由計算機通過專用軟件或者圖形分析軟件進行數(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圖。

圖4 輸出信號的時間——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，顯示在示波器上，表示橋絲通、斷信號；橋絲升溫并將熱量傳給點火藥劑，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，直至自動發(fā)火[8]，從而在探測孔a處獲得發(fā)出的光信號，此信號為點火藥頭發(fā)火信號。探測孔a信號曲線上特征轉(zhuǎn)折點C后出現(xiàn)波形突躍，為藥頭發(fā)火時刻。從C點開始3～4ms內(nèi)藥頭燃燒發(fā)出的光強達到最大，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，在探測孔b獲得一個延期藥噴火信號作為延期體延期結(jié)束時刻。由以上分析可知，A、B點分別表示橋絲通、斷電時刻，C點為點火藥頭開始噴火時刻，D點為延期體噴火時刻。從圖中讀出A、B、C、D 4點的橫坐標(biāo)分別為：-5.91、2.14、-1.76、70.29，單位為 ms。計算所測數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。

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

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

2.4.2 測試結(jié)果分析

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

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

根據(jù)表2，利用繪圖軟件，以延期體實際切長為橫坐標(biāo)，延期體總的燃燒時間為縱坐標(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火延遲時間：t2=3.76ms。

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

2.4.3 分段測試結(jié)果

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

3 結(jié)語

從測試結(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間為8.05ms，點火藥頭在密閉氣室內(nèi)發(fā)火時間為4.15ms，藥頭發(fā)火后，延期元件點燃時間試驗值為3.76ms。

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

延期藥點火延遲期t2為試驗確定，其測試方法有待進一步研究。本測時系統(tǒng)的建立，更有助于認識延期雷管內(nèi)部各序列（點火元件和鉛芯延期體）對雷管延期時間精度的影響，為高精度延期雷管的研究和生產(chǎn)提供延期時間精確測試條件。

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