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(shí)仍主要采用鉛板穿孔法（間接法），它根據(jù)雷管爆炸時(shí)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(yàn)[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(diǎn)：（1）鉛屬于有毒的重金屬元素，在熔煉、壓延、爆炸試驗(yàn)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(dá)幾十?dāng)z氏度，高溫、低溫下的炸孔直徑較常溫時(shí)要差20%以上，其誤差大、準(zhǔn)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(shí)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(gè)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(jìn)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(jì)，這使得雷管的驗(yàn)收結(jié)果與實(shí)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(yàn)消耗量大、試驗(yàn)周期長或者不夠準(zhǔn)確等缺點(diǎn)，作為研究性實(shí)驗(yàn)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(dòng)態(tài)測試方法的優(yōu)點(diǎn)并結(jié)合相關(guān)技術(shù)提出和研制了一套新的測試方法——?jiǎng)恿渴綔y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(rèn)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(dòng)態(tài)法測定雷管輸出特性時(shí)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(shí)考慮作用時(shí)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(shí)間是非常關(guān)鍵的，因此，當(dāng)考察沖擊波的作用時(shí)僅僅考慮沖擊波壓力對目標(biāo)的作用是不夠的。雷管的輸出實(shí)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(shí)，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(shí)間的共同作用；所以在測量雷管輸出威力時(shí)，決定引入沖量的概念。雷管作用在目標(biāo)上的沖量是指作用在目標(biāo)上的壓力與該力對目標(biāo)作用時(shí)間的乘積[5]，而對于一個(gè)自由剛體，則作用在其上的沖量等于它動(dòng)量的變化量，對于轉(zhuǎn)動(dòng)體，即有：

式中：Im——傳遞的沖量；

J——轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

ω——角速度；

t——沖量的傳遞時(shí)間；

Tm——雷管的作用時(shí)間。

基于上述觀點(diǎn)，建立了以測量雷管爆炸時(shí)對目標(biāo)不同距離不同時(shí)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(dāng)雷管爆炸時(shí)，作用在靶臺上的輸出沖擊波（包括爆炸氣體）推動(dòng)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(jì)算機(jī)并記錄，再通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)控制，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)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(shí)間曲線（ω-t曲線）。利用將雷管輸出能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)能的方法，通過旋臂的角速度特征，實(shí)時(shí)地反應(yīng)了雷管的輸出特性，對角速度-時(shí)間曲線進(jìn)行分析，計(jì)算得到評價(jià)雷管動(dòng)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(shí)間（Tm）。

圖2為角速度-時(shí)間曲線，其中角速度從零加速到最高值所用的時(shí)間為雷管的作用時(shí)間Tm，角速度再次降為零的時(shí)間為Tend；角速度ω與裝置轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的乘積為裝置的角動(dòng)量L[6]，裝置的角動(dòng)量L在Tm時(shí)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(shí)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(bǔ)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(shí)驗(yàn)裝置中爆炸作用面的分度進(jìn)行補(bǔ)償則可計(jì)算出雷管輸出的沖量絕對值。

1.2 數(shù)據(jù)處理

在計(jì)算機(jī)上編制專門的數(shù)據(jù)處理軟件，構(gòu)成數(shù)據(jù)終端，負(fù)責(zé)處理和輸出數(shù)據(jù)結(jié)果，從而搭建起一個(gè)自動(dòng)化的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究

2.1 雷管樣品

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)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(jìn)行試驗(yàn)。

表1 樣品參數(shù)

測試是在空曠的外部環(huán)境下進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)軸軸線順風(fēng)向放置，裝置轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.03636kg·m2。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

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

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

圖4 相對值散點(diǎn)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(jìn)一步的補(bǔ)償?shù)贸隼坠鼙ㄡ尫诺慕^對能量值。

3 結(jié)束語

由實(shí)驗(yàn)知利用沖擊法測得的ω-t曲線進(jìn)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(dòng)慣量和阻尼轉(zhuǎn)矩成反比），這更有利于細(xì)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(diǎn)，因此有很強(qiáng)的實(shí)用性。該測試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對雷管動(dòng)態(tài)輸出特性的準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、方便、環(huán)保、定量測量，并實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的測試過程。

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