吳煥龍，向旭，趙世華

(四川石油射孔器材有限責任公司，四川 內(nèi)江 642177)

0 引言

生產(chǎn)實踐表明，若射孔彈藥型罩外表面和裝藥凹面間貼合不好或是存在間隙，會不同程度地影響穿深，不利于產(chǎn)品性能穩(wěn)定性的保證，行業(yè)內(nèi)通常將這種現(xiàn)象俗稱拔罩。目前，中國尚未看到有文獻嘗試對其作過定量分析計算研究，這主要是因為從理論上求解射孔彈裝藥爆轟反應和處理殼體對爆轟波傳播影響的問題是一個困難而復雜的理論研究工作。定量研究有助于加深認識并針對性更強地減小或防止拔罩現(xiàn)象帶來的影響，本文就該問題從理論和試驗2個層面進行探討。先從理論上簡單分析拔罩間隙對射孔彈性能的影響機理及其產(chǎn)生與控制，用二次壓裝工藝法控制得到研究對象的試驗樣本，安排試驗定量研究不同拔罩間隙(以下簡稱間隙或空隙)對各型射孔彈穿深帶來的影響規(guī)律，并應用數(shù)據(jù)分析和制圖工具OriginPro 8.6擬合試驗數(shù)據(jù)得到關系曲線與經(jīng)驗公式。

1 裝藥與藥型罩間隙

1.1 間隙的影響

藥型罩與裝藥間存在初始壓力和密度都很低的空氣隙，當爆轟波到達炸藥和空氣界面時，波陣面壓力瞬時開始迅速衰減，削弱了沖擊波的驅動能力并最終影響到射孔彈穿深[1-2];射孔彈實際使用炸高均低于最佳炸高，間隙的存在相當于減小了炸高對穿深的有利趨向。

諸多研究表明，炸高對射孔彈穿深的影響很大?？紤]到常見的藥型罩與聚能藥柱的分離間隙一般在5 mm內(nèi)，由此帶來的檢測或使用炸高變化也小，因此在評估間隙因素的影響時一般可忽略后者。但對于一些藥型罩脫離嚴重的極端情況(間隙在5 mm及以上)，則必須另行計入炸高變化因素。

1.2 間隙的產(chǎn)生及控制

石油射孔彈在生產(chǎn)過程中的壓裝環(huán)節(jié)和射孔施工中不時會出現(xiàn)拔罩現(xiàn)象。原因主要有壓彈凸模在回程過程中模具外錐面與藥型罩內(nèi)表面間產(chǎn)生負壓使得藥型罩外表面與藥柱凹面分離;壓藥后成型藥柱內(nèi)殘存高壓氣體，其會溢出，影響藥型罩與藥柱的接觸[3]。此外，對于生產(chǎn)車間內(nèi)進行的成品搬運與裝箱、產(chǎn)品運輸、射孔施工過程中射孔彈受沖擊載荷或其他相關環(huán)境因素以及這些因素的綜合作用都有可能導致藥型罩松動進而與藥柱配合面接觸不好的現(xiàn)象出現(xiàn)。

射孔彈生產(chǎn)多數(shù)采用一次壓裝成型法，通常用膠固方式防止拔罩間隙產(chǎn)生和擴大，對于有缺陷的拔罩彈主要靠復壓修整減小間隙;對于施工過程中發(fā)現(xiàn)的明顯拔罩或藥型罩近乎脫落的射孔彈則直接剔除，不予裝槍。國內(nèi)外一些廠商也有采用分步壓裝成型的多工位壓制技術的，其可以在一定程度上抑制消除壓裝環(huán)節(jié)產(chǎn)生拔罩的問題[4]。

2 二次壓裝工藝

射孔彈實際生產(chǎn)中大多采用的壓裝工藝是指帶罩壓藥的一次成型裝配方式，其特點為藥型罩作為成型壓裝沖頭的一部分，藥柱成型、罩與藥柱裝配同時進行，生產(chǎn)效率高。缺點:一方面成型壓力高，對粉末藥型罩的強度提出了更高的要求;另一方面，由于在一個速度下沖壓成型，壓藥壓力的上升率高，減小了藥柱從彈性變形到塑性的反應時間，不利于容腔內(nèi)的氣體隨著藥柱不斷成型溢出腔外和降低藥劑的蠕變回長特性。

二次壓裝工藝是多工位壓制技術的一種簡單形式，初步應用于解決高性能低強度藥型罩的壓裝裂罩問題。具體是指將裝藥和藥型罩進行先后2次有序裝配，第1次按正常工藝標準高壓力壓制殼體內(nèi)的散粒體松裝炸藥使之成型，隨后低壓裝配藥型罩的射孔彈壓裝生產(chǎn)工藝。二次壓裝工藝在減少高密度低強度粉末藥型罩壓裝過程中裂彈的廢品率方面卓有成效。其中工藝實施需要注意裝藥的凹面在成型時和壓藥凸模一致，退模后由于裝藥的回彈使錐形穴的頂部和口部回彈量不一致，故建議藥型罩裝配壓力選用不宜過低，以保證藥型罩外表面與裝藥凹面的貼合度;此外，二次壓裝成型工藝實施的一個關鍵是需要設置浮藥清理裝置，以確保生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的浮藥被及時清理，排除安全隱患;壓藥沖頭建議采用銅質(zhì)材料或銅合金，以防止黑金屬沖擊引起局部熱點效應[4]。

3 試驗研究

3.1 工藝控制設計與原理

試驗以二次壓裝工藝為基礎，先壓制一定數(shù)量的成型裝藥，擱置數(shù)小時消除聚能藥柱內(nèi)應力，隨后在藥型罩裝配環(huán)節(jié)對藥型罩與成型裝藥間的配合間隙進行控制，以獲取試驗設置對象。根據(jù)對常見范圍內(nèi)分離間隙的研究需要，依次設置了0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5 mm 和 5 mm 等 10 種情況。鑒于研究間隙取值和變化均小，為了準確獲取小差異的試驗結果，減弱各不穩(wěn)定因素對打靶數(shù)據(jù)可信度造成的影響，需對試驗體和過程進行嚴格控制。

(1)試驗體材料的均勻性。藥型罩選用純銅粉壓制以最大限度地消除常規(guī)混粉和旋壓帶來的成分偏析缺陷。

(2)盡量保證較高的加工精度與裝配對稱性，以減小偏心起爆等因素影響，提高射流穩(wěn)定性。

圖1 試驗檢測裝置

試驗裝置參考GB/T 20488-2006射孔彈地面穿鋼靶標準進行，實物場景見圖1。因研究純空隙因素對穿深的影響，考慮到間隙會引起射孔彈檢測炸高的變化，故試驗時保持了理論炸高(藥型罩開口端面至靶板的距離)為定值以消除炸高影響。

3.2 試驗結果

表1中，空隙表示射孔彈藥型罩外表面與裝藥凹面之間的軸向距離大小。為減小隨機誤差的影響，每組穿深數(shù)據(jù)均為7發(fā)試驗彈數(shù)據(jù)的均值。同間隙下部分彈型的穿深下降數(shù)據(jù)較為接近，數(shù)據(jù)精度取0.1 mm。

表1 常用彈型不同空隙下穿深下降試驗數(shù)據(jù)

3.3 數(shù)據(jù)處理與分析

應用OriginLab公司開發(fā)的圖形可視化和數(shù)據(jù)分析軟件OriginPro 8.6進行數(shù)據(jù)處理，試驗數(shù)據(jù)的散點及擬合曲線見圖2[5]。從圖2可以看出，射孔彈侵徹45號鋼鋼靶的穿深下降隨空隙大小的變化而變化，存在以下規(guī)律。

圖2 各型射孔彈穿深下降值與間隙的關系

(1)穿深下降值隨拔罩間隙的增加呈非線性上升趨勢，且上升速率隨著間隙的增加而減小，最初減小很快，隨后逐漸放慢。

(2)縱向來看，不同彈型的穿深下降值曲線略有不同，整體呈現(xiàn)出間隙對小彈型的穿深影響大于大彈型，這主要是受裝藥直徑的影響。此外，較其他彈型，間隙因素對73型射孔彈的穿深影響不顯著。這是因為不同彈型關系曲線還與裝藥飽和度、藥型罩壁厚、殼體重量、藥型罩外錐角、殼體內(nèi)腔錐角等相關[2，6]。

(3)間隙3.5 mm是關系曲線由上升到下降的轉折點(因采用分段擬合曲線方法，在段邊界3.5 mm處不滿足可導性、函數(shù)不光滑，且在區(qū)間(3.5，4)內(nèi)無采樣點，所以無法進一步準確判斷曲線的具體轉折點)。在間隙4～5 mm段，穿深下降關系曲線出現(xiàn)一個明顯的平臺，穿深下降曲線變化緩慢且略有下降。對前述變化解釋為，隨著藥型罩外錐面與聚能藥柱內(nèi)錐面在軸向間隙的增大，某間隙值下沖擊波斜入射作用到藥型罩頂部時發(fā)生了馬赫反射，從而導致藥型罩動態(tài)響應的驟變。其具體過程表現(xiàn)為射孔彈起爆后幾微秒內(nèi)，最先到達藥型罩頂端的沖擊波將罩頂壓垮形成一個開口，隨之高速爆轟產(chǎn)物從壓垮口噴出，約數(shù)微秒后藥型罩方才閉合并立即形成高速射流，閉合時間與開口直徑大小呈正相關。這種情況使得射流頭部速度有所提高，該正影響部分與空隙負影響相消并在一定間隙范圍內(nèi)提高了穿深，現(xiàn)象同藥型罩頂部切口技術類似[7-8]，現(xiàn)象示意見圖3。根據(jù)文獻[7]，切口大小對穿深影響的結論并結合本文主要研究對象可以預測，當間隙繼續(xù)增大至某一值時穿深下降值曲線將出現(xiàn)一次突躍上升，隨后逐漸趨于水平收斂。

圖3 爆轟產(chǎn)物自藥型罩頂壓垮口噴出現(xiàn)象的示意圖

4 預測關系模型研究[9]

4.1 建立經(jīng)驗模型

為方便統(tǒng)一量化，以確定藥型罩與裝藥凹面存在空隙時射孔彈的穿深性能，建立計算用預測關系式，將各彈型同一間隙下的穿深下降值PΔ求平均后所得作為擬合經(jīng)驗公式的因變量。試驗間隙c是在[0，5]mm范圍內(nèi)選取的數(shù)個離散數(shù)據(jù)采樣點，從圖2可以判斷出函數(shù)(c)屬于一元非線性函數(shù)且存在明顯的分段(0≤c≤3.5與3.5＜c≤5)。任何復雜的一元連續(xù)函數(shù)都可以用高階多形式近似表達，階數(shù)越高回歸方程與實際數(shù)據(jù)的擬合程度越高，但同時回歸計算過程中舍入誤差的積累也越大，通常階數(shù)取2～4即可。經(jīng)分析，初步確立擬合函數(shù)為

式中，κi(i=0，1，2，3，4，5，6，7)為待定參數(shù)。

圖4 與c關系擬合結果

應用OriginPro 8.6直接擬合得關系曲線見圖4，方程如式(2)所示。

式中，0≤c≤5，適用于各型射孔彈的通用關系。

4.2 回歸方程顯著性檢驗與應用討論

建立從經(jīng)驗上認為有意義的方程，對其擬合效果進行檢驗或衡量。擬合結果檢驗見表2。

表2 擬合檢驗結果

表2中OriginPro的擬合檢驗結果分別從不同的方面刻畫了該次擬合的效果及精度均符合要求。據(jù)此，式(2)可以作為預測當射孔彈兩大核心組成藥型罩與裝藥存在接觸間隙時其穿深性能下降幅度計算的經(jīng)驗關系式，其應用于不同彈型存在差異化的計算預測誤差，相對誤差ER最大約為20%，基本可以滿足預測需要。當對預測準確度有較高要求時可直接參考表1或圖2進行確定。

炸高對不同彈型的影響程度也不同，前面也提及了大分離間隙下考慮炸高變化的重要性，因此涉及到特定彈型、特定作業(yè)狀況還需要做進一步的研究確定工作，繼而建立對產(chǎn)品質(zhì)量控制與施工具有指導參考意義的一定數(shù)量的數(shù)據(jù)庫與經(jīng)驗公式。

5 結論

(1)當射孔彈藥型罩與聚能藥柱間的空隙大小在3.5 mm內(nèi)，隨著間隙增大其對穿深的影響亦增大，但增大速率減小，1 mm范圍內(nèi)的分離間隙對不同彈型穿深性能的影響差別很小。

(2)間隙與穿深下降值之間的關系曲線在間隙值3.5 mm左右出現(xiàn)轉折;繼續(xù)增大至4 mm附近時，沖擊波斜入射藥型罩發(fā)生馬赫反射使后者的動力學響應出現(xiàn)異變，穿深出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象，其后隨間隙在一定大小范圍內(nèi)增加穿深趨于平穩(wěn)不變。

(3)應用OriginPro 8.6擬合得到了射孔彈穿深下降值隨間隙變化的關系曲線與通用經(jīng)驗公式，檢驗了擬合效果，實現(xiàn)了對試驗數(shù)據(jù)的快速可視化和分析，提高了數(shù)據(jù)處理的效率。

(4)擬合所得經(jīng)驗公式可用于計算預測由間隙因素引起的射孔彈穿深變化;關系曲線對提高定量認識和控制間隙因素對射孔彈穿深性能的影響有一定的參考意義。

[1]張國偉.終點效應及其應用技術[M].北京:國防工業(yè)出版社，2006.

[2]金柯.爆轟驅動飛片運動數(shù)值模擬[D].綿陽:中國工程物理研究院，2004.

[3]呂萬會.射孔彈壓藥控制系統(tǒng)與關鍵工藝研究[D].大連:大連理工大學，2007.

[4]李紅星，郭圣延，李立華，等.多工位壓制技術在石油射孔彈合壓中的應用[J].石油機械，2011，39(10):81-83.

[5]周劍平.Origin實用教程:7.5版[M].西安:西安交通大學出版社，2007.

[6]程松.小尺寸裝藥爆轟驅動飛片速度測試研究[D].太原:中北大學，2010.

[7]石前，顧軍.大孔徑射孔彈藥型罩頂部的結構分析[J].測井與射孔，2004(1):71-72.

[8]陳賢林，董振.帶孔聚能罩的射流及其侵徹[A]∥中國工程物理研究院科技年報(1998)[M].成都:四川科學技術出版社，1999.

[9]李云雁，胡傳榮.試驗設計與數(shù)據(jù)處理[M].2版.北京:化學工業(yè)出版社，2008:82-102.