狄長安，孟 郁，彭 澎

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

?

高轉(zhuǎn)速下高聚物黏性炸藥(PBX)材料徑向位移實(shí)時(shí)測試方法

狄長安，孟 郁，彭 澎

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

針對高轉(zhuǎn)速下PBX徑向大變形測試的問題，設(shè)計(jì)了專用測量裝置，采用同一電渦流傳感器對圓環(huán)狀PBX模擬材料0～12000r/min轉(zhuǎn)速范圍的對應(yīng)轉(zhuǎn)速及徑向位移進(jìn)行了測試，得到該材料徑向位移與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，并針對試樣環(huán)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，隨著轉(zhuǎn)速的增加，該材料的徑向位移成線性增長，最大值超過0.9mm。

高轉(zhuǎn)速； 電渦流； PBX； 大位移

1 引 言

高聚物黏結(jié)炸藥(polymer bonded explosive，PBX)充分利用了高能炸藥的爆轟性能和高分子材料的力學(xué)性能，使藥劑的綜合指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的鑄裝炸藥和蠟鈍感炸藥，能量密度與機(jī)械強(qiáng)度較高，感度較低，加工成型性能和環(huán)境適應(yīng)能力良好，適用于各種裝藥工藝，且能量可在一定范圍內(nèi)適當(dāng)調(diào)節(jié)[1]。PBX問世以來，在現(xiàn)代軍事、國防建設(shè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，重要性日益顯現(xiàn)。

由于炸藥的使用環(huán)境比較復(fù)雜，在生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸、發(fā)射過程中或發(fā)生意外時(shí)會(huì)產(chǎn)生碰撞，受到不同類型瞬態(tài)載荷的作用。在這些載荷作用下，炸藥會(huì)表現(xiàn)出不同的力學(xué)響應(yīng)特性。炸藥的力學(xué)性能不僅與武器的生存能力及使用壽命密切相關(guān)，還會(huì)進(jìn)一步影響其爆轟性能[2]。因此，研究炸藥在復(fù)雜瞬態(tài)載荷下的力學(xué)性能，獲得其各種力學(xué)響應(yīng)隨載荷變化的規(guī)律對于指導(dǎo)武器戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)和安全性能研究都具有重要意義。

目前，國內(nèi)外的專家學(xué)者針對PBX炸藥在不同條件下的力學(xué)性能做了大量的研究[3-6]，但是這些研究基本均是針對藥柱的軸向力學(xué)性能的，而在火炮實(shí)際射擊時(shí)，彈體在身管內(nèi)運(yùn)動(dòng)除了受到軸向的推進(jìn)力，還受到膛線的作用，產(chǎn)生高速的旋轉(zhuǎn)。彈體的高速旋轉(zhuǎn)會(huì)使藥柱在徑向產(chǎn)生應(yīng)力作用，進(jìn)而影響藥柱的完整性和起爆性，因此，有必要對高速旋轉(zhuǎn)下PBX藥柱的徑向動(dòng)態(tài)力學(xué)特性進(jìn)行研究。

為了研究PBX藥柱的徑向動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，需要對高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下藥柱的徑向位移進(jìn)行測量。澆注的PBX藥柱具有軟材料特征和大變形能力。與常見金屬材料的微應(yīng)變相比，藥柱應(yīng)變數(shù)值可能會(huì)更大[7]。目前電阻應(yīng)變片在材料力學(xué)性能研究方面已成為常用的測試技術(shù)，其應(yīng)變測量范圍可達(dá)20%[8]，但電阻應(yīng)變片為接觸式測量，與PBX粘結(jié)時(shí)會(huì)影響其自身變形[9]。目前，國內(nèi)外針對高速旋轉(zhuǎn)下PBX的徑向動(dòng)態(tài)力學(xué)特性方面的研究還不多見。本文針對高轉(zhuǎn)速下PBX徑向大變形測試的問題，提出了一種基于電渦流傳感器的徑向位移測試方法，即采用電渦流傳感器對高速旋轉(zhuǎn)速度及其對應(yīng)下的PBX模擬材料徑向位移進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，并分析了轉(zhuǎn)速與位移之間的關(guān)系。

2 基于電渦流的轉(zhuǎn)速及徑向大變形測量原理

出于安全性和方便性考慮，本文采用具有類似PBX材料力學(xué)性能的模擬材料代替PBX進(jìn)行力學(xué)研究。將PBX模擬材料制成圓環(huán)狀，將電渦流感應(yīng)材料粘貼在試樣環(huán)內(nèi)側(cè)，電渦流傳感器感應(yīng)探頭通過夾具固定在環(huán)型材料的中空部位，使探頭正對感應(yīng)材料，如圖1所示。當(dāng)PBX模擬材料發(fā)生變形時(shí)，帶動(dòng)感應(yīng)材料一起運(yùn)動(dòng)，使得感應(yīng)材料與電渦流傳感器之間的軸向方向位移發(fā)生變化，電渦流傳感器的輸出電壓U與位移d之間的關(guān)系如下：

U=kzd+U0

(1)

式中：U為傳感器的輸出電壓，單位為V；kz為傳感器的軸向靈敏度，單位為V/mm；d為線圈與被測導(dǎo)體之間的距離，單位為mm；U0為傳感器的起始偏置電壓，單位為V。由式(1)，即可獲得PBX模擬材料的變形量，同時(shí)，利用示波器記錄電渦流傳感器的多個(gè)波形，通過公式N=60*n/t計(jì)算出轉(zhuǎn)速，這里的感應(yīng)材料只有一塊，所以n=1，t為兩波峰之間的時(shí)間間隔。由此，可利用電渦流傳感器同時(shí)測量轉(zhuǎn)速及其對應(yīng)的位移。

圖1 電渦流與試樣環(huán)相對位置示意圖Fig.1 Relative position of the eddy current and the sample ring

3 PBX徑向變形測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 測量系統(tǒng)組成及工作原理

高速旋轉(zhuǎn)下電渦流轉(zhuǎn)速及徑向位移測試系統(tǒng)如圖2所示，測試系統(tǒng)由高速旋轉(zhuǎn)臺(tái)架、試樣環(huán)、安裝盤、電渦流傳感器和示波器組成。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成圖Fig.2 Composition of experimental system

高速旋轉(zhuǎn)臺(tái)架由變頻器、電機(jī)及其安裝支架組成，電機(jī)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)12000r/min。試樣環(huán)內(nèi)嵌在安裝盤內(nèi)，安裝盤安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上；電渦流傳感器通過專用支架安裝在安裝盤的中心；電渦流傳感器輸出信號經(jīng)前置放大器放大后，由存儲(chǔ)式數(shù)字示波器記錄，并計(jì)算轉(zhuǎn)速及其對應(yīng)的位移。

3.2 試樣環(huán)及專用安裝盤設(shè)計(jì)

(1)試樣環(huán)設(shè)計(jì)：根據(jù)電機(jī)的負(fù)載能力確定試樣環(huán)為外徑φ110mm，內(nèi)徑φ86mm，高30mm的圓環(huán)，如圖3(a)所示。試樣環(huán)中的感應(yīng)材料為鋁箔，因?yàn)殇X箔的質(zhì)量非常小，所以高速旋轉(zhuǎn)時(shí)鋁箔產(chǎn)生的離心力對被測材料位移的影響可忽略不計(jì)。

(2)專用安裝盤設(shè)計(jì)：專用安裝盤由上壓板和轉(zhuǎn)盤主體組成，上壓板和轉(zhuǎn)盤主體通過螺紋連接，如圖3(b)所示。上壓板是為了防止高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，試樣環(huán)飛出，對測試儀器和人員造成傷害；轉(zhuǎn)盤主體設(shè)計(jì)成臺(tái)階狀是為了防止直徑尺寸驟減，造成驟減處的應(yīng)力集中；專用安裝盤采用鋁質(zhì)材料，這樣可以減小自身的重量。

試樣環(huán)和轉(zhuǎn)盤主體連接到一起，然后旋上上壓板，如圖3(c)所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)材料與專用安裝盤連接示意圖 (a)試樣環(huán)示意圖； (b)實(shí)驗(yàn)材料與專用安裝盤連接分解示意圖； (c)試樣環(huán)與專用安裝盤裝配圖Fig.3 Connection of the sample and special mounting plate(a) Sample ring; (b) Experimental materials and Special mounting plate; (c) Connection of the sample ring and special mounting plate

電渦流裝置固定如圖4所示，通過連接件將電渦流傳感器固定在鋁型材料上，并調(diào)節(jié)其與樣品內(nèi)壁垂直，安裝盤通過螺紋與電機(jī)軸連接到一起。

圖4 電渦流傳感器安裝圖Fig.4 Installation of the eddy current

4 實(shí)驗(yàn)測試及其分析

實(shí)驗(yàn)前調(diào)整電渦流探頭安裝位置，使其正對鋁箔且距離內(nèi)壁1.58mm。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.5 Physical experimental system

在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)前用手帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，記錄初始狀態(tài)下電渦流傳感器測得的電壓值。然后控制電機(jī)加速，記錄下材料在各轉(zhuǎn)速下電渦流傳感器的感應(yīng)波形。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的試樣環(huán)內(nèi)壁位移量—轉(zhuǎn)速曲線圖如圖6所示。圖中轉(zhuǎn)速可以通過公式N=60/t計(jì)算得到，t為兩個(gè)波峰之間的時(shí)間間隔。

圖6 實(shí)驗(yàn)試樣轉(zhuǎn)速-位移曲線圖Fig.6 Rotational Speed and strain curve of the experimental sample

對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析如下：

(1)變形量最小為0.145mm，最大為0.966mm，傳感器的測量范圍為5mm，精度為0.01mm，可滿足測量要求；

(2)隨著轉(zhuǎn)速增加，PBX模擬材料的位移逐漸增加，并近似成線性關(guān)系；

(3)對于線性材料，位移和轉(zhuǎn)速的平方是成正比的，但是實(shí)驗(yàn)中PBX模擬材料的轉(zhuǎn)速與位移成正比，說明PBX材料具有一定的非線性性質(zhì)。

5 結(jié) 論

本文針對高轉(zhuǎn)速下PBX徑向大變形測試的問題，提出了一種基于電渦流傳感器的徑向位移測試方法，采用電渦流傳感器對高速旋轉(zhuǎn)速度及其對應(yīng)下的PBX模擬材料徑向位移進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，獲得了圓環(huán)狀PBX模擬材料在0～12000r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速與徑向位移的對應(yīng)關(guān)系，為類似材料的徑向大變形測量提供了一種簡易的測量方法。

[1] 吳凱,劉玉存,劉仕瑞.PBX炸藥概述及其發(fā)展與前景[J].山西化工, 2012, 32(2):36～39.

[2] 趙玉剛,傅華,李俊玲,陳榮,文尚剛.三種PBX炸藥的動(dòng)態(tài)拉伸力學(xué)性能[J].含能材料, 2011, 19(2):194～199.

[3] Huntington-Thresher W, Church P D, Kosecki A, et al. Response of PBXs and inert substitutes in launch and impact scenarios[J]. Journal De Physique IV, 2006, 134:231～236.

[4] Congmei Lin, Shijun Liu, Zhong Huang, et al. The dependence of the non-linear creep properties of TATB-based polymer bonded explosives on the molecular structure of the polymer binder: (II) effects of the comonomer ratio in fluoropolymers[J]. Rsc Advances, 2015, 5:59804～59811.

[5] Yuliang Lin, Binbin Xu, Rong Chen, et al. Dynamic Mechanical Properties and Constitutive Relation of an Aluminized Polymer Bonded Explosive at Low Temperatures[J]. Shock and Vibration, 2014, 483(1):668～671.

[6] 陳鵬萬,黃風(fēng)雷.含能材料損傷理論及應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社, 2006, 18～142.

[7] 利鳳祥,劉中兵,李越森.藥柱結(jié)構(gòu)對其抗軸向過載能力的影響[J].推進(jìn)技術(shù), 2004, 25(2):165～169.

[8] 賈相飛.基于聚合物光纖的超大應(yīng)變測量技術(shù)研究[D].天津大學(xué)碩士學(xué)位論文,林玉池,天津:天津大學(xué), 2010.6.

[9] 阮曉峰.藥柱大應(yīng)變測量方法研究[D].南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,孔德仁,南京:南京理工大學(xué), 2012.3.

[10] 劉建秀, 肖玲, 韓長生. 沖擊載荷下銅基粉末冶金(Cu-PM)多孔材料的動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變特性研究[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2004, 21(6):869～871.

[11] 黃荔海, 李賀軍, 李克智,等. 不同轉(zhuǎn)速及載荷下炭/炭復(fù)合材料的摩擦磨損性能[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2006, 24(3):330～333.

[12] 杜剛, 曾竟成, 肖加余,等. 復(fù)合材料圓管端部加強(qiáng)對其軸壓性能影響的實(shí)驗(yàn)分析[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2007, 25(3):457～459.

[13] 王勇軍, 王峰會(huì), 等. 圓柱基體熱障涂層熱沖擊下失效的瞬態(tài)應(yīng)力分析[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2007, 25(3):422～425.

Radial Strain Real-time Measurement of PBX Material at High Rotation Speed

DI Changan， MENG Yu， PENG Peng

(School of Mechanical Engineering, NUST, Nanjing210094, China)

Aiming at the problem with measuring the radial deformation of PBX at high rotation speed, a special device was designed for measurement. For the rotational speed varying from 0 to 12,000 rpm, corresponding radial displacements of a circular ring PBX material were tested by the same eddy current sensor simultaneously. Relationship between the radial displacement and rotational speed of the material thus obtained, and the experimental data was analysed. Experimental results show that, with the increase of rotational speed, displacement of the material increases linearly and the maximum reaches 0.9mm.

high rotating speed； eddy current sensor； PBX； strain

1673-2812(2017)02-0321-04

2015-11-30；

2016-02-25

狄長安(1973-)，教授，主要研究方向?yàn)橹悄軅鞲衅骷皽y試技術(shù)、特種測試技術(shù)、生物醫(yī)療儀器等。

孟 郁。E-mail：15365181259@163.com。

TH879

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.02.031