［摘 要］ 為了確定橋絲式電點火頭發(fā)火時間一致性的影響因素，采用高速攝影法對單個電點火頭、電點火頭串聯(lián)組和電點火頭并聯(lián)組的發(fā)火過程和發(fā)火時間進行研究。試驗結(jié)果表明：對于單個電點火頭，發(fā)火電流超過1.4 A時，平均發(fā)火時間在5.0 ms內(nèi)，繼續(xù)增加發(fā)火電流，發(fā)火時間縮短趨勢減緩；電點火頭串聯(lián)組的發(fā)火電流不宜低于1.8 A，發(fā)火時間差可控制在1.5 ms內(nèi)；電點火頭的發(fā)火時間一致性，并聯(lián)組明顯優(yōu)于串聯(lián)組。在進行組網(wǎng)爆破作業(yè)時，對于內(nèi)置電點火頭的一次性膨脹爆破管，推薦采用并聯(lián)組網(wǎng)，普通電（220 V）可將電點火頭的發(fā)火時間差控制在0.1 ms以內(nèi)。

［關(guān)鍵詞］ 電點火頭；發(fā)火時間；串聯(lián)組網(wǎng)；并聯(lián)組網(wǎng)；一致性

［分類號］ TJ4

Experimental Study on Consistency of Ignition Time of the Bridge Wire Fuse Head

YANG Gang①， PENG Xingxin②， SUN Re①， LIU Fang③， XIE Quanmin①， YAO Yingkang①

① State Key Laboratory of Precision Blasting， Jianghan University （Hubei Wuhan， 430056）

② Fourth Engineering Co.， Ltd.， China Railway Eleventh Bureau Group （Hubei Wuhan， 430073）

③ Wuhan Explosion and Blasting Co.， Ltd. （Hubei Wuhan， 430056）

［ＡＢＳＴＲＡＣＴ］ In order to find out the influencing factors of the time consistency of bridge wire fuse heads， the ignition process and ignition time of single， series connected and parallel connected bridge wire fuse heads were studied by high speed photography method. The results show that， for a single bridge wire fuse head， the average ignition time is less than 5 ms when the ignition current exceeds 1.4 A， and the shortening trend of the ignition time decreases with the increase of the ignition current. The ignition current of series connected bridge wire fuse heads should not be less than 1.8 A， and the ignition time difference can be controlled within 1.5 ms. The ignition time consistency of parallel connected bridge wire fuse heads is obviously better than that of series connected bridge wire fuse heads.

For the disposable crack tube with bridge wire fuse heads， the parallel connection is recommended in blasting operation. The ignition time difference of bridge wire fuse heads can be controlled within 0.1 ms using

220 V voltage.

［KEYWORDS］ bridge wire fuse head; ignition time; series connection; parallel connection; consistency

0 引言

電點火頭是工業(yè)雷管發(fā)火機構(gòu)的核心部件，是確保雷管質(zhì)量的關(guān)鍵元件。近期，一種新型一次性膨脹爆破管被用于特殊場合的隧道光面爆破［1-2］，發(fā)火機構(gòu)為橋絲式電點火頭。在一次性膨脹爆破管內(nèi)部放置多個電點火頭，可以提高管內(nèi)的氣體反應(yīng)速率和釋放速率，提升爆破效果。但在進行一次性膨脹爆破管爆破作業(yè)時發(fā)現(xiàn)，同一時刻起爆的膨脹爆破管起爆時間存在明顯差異。因為膨脹爆破管起爆時間的一致性受管內(nèi)電點火頭發(fā)火時間差以及電點火頭激活產(chǎn)氣劑時間差的影響。

電流經(jīng)過橋絲時，溫度升高，通過橋絲發(fā)熱來加熱點火藥劑，等到藥劑積累足夠的熱量，便會發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)，從而釋放出大量的熱量和氣體，對外做功［3-4］。實際上，橋絲式電點火頭的發(fā)火過程是由一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化組成，大致可分為橋絲的升溫過程、點火藥的吸熱分解和燃燒過程［5-6］。利用瞬態(tài)脈沖無損檢測系統(tǒng)對橋絲式電點火頭的熱電響應(yīng)、感度、發(fā)火時間和安全電流進行詳細

研究發(fā)現(xiàn)，溫升和集總熱散失系數(shù)與發(fā)火時間之間的關(guān)系比較明顯，大溫升或小集總熱散失系數(shù)的電點火頭發(fā)火時間較短［7-8］。成一等［6］對電點火頭發(fā)火過程的時間結(jié)構(gòu)進行了細致的研究，發(fā)現(xiàn)影響電點火頭發(fā)火時間的主要因素是點火藥的燃燒特性。韓體飛等［9］利用高速攝影與激光紋影技術(shù)對橋絲式電點火頭發(fā)火能量的輸出形式進行了研究，觀測到電點火頭點燃延期體的動態(tài)過程。江資成等［10］利用菲涅爾透鏡和光電轉(zhuǎn)換器設(shè)計出一種準確測量電點火頭發(fā)火時間的裝置，并成功測量了多種型號的電點火頭發(fā)火時間，與高速攝影法測量的結(jié)果一致。

通過對上述研究的梳理不難發(fā)現(xiàn)，對電點火頭的研究集中在能量輸出形式、熱電響應(yīng)過程、安全電流和單個電點火頭的發(fā)火時間；而對多個電點火頭發(fā)火時間一致性和影響因素的研究相對較少。

為研究橋絲式電點火頭發(fā)火時間一致性的影響因素，以減小一次性膨脹爆破管之間的起爆時間差，提高隧道光面爆破效果，采用高速攝影法對單個橋絲式電點火頭、電點火頭串聯(lián)組和電點火頭并聯(lián)組的發(fā)火過程和發(fā)火時間進行研究，確定了電點火發(fā)火時間一致性的影響因素，從而提高電點火頭發(fā)火時間的一致性。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

橋絲式電點火頭，瀏陽某電點火具廠。橋絲采用鎳鉻電阻合金絲，直徑40 μm，電阻0.8～1.1 Ω。固定絕緣片采用鍍錫雙面覆銅板。藥頭采用單層點火藥，藥頭大小均勻，性能穩(wěn)定。

1.2 試驗測試系統(tǒng)

圖1為橋絲式電點火頭發(fā)火時間的構(gòu)成示意圖。ac段為橋絲的升溫時間，直至橋絲斷裂；bd段為點火藥吸熱分解時間；bc段為重疊區(qū)，在此時間段內(nèi)，既有橋絲的升溫過程，又有點火藥的熱分解過程；de段為點火藥的燃燒時間。

通常，采用高速攝影法很難觀察到橋絲升溫過程和點火藥分解過程。出現(xiàn)亮光，表明開始燃燒，這一過程很容易被記錄到，即圖1中的d點。因此，統(tǒng)一將ad段時間（橋絲升溫時間和點火藥吸熱分解時間）作為電點火頭的發(fā)火時間。

電點火頭發(fā)火時間檢測系統(tǒng)主要包括恒流恒壓源、時間同步系統(tǒng)、高速相機、電阻和LED參照燈，見圖2。恒流恒壓源，邁勝MP5003D，最高可以輸出500 V/3 A的直流電。高速相機，Phantom V1612，美國 Vision Research公司，最大分辨率為1 280×800@16 600，最高拍攝頻率為1 000 000 s－1。

利用高速相機拍攝不同電壓、電流作用下單個電點火頭以及電點火頭組（串聯(lián)或并聯(lián)6個電點火頭）的發(fā)火過程，拍攝頻率為100 000 s－1；然后，統(tǒng)計分析電點火頭（組）的發(fā)火時間和發(fā)火時間差。

1.3 試驗方案

1.3.1 單個電點火頭發(fā)火時間試驗

設(shè)置恒流恒壓源的輸出電壓為100 V。調(diào)節(jié)電路中的負載（可變電阻），將電路中的電流依次調(diào)節(jié)為0.6、1.0、1.4、1.8 A和2.2 A。負載電路、LED參照燈和高速相機由時間同步系統(tǒng)進行觸發(fā)，用高速相機記錄電點火頭的發(fā)火過程。每種發(fā)火電流作用下，重復(fù)測量10次，并進行統(tǒng)計分析。

1.3.2 電點火頭串聯(lián)組發(fā)火時間一致性測試

將6個電點火頭串聯(lián)在一起。恒流恒壓源輸出電壓設(shè)置為100 V。調(diào)節(jié)電路中的負載（可變電阻），用高速相機拍攝發(fā)火電流為0.6、1.0、1.4、1.8 A和2.2 A時電點火頭串聯(lián)組的發(fā)火過程，統(tǒng)計并分析不同發(fā)火電流作用下電點火頭串聯(lián)組的發(fā)火時間差。

1.3.3 電點火頭并聯(lián)組發(fā)火時間一致性測試

將6個電點火頭并聯(lián)在一起。電路中無其他負載。調(diào)節(jié)恒流恒壓源電壓依次為8、 24、 72 V和216 V。用高速相機記錄每種電壓下電點火頭并聯(lián)組的發(fā)火過程，統(tǒng)計并分析不同電壓作用下電點火頭并聯(lián)組的發(fā)火時間差。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 橋絲式電點火頭發(fā)火時間

圖3為單個橋絲式電點火頭在通入1.8 A電流時發(fā)火過程的高速攝像圖。圖3中的時間為相對時間，以LED參照燈點亮前一幀作為起始時間。0 ms時刻，橋絲通電，迅速升溫并發(fā)生氣化，進而加熱與之接觸的藥劑；3.48 ms時刻，橋絲氣化產(chǎn)物疊加爆燃的藥劑形成高壓，沖破引火頭頂部薄弱部位，藥頭破裂，藥劑向四周飛散；4.56 ms時刻，點火頭出現(xiàn)亮光，橋絲氣化產(chǎn)物和藥劑碎屑消失，點火頭藥劑引燃（29.39 ms時刻）；大約188.97 ms時刻，點火頭藥劑燃燒劇烈，形成明亮火焰，持續(xù)上百毫秒，隨后開始減弱；大約384.76 ms時刻，點火頭藥劑基本燃燒殆盡，大量濃煙是由于覆銅板或?qū)Ь€燃燒所致。

圖4為單個橋絲式電點火頭在通入0.6、1.0、1.4、1.8 A和2.2 A電流時發(fā)火時間的統(tǒng)計結(jié)果。發(fā)火電流1.4 A和1.8 A時，分別有1次和2次發(fā)火時間嚴重偏離其他樣本數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)火電流從0.6 A提高到1.0 A時，平均發(fā)火時間從15.27 ms縮短至7.88 ms，發(fā)火時間縮短約48%；發(fā)火電流繼續(xù)提高至1.4 A時，平均發(fā)火時間在5.00 ms以下，發(fā)火時間縮短約67%；發(fā)火電流繼續(xù)增加，平均發(fā)火時間會進一步減小，但減小趨勢減緩。因此，電點火頭的發(fā)火電流不宜低于1.4 A?？s短發(fā)火時間有助于提升發(fā)火時間的一致性。

2.2 電點火頭串聯(lián)組起爆時間

將6個電點火頭串聯(lián)在一起，用高速相機拍攝不同發(fā)火電流下電點火頭串聯(lián)組的發(fā)火過程。圖5為橋絲式電點火頭串聯(lián)組在通入0.6、1.0、1.4、1.8 A和2.2 A電流時發(fā)火過程的高速攝像圖。以第一個電點火頭發(fā)火時刻作為起始時間，列出了第一個（上圖）和最后一個（下圖）電點火頭發(fā)火時刻的圖像。圖6為電點火頭串聯(lián)組發(fā)火時間的統(tǒng)計?？梢钥闯觯S著發(fā)火電流I從0.6 A增加到1.8 A，電點火頭串聯(lián)組發(fā)火時間差Δt一直在減小，發(fā)火時間的一致性逐漸變好。繼續(xù)提高發(fā)火電流，當(dāng)發(fā)火電流超過1.8 A時，電點火頭串聯(lián)組的發(fā)火時間差基本保持不變，維持在1.4 ms左右。因此，對于多個串聯(lián)電點火頭，發(fā)火電流不宜低于1.8 A，此時可以縮短電點火頭發(fā)火時間差，提高發(fā)火時間的一致性。

2.3 電點火頭并聯(lián)組起爆時間

將6個電點火頭并聯(lián)在一起，用高速相機拍攝不同點火電壓下電點火頭并聯(lián)組的發(fā)火過程。圖7 為橋絲式電點火頭并聯(lián)組在施加8、 24、 72 V和216 V時發(fā)火過程的高速攝像圖。以第一個電點火頭發(fā)火時刻作為起始時間，列出了第一個（上圖）和最后一個（下圖）電點火頭發(fā)火時刻的圖像。圖8為電點火頭并聯(lián)組發(fā)火時間的統(tǒng)計?？梢钥闯觯S著施加發(fā)火電壓U的增加，電點火頭并聯(lián)組發(fā)火時間差Δt一直減小，發(fā)火時間一致性漸佳。采用72V發(fā)火電壓，電點火頭并聯(lián)組的發(fā)火時間差能夠控制在1 ms內(nèi)；采用216 V發(fā)火電壓，并聯(lián)組電點火頭的發(fā)火時間差能夠控制在0.1 ms內(nèi)。由此可見，電點火并聯(lián)組網(wǎng)的發(fā)火時間一致性明顯優(yōu)于串聯(lián)組網(wǎng)。一次性膨脹爆破管在進行組網(wǎng)爆破作業(yè)時，推薦采用并聯(lián)組網(wǎng)。普通電（220 V）可將電點火頭發(fā)火時間差控制在0.1 ms以內(nèi)。

3 結(jié)論

利用高速相機對單個電點火頭、電點火頭串聯(lián)組和電點火頭并聯(lián)組的發(fā)火時間和發(fā)火時間的一致性進行了研究，得到以下結(jié)論：

1）提高發(fā)火電流可有效降低單個電點火頭的發(fā)火時間。發(fā)火電流超過1.4 A時，單個電點火頭平均發(fā)火時間在5 ms以下；繼續(xù)增加發(fā)火電流，平均發(fā)火時間繼續(xù)縮短，發(fā)火時間縮短趨勢減緩。

2）隨著發(fā)火電流的升高，電點火頭串聯(lián)組發(fā)火時間差逐漸減小，發(fā)火時間的一致性逐漸變好。當(dāng)發(fā)火電流超過1.8 A時，電點火頭串聯(lián)組發(fā)火時間差基本維持不變，發(fā)火時間差約1.4 ms。電點火頭串聯(lián)組的發(fā)火電流不宜低于1.8 A，此時可以縮短電點火頭的發(fā)火時間差，提高發(fā)火時間的一致性。

3）電點火頭的發(fā)火時間一致性，并聯(lián)組明顯優(yōu)于串聯(lián)組。特別是發(fā)火電壓超過72 V時，并聯(lián)組的電點火頭發(fā)火時間差能夠控制在1 ms內(nèi)。對于采用電點火頭發(fā)火的一次性膨脹爆破管，在進行組網(wǎng)爆破作業(yè)時，宜采用并聯(lián)組網(wǎng)，且普通電（220 V）能夠?qū)㈦婞c火頭的發(fā)火時間差控制在0.1 ms以內(nèi)。對于提高一次性膨脹爆破管起爆時間一致性有重要意義。

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收稿日期：2023-10-31

基金項目：江漢大學(xué)基礎(chǔ)研究支持計劃（2023JCYJ04）;精細爆破國家重點實驗室聯(lián)合開放基金（PBSKL2023B6）

第一作者：楊剛（1989—），男，講師，主要從事沖擊動力學(xué)和工程爆破方面的研究。E-mail：g.yang@jhun.edu.cn

通信作者：謝全民（1983—），男，副教授，主要從事工程爆破和爆破器材方面的研究。E-mail：xqmblast@jhun.edu.cn