雷管爆炸威力自动化动态测试系统研究

汤江文，蒋 毅，杨秋霞，徐传娣

（1.中国测试技术研究院，四川 成都 610021；2.四川理工学院，四川 自贡 643000）

0 引 言

雷管的输出威力是雷管重要性能之一。目前国内在测量雷管输出威力时仍主要采用铅板穿孔法（间接法），它根据雷管爆炸时对一定厚度铅板穿孔直径的大小来判断雷管的输出威力，主要用于产品的质量检验[1]。长期以来，这种方法固有的弊病越来越引起技术人员的重视，主要表现为3点：（1）铅属于有毒的重金属元素，在熔炼、压延、爆炸试验等过程中污染环境，易引起铅中毒，对人体危害大；（2）铅材料的硬度随环境温度的变化大，我国南北地区的温度差可达几十摄氏度，高温、低温下的炸孔直径较常温时要差20%以上，其误差大、准确性低；（3）雷管通常是用来引爆下一级传爆序列，通常能否引爆下一级传爆序列的关键因素不是对时间的积分效应，而是瞬间的冲击脉冲，铅板法反映的只是雷管在整个作用过程的综合结果而不能反映瞬间脉冲的大小，因此铅板法只是定性地或半定量地对雷管输出威力进行比较，不能了解雷管输出与过程的关系，在一定程度上影响了传爆序列的设计，这使得雷管的验收结果与实际使用需求之间存在一定差距。在科学研究中，测量雷管输出威力常用的方法有：凹痕法、霍普金森压杆法、锰铜压阻法、PVDF压电法、脉冲X光摄影法、高速光学摄影法、飞片速度测量法等[2-3]。这些方法存在操作复杂、试验消耗量大、试验周期长或者不够准确等缺点，作为研究性实验也许可行，但要作为能够普遍使用的方法还存在一定困难。因而通过分析雷管输出特性，吸收其他动态测试方法的优点并结合相关技术提出和研制了一套新的测试方法——动量式测试系统。

1 测试系统原理及数据处理

1.1 测试系统原理

一般认为，雷管输出有3种形式：冲击波、破片、热爆炸气体产物。随着雷管作用距离的变化，这3种作用形式在雷管输出性能中所起的作用是不同的。热爆炸气体从雷管中冲出后遇到空气形成冲击波，由于空气密度小，其很快冷却衰减，所以热爆炸气体的作用可以归在冲击波中。因此，雷管的起爆能力主要取决于冲击波（包括爆炸气体）和碎片[4]。目前无论是铅板法还是动态法测定雷管输出特性时主要是测量雷管冲击波压力、冲击片速度、破片速度、声波谱等参数或者同时考虑作用时间，以不同方式表征雷管的输出威力[3]。

首先，雷管爆炸过程中作用时间是非常关键的，因此，当考察冲击波的作用时仅仅考虑冲击波压力对目标的作用是不够的。雷管的输出实质是炸药的猛炸作用，因此其威力可用表示炸药猛度的方法来表征。在表示炸药猛度时，可以利用爆炸产物作用在传播方向垂直面积上的冲量来表示，它考虑了压力和时间的共同作用；所以在测量雷管输出威力时，决定引入冲量的概念。雷管作用在目标上的冲量是指作用在目标上的压力与该力对目标作用时间的乘积[5]，而对于一个自由刚体，则作用在其上的冲量等于它动量的变化量，对于转动体，即有：

式中：Im——传递的冲量；

J——转动惯量；

ω——角速度；

t——冲量的传递时间；

Tm——雷管的作用时间。

基于上述观点，建立了以测量雷管爆炸时对目标不同距离不同时间作用的冲量为主的测试系统——冲击式测试系统。图1为该测试系统的测试装置简图。当雷管爆炸时，作用在靶台上的输出冲击波（包括爆炸气体）推动靶盘，对靶台做功，使靶台沿冲击波方向位移，旋臂旋转。传感器检测到角位移信号，经高速数据处理电路传给计算机并记录，再通过计算机软件进行数据处理，整个系统由计算机协调控制，以实现自动化测试。

图1 测试装置示意图

角位移传感器测得的是旋臂的角速度，由于其转动惯量是一定值，通过角速度可以得到旋臂获得的冲量，所以其角速度特性能表现出威力特性。通过数据处理，得到角速度-时间曲线（ω-t曲线）。利用将雷管输出能量转化为机械动能的方法，通过旋臂的角速度特征，实时地反应了雷管的输出特性，对角速度-时间曲线进行分析，计算得到评价雷管动态输出威力的物理量，包括雷管作用冲量（Im）、冲击波峰值压力（Pm）和雷管作用时间（Tm）。

图2为角速度-时间曲线，其中角速度从零加速到最高值所用的时间为雷管的作用时间Tm，角速度再次降为零的时间为Tend；角速度ω与装置转动惯量的乘积为装置的角动量L[6]，装置的角动量L在Tm时间内积分为装置获得的冲量Im。由于是雷管对装置做功，所以雷管向装置靶台上输出的冲量就等于装置获得的冲量Im，可见Im就是雷管在一定方向的一定面积内的冲量输出。由系统特性和冲量公式可知，冲量曲线对时间求微分可得到爆炸压力曲线 （P-t曲线），根据小于0的曲线段可得出阻尼补偿参数。综合分析这些物理量可以相对定量地表征雷管输出威力，再引入实验装置中爆炸作用面的分度进行补偿则可计算出雷管输出的冲量绝对值。

1.2 数据处理

在计算机上编制专门的数据处理软件，构成数据终端，负责处理和输出数据结果，从而搭建起一个自动化的实验系统。其软件中数据处理过程如图3所示。

图2 角速度曲线

图3 数据处理过程图

2 实验研究

2.1 雷管样品

实验准备了4种药量、装药压力直径都不相同的雷管，每组10只，其规格如表1所示，分别用冲击法和铅板法进行试验。

表1 样品参数

测试是在空旷的外部环境下进行的，实验装置转动轴轴线顺风向放置，装置转动惯量为0.03636kg·m2。

2.2 试验结果

文中提到的参数有 ωm、Tm、Im、Pm以及铅板法实验的孔径，所以将实验数据整理得出表2。以1#参数为准，作出相对值散点图，如图4所示。

表2 实验结果数据

图4 相对值散点图

由图4可知利用冲击法测得的结果符合雷管的装药量越大其输出能量越大的规律，而且提供了定量的数据，并能通过进一步的补偿得出雷管爆炸释放的绝对能量值。

3 结束语

由实验知利用冲击法测得的ω-t曲线进而得到的雷管输出冲量，可以更灵敏地反应雷管输出威力的变化（其灵敏度与系统的转动惯量和阻尼转矩成反比），这更有利于细化雷管威力梯度，可为雷管的性能优化和质量控制提供更大的助力。文中建立的测试系统及测试装置，具有构造简单、可重复使用、操作简便、数据处理方便等优点，因此有很强的实用性。该测试系统实现了对雷管动态输出特性的准确、经济、方便、环保、定量测量，并实现了自动化的测试过程。

[1]刘自汤，蒋荣光.工业火雷管性能可靠度评估[J].爆破器材，1998，27（3）：20-23.

[2]Tetal O.The construction and calibration of an inexpensive PVDF stress gauge for fast pressure measurements[J].Meas Sci&Technol，1995（6）：345-348.

[3]陈西武，秦志春.雷管输出威力的动态测量法[J].爆破器材，1998，27（5）：24-26.

[4]陈福梅.火工品原理与设计[M].北京：兵器工业出版社，1990：115-119.

[5]惠君明，陈天云.炸药爆炸理论[M].南京：江苏科学技术出版社，1995：271-273.

[6]许钟城.角动量定理与参考系[J].河池学院学报，1992（3）：49-55.