高加速度冲击过载下桥丝式电雷管的损伤特性研究

李创新，沈瑞琪，刘 卫, 陈 玲，孙晓霞，崔云航

（1. 南京理工大学化工学院, 江苏 南京，210094；2. 武汉军械士官学校，湖北 武汉，430075）

雷管作为引信中重要火工品，大多是在高速冲击和侵彻等高过载条件下发挥其效能。在这种环境下,火工品的安全性和可靠性直接关系到弹药的安全性和可靠性。火工品一旦受损失效和意外爆炸，将影响到弹药效能的发挥。近年来，李东阳[1]，严楠[2]，赵伟[3]等对火工品的失效模式进行了阐述，杨光强[4]等采用Hopkinson压杆技术在高过载条件下对桥丝电雷管失效模式和机理进行了初步研究，南京理工大学在国内最早使用Hopkinson 压杆对火工品进行了动态过载试验和模拟仿真研究[5-6]，邓琼[7]采用Hopkinson压杆技术和装置测试了火工品高过载动态力学性能。研究结果表明，以Hopkinson 压杆技术进行火工品高过载试验和火工品过载安全性和可靠性的考核和评估是完全可行的，但是与传统的弹丸碰撞靶板形成的过载特性仍有一定差距。

空气炮是一种比较接近实际的过载试验方法，国内部分企业采用空气炮发射搭载火工品的弹丸与靶板碰撞以评价火工品抗过载的能力，但是这方面的基础研究十分贫乏，火工品的失效模式也了解甚少。因此，本文将利用空气炮对典型的引信电雷管进行冲击过载试验，分析电雷管的损伤特性和规律，为电雷管的损伤机理研究和结构设计提供实验依据和理论指导。

1 基于空气炮试验装置的测试技术

1.1 试验装置

图1是空气炮试验装置的原理结构图。

图1 空气炮试验装置结构图Fig.1 The structure of air gun test

空气炮试验系统主要由支架、发射炮管、子弹、气动控制系统、测速系统和回收靶室等组成。系统主体部分水平固定在支架上，发射炮管一端与高压气室密封连接，另一端穿入回收靶室，正对靶板。在炮管近靶室端，安置了两对LD激光器和光电二极管，接通电源后，可形成两束可视平行光源，用来测定子弹炮口速度。靶室内可更换不同材质的靶板，供子弹撞击试验用。

1.2 试验方法

试验前首先需考虑过载加速度的测试方法，由于受子弹尺寸的限制，无法安装弹载加速度测试装置或有线电测装置，因而采用铜柱测压法（WJ1271～1272-81）作为子弹与靶板碰撞试验的过载加速度测试方法。碰撞试验中，铜柱在撞击杆作用下发生塑性变形，根据铜柱压后高查找压力表可得到撞击压力，进而求得试件的过载加速度。但是在动态试验中，由于铜柱的应变率效应，即屈服极限会随应变率增大而增大，将导致按静态标定的压力表查找出的压力比实际受到的动态撞击压力小，所以需要对测试结果做静动差修正[8]。通过静动差修正后求得的撞击杆过载加速度与发射气压之间的关系，求得不同发射气压条件下的过载加速度平均值，并对过载加速度平均值进行线性拟合，如图2所示，相关系数为0.95，说明发射气压与过载加速度存在较好的线性相关性，增减变化具有一致性。

图2 发射气压和过载加速度均值关系Fig.2 Relation of lauching pressure and average overload acceleration

试验的电雷管规格如图3所示，利用空气炮试验装置，分别在60 000g、80 000g、100 000g和120 000g的加速度峰值条件下进行输出端和横向的冲击加载试验，每个加速度峰值下抽取3发进行平行试验。

图3 电雷管尺寸Fig.3 Size of electric detonator

电雷管在装配过程中，选择合适的垫块和带孔中圈，本次试验中输出端加载时选用Φ17.10mm×28mm、质量 49.00g垫块和图 4（a）所示带孔中圈(22.97g)；横向加载时选用Φ17.10mm×30mm、质量52.70g垫块和图4（b）所示带孔中圈(18.55g)。电雷管与子弹的装配方式如图5所示，输出端和横向都是依次装入中圈（电雷管已安装到位）、垫块，拧紧螺帽，保证中圈和垫块不串动。

图4 输出端和横向加载时装配带孔中圈Fig.4 The ring with hole assembled when loading

图5 子弹与电雷管装配方式示意图Fig.5 The schematic diagram of fitting manner on bullet and electric detonator

2 试验结果与分析

2.1 高过载对电雷管尺寸变化的影响

电雷管加载冲击后其尺寸变化如图6～7所示。图6表征了加速度峰值对电雷管总长度变化率的影响；图7表示电雷管总长度（L1）的变化率与壳体长度（L2）变化率之间的关系。

图6 总长随加速度峰值的变化规律Fig.6 Total length change with the peak acceleration

试验结果表明：空气炮加载下，由于高加速度的影响，电雷管长度减小。由图6可以看出，当输出端加载时，电雷管总长度变化率较大，且随着加速度的提高，总长度变化率不断增加；相反，横向加载时电雷管总长度几乎不变。

由图7可以看出，当横向加载时总长度L1的变化率和壳体长度L2的变化率在直线y=x附近，且变化率很小，说明横向加载并不会引起电雷管长度的变化；当输出端加载时，长度L1的变化率明显大于长度L2的变化率，说明电雷管长度的减小主要是由于电极和电极塞的内陷引起的。

2.2 高过载对电雷管内外部结构的影响

电雷管分别在60 000g、80 000g、100 000g和120 000g的加速度峰值条件下进行冲击加载试验，以输出端方式加载时，电雷管长度变化明显，但直径变化不大，电极和电极塞有不同程度的内陷，如图8（b）所示，装填物受压向输出端位移，密度随之变大，且随g值增大而位移越严重；以横向方式加载时，独脚电极偏离轴向方向，见图9（b），且随着加速度的增加，偏离角度也随之增大，内部装填物受压影响较少，不发生位移；两种方式加载后，通过X光机和体式显微镜观察，电雷管内壁和外表面未出现明显裂纹现象。

图 9 电雷管在120 000g横向过载前后X光照片Fig.9 X-ray of electric detonator before and after lateral loading under 120 000g

此外，输出端加载时，输出端端帽会有脱落现象，并伴有装填物漏出而使输出端出现空化现象，通过X光机拍照可以观察略显白色半弧形状，见图8（b），这样情况下剩余装填物密度反而变小，这与样品加载加速度和个体差异有关。

2.3 高过载对电雷管电阻的影响

过载前后电雷管的电阻变化见图10。

图10 过载前后电雷管的电阻变化Fig.10 The resistance change of the electric detonators before and after loading

由图10分析发现，当轴向输出端加载时，电阻变化较小，个别的变化稍大，并且电阻变化也无明显的规律性，桥丝不易断裂；而横向加载时，雷管电阻值变化也较少，但桥丝相对容易断裂，桥丝断裂现象如图 11所示。本次试验中，横向加载时电极偏离中心轴线越大的，桥丝断裂几率越高，桥丝的断裂主要是由于桥丝受到拉伸和强冲击振动的结果，而两种方式加载导致电阻的微少变化主要是因为桥丝两端和焊帽的接触发生了变化[9]。

图11 横向加载后桥丝断裂现象的照片Fig.11 Phenomenon of bridgewire breakdown after lateral loading

3 结论

为了提高火工品在高速冲击和侵彻等高过载条件下的效能，保证其安全和可靠作用，本文借助空气炮试验装置，分别在60 000g、80 000g、100 000g和120 000g的加速度峰值下对独脚桥丝式电雷管试样进行冲击过载试验，得到此类电雷管的损伤特性和规律：电雷管以输入端加载时，电雷管的长度变化明显，但直径变化不大，电极和电极塞有不同程度的内陷，装填物密度增大，电阻值变化不大，且变化规律不明显，桥丝不发生断裂；横向加载时，雷管尺寸变化也不明显，独脚电极容易发生倾斜，偏离中心轴线，随着加速度的增加，倾斜角度也随之增大，桥丝也越容易发生断裂。此外，加载后电雷管内壁和外表面没出现明显裂纹，有个别电雷管输出端端帽发生脱落，导致输出端出现空化现象。

[1]李东阳,刘占岭.火工品长贮失效情况分析[J].火工品,1996(2):28-30.

[2]严楠. 火工品失效分析概论[J].失效分析与预防,2006,1(1):10-14,56.

[3]赵伟,王成.火工品失效模式[J].四川兵工学报,2010,31(7):14-16.

[4]杨光强, 任炜, 商弘藻. 高过载下桥丝电雷管失效模式与机理初步研究[J].火工品, 2010(2):8-11.

[5]张学舜,沈瑞琪. 火工品动态着靶模拟仿真技术研究[J].火工品,2003 (4):1-4.

[6]张学舜,秦志春,沈瑞琪,徐振相. 火工品动态惯性过载模拟试验及数值仿真技术研究[J].爆破器材,2004,33 (4):12-15.

[7]邓琼,李玉龙,索涛,陈春林,常兴敏.火工品高过载动态力学性能测试方法研究[J].火工品,2007(1):28-31.

[8]张淑宁.准动态校准技术实验研究[D].南京:南京理工大学,2003.

[9]张光明. 桥丝式电雷管电阻变化问题初探[J].火工品, 1994(4):1-6.