閆利偉，黃金紅，房修義，呂永忱，張民慧

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某小型爆炸螺栓設計

閆利偉，黃金紅，房修義，呂永忱，張民慧

（北方特種能源集團華豐特化公司，遼寧 撫順，113003）

為設計一種小型爆炸螺栓，基于要求，采用電發(fā)火組件→隔離機構(gòu)→雷管組件的傳火序列，并解決了尾部漏氣的問題；靜態(tài)性能試驗表明該設計達到了可靠解鎖分離的目的，滿足了要求。

爆炸螺栓；結(jié)構(gòu)設計；分離；可靠性

火工分離裝置在航天器、衛(wèi)星以及導彈、魚雷等武器系統(tǒng)上使用的非常廣泛，爆炸螺栓是較早應用于導彈級間分離的一種火工分離裝置[1]，它是利用所裝炸藥產(chǎn)生的爆轟波及爆壓對螺栓本體產(chǎn)生拉伸、剪切力學效應，使指定的部位斷裂來完成解鎖功能。

本研究設計了一種小型爆炸螺栓，利用炸藥作用后產(chǎn)生的爆轟波及爆壓對螺栓本體的削弱槽處產(chǎn)生拉伸、剪切力學效應，實現(xiàn)了兩個分離部件的可靠分離，并使兩個分離部件具有一定的相對分離速度。

1 產(chǎn)品設計

1.1 設計要求

（1）外形尺寸：長度20mm；最大直徑18mm；連接螺紋 M12×1-6h；（2）連接承載：連接力范圍40～50kN，分離前保證子彈彈體與彈底連接可靠；（3）發(fā)火條件：爆炸螺栓在10μF、14V的輸入能量下應可靠發(fā)火；（4）安全電流：爆炸螺栓通以100mA直流電流，持續(xù)時間5min，不應作用；（5）作用時間：分離時的作用時間小于等于5ms；（6）可靠分離：爆炸螺栓作用后兩個分離部件應迅速、準確地分離，并且相對分離速度大于等于20m/s。

1.2 爆炸螺栓的結(jié)構(gòu)設計和工作原理

1.2.1爆炸螺栓的結(jié)構(gòu)設計

典型的爆炸螺栓主要有削弱槽式爆炸螺栓和剪切銷式爆炸螺栓。削弱槽式爆炸螺栓的特點是結(jié)構(gòu)簡單、連接力大、作用可靠，對力學環(huán)境有較強的抵抗力，但其螺栓本體加工難度較大且裝配工藝較復雜[2]。剪切銷式爆炸螺栓的特點是裝配工藝簡單，但其銷子的加工難度很大，且連接力受到剪切銷強度的限制，一般適用于連接力較小的部位。

根據(jù)產(chǎn)品的設計要求及功能，產(chǎn)品設計成連接力較大的削弱槽式爆炸螺。與同類爆炸螺栓比較，該產(chǎn)品體積和質(zhì)量都非常小，若采用活塞式結(jié)構(gòu)，由于內(nèi)腔空間太小，活塞推桿沒有行程；或裝藥量太小，不能滿足設計要求。最終采用直接炸斷式結(jié)構(gòu)，該方案結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，并且生產(chǎn)和裝配工藝具有更強的可操作性。該爆炸螺栓結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 爆炸螺栓結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2爆炸螺栓的工作原理

爆炸螺栓通過螺紋將兩個分離部件緊密連接在一起，當發(fā)火部件接受給定的初始電能后，通過橋絲將電能轉(zhuǎn)化為熱能，加熱周圍的點火藥；點火藥燃燒，火焰通過隔離閉氣機構(gòu)繼而點燃雷管，雷管爆炸產(chǎn)生爆轟波，利用爆轟波的瞬間高壓在削弱槽處將螺栓本體炸斷，并使兩個分離部件有一定的相對分離速度。

1.3 爆炸螺栓主要組成部分的選擇與確定

1.3.1螺栓本體的確定

螺栓本體是產(chǎn)品的重要件，其作用是將各部件組裝成整體。本研究采用尺寸加工和測量均較方便的“V”形削弱槽結(jié)構(gòu)，材料選擇牌號30CrMnSiA合金鋼，可滿足產(chǎn)品的強度要求。

（a）螺栓本體輸入端螺紋抗剪強度的計算

爆炸螺栓作用后最大壓強為739.3MPa，螺栓本體材料的抗拉強度σ為1 080MPa，螺栓本體尾部螺紋所受的剪切應力為：

式（1）中：P-為爆炸螺栓作用后最大壓力（739.3MPa）；2-為本體螺紋大徑（8mm）；1-為本體螺紋小徑（7.188mm）；-為螺距（0.75mm）；-為本體螺紋扣數(shù)（13.7）。

許用剪切應力為：

式（2）~（3）中：為剪切強度與拉伸強度的比例常數(shù)（一般為0.6～0.8）；為安全系數(shù)（一般為1.5～2.0）；為抗剪切設計裕度。

由于抗剪切設計裕度為1.8，所以其連接螺紋能夠經(jīng)受火藥氣體壓力的剪切作用。

（b）螺栓本體輸入端螺紋抗壓強度的計算

螺紋抗壓強度σ為：

材料許用抗壓強度為：

由于材料許用抗壓強度遠大于螺紋抗壓強度，所以螺紋能經(jīng)受火藥氣體的壓力作用。通過以上理論計算可知，螺栓本體結(jié)構(gòu)強度滿足設計要求，且具有一定的裕度。

1.3.2雷管的確定

雷管是產(chǎn)品的做功部件，其輸出威力的大小直接影響產(chǎn)品能否可靠分離和分離部件具有大于等于20m/s的相對分離速度，因此其藥劑和藥量的選擇尤為重要。（a）雷管藥劑的選擇 根據(jù)設計要求及成熟經(jīng)驗，選擇堿式斯蒂芬酸鉛→羧甲基纖維素氮化鉛→太安為雷管的傳爆序列。堿式斯蒂芬酸鉛具有火焰感度高、機械感度和靜電感度低的特點，羧甲基纖維素氮化鉛具有起爆感度好、純度高、威力大的特點。太安是火工品常用輸出裝藥，具有感度低、威力大、破片驅(qū)動能力高的特點。（b）雷管裝藥量的確定 根據(jù)設計要求中的外形尺寸及連接力40～50kN要求，確定螺栓本體內(nèi)孔尺寸為φ7mm，參照厚壁圓筒體爆破失效經(jīng)驗公式計算[3]：

式（5）中：P為爆破失效作用力，MPa；為材料許用應力，MPa；σ為材料屈服強度（一般用0.2代替），MPa；σ為材料拉伸強度，MPa；k為筒壁外徑與內(nèi)徑之比。將k=1.4，σ==σ=1 080 MPa代入式（5）中，可得爆破失效作用力為424MPa。

按裕度值為1.5倍計算，則需要雷管組件作用后的壓強不小于424 MPa×1.5=636 MPa。因此將雷管的裝藥量確定為堿式斯蒂芬酸鉛0.04g，羧甲基纖維素氮化鉛0.08g，太安0.1g。雷管作用后產(chǎn)生的壓強P計算如下：雷管作用后密閉空腔氣體積為0.229cm3，則爆炸后的氣體裝填密度為：

則氣體余容為：

通過以上計算可知，雷管的輸出威力能夠滿足可靠分離的要求，且具有一定的裕度。

1.3.3隔離機構(gòu)的確定

隔離機構(gòu)既要保證傳爆的可靠性，又要減小雷管爆炸瞬間反向爆壓作用，利于尾部的密封。設計的隔離機構(gòu)如圖2所示。

圖2 隔離機構(gòu)示意圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 雷管設計裕度試驗

為了確定雷管的設計裕度，進行了分離能量裕度試驗、結(jié)構(gòu)強度裕度試驗、引爆能量裕度試驗[4]，試驗結(jié)果見表1。表1試驗結(jié)果表明，雷管組件的藥劑選擇及裝藥量確定設計合理、可行，滿足設計要求。

2.2 爆炸螺栓分離速度對比試驗

分離速度是螺栓本體的重要考核指標，按照采用及未采用隔離機構(gòu)的兩種方案裝配產(chǎn)品各10發(fā)，進行產(chǎn)品作用后分離速度的對比試驗，試驗結(jié)果見表2。

表1 爆炸螺栓設計裕度試驗結(jié)果

Tab.1 Test results of explosive bolt’s design redundancy

表2 爆炸螺栓分離速度試驗結(jié)果

Tab.2 Test results of explosive bolt’s separation velocity

表2試驗結(jié)果表明，爆炸螺栓結(jié)構(gòu)采用隔離機構(gòu)后分離速度得到了很大的提高，滿足了爆炸螺栓分離速度大于等于20m/s的要求。

3 結(jié)語

通過結(jié)構(gòu)設計、理論計算，結(jié)果表明小型爆炸螺栓設計合理、可行，試驗結(jié)果表明小型爆炸螺栓性能滿足設計要求。爆炸螺栓采用電發(fā)火組件→隔離機構(gòu)→雷管組件的傳火序列，以及“V”型削弱槽結(jié)構(gòu)設計，解決了尾部漏氣的問題，提高了產(chǎn)品的相對分離速度，具有結(jié)構(gòu)簡單、抗靜電、作用可靠的特點，可為其他同類結(jié)構(gòu)的小型爆炸螺栓設計提供參考。

[1] 何春全,嚴楠,葉耀坤.導彈級間火工分離裝置綜述[J].航天返回與遙感,2009,30(3):70-77.

[2] 高濱.火工驅(qū)動分離裝置的應用[J]. 航天返回與遙感,2004, 25(1):55-59.

[3] 王凱民,張學舜.火工品工程設計與試驗[M].北京：國防工業(yè)出版社,2010.

[4] QJ2138A-2004 爆炸螺栓通用規(guī)范[S].國防科學技術(shù)工業(yè)委員會,2004.

Design on A Small Explosive Bolt

YAN Li-wei，HUANG Jin-hong，F(xiàn)ANG Xiu-yi，Lü Yong-chen，ZHANG Min-hui

(Huafeng Special Chemistry and Industry Company of Northen Special Energy Group, Fushun,113003)

In order to design a small explosive bolt, based on requirement, the low explosive train including electric ignition assembly, insulation mechanism and detonator was adopted, which solve the gas leakage of tail. The static performance test indicated the design can realize release and separation reliably, and meet the requirement.

Explosive bolt；Structure design；Separation；Reliability

TJ450.2

A

1003-1480（2014）04-0009-03

2014-05-21

閆利偉（1960-），男，研究員級高級工程師，從事火工品技術(shù)研究。