吳藝英，王瑞林，辛文彤，王 森

（軍械工程學(xué)院 基礎(chǔ)部機械設(shè)計教研室，河北 石家莊，050003）

現(xiàn)有的熱切割技術(shù)雖然在切割精度、效率和質(zhì)量上都得到了快速發(fā)展，但其切割時都需要外界能源和設(shè)備，難以滿足復(fù)雜環(huán)境諸如戰(zhàn)場搶修、自然災(zāi)害等要求快速反應(yīng)、簡易攜帶、有效的切割。煙火學(xué)切割是一種利用煙火藥燃燒產(chǎn)生的高溫熔融金屬射流來切割金屬材料，以實現(xiàn)在無外加能量源的條件下對金屬材料實現(xiàn)快速切割的熱切割技術(shù)。我國在煙火切割技術(shù)研究方面起步較晚，研究較少，也不夠系統(tǒng)[1]。

槍發(fā)切割彈是在煙火切割技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合固體火箭發(fā)動機原理進行切割的，是一種無需外界電源和氣源，攜帶方便、操作簡單，可以原位切割金屬結(jié)構(gòu)的新切割方法，其特點在于將彈藥和槍結(jié)合進行切割，實現(xiàn)了戰(zhàn)場和野外等特殊情況下機動、靈活、高效的應(yīng)急切割任務(wù)需求。

1 槍發(fā)切割彈結(jié)構(gòu)

槍發(fā)切割彈結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括底火、彈殼、切割劑和噴嘴4個部分。其藥柱成型方式借鑒了固體火箭發(fā)動機燃燒室的藥柱成型原理，其彈體裝藥采用單孔管狀帶固定式裝藥，其外側(cè)表面和兩端面包覆。當擊發(fā)底火點燃彈體內(nèi)部切割劑后，切割劑的燃燒合成反應(yīng)從中空內(nèi)孔開始，均勻徑向燃燒至彈殼。

圖1 切割彈結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 The sketch of cutting ammunition

在燃燒過程中，裝藥長度對彈內(nèi)燃燒情況具有重要影響，因此通過對裝藥長度進行分析，可以有效地分析切割彈的燃燒機理和切割性能。

2 實驗方法

將配置好的切割劑各組分放入三維混料機進行機械均勻混合，并置入恒溫110°鼓風(fēng)干燥箱中2h，取出后置于常溫下冷卻，最后采用沖壓成型法壓制于切割彈內(nèi)。彈體前端為耐高溫材料的錐形石墨噴嘴，噴嘴直徑Ds為4mm、裝藥外徑D為25mm、中空初始內(nèi)孔d0為6mm。實驗時，保持內(nèi)其余參數(shù)不變，每隔20mm取不同裝藥長度值L進行實驗，實驗參數(shù)見表1。

表1 實驗方案Tab.1 Experiment design

切割時將切割彈裝入特制切割槍中，手持切割槍對準被切割工件—20mm厚Q235鋼板進行切割，通過扣動扳機擊發(fā)切割彈底火，底火引燃切割劑，產(chǎn)生高溫液體和高壓氣體，產(chǎn)物經(jīng)噴嘴聚能壓縮后噴出，將鋼結(jié)構(gòu)件局部熔化，實現(xiàn)切割。為方便實驗數(shù)據(jù)記錄，減少切割人為因素帶來的誤差，切割時未進行移動操作，通過切割熔融鋼板的孔深、孔徑及體積比較其切割效果，并利用電子秒表和攝像機采集切割彈切割工作時間等實驗數(shù)據(jù)。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 切割時間

通過對切割時間的測量，得到如圖2的變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)隨著裝藥長度的增大，切割時間并不是單調(diào)增加，切割時間呈現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律。

圖2 切割時間隨裝藥長度的變化曲線Fig.2 Curve of cutting time vs charge length

式（1）中：m為裝藥總重量，kg；us為噴嘴出口射流速度，m/s；As為噴嘴橫截面積，m2；ρs為射流密度，kg/m3。

在裝藥量較少時，裝藥增量△m大于出口射流的增量△us，占主導(dǎo)因素。故隨著裝藥長度L的增加，裝藥量m增大，切割時間逐漸增大。

圖3 切割彈內(nèi)燃燒示意圖Fig.3 The sketch of combustion in cutting ammunition

式（2）中：ρ為切割劑密度，kg/m3；Ab為燃燒面積，m2；為切割劑燃燒速率，m/s。

當彈內(nèi)壓力p較大時可以忽略自然環(huán)境壓力，裝藥末端到噴嘴出口處由動量守恒有：

式（3）中：△m為△t內(nèi)流過噴嘴的射流質(zhì)量，kg；p為彈內(nèi)壓強，Pa。

另一方面，薩姆菲爾德提出的簡單復(fù)合火藥物理模型燃燒速度關(guān)系式[2]同樣適用于以鋁熱劑為主的切割劑燃燒規(guī)律：

式（5）中：為切割劑的燃燒速度，m/s；a、b均為常數(shù)。

將式（3）～（4）帶入式（1）可得：

式（6）中：d為內(nèi)孔直徑，m；L為裝藥長度，m。

由前面分析可知，影響切割時間t的主要因素為裝藥量m和射流速度us，裝藥長度L通過直接或間接作用影響m和us，使切割時間出現(xiàn)峰值。結(jié)合圖 2切割時間測量實驗結(jié)果可知，L=80mm左右為切割時間峰值點，此時切割時間最長，利于切割操作。

實驗發(fā)現(xiàn)，當L=120mm時，出現(xiàn)噴嘴被射流沖出現(xiàn)象，導(dǎo)致切割時間很短（2.5s）。這是因為裝藥設(shè)計中裝藥長度L過長而裝藥初始內(nèi)徑d0不變時，初始通氣參量?0（?0=4L/d0）超過規(guī)定值，導(dǎo)致彈內(nèi)發(fā)生侵蝕效應(yīng)[4]。

發(fā)生侵蝕效應(yīng)的結(jié)果是生成物流速u較大的一端切割劑燃燒速度r更快，彈內(nèi)壓強p更大，最終超過允許壓力，導(dǎo)致燃燒的切割劑瞬間將噴嘴噴出，影響切割效果，造成安全危險。

3.2 切割效果

割孔的宏觀效果與裝藥長度的對應(yīng)關(guān)系見圖4。由圖4可見孔深和出口射流速度、切割時間具有明顯的相關(guān)性。實驗測得割孔深度與裝藥長度L關(guān)系見圖5。

圖4 不同裝藥長度下的割孔效果Fig.4 Photo of cutting effect with different charge length

圖5 不同裝藥長度下的割孔深度變化曲線Fig.5 Curve of cutting depth with different charge length

從圖5中可以看出，孔的深度隨著裝藥長度L的增加先增加后降低，彈內(nèi)壓強p隨著L的增加而不斷變大，導(dǎo)致噴嘴出口流速不斷增大us，而實驗研究表明，對基于煙火切割原理的切割彈而言，影響其切割效果的主要為“掛渣”[5]。而燃燒生成物（金屬射流介質(zhì)）的出口射流平均速度us越快，動量越大，起到的對流傳熱和清渣作用越好，即“吹渣”效果越好。

當L＜80mm時，切割時間不斷增大，在工件表面形成熔池后向下熔化時間增加，使熱量充分向鋼板工件深處傳遞，故孔深不斷增加。

而當裝藥長度大于80mm后，切割時間變短，導(dǎo)致熔池停留時間縮短，熱量作用于工件的時間縮短，導(dǎo)致割孔深度下降。特別是當L=120mm時噴嘴被沖出，燃燒熱量瞬間作用到Q235鋼板表面，形成了上徑大而深度淺的割孔，難以實現(xiàn)厚鋼板的切割。

4 結(jié)論

（1）槍發(fā)切割彈是一種新型的應(yīng)急切割技術(shù)，彈內(nèi)切割劑主要是以高熱劑為主的煙火配系，其彈體裝藥設(shè)計結(jié)合了固體火箭彈裝藥設(shè)計原理，切割時操作簡單，無需外界能源和設(shè)備，攜帶使用方便，是戰(zhàn)場搶修和搶險救災(zāi)應(yīng)急切割的理想手段。

（2）裝藥長度L的設(shè)計影響著彈內(nèi)切割劑的燃燒方式進而影響到切割效果，L設(shè)計過小導(dǎo)致切割時間t縮短，不利于切割操作，設(shè)計過大，導(dǎo)致彈內(nèi)發(fā)生侵蝕效應(yīng)，壓強超出允許范圍，切割效果差，更可能導(dǎo)致爆炸等安全隱患。不同的藥劑成分其L取值不盡相同。實驗表明，對于本配方切割劑，L=80mm左右為宜，此時切割時間、切割效果都較好。

（3）切割時間t和噴嘴出口速度us對切割效果有著重要的影響，切割時間越長，切割時形成熔池后向下熔化時間增加，使熱量充分向鋼板工件深處傳遞；us的增大可使噴射的熔融金屬對切割工件形成連續(xù)機械沖刷，有效地起到了對流傳熱和清渣作用。兩者結(jié)合作用可實現(xiàn)較厚鋼板的切割。L通過這兩者的作用進而影響切割彈切割效果。

[1]王鵬,張靖.煙火切割技術(shù)研究進展[J].含能材料,2010,18(4) :476-480.

[2]董師顏,孫思誠,張兆良,等.固體火箭發(fā)動機原理[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1996.

[3]王光林.固體火箭發(fā)動機設(shè)計[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1994.

[4]張洪林.侵蝕燃燒在發(fā)射裝藥內(nèi)彈道中的應(yīng)用研究[J].兵工學(xué)報,2008,29(2):129-133.

[5]王鵬，張靖. 煙火切割熱力學(xué)分析及藥劑配方設(shè)計與實驗[J].含能材料,2011,19(4):459-463.