岳彩新,秦 婷,高玉剛,孫 晨, 王婷婷

(1.中煤科工集團淮北爆破技術(shù)研究院有限公司,安徽淮北235000;2.安徽龍波電氣有限公司,安徽淮北235000)

0 引言

按照《火工品試驗方法 第32 部分:高頻振動試驗》(GJB5309.32-2004)[1]的表1 和表2 的試驗條件,模擬工業(yè)數(shù)碼電子雷管在運輸過程中可能經(jīng)受的高頻振動作用,考察對工業(yè)數(shù)碼電子雷管延期時間的影響。 目前,《工業(yè)數(shù)碼電子雷管》(WJ9085-2015)[2]只對工業(yè)數(shù)碼電子雷管經(jīng)高頻振動后的爆炸危險性進行判定,國內(nèi)尚無對經(jīng)振動后的延期時間性能影響進行研究。 此項研究對提升國內(nèi)工業(yè)數(shù)碼電子雷管的相關(guān)質(zhì)量水平具有指導(dǎo)意義。

1 試驗部分

1.1 試樣與儀器

試驗樣品:樣品選擇某廠某型的工業(yè)數(shù)碼電子雷管作為試驗對象,共計80 發(fā)。 該型雷管由管殼、卡扣塞、點火裝置、固定塊(帶傳火孔)、激發(fā)裝置、卡腰和底部裝藥組成。 點火裝置為電子芯片連接電引火頭;固定塊被管殼卡腰卡住,頂住激發(fā)裝置,防止激發(fā)藥漏藥,同時點火裝置的火焰通過固定塊傳火孔點燃激發(fā)藥;激發(fā)裝置內(nèi)激發(fā)藥被點燃用來產(chǎn)生高速飛片,沖擊壓縮底部裝藥;底部裝藥采用一、二次裝藥(藥柱藥)及三次裝藥(松裝藥)。 為減少異常樣品對試驗結(jié)果的影響,將其隨機均勻的分成 4 把,記為 A 組、B 組、C 組和 D 組。

試驗儀器:① 延期時間測試儀:雷管生產(chǎn)廠家自主研發(fā)的配套設(shè)備,測試儀分辨率0.001 ms,一靶為起爆控制器的起爆信號,二靶為雷管爆炸后震動傳感器接收到的信號。 ②高頻振動試驗機:根據(jù)標(biāo)準GJB5309.32-2004 的試驗要求,購置某型高頻振動試驗機,配套抗爆間提供抗爆環(huán)境,保證試驗安全。 振動系統(tǒng)組成和系統(tǒng)原理圖見圖1 所示。

圖1 振動系統(tǒng)組成和原理圖

1.2 試驗過程與數(shù)據(jù)處理

設(shè)置試驗樣品的延期時間為0 ms, 測定A 組和B 組的延期時間,作為振動試驗前的對照組。 按照標(biāo)準GJB5309.32-2004 中表1 和表2 的試驗條件,將C 組按照表1 進行試驗,D 組按照表2 進行試驗,振動試驗后,測定延期時間,作為振動后的試驗組。 試驗條件記為單因素T,單因素T 有3 種水平,分別為T0(A 組為T0A、B 組為 T0B,無振動試驗條件)、T1(C 組,表 1 振動試驗條件)和 T2(D 組,表2 振動試驗條件)。 試驗均由同一組人進行試驗,減少人為不可控制因素對試驗數(shù)據(jù)的影響。 試驗數(shù)據(jù)見表1 所示。

表1 試驗樣品的延期時間

運用數(shù)理統(tǒng)計工具[3]分析四組數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。 檢驗數(shù)據(jù)之間滿足哪種假設(shè),來選擇檢驗公式,這里需要驗證的假設(shè)包括:①樣本組之間是相互獨立,且服從正態(tài)分布;②方差是齊次性的。

首先,樣本是隨機分配且進行獨立試驗,得到延期時間數(shù)據(jù)之間是相互獨立的,不存在相互聯(lián)系。 這里假設(shè)數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布,通過SPSS軟件檢驗數(shù)據(jù)服從假設(shè)的概率。 檢驗結(jié)果如表2所示。

由表2 試驗樣品的單樣本KS 檢驗結(jié)果可知,四組數(shù)據(jù)的漸進顯著性(雙側(cè))水平a＞0.05,屬于大概率事件。 因此,檢驗結(jié)果支持原假設(shè),試驗數(shù)據(jù)皆服從正態(tài)分布。 通過圖2 試驗數(shù)據(jù)直方圖直觀查看試驗數(shù)據(jù)的分布趨勢。

表2 試驗數(shù)據(jù)的單樣本KS 檢驗結(jié)果

圖2 試驗數(shù)據(jù)分布直方圖

其次,檢查數(shù)據(jù)組之間是否是齊次性的,以及數(shù)據(jù)組之間的關(guān)系。 這里假設(shè)數(shù)據(jù)組之間方差是齊次性的,進行方差齊次性檢驗,并運用單因素ANOVA 進行統(tǒng)計檢驗,檢驗結(jié)果如表3 所示。

表3 試驗數(shù)據(jù)的方差齊次性檢驗和單因素ANOVA 檢驗結(jié)果

通過表3 的檢驗結(jié)果可知:

1)數(shù)據(jù)組之間的方差齊次性檢驗:sig.和a=0.05 對比,分別為 0.997＞0.05、0.331＞0.05、0.114＞0.05、0.391＞0.05;

2)數(shù)據(jù)組之間的單因素方差分析:Ft和Fa=0.05對比, 分別為 0.160 ＜ 0.691、644.430 ＞ 0.000、684.938＞0.000、0.263＜0.611。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗結(jié)果

通過表1、表2 和表3 的檢驗結(jié)果可知:

1)T0A與 T0B對比可知,sig.＞0.05;Ft＜Fa=0.05。證明數(shù)據(jù)組之間方差是齊次的假設(shè)成立,且在相同的因素水平下,數(shù)據(jù)組之間是無差異的。 說明按照T0試驗條件下的試驗樣品,相同試驗條件下樣品之間無差別,可作為振動試驗前的對照組。

2)T0與 T1、T0與 T2對比可知,sig.＞0.05;Ft＞Fa=0.05。 證明數(shù)據(jù)組之間方差是齊次的假設(shè)成立,在不相同的因素水平下,數(shù)據(jù)組之間存在顯著差異的,且按照T0、T1和T2條件試驗后所測的延期時間均值存在明顯差異。 說明高頻振動試驗對工業(yè)數(shù)碼電子雷管的延期時間精度有顯著的影響。

3)T1與 T2對比可知,sig.＞0.05;Ft＜Fa=0.05。證明數(shù)據(jù)組之間方差是齊次的假設(shè)成立,且在不相同的因素水平下,數(shù)據(jù)組之間是無差異的。 說明按照T1和T2試驗條件下的試驗樣品,雖然試驗條件不同,但是對樣品的延期時間影響無差別。

4)經(jīng)過T1或T2的振動條件試驗后,試驗樣品的延期時間均值明顯提高,個別樣品的延期時間接近1.5 ms 的不合格限,存在不合格隱患。

2.2 機理分析

影響雷管延期時間精度的因素眾多,本文采用相同的試驗樣本,將其它影響因素控制起來,僅考察振動試驗對延期時間影響的研究。 造成工業(yè)數(shù)碼電子雷管延期時間總體偏高的因素,可歸納于以下兩點:

1)電引火元件的影響

根據(jù)有關(guān)文獻表明[4-5],電引火頭燃燒產(chǎn)生高溫氣體,在雷管氣室內(nèi)形成一定壓力,使藥劑的燃燒隨著壓力的增大而加快。 電引火頭越輕, 延期時間就越長。 此外, 較小的引火藥頭有較弱的燃燒火焰, 使藥劑的著火延滯期加長, 也會造成延期時間越長。

結(jié)合本次試驗可知,電引火藥頭因高頻振動可能造成缺損或脫落,藥頭的質(zhì)量變小,進而提高了雷管的延期時間,甚至在極端情況下發(fā)生瞎火的現(xiàn)象。

2)裝藥密度的影響

引用有關(guān)文獻資料[6-9],多孔體系藥柱燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程(以下簡稱DDT)機理研究認為,炸藥點燃后氣體產(chǎn)物向附近的未燃藥滲透,產(chǎn)生一系列壓縮波,壓縮波加速了炸藥的燃燒反應(yīng),反過來,加速燃燒使壓力累積形成更強的壓縮波,壓力累積使壓縮波發(fā)展為強沖擊波,由于沖擊波對炸藥的不均勻加熱,形成熱點,然后逐漸發(fā)展為爆轟波,其研究表明: 熱點溫度、質(zhì)量燃耗率直接決定著多孔藥柱DDT 的敏感性。 因此,通過確定裝壓密度與熱點溫度、質(zhì)量燃耗率的關(guān)系來分析DDT 的敏感性。

凝聚相炸藥起爆理論的彈塑性閉合模型認為,沖擊波和藥床內(nèi)空穴的相互作用形成了熱點,藥床的裝填密度與熱點溫度必然存在一定的關(guān)系。 藥床內(nèi)空穴的閉合使其內(nèi)能全部轉(zhuǎn)化為熱能,形成熱點。 將藥床內(nèi)空穴按空心小球處理,結(jié)合彈塑性理論,可以推導(dǎo)出沖擊波壓縮多孔介質(zhì)時,單位體積產(chǎn)生的熱能E,如式(1)所示。

式中:P為藥床壓力,MPa;P0為彈性極限壓力,為介質(zhì)的屈服強度;a0為藥床的初始孔隙度;a為藥床的孔隙度。

假設(shè)這些熱能全部用于藥床溫度的升高,則其溫度的增量如式(2)所示。

式中:CV為介質(zhì)的比熱容,J /(kg·℃);ρ0為初始裝填密度,g /cm3。

假定裝藥的比熱容CV為常數(shù),由式(2)可以看出裝藥的初始裝填密度越大,相應(yīng)的初始孔隙度就越小,在相同壓力作用下,藥床溫度的增加就越小,或者說藥床溫度越不容易升高,藥床越不容易被起爆。

除熱點溫度外,影響多孔藥床DDT 敏感性是介質(zhì)的質(zhì)量燃耗率,多孔藥床的質(zhì)量燃耗率可表示為式(3)。

式中:np為單位體積內(nèi)藥粒個數(shù);rp為燃燒速率,m/s;sp為單個藥粒燃燒表面積,m2。

由式(3)看出,裝填密度越大,單位體積內(nèi)的藥粒個數(shù)就越多,藥柱質(zhì)量燃耗率也越大,使單位體積內(nèi)產(chǎn)生的能量與壓力梯度變大,有利于沖擊波的傳播,提高了DDT 敏感性。

以上分析表明,藥床裝填密度的減小一方面加快了藥床熱點溫度的升高,另一方面又減小了藥柱的質(zhì)量燃耗率。 因此,從這一對相互矛盾的結(jié)果來看,存在一個比較適宜的裝填密度,使藥床的DDT的敏感性最高,這既是爆轟發(fā)生時間與裝藥密度擬合關(guān)系呈“U”型曲線的關(guān)系。

通過以上對燃燒轉(zhuǎn)爆轟過程(DDT)的理論介紹,結(jié)合本次試驗的工業(yè)數(shù)碼電子雷管裝藥結(jié)構(gòu),推斷存在兩種情形可使電子雷管的延期時間延長:高頻振動試驗使得激發(fā)裝置的激發(fā)藥通過固定塊的傳火孔漏藥;高頻振動試驗降低卡腰強度,使得抵住激發(fā)裝置的固定塊松弛。 這兩種情形都會使激發(fā)藥的裝藥密度過小,超出出廠的最佳裝藥密度范圍,管內(nèi)裝藥的DDT 敏感性會有所降低,進而提高了延期時間。

3 結(jié)論

1)設(shè)置工業(yè)數(shù)碼電子的延期時間為0 ms,只考察高頻振動試驗對樣品裝藥結(jié)構(gòu)的影響。 通過所測數(shù)據(jù)可知,經(jīng)過振動試驗前后的樣品延期時間存在顯著差異,振動試驗后延期時間明顯提高,個別樣品數(shù)據(jù)接近不合格限,存在安全隱患。

2)試驗樣品按照GJB5309.32-2004 中表1 和表2 兩種條件進行試驗,對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析表明,兩種試驗條件對樣品的裝藥結(jié)構(gòu)影響并沒有顯著差異,即延期時間提高的幅度相同。 可依照實驗室設(shè)備配置任意選擇振動條件進行試驗,得出的結(jié)論不變。

3)本次試驗雖未發(fā)生雷管爆炸,因試驗的雷管數(shù)量有限,不能排除振動試驗時雷管發(fā)生爆炸的可能性。