高频振动对工业数码电子雷管延期时间的影响

岳彩新,秦 婷,高玉刚,孙 晨, 王婷婷

(1.中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司,安徽淮北235000;2.安徽龙波电气有限公司,安徽淮北235000)

0 引言

按照《火工品试验方法 第32 部分:高频振动试验》(GJB5309.32-2004)[1]的表1 和表2 的试验条件,模拟工业数码电子雷管在运输过程中可能经受的高频振动作用,考察对工业数码电子雷管延期时间的影响。 目前,《工业数码电子雷管》(WJ9085-2015)[2]只对工业数码电子雷管经高频振动后的爆炸危险性进行判定,国内尚无对经振动后的延期时间性能影响进行研究。 此项研究对提升国内工业数码电子雷管的相关质量水平具有指导意义。

1 试验部分

1.1 试样与仪器

试验样品:样品选择某厂某型的工业数码电子雷管作为试验对象,共计80 发。 该型雷管由管壳、卡扣塞、点火装置、固定块(带传火孔)、激发装置、卡腰和底部装药组成。 点火装置为电子芯片连接电引火头;固定块被管壳卡腰卡住,顶住激发装置,防止激发药漏药,同时点火装置的火焰通过固定块传火孔点燃激发药;激发装置内激发药被点燃用来产生高速飞片,冲击压缩底部装药;底部装药采用一、二次装药(药柱药)及三次装药(松装药)。 为减少异常样品对试验结果的影响,将其随机均匀的分成 4 把,记为 A 组、B 组、C 组和 D 组。

试验仪器:① 延期时间测试仪:雷管生产厂家自主研发的配套设备,测试仪分辨率0.001 ms,一靶为起爆控制器的起爆信号,二靶为雷管爆炸后震动传感器接收到的信号。 ②高频振动试验机:根据标准GJB5309.32-2004 的试验要求,购置某型高频振动试验机,配套抗爆间提供抗爆环境,保证试验安全。 振动系统组成和系统原理图见图1 所示。

图1 振动系统组成和原理图

1.2 试验过程与数据处理

设置试验样品的延期时间为0 ms, 测定A 组和B 组的延期时间,作为振动试验前的对照组。 按照标准GJB5309.32-2004 中表1 和表2 的试验条件,将C 组按照表1 进行试验,D 组按照表2 进行试验,振动试验后,测定延期时间,作为振动后的试验组。 试验条件记为单因素T,单因素T 有3 种水平,分别为T0(A 组为T0A、B 组为 T0B,无振动试验条件)、T1(C 组,表 1 振动试验条件)和 T2(D 组,表2 振动试验条件)。 试验均由同一组人进行试验,减少人为不可控制因素对试验数据的影响。 试验数据见表1 所示。

表1 试验样品的延期时间

运用数理统计工具[3]分析四组数据之间的关系。 检验数据之间满足哪种假设,来选择检验公式,这里需要验证的假设包括:①样本组之间是相互独立,且服从正态分布;②方差是齐次性的。

首先,样本是随机分配且进行独立试验,得到延期时间数据之间是相互独立的,不存在相互联系。 这里假设数据服从正态分布,通过SPSS软件检验数据服从假设的概率。 检验结果如表2所示。

由表2 试验样品的单样本KS 检验结果可知,四组数据的渐进显著性(双侧)水平a＞0.05,属于大概率事件。 因此,检验结果支持原假设,试验数据皆服从正态分布。 通过图2 试验数据直方图直观查看试验数据的分布趋势。

表2 试验数据的单样本KS 检验结果

图2 试验数据分布直方图

其次,检查数据组之间是否是齐次性的,以及数据组之间的关系。 这里假设数据组之间方差是齐次性的,进行方差齐次性检验,并运用单因素ANOVA 进行统计检验,检验结果如表3 所示。

表3 试验数据的方差齐次性检验和单因素ANOVA 检验结果

通过表3 的检验结果可知:

1)数据组之间的方差齐次性检验:sig.和a=0.05 对比,分别为 0.997＞0.05、0.331＞0.05、0.114＞0.05、0.391＞0.05;

2)数据组之间的单因素方差分析:Ft和Fa=0.05对比, 分别为 0.160 ＜ 0.691、644.430 ＞ 0.000、684.938＞0.000、0.263＜0.611。

2 结果与讨论

2.1 试验结果

通过表1、表2 和表3 的检验结果可知:

1)T0A与 T0B对比可知,sig.＞0.05;Ft＜Fa=0.05。证明数据组之间方差是齐次的假设成立,且在相同的因素水平下,数据组之间是无差异的。 说明按照T0试验条件下的试验样品,相同试验条件下样品之间无差别,可作为振动试验前的对照组。

2)T0与 T1、T0与 T2对比可知,sig.＞0.05;Ft＞Fa=0.05。 证明数据组之间方差是齐次的假设成立,在不相同的因素水平下,数据组之间存在显著差异的,且按照T0、T1和T2条件试验后所测的延期时间均值存在明显差异。 说明高频振动试验对工业数码电子雷管的延期时间精度有显著的影响。

3)T1与 T2对比可知,sig.＞0.05;Ft＜Fa=0.05。证明数据组之间方差是齐次的假设成立,且在不相同的因素水平下,数据组之间是无差异的。 说明按照T1和T2试验条件下的试验样品,虽然试验条件不同,但是对样品的延期时间影响无差别。

4)经过T1或T2的振动条件试验后,试验样品的延期时间均值明显提高,个别样品的延期时间接近1.5 ms 的不合格限,存在不合格隐患。

2.2 机理分析

影响雷管延期时间精度的因素众多,本文采用相同的试验样本,将其它影响因素控制起来,仅考察振动试验对延期时间影响的研究。 造成工业数码电子雷管延期时间总体偏高的因素,可归纳于以下两点:

1)电引火元件的影响

根据有关文献表明[4-5],电引火头燃烧产生高温气体,在雷管气室内形成一定压力,使药剂的燃烧随着压力的增大而加快。 电引火头越轻, 延期时间就越长。 此外, 较小的引火药头有较弱的燃烧火焰, 使药剂的着火延滞期加长, 也会造成延期时间越长。

结合本次试验可知,电引火药头因高频振动可能造成缺损或脱落,药头的质量变小,进而提高了雷管的延期时间,甚至在极端情况下发生瞎火的现象。

2)装药密度的影响

引用有关文献资料[6-9],多孔体系药柱燃烧转爆轰过程(以下简称DDT)机理研究认为,炸药点燃后气体产物向附近的未燃药渗透,产生一系列压缩波,压缩波加速了炸药的燃烧反应,反过来,加速燃烧使压力累积形成更强的压缩波,压力累积使压缩波发展为强冲击波,由于冲击波对炸药的不均匀加热,形成热点,然后逐渐发展为爆轰波,其研究表明: 热点温度、质量燃耗率直接决定着多孔药柱DDT 的敏感性。 因此,通过确定装压密度与热点温度、质量燃耗率的关系来分析DDT 的敏感性。

凝聚相炸药起爆理论的弹塑性闭合模型认为,冲击波和药床内空穴的相互作用形成了热点,药床的装填密度与热点温度必然存在一定的关系。 药床内空穴的闭合使其内能全部转化为热能,形成热点。 将药床内空穴按空心小球处理,结合弹塑性理论,可以推导出冲击波压缩多孔介质时,单位体积产生的热能E,如式(1)所示。

式中:P为药床压力,MPa;P0为弹性极限压力,为介质的屈服强度;a0为药床的初始孔隙度;a为药床的孔隙度。

假设这些热能全部用于药床温度的升高,则其温度的增量如式(2)所示。

式中:CV为介质的比热容,J /(kg·℃);ρ0为初始装填密度,g /cm3。

假定装药的比热容CV为常数,由式(2)可以看出装药的初始装填密度越大,相应的初始孔隙度就越小,在相同压力作用下,药床温度的增加就越小,或者说药床温度越不容易升高,药床越不容易被起爆。

除热点温度外,影响多孔药床DDT 敏感性是介质的质量燃耗率,多孔药床的质量燃耗率可表示为式(3)。

式中:np为单位体积内药粒个数;rp为燃烧速率,m/s;sp为单个药粒燃烧表面积,m2。

由式(3)看出,装填密度越大,单位体积内的药粒个数就越多,药柱质量燃耗率也越大,使单位体积内产生的能量与压力梯度变大,有利于冲击波的传播,提高了DDT 敏感性。

以上分析表明,药床装填密度的减小一方面加快了药床热点温度的升高,另一方面又减小了药柱的质量燃耗率。 因此,从这一对相互矛盾的结果来看,存在一个比较适宜的装填密度,使药床的DDT的敏感性最高,这既是爆轰发生时间与装药密度拟合关系呈“U”型曲线的关系。

通过以上对燃烧转爆轰过程(DDT)的理论介绍,结合本次试验的工业数码电子雷管装药结构,推断存在两种情形可使电子雷管的延期时间延长:高频振动试验使得激发装置的激发药通过固定块的传火孔漏药;高频振动试验降低卡腰强度,使得抵住激发装置的固定块松弛。 这两种情形都会使激发药的装药密度过小,超出出厂的最佳装药密度范围,管内装药的DDT 敏感性会有所降低,进而提高了延期时间。

3 结论

1)设置工业数码电子的延期时间为0 ms,只考察高频振动试验对样品装药结构的影响。 通过所测数据可知,经过振动试验前后的样品延期时间存在显著差异,振动试验后延期时间明显提高,个别样品数据接近不合格限,存在安全隐患。

2)试验样品按照GJB5309.32-2004 中表1 和表2 两种条件进行试验,对试验数据进行统计分析表明,两种试验条件对样品的装药结构影响并没有显著差异,即延期时间提高的幅度相同。 可依照实验室设备配置任意选择振动条件进行试验,得出的结论不变。

3)本次试验虽未发生雷管爆炸,因试验的雷管数量有限,不能排除振动试验时雷管发生爆炸的可能性。