某小型電雷管作用時間超差的原因分析與改進*

樊龍龍

(海軍裝備部 西安 710025)

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某小型電雷管作用時間超差的原因分析與改進*

樊龍龍

(海軍裝備部 西安 710025)

某電雷管在摸底試驗中出現作用時間超差,經分析:電雷管作用時間超差主要原因為起爆藥粒度過大和管殼設計不合理。為驗證此分析結果,論文對不同批次的起爆藥進行了大量的摸底試驗,并用ANSYS有限元分析對管殼設計合理性進行了模擬驗證。試驗結果表明,起爆藥粒度過大是導致電雷管作用時間超差的主要原因,而管殼的合理優化在一定程度上降低了因裝配因素導致電雷管作用時間超差的問題。

電雷管; 作用時間; 起爆藥; 超差

Class Number TJ455

1 問題提出

根據技術指標要求,某電雷管(以下簡稱電雷管,結構見圖1)在電容為0.2μF±0.02μF,充電電壓為70V±3V的條件下,對電雷管兩腳線間進行放電,電雷管應可靠發火,其發火時間應不大于10μs。

在對該電雷管正樣機鑒定前階段(B批)進行摸底試驗時,15發樣品中出現1發作用時間為15μs。而電雷管(A批)在方案及初樣機階段摸底試驗、驗收試驗以及系統應用中1000余發的樣本量作用時間最大為5μs。所以對此情況進行了分析,發現兩批次電雷管除所用起爆藥為不同批次外,其設計圖紙、工藝及其它相關材料皆為同一規格。A批電雷管所用起爆藥08-1批,而B批電雷管所用起爆藥為10-1批。故分析作用時間超差可能是因為起爆藥粒度發生變化及管殼結構設計不合理。本文從上述兩種分析出發,對電雷管出現的時間超差問題進行分析以及相關研究。

1-管殼 2-電發火件 3-第一層起爆藥 4-第二層起爆藥 5-炸藥圖1 電雷管結構圖

2 原因分析

2.1 起爆藥粒度導致作用時間超差分析

雷管作用時間是指激發能量輸入到雷管爆轟完畢所經歷的時間[1～3],電雷管作用時間是橋絲升溫時間、起爆藥傳爆時間和炸藥傳爆時間之和。當能量固定時橋絲升溫時間為一定值,炸藥傳爆時間由其藥劑爆速和藥高決定,可定為固定值,所以決定電雷管作用時間的因素為橋絲與第一層起爆藥之間以及起爆藥與炸藥之間的能量傳遞時間。對于小尺寸電雷管,當起爆藥密度達到規定要求,藥高約為1.5mm時炸藥均能被可靠起爆[4～7]。

根據灼熱橋絲式電火工品能量平衡方程:

cpdT/dt=γ(T-T0)+P(t)+qZe-E/RTω

(1)

式中:cp為橋絲熱容,J/g·℃;γ為散熱系數;T為橋絲溫度,℃;T0為環境溫度,℃;t為時間,s;Z為頻率因子;E為活化能,J/mol;R為氣體常數,J/mol;ω為藥劑反應分數;q為單位質量藥劑的反應熱J/g;cpdT/dt為橋絲升溫;γ(T-T0)為熱能散失;P(t)為輸入電功率J/s;qZe-E/RT為藥劑反應放出熱量。

可知當橋絲與起爆藥接觸不緊密時,γ值有所增大,γ(T-T0)除了包括軸向散熱外,還有一部分熱能傳遞給藥劑,但是藥劑升溫慢,在橋絲熔斷之前還達不到藥劑的爆發點,由于藥劑作用是放熱反應,qZe-E/RTω>0,在橋絲熔斷之后藥劑溫度可以繼續上升以至于達到藥劑的爆發點,這樣雷管作用時間較長;當橋絲和點火藥緊密接觸時,橋絲轉化的熱能可以快速傳遞給點火藥,使點火藥藥溫迅速升高到藥劑的爆發點,電雷管作用時橋絲還未熔斷,作用時間非常短,可以認為qZe-E/RTω=0[8～10]。引起橋絲與藥劑接觸面不緊密的原因主要表現為藥劑密度偏小,而密度主要受壓藥壓力和藥劑粒度影響,壓力一定時,當藥劑粒度大時使藥劑不能完全包覆橋絲,且藥劑之間接觸不緊密。解決上述問題的措施為:減小粉末氮化鉛粒度,提高橋絲周圍氮化鉛的密實性,能使藥劑完全緊密包覆橋絲,減少發火過程中的能量損失。

而本文所述電雷管起爆藥高約為1.6mm,能夠可靠起爆炸藥,且時間穩定,不會導致電雷管作用時間超差。故我們分析引起電雷管作用時間超差的原因可能是橋絲與起爆藥界面之間能量傳遞時間過長。

2.2 結構設計導致時間超差分析

電雷管結構設計上借鑒了成熟的設計思路,起爆藥選用了常用的粉末疊氮化鉛和羧甲基纖維素疊氮化鉛,炸藥選用奧克托今;裝配方式為先在管殼中裝入電發火件,然后裝入粉末氮化鉛和羧甲基纖維素疊氮化鉛,最后裝入奧克托今,壓藥壓強為130MPa。為驗證電雷管再結構設計合理性,應用ANSYS有限元分析軟件對電雷管壓藥和收口進行模擬分析,經分析確定,收口過程中的管殼變形可能會導致電雷管作用時間超差。電雷管收口時用1300N的壓力,試驗結果如圖2所示。

圖2 ANSYS有限元分析圖

由圖2可知在電雷管收口時,管殼發生了輕微的變化,最大變形出現在距離管殼底2.3mm處,最大變形量為0.5×10-3cm。根據產品尺寸鏈計算:電雷管在收口時發火件橋絲與第一層藥劑接觸面與用ANSYS仿真軟件模擬電雷管收口時產生的最大變形處處于同一位置,由于此位置徑向尺寸變大,使得與橋絲接觸的起爆藥密度發生變化,即密度減小,由2.1分析可知會導致電雷管作用時間超差,所以收口可能會導致極少數的電雷管作用時間超差。

3 改進研究

3.1 起爆藥粒度對比試驗

依據分析結果選用不同粒度的起爆藥進行了對比試驗,其余狀態均保持不變,試驗結果如表1所示。

表1 起爆藥不同粒度作用時間對比試驗

由表1可知,與橋絲接觸的起爆藥粒度對電雷管作用時間影響較明顯,粒度越大,電雷管作用時間越長,起爆藥粒度越小,電雷管作用時間越短,且趨于穩定。為驗證小粒度起爆藥在各種環境下的作用時間,裝配320發各種環境下的摸底試驗,試驗結果如表2所示。

表2 環境適應性摸底試驗

3.2 管殼結構優化

為了防止電雷管收口時,發生管殼變形,在距離管殼底部2.8mm以上管殼孔徑增加0.3mm,使收口產生的最大變形處不在橋絲與藥劑的接觸面處,之后對優化后的管殼進行ANSYS仿真軟件模擬分析可知,管殼的最大變形處大概發生在距離管殼底部2.9mm處。優化前、后結構圖如圖3所示。

圖3 管殼優化前、后結構示意圖

4 結語

1) 電雷管作用時間與起爆藥粒度稱正比關系,隨著粒度增大,作用時間變長;

2) 管殼優化后,電雷管在收口時管殼變形不會影響與橋絲接觸的起爆藥裝藥密度;

3) 通過用ANSYS仿真軟件精確的模擬電雷管壓藥和收口,有效的反映了在壓藥和收口過程中管殼形變過程,從而依據模擬分析結果優化了管殼結構,降低了電雷管因裝配條件造成作用時間超差的問題。

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Reason Analysis and Improvement of A Small Electric Detonators Action Time Tolerance

FAN Longlong

(Navy Equipment Department of PLA, Xi’an 710025)

Action time tolerance was found in diagnostic test on an electric detonator, with main reasons of large particle size and poor tube deign of primary explosive. To verify the analysis results, lots of diagnostic test were carried out on different sets of primary explosives, and tube design rationality was analyzed by simulation soft of ANSYS FEM. Experimental results showed that large size of primary explosive particle mainly caused the action time tolerance of electric detonator, while rational optimization on the detonator tube could reduce the tolerance due to the assembly factor to some extent.

electric detonators, reaction time, primary explosive, ultra-poor

2015年6月3日,

2015年7月26日

樊龍龍,男,碩士,工程師,研究方向:火工品質量監督。

TJ455

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.12.032