裝藥彈丸徑向沖擊剪切安全性實驗研究

2015-12-23 07:44:24郝俊修,李才毅,郝靜等

兵器裝備工程學報 2015年9期

【裝備理論與裝備技術】

裝藥彈丸徑向沖擊剪切安全性實驗研究

郝俊修1,李才毅1,郝靜2，歐強兵1

(1.成都軍區(qū)78618部隊，成都610100； 2.西南交通大學電氣工程學院，成都611456)

摘要：對裝有炸藥的彈丸進行徑向沖擊載荷剪切實驗，測得彈丸殼體剪切斷裂瞬間的溫度變化、剪切斷面形狀變化以及彈丸內(nèi)裝填炸藥的溫度和應力，分析了溫度、應力對彈丸裝藥安全性影響，得出了裝藥彈丸在剪切速度1 m/s的沖擊載荷作用下不會發(fā)生燃燒或爆炸，為報廢彈藥安全、環(huán)保地銷毀處理提供了一種新的技術手段。

關鍵詞：報廢彈藥處理；炸藥；裝藥彈丸；沖擊載荷，剪切；安全性實驗

作者簡介：郝俊修(1967—)，男，高級工程師，主要從事彈藥質(zhì)量監(jiān)控與報廢彈藥銷毀研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.09.004

中圖分類號：TJ55

文章編號：1006-0707(2015)09-0014-04

本文引用格式：郝俊修,李才毅,郝靜，等.裝藥彈丸徑向沖擊剪切安全性實驗研究[J].四川兵工學報，2015(9):14-17.

Citationformat:HAOJun-xiu,LICai-yi,HAOJing,etal.ExperimentalStudyonSafetyofRadialImpactShearonExplosiveProjectile[J].JournalofSichuanOrdnance,2015(9):14-17.

ExperimentalStudyonSafetyofRadialImpactShearon

ExplosiveProjectile

HAOJun-xiu1, LI Cai-yi1, HAO Jing2, OU Qiang-bing1

(1.TheNo.78618thTroop,ChengduPLA,Chengdu610100,China；

2.CollegeofElectricalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu611456，China)

Abstract:Through the radial impact shear experiments on explosive projectile，the experimental data such as the temperature changes of the projectile shell, the shape changes of the shear section, the projectile charge temperature and stress in the shear fracture moment were obtained. Through analysis of temperature and stress on the effect of projectile charge safety when impact shear, the article drew conclusions that the explosive projectile will not occurring fire or explosion under the shear rate of 1m/s, and it provides a new method for safety destruction of abandoned ammunition.

Keywords:wasteammunitiondisposal;explosive;explosiveprojectile;impactload;shear;safetyexperiment

目前報廢彈藥銷毀處理流程：彈藥經(jīng)分解拆卸后，對引信、底火和發(fā)射藥一般采取燒毀爐或野外燒毀處理，對TNT裝藥彈丸一般采取蒸汽倒藥法回收TNT，對非TNT裝藥的彈丸(如梯萘、梯黑、鈍黑鋁裝藥彈丸)一般采取野外燒毀或炸毀方法處理[1]。無論是蒸汽倒藥，還是野外燒毀，都將產(chǎn)生大量環(huán)境污染，與當前建立資源節(jié)約型、環(huán)境友好型國家發(fā)展戰(zhàn)略相違背。另外，野外燒毀還存在較大安全風險。

如果對裝藥彈丸切割分離，然后再從切割后的彈丸中取出炸藥，不但炸藥可以回收利用，而且可以解決蒸汽倒藥產(chǎn)生TNT廢水、野外燒毀產(chǎn)生大量黑煙的環(huán)境污染問題。目前，高壓磨料水可對裝藥彈丸進行安全切割，但其切割速度較慢、成本高[2]。采用沖擊載荷對裝藥彈丸實施剪切，雖然速度很快，但沖擊載荷會否引起炸藥燃燒或爆炸，需要進行實驗驗證。

1實驗原理

沖擊載荷徑向剪切裝藥彈丸的原理如圖1所示。將裝藥彈丸推入固定套筒并固定；刀具在沖擊載荷作用下對裝藥彈丸沿徑向方向進行剪切；裝藥彈丸受刀具擠壓，經(jīng)由彈性變形、塑性變形、裂紋產(chǎn)生和滑移擴展，最終斷裂。

為減小裝藥彈丸在剪切載荷作用下的偏移量，固定套筒內(nèi)徑和剪切刀具弧形直徑比彈丸外徑大3～5mm,剪切刀具形狀如圖2所示。

圖1　沖擊剪切原理示意圖

圖2　剪切刀具形狀

2實驗內(nèi)容

對裝藥彈丸實施沖擊載荷徑向剪切，彈體內(nèi)炸藥安全性主要有兩個方面：一是彈丸殼體在剪切過程中可能產(chǎn)生高溫，引發(fā)炸藥燃燒，甚至爆炸；二是炸藥受到徑向擠壓，可能在炸藥中產(chǎn)生熱點，由熱點擴大為爆炸。

剪切實驗主要測試裝藥彈丸在剪切過程中彈丸殼體溫度變化情況、彈丸殼體剪切后斷面面積減小量，以及彈丸內(nèi)部裝填炸藥在剪切時炸藥剪切斷面應力和溫度情況、有無熔化和燃燒現(xiàn)象。實驗設備為320t剪切機，其剪切刀具行進速度約1m/s；測試設備為紅外成像測溫儀、熱敏電阻測溫儀、應力測試儀、卡尺；應力測試點為緊鄰剪切斷面的中心，溫度測試點為剪切斷面中心和彈丸殼體內(nèi)壁；剪切對象為55式37mm高裝藥彈丸、59式57mm高裝藥彈丸、56式85mm加空改裝藥彈丸、54式122mm裝藥彈丸、59式130mm裝藥彈丸和66式152mm裝藥彈丸。

3實驗結果及分析

3.1彈丸殼體剪切實驗結果及分析

彈丸殼體在剪切刀具沖擊作用下，先是塑性變形，產(chǎn)生韌性斷裂，然后進入脆性斷裂或絕熱剪切斷裂。在塑性變形階段，彈丸殼體產(chǎn)生較高溫度；變形越大，溫度越高。彈丸殼體剪切斷裂后，剪切斷面由之前的圓形變?yōu)闄E圓形，斷面面積將變小；剪切斷面面積變形量受沖擊力大小、彈丸材料、固定套筒和刀具與彈丸圓柱部的間隙大小等因素影響。表1為6種口徑彈丸剪切斷裂瞬間熱敏電阻測溫儀測得的彈丸殼體內(nèi)壁溫度T1、紅外成像測溫儀測得的彈丸殼體剪切斷裂后約0.5s端面最高溫度T2以及剪切斷面面積減少量。圖3為紅外成像測溫儀測得的66式152 mm彈丸剪切斷裂后斷面溫度分布情況。

表1　彈丸殼體剪切實驗結果

圖3　66式152 mm彈丸剪切斷面溫度分布

從圖3可以看出，彈丸殼體在沖擊剪切斷裂瞬間，剪切斷面的上下左右四端因金屬塑性變形較大而產(chǎn)生較高的溫度。從表1可以看出，彈丸殼體內(nèi)壁在剪切斷裂瞬間約80～130℃，但不到0.5s時間就通過金屬和空氣散熱而下降到80℃以下；彈丸剪切斷裂面面積減小，若不考慮炸藥徑向擠壓時發(fā)生軸向移動，那就意味著此端面的炸藥密度和內(nèi)部應力將增加，其中TNT裝藥彈丸和鈍黑鋁裝藥彈丸的裝藥密度[3]分別由1.50g/cm3、1.70 g/cm3上升到1.55 g/cm3、1.75 g/cm3，其內(nèi)部應力分別約為137 MPa、130 MPa，但仍低于裝藥彈丸發(fā)射時的臨界應力TNT 176 MPa、鈍黑鋁231.6 MPa[4]。實驗結果表明：彈丸殼體塑性變形產(chǎn)生的溫度低于炸藥的爆發(fā)點，對裝填炸藥產(chǎn)生的擠壓應力低于彈丸裝藥發(fā)射時的臨界應力，不會引起炸藥燃燒或爆炸。

圖4、圖5為兩種口徑彈丸殼體剪切后斷面金屬微觀組織。從圖4可以看出85mm口徑彈丸韌性剪切所占比例小，大部分為絕熱剪切，且絕熱剪切帶很明顯；而從圖5可以看到122mm口徑彈丸有少部分韌性剪切，大部分為脆性斷裂，斷裂面金屬顆粒較明顯。

圖4　85 mm口徑彈丸斷裂面

圖5　122 mm口徑彈丸斷裂

兩種口徑彈丸材質(zhì)均為D60，之所以在同一剪切設備下出現(xiàn)不同斷裂方式，主要是由于受剪切動量、剪切速度的影響。相對于85mm口徑彈丸，320t剪切力能使彈丸通過塑性變形，在剪切方向很薄很窄(幾十微米甚至更小)的區(qū)域產(chǎn)生較大熱量，并使該區(qū)域晶粒重新取向、晶粒拉長、碎化、各種缺陷及亞結構的形成，局部溫度高升并導致材料 “軟化”，形成剪切帶，絕熱剪切帶微觀結構如圖6所示。剪切帶兩邊的材料在外力作用下就像剛體一樣發(fā)生相對位移，最終彈丸斷裂。此過程只需不到0.1s。而彈丸一旦斷裂，剪切帶金屬瞬間(冷卻速度106～107K/S)由熔化狀態(tài)再結晶，形成“白色亮帶”[5]。剪切帶區(qū)域中心最高溫度雖然可達600℃，但剪切帶兩邊溫度卻下降很大[6](圖7)。而對于122mm口徑彈丸，320t剪切力因不能使彈丸發(fā)生高應變率而發(fā)生絕熱剪切，只能經(jīng)相對較長時間的塑性變形后，由于剪切斷面金屬材料應力增大到一定的臨界值而產(chǎn)生孿晶組織，材料塑性降低，脆性增大，從而發(fā)生沿晶脆性斷裂。脆性斷裂瞬間金屬沒有發(fā)生相變，溫度低于600℃，彈丸斷裂后斷裂面熱量主要通過金屬和空氣散發(fā)，且下降很快。

A-絕熱剪切帶中心區(qū)域等軸細晶組織;

圖7　絕熱剪切帶溫度曲線

3.2彈體內(nèi)裝藥剪切實驗結果及分析

表2為6種口徑彈丸剪切斷裂瞬間裝藥溫度升高值t和裝藥內(nèi)部應力σ，圖8～圖13為6種口徑彈丸裝藥沖擊剪切后端面圖。觀察55式37mm高彈丸裝藥、59式57mm高彈丸裝藥以及56式85mm加空改彈丸裝藥剪切后斷面，發(fā)現(xiàn)緊鄰彈丸內(nèi)壁處有炸藥熔化滲出和彈丸殼體斷面有炸藥熔化再結晶顆粒，但沒有炸藥燃燒甚至爆炸痕跡，這說明剪切瞬間彈丸斷面殼體內(nèi)壁溫度已超過炸藥熔化溫度，但熱量未達到炸藥點火點和爆燃點(TNT的點火溫度和爆燃點分別為275℃、300℃)；而非緊鄰彈丸殼體內(nèi)壁的炸藥由于受彈丸殼體斷裂產(chǎn)生的熱量較小，因而溫度升高不超過6℃。另外，54式122mm、59式130mm和66式152mm等三種口徑彈丸裝藥剪切斷面沒有炸藥熔化現(xiàn)象，經(jīng)分析，其原因是彈丸口徑較大，彈丸在沖擊剪切產(chǎn)生的熱量和瞬間高溫，相比小口徑彈丸散熱快、溫度下降快。

實驗結果表明:彈丸裝藥在剪切瞬間受到彈丸殼體變形擠壓、溫度的影響較小，彈丸裝藥沒有發(fā)生燃燒甚至爆炸，這與彈丸殼體剪切實驗結果分析結論相吻合。