聚能藥柱與藥型罩間空隙對(duì)射孔彈穿深影響試驗(yàn)探究

吳煥龍，向旭，趙世華

(四川石油射孔器材有限責(zé)任公司，四川 內(nèi)江 642177)

0 引言

生產(chǎn)實(shí)踐表明，若射孔彈藥型罩外表面和裝藥凹面間貼合不好或是存在間隙，會(huì)不同程度地影響穿深，不利于產(chǎn)品性能穩(wěn)定性的保證，行業(yè)內(nèi)通常將這種現(xiàn)象俗稱拔罩。目前，中國尚未看到有文獻(xiàn)嘗試對(duì)其作過定量分析計(jì)算研究，這主要是因?yàn)閺睦碚撋锨蠼馍淇讖椦b藥爆轟反應(yīng)和處理殼體對(duì)爆轟波傳播影響的問題是一個(gè)困難而復(fù)雜的理論研究工作。定量研究有助于加深認(rèn)識(shí)并針對(duì)性更強(qiáng)地減小或防止拔罩現(xiàn)象帶來的影響，本文就該問題從理論和試驗(yàn)2個(gè)層面進(jìn)行探討。先從理論上簡單分析拔罩間隙對(duì)射孔彈性能的影響機(jī)理及其產(chǎn)生與控制，用二次壓裝工藝法控制得到研究對(duì)象的試驗(yàn)樣本，安排試驗(yàn)定量研究不同拔罩間隙(以下簡稱間隙或空隙)對(duì)各型射孔彈穿深帶來的影響規(guī)律，并應(yīng)用數(shù)據(jù)分析和制圖工具OriginPro 8.6擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到關(guān)系曲線與經(jīng)驗(yàn)公式。

1 裝藥與藥型罩間隙

1.1 間隙的影響

藥型罩與裝藥間存在初始?jí)毫兔芏榷己艿偷目諝庀叮?dāng)爆轟波到達(dá)炸藥和空氣界面時(shí)，波陣面壓力瞬時(shí)開始迅速衰減，削弱了沖擊波的驅(qū)動(dòng)能力并最終影響到射孔彈穿深[1-2];射孔彈實(shí)際使用炸高均低于最佳炸高，間隙的存在相當(dāng)于減小了炸高對(duì)穿深的有利趨向。

諸多研究表明，炸高對(duì)射孔彈穿深的影響很大?？紤]到常見的藥型罩與聚能藥柱的分離間隙一般在5 mm內(nèi)，由此帶來的檢測或使用炸高變化也小，因此在評(píng)估間隙因素的影響時(shí)一般可忽略后者。但對(duì)于一些藥型罩脫離嚴(yán)重的極端情況(間隙在5 mm及以上)，則必須另行計(jì)入炸高變化因素。

1.2 間隙的產(chǎn)生及控制

石油射孔彈在生產(chǎn)過程中的壓裝環(huán)節(jié)和射孔施工中不時(shí)會(huì)出現(xiàn)拔罩現(xiàn)象。原因主要有壓彈凸模在回程過程中模具外錐面與藥型罩內(nèi)表面間產(chǎn)生負(fù)壓使得藥型罩外表面與藥柱凹面分離;壓藥后成型藥柱內(nèi)殘存高壓氣體，其會(huì)溢出，影響藥型罩與藥柱的接觸[3]。此外，對(duì)于生產(chǎn)車間內(nèi)進(jìn)行的成品搬運(yùn)與裝箱、產(chǎn)品運(yùn)輸、射孔施工過程中射孔彈受沖擊載荷或其他相關(guān)環(huán)境因素以及這些因素的綜合作用都有可能導(dǎo)致藥型罩松動(dòng)進(jìn)而與藥柱配合面接觸不好的現(xiàn)象出現(xiàn)。

射孔彈生產(chǎn)多數(shù)采用一次壓裝成型法，通常用膠固方式防止拔罩間隙產(chǎn)生和擴(kuò)大，對(duì)于有缺陷的拔罩彈主要靠復(fù)壓修整減小間隙;對(duì)于施工過程中發(fā)現(xiàn)的明顯拔罩或藥型罩近乎脫落的射孔彈則直接剔除，不予裝槍。國內(nèi)外一些廠商也有采用分步壓裝成型的多工位壓制技術(shù)的，其可以在一定程度上抑制消除壓裝環(huán)節(jié)產(chǎn)生拔罩的問題[4]。

2 二次壓裝工藝

射孔彈實(shí)際生產(chǎn)中大多采用的壓裝工藝是指帶罩壓藥的一次成型裝配方式，其特點(diǎn)為藥型罩作為成型壓裝沖頭的一部分，藥柱成型、罩與藥柱裝配同時(shí)進(jìn)行，生產(chǎn)效率高。缺點(diǎn):一方面成型壓力高，對(duì)粉末藥型罩的強(qiáng)度提出了更高的要求;另一方面，由于在一個(gè)速度下沖壓成型，壓藥壓力的上升率高，減小了藥柱從彈性變形到塑性的反應(yīng)時(shí)間，不利于容腔內(nèi)的氣體隨著藥柱不斷成型溢出腔外和降低藥劑的蠕變回長特性。

二次壓裝工藝是多工位壓制技術(shù)的一種簡單形式，初步應(yīng)用于解決高性能低強(qiáng)度藥型罩的壓裝裂罩問題。具體是指將裝藥和藥型罩進(jìn)行先后2次有序裝配，第1次按正常工藝標(biāo)準(zhǔn)高壓力壓制殼體內(nèi)的散粒體松裝炸藥使之成型，隨后低壓裝配藥型罩的射孔彈壓裝生產(chǎn)工藝。二次壓裝工藝在減少高密度低強(qiáng)度粉末藥型罩壓裝過程中裂彈的廢品率方面卓有成效。其中工藝實(shí)施需要注意裝藥的凹面在成型時(shí)和壓藥凸模一致，退模后由于裝藥的回彈使錐形穴的頂部和口部回彈量不一致，故建議藥型罩裝配壓力選用不宜過低，以保證藥型罩外表面與裝藥凹面的貼合度;此外，二次壓裝成型工藝實(shí)施的一個(gè)關(guān)鍵是需要設(shè)置浮藥清理裝置，以確保生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的浮藥被及時(shí)清理，排除安全隱患;壓藥沖頭建議采用銅質(zhì)材料或銅合金，以防止黑金屬?zèng)_擊引起局部熱點(diǎn)效應(yīng)[4]。

3 試驗(yàn)研究

3.1 工藝控制設(shè)計(jì)與原理

試驗(yàn)以二次壓裝工藝為基礎(chǔ)，先壓制一定數(shù)量的成型裝藥，擱置數(shù)小時(shí)消除聚能藥柱內(nèi)應(yīng)力，隨后在藥型罩裝配環(huán)節(jié)對(duì)藥型罩與成型裝藥間的配合間隙進(jìn)行控制，以獲取試驗(yàn)設(shè)置對(duì)象。根據(jù)對(duì)常見范圍內(nèi)分離間隙的研究需要，依次設(shè)置了0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5 mm 和 5 mm 等 10 種情況。鑒于研究間隙取值和變化均小，為了準(zhǔn)確獲取小差異的試驗(yàn)結(jié)果，減弱各不穩(wěn)定因素對(duì)打靶數(shù)據(jù)可信度造成的影響，需對(duì)試驗(yàn)體和過程進(jìn)行嚴(yán)格控制。

(1)試驗(yàn)體材料的均勻性。藥型罩選用純銅粉壓制以最大限度地消除常規(guī)混粉和旋壓帶來的成分偏析缺陷。

(2)盡量保證較高的加工精度與裝配對(duì)稱性，以減小偏心起爆等因素影響，提高射流穩(wěn)定性。

圖1 試驗(yàn)檢測裝置

試驗(yàn)裝置參考GB/T 20488-2006射孔彈地面穿鋼靶標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，實(shí)物場景見圖1。因研究純空隙因素對(duì)穿深的影響，考慮到間隙會(huì)引起射孔彈檢測炸高的變化，故試驗(yàn)時(shí)保持了理論炸高(藥型罩開口端面至靶板的距離)為定值以消除炸高影響。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

表1中，空隙表示射孔彈藥型罩外表面與裝藥凹面之間的軸向距離大小。為減小隨機(jī)誤差的影響，每組穿深數(shù)據(jù)均為7發(fā)試驗(yàn)彈數(shù)據(jù)的均值。同間隙下部分彈型的穿深下降數(shù)據(jù)較為接近，數(shù)據(jù)精度取0.1 mm。

表1 常用彈型不同空隙下穿深下降試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.3 數(shù)據(jù)處理與分析

應(yīng)用OriginLab公司開發(fā)的圖形可視化和數(shù)據(jù)分析軟件OriginPro 8.6進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的散點(diǎn)及擬合曲線見圖2[5]。從圖2可以看出，射孔彈侵徹45號(hào)鋼鋼靶的穿深下降隨空隙大小的變化而變化，存在以下規(guī)律。

圖2 各型射孔彈穿深下降值與間隙的關(guān)系

(1)穿深下降值隨拔罩間隙的增加呈非線性上升趨勢，且上升速率隨著間隙的增加而減小，最初減小很快，隨后逐漸放慢。

(2)縱向來看，不同彈型的穿深下降值曲線略有不同，整體呈現(xiàn)出間隙對(duì)小彈型的穿深影響大于大彈型，這主要是受裝藥直徑的影響。此外，較其他彈型，間隙因素對(duì)73型射孔彈的穿深影響不顯著。這是因?yàn)椴煌瑥椥完P(guān)系曲線還與裝藥飽和度、藥型罩壁厚、殼體重量、藥型罩外錐角、殼體內(nèi)腔錐角等相關(guān)[2，6]。

(3)間隙3.5 mm是關(guān)系曲線由上升到下降的轉(zhuǎn)折點(diǎn)(因采用分段擬合曲線方法，在段邊界3.5 mm處不滿足可導(dǎo)性、函數(shù)不光滑，且在區(qū)間(3.5，4)內(nèi)無采樣點(diǎn)，所以無法進(jìn)一步準(zhǔn)確判斷曲線的具體轉(zhuǎn)折點(diǎn))。在間隙4～5 mm段，穿深下降關(guān)系曲線出現(xiàn)一個(gè)明顯的平臺(tái)，穿深下降曲線變化緩慢且略有下降。對(duì)前述變化解釋為，隨著藥型罩外錐面與聚能藥柱內(nèi)錐面在軸向間隙的增大，某間隙值下沖擊波斜入射作用到藥型罩頂部時(shí)發(fā)生了馬赫反射，從而導(dǎo)致藥型罩動(dòng)態(tài)響應(yīng)的驟變。其具體過程表現(xiàn)為射孔彈起爆后幾微秒內(nèi)，最先到達(dá)藥型罩頂端的沖擊波將罩頂壓垮形成一個(gè)開口，隨之高速爆轟產(chǎn)物從壓垮口噴出，約數(shù)微秒后藥型罩方才閉合并立即形成高速射流，閉合時(shí)間與開口直徑大小呈正相關(guān)。這種情況使得射流頭部速度有所提高，該正影響部分與空隙負(fù)影響相消并在一定間隙范圍內(nèi)提高了穿深，現(xiàn)象同藥型罩頂部切口技術(shù)類似[7-8]，現(xiàn)象示意見圖3。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，切口大小對(duì)穿深影響的結(jié)論并結(jié)合本文主要研究對(duì)象可以預(yù)測，當(dāng)間隙繼續(xù)增大至某一值時(shí)穿深下降值曲線將出現(xiàn)一次突躍上升，隨后逐漸趨于水平收斂。

圖3 爆轟產(chǎn)物自藥型罩頂壓垮口噴出現(xiàn)象的示意圖

4 預(yù)測關(guān)系模型研究[9]

4.1 建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

為方便統(tǒng)一量化，以確定藥型罩與裝藥凹面存在空隙時(shí)射孔彈的穿深性能，建立計(jì)算用預(yù)測關(guān)系式，將各彈型同一間隙下的穿深下降值PΔ求平均后所得作為擬合經(jīng)驗(yàn)公式的因變量。試驗(yàn)間隙c是在[0，5]mm范圍內(nèi)選取的數(shù)個(gè)離散數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)，從圖2可以判斷出函數(shù)(c)屬于一元非線性函數(shù)且存在明顯的分段(0≤c≤3.5與3.5＜c≤5)。任何復(fù)雜的一元連續(xù)函數(shù)都可以用高階多形式近似表達(dá)，階數(shù)越高回歸方程與實(shí)際數(shù)據(jù)的擬合程度越高，但同時(shí)回歸計(jì)算過程中舍入誤差的積累也越大，通常階數(shù)取2～4即可。經(jīng)分析，初步確立擬合函數(shù)為

式中，κi(i=0，1，2，3，4，5，6，7)為待定參數(shù)。

圖4 與c關(guān)系擬合結(jié)果

應(yīng)用OriginPro 8.6直接擬合得關(guān)系曲線見圖4，方程如式(2)所示。

式中，0≤c≤5，適用于各型射孔彈的通用關(guān)系。

4.2 回歸方程顯著性檢驗(yàn)與應(yīng)用討論

建立從經(jīng)驗(yàn)上認(rèn)為有意義的方程，對(duì)其擬合效果進(jìn)行檢驗(yàn)或衡量。擬合結(jié)果檢驗(yàn)見表2。

表2 擬合檢驗(yàn)結(jié)果

表2中OriginPro的擬合檢驗(yàn)結(jié)果分別從不同的方面刻畫了該次擬合的效果及精度均符合要求。據(jù)此，式(2)可以作為預(yù)測當(dāng)射孔彈兩大核心組成藥型罩與裝藥存在接觸間隙時(shí)其穿深性能下降幅度計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，其應(yīng)用于不同彈型存在差異化的計(jì)算預(yù)測誤差，相對(duì)誤差ER最大約為20%，基本可以滿足預(yù)測需要。當(dāng)對(duì)預(yù)測準(zhǔn)確度有較高要求時(shí)可直接參考表1或圖2進(jìn)行確定。

炸高對(duì)不同彈型的影響程度也不同，前面也提及了大分離間隙下考慮炸高變化的重要性，因此涉及到特定彈型、特定作業(yè)狀況還需要做進(jìn)一步的研究確定工作，繼而建立對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量控制與施工具有指導(dǎo)參考意義的一定數(shù)量的數(shù)據(jù)庫與經(jīng)驗(yàn)公式。

5 結(jié)論

(1)當(dāng)射孔彈藥型罩與聚能藥柱間的空隙大小在3.5 mm內(nèi)，隨著間隙增大其對(duì)穿深的影響亦增大，但增大速率減小，1 mm范圍內(nèi)的分離間隙對(duì)不同彈型穿深性能的影響差別很小。

(2)間隙與穿深下降值之間的關(guān)系曲線在間隙值3.5 mm左右出現(xiàn)轉(zhuǎn)折;繼續(xù)增大至4 mm附近時(shí)，沖擊波斜入射藥型罩發(fā)生馬赫反射使后者的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)出現(xiàn)異變，穿深出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象，其后隨間隙在一定大小范圍內(nèi)增加穿深趨于平穩(wěn)不變。

(3)應(yīng)用OriginPro 8.6擬合得到了射孔彈穿深下降值隨間隙變化的關(guān)系曲線與通用經(jīng)驗(yàn)公式，檢驗(yàn)了擬合效果，實(shí)現(xiàn)了對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的快速可視化和分析，提高了數(shù)據(jù)處理的效率。

(4)擬合所得經(jīng)驗(yàn)公式可用于計(jì)算預(yù)測由間隙因素引起的射孔彈穿深變化;關(guān)系曲線對(duì)提高定量認(rèn)識(shí)和控制間隙因素對(duì)射孔彈穿深性能的影響有一定的參考意義。

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