雷管爆炸產(chǎn)物與破片飛散過程研究

董聰慧， 馬志鋼， 邵子豪， 黃孝楠， 潘桂森

(安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 安徽淮南 232001)

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雷管爆炸產(chǎn)物與破片飛散過程研究

董聰慧， 馬志鋼， 邵子豪， 黃孝楠， 潘桂森

(安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院， 安徽淮南 232001)

運(yùn)用高速攝像技術(shù)探究鋼殼平底、凹底雷管爆炸產(chǎn)物與破片的飛散規(guī)律，同時(shí)對(duì)不同管殼材質(zhì)的凹底雷管反轉(zhuǎn)彈丸的速度變化規(guī)律進(jìn)行探究。研究表明：鋼殼凹底雷管爆炸產(chǎn)物徑向運(yùn)動(dòng)速度大于平底雷管；鋼殼凹底雷管爆炸后，其聚能穴翻轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生反轉(zhuǎn)彈丸，反轉(zhuǎn)彈丸的頭部速度在尾部拉應(yīng)力的作用下逐漸下降；雷管爆炸95μs后，反轉(zhuǎn)彈丸頭部和尾部斷裂，拉應(yīng)力作用消失，頭部速度驟然升高達(dá)到最大值；在距離雷管底部270mm內(nèi)，鋼殼凹底雷管反轉(zhuǎn)彈丸的頭部速度為1 440m/s，銅殼為3 204m/s，鋁殼為6 350m/s。

雷管； 高速攝像； 爆炸產(chǎn)物； 破片； 金屬射流； 飛散規(guī)律； 聚能穴

1　引言

雷管是爆破工程中常用的起爆器材，探究雷管起爆能力對(duì)于安全高效地進(jìn)行工程爆破具有重要意義〔1〕。雷管起爆能力包括三個(gè)因素，分別是爆炸產(chǎn)物、破片和沖擊波。人們對(duì)雷管的破片速度和爆炸產(chǎn)物作用范圍都有過研究但未得出一致結(jié)論。在雷管破片速度的研究方面，孫金華等〔2〕研究了覆銅殼雷管底部破片速度隨其裝藥量、裝藥密度、雷管型號(hào)及破片飛行距離改變的變化規(guī)律；孫同舉等〔3〕、郝建春等〔4〕運(yùn)用靶線法討論了雷管破片速度的衰減曲線以及分布曲線；張華等〔5〕探討了金屬殼雷管徑向破片速度隨飛行距離變化的規(guī)律；姚志敏等〔6〕研究了聚能裝藥的飛散角對(duì)破片速度和數(shù)量的影響；張卅卅等〔7-8〕運(yùn)用高速攝像技術(shù)研究了8號(hào)鋁殼工業(yè)雷管軸向金屬射流的速度變化規(guī)律。在雷管爆炸產(chǎn)物作用范圍的研究方面，侯海周等〔9〕探索了雷管爆炸產(chǎn)生的爆炸熱氣體的火球直徑為0.38m；高峰等〔10〕研究了雷管在隔爆位置處爆炸的爆轟C-J參數(shù)和氣體產(chǎn)物膨脹后的壓力。胡升?！?1〕利用高速攝像技術(shù)對(duì)鋁殼雷管爆炸氣體產(chǎn)物的作用范圍進(jìn)行了研究。本文運(yùn)用高速攝像技術(shù)，研究用鋼殼平底雷管、鋼殼凹底雷管、銅殼凹底雷管和鋁殼凹底雷管的爆炸過程，并分析其破片和爆炸產(chǎn)物的飛散規(guī)律。

2　實(shí)驗(yàn)器材與方法

2.1實(shí)驗(yàn)器材

選用如下實(shí)驗(yàn)器材：共四種雷管，且每種雷管的裝藥量相同，分別是鋼殼凹底瞬發(fā)導(dǎo)爆管雷管、銅殼凹底瞬發(fā)導(dǎo)爆管雷管、鋁殼凹底瞬發(fā)導(dǎo)爆管雷管和鋼殼平底瞬發(fā)導(dǎo)爆管雷管；發(fā)爆器、導(dǎo)線、卷尺、爆炸木箱等；高速攝像系統(tǒng)包括高速攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)、配套數(shù)據(jù)采集軟件等。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

將實(shí)驗(yàn)雷管固定在爆炸木箱中，通過發(fā)爆器起爆雷管，利用高速攝像系統(tǒng)完成雷管爆炸過程的圖像記錄，每種類型的雷管進(jìn)行三次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)用高速攝像系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　高速攝像系統(tǒng)Fig.1　High speed photography system

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1鋼殼平底、凹底雷管爆炸產(chǎn)物與破片飛散規(guī)律

由于所拍攝的圖像具有相似性，每種實(shí)驗(yàn)僅列出一組圖像分析。

(1)鋼殼平底雷管爆炸過程見圖2，拍攝參數(shù)：拍攝速率10萬fps，曝光時(shí)間10μs，物距5.2m。拍攝范圍：344mm×150mm。

圖2　鋼殼平底雷管爆炸過程高速攝像圖像Fig.2　Explosion process images of detonator with steel shell plain bottom by high speed photography

從圖2可見，鋼殼平底雷管引爆后，其爆炸產(chǎn)物以雷管底部猛炸藥部分為中心呈球狀擴(kuò)散，直到引爆后40μs，爆炸產(chǎn)物的徑向直徑最大，為121mm?？捎?jì)算出爆炸產(chǎn)物徑向膨脹平均速率為1 513m/s。

鋼殼凹底雷管爆炸過程見圖3，拍攝參數(shù)：拍攝速率20萬fps，曝光時(shí)間5μs，物距5.5m。拍攝范圍：344mm×113mm。

圖3　鋼殼凹底雷管爆炸過程高速攝像圖像Fig.3 　Explosion process images of detonator with steel shell concave bottom by high speed photography

從圖3可見，鋼殼凹底雷管爆炸后，其爆炸產(chǎn)物及破片主要集中在雷管兩側(cè)及尾部正下方。鋼殼凹底雷管引爆后，其爆炸產(chǎn)物以雷管底部猛炸藥部分為中心呈球狀擴(kuò)散，直到引爆后30μs，爆炸產(chǎn)物的徑向直徑最大，為107mm?？捎?jì)算出爆炸產(chǎn)物徑向膨脹平均速率為1 783m/s。鋼殼凹底雷管爆炸后15 ～65μs時(shí)，凹底雷管底部發(fā)生變形，聚能穴的頂部首先受到爆轟產(chǎn)物的壓力作用，沿著軸線運(yùn)動(dòng)，從而形成反轉(zhuǎn)彈丸的尖端；聚能穴的底部隨后受到爆轟產(chǎn)物的作用，沿著雷管的軸線運(yùn)動(dòng)，從而形成反轉(zhuǎn)彈丸的底端。鋼殼雷管聚能穴變形過程示意圖如圖4所示。

圖4　鋼殼雷管聚能穴變形示意圖Fig.4　Deformation process of shaped hole of detonator with steel shell concave bottom

此變形過程是雷管聚能穴的翻轉(zhuǎn)變形過程，不同于金屬射流形成過程。因?yàn)榻饘偕淞鞯男纬蛇^程如下，當(dāng)帶有金屬藥型罩的炸藥裝藥被引爆，爆轟波傳播到藥型罩頂部時(shí)，爆轟產(chǎn)物以很高的壓力沖量依次作用于藥型罩的頂部和底部，從而引起藥型罩頂部的高速變形。在藥型罩被壓垮的過程中，藥型罩微元也是沿罩面的法線方向做塑性流動(dòng)，并在軸線上閉合并沿法線方向運(yùn)動(dòng)。藥型罩閉合后，罩內(nèi)表面金屬的合成速度大于壓垮速度，從而形成射流；而罩外表面金屬的合成速度小于壓垮速度，從而形成杵體〔12〕。鋼殼雷管底部無法形成金屬射流，因?yàn)殇摎ぞ勰苎ㄓ捕忍?，塑性差，聚能穴的?nèi)表面和外表面無法分別形成射流和杵體，只能發(fā)生翻轉(zhuǎn)變形。

從圖3可見，鋼殼凹底雷管爆炸后70 ～155μs時(shí)，雷管軸線上的反轉(zhuǎn)彈丸逐漸斷裂為兩部分，頭部細(xì)長且運(yùn)動(dòng)速度快；尾部略粗且運(yùn)動(dòng)速度低于頭部。其原因是聚能穴頂部的有效裝藥量大、金屬量少，因而壓垮速度大，形成的反轉(zhuǎn)彈丸速度高；而在藥型罩底部，其有效裝藥量小、金屬量多，因而壓垮速度和相應(yīng)的反轉(zhuǎn)彈丸速度都比前者低。因此在反轉(zhuǎn)彈丸中存在速度梯度，反轉(zhuǎn)彈丸運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)斷裂為兩段，即運(yùn)動(dòng)速度高的頭部和相比之下運(yùn)動(dòng)速度低的尾部。

3.2不同管殼材質(zhì)雷管爆炸破片軸向飛散規(guī)律

銅殼凹底雷管爆炸過程見圖5，其拍攝參數(shù)為：拍攝速率20萬fps，曝光時(shí)間3μs，物距5.5m。

圖5　銅殼凹底雷管爆炸過程高速攝像圖像Fig.5　Explosion process images of detonator with copper shell concave bottom by high speed photography

從圖5可見，銅殼凹底雷管爆炸后10 ～85μs，在雷管軸線上有反轉(zhuǎn)彈丸形成。

鋁殼凹底雷管爆炸過程見圖6，拍攝參數(shù)：拍攝速率20萬fps，曝光時(shí)間5μs，物距5.5m。

圖6　鋁殼凹底雷管爆炸過程高速攝像圖像Fig.6　Explosion process images of detonator with aluminum shell concave bottom by high speed photography

從圖6可見，鋁殼凹底雷管爆炸后20 ～35μs時(shí)，在雷管軸線上有反轉(zhuǎn)彈丸形成，爆炸后40 ～50μs，反轉(zhuǎn)彈丸的頭部已飛過拍攝范圍，后方跟隨的大片光亮是低速的尾部。

運(yùn)用電子標(biāo)尺軟件對(duì)圖3中鋼殼凹底雷管爆炸后15 ～155μs的反轉(zhuǎn)彈丸頭部速度進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。對(duì)圖5中銅殼凹底雷管爆炸后10 ～85μs的反轉(zhuǎn)彈丸頭部速度進(jìn)行分析，結(jié)果見表2。對(duì)圖6中鋁殼凹底雷管爆炸后20 ～35μs時(shí)的反轉(zhuǎn)彈丸頭部速度進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。

表1　鋼殼凹底雷管反轉(zhuǎn)彈丸頭部速度

表2　銅殼凹底雷管反轉(zhuǎn)彈丸頭部速度

表3　鋁殼凹底雷管反轉(zhuǎn)彈丸頭部速度

注：表1～表3中，時(shí)間為雷管引爆后的時(shí)間，距離為反轉(zhuǎn)彈丸頭部到原雷管底部的距離。

由表1可知，鋼殼雷管反轉(zhuǎn)彈丸頭部速度的總體趨勢是先降低，驟然升高后又降低。引爆后95μs時(shí)反轉(zhuǎn)彈丸的頭部速度與前后時(shí)刻差別較大，其原因是鋼殼雷管的反轉(zhuǎn)彈丸在95μs前即將發(fā)生斷裂，由于受到尾部的拉應(yīng)力，導(dǎo)致反轉(zhuǎn)彈丸頭部速度降低，斷裂后拉應(yīng)力突然失去，因此反轉(zhuǎn)彈丸頭部速度陡升，之后又下降。表2中，銅殼雷管的反轉(zhuǎn)彈丸頭部速度沒有類似規(guī)律，是因?yàn)殂~塑性大。表3中沒有觀察到鋁殼雷管的反轉(zhuǎn)彈丸有類似規(guī)律，是因?yàn)榕臄z范圍太小，無法觀測到完整的破片飛散過程。

在距離雷管底部270mm范圍內(nèi)，鋼殼凹底雷管反轉(zhuǎn)彈丸的頭部速度為1 440m/s，銅殼凹底雷管反轉(zhuǎn)彈丸的頭部速度為3 204m/s，鋁殼凹底雷管反轉(zhuǎn)彈丸的頭部速度為6 350m/s。

4　結(jié)論

(1)雷管爆炸后，爆炸產(chǎn)物的飛散具有極強(qiáng)的方向性，以雷管底部猛炸藥部分為中心呈球狀擴(kuò)散。鋼殼平底雷管爆炸后40μs，其爆炸產(chǎn)物徑向直徑最大121mm，爆炸產(chǎn)物徑向膨脹速率1 513m/s。鋼殼凹底雷管爆炸后30μs時(shí)，其爆炸產(chǎn)物的徑向直徑最大107mm，爆炸產(chǎn)物徑向膨脹速率為1 783m/s。鋼殼凹底雷管的爆炸產(chǎn)物徑向運(yùn)動(dòng)速度更大。

(2)鋼殼凹底雷管爆炸后底部會(huì)翻轉(zhuǎn)形成反轉(zhuǎn)彈丸，由于鋼材質(zhì)的塑性差，所以雷管底部無法形成金屬射流。由于反轉(zhuǎn)彈丸內(nèi)部存在速度梯度，反轉(zhuǎn)彈丸頭部在尾部的拉應(yīng)力作用下速度逐漸下降，雷管爆炸后95μs時(shí)，反轉(zhuǎn)彈丸的頭部和尾部斷裂，拉應(yīng)力作用消失，反轉(zhuǎn)彈丸頭部速度驟然升高達(dá)到最大值。

(3)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了鋼殼、銅殼和鋁殼雷管軸向破片的飛散速度，研究發(fā)現(xiàn)，雷管的軸向破片速度由高到低依次為鋁殼、銅殼和鋼殼。

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Flyingprocessofexplosionproductsandmetalfragmentsofdetonator

DONGCong-hui,MAZhi-gang,SHAOZi-hao,HUANGXiao-nan,PANGui-sen

(InstituteofChemicalEngineering,AnhuiUniversityofScience&Technology，Huainan232001,Anhui,China)

Theregularityofexplosionproductsandmetalfragmentdispersionofdetonatorwithsteelshellconcaveandplainbottomwasstudiedwithhighspeedphotography.Thevelocityregularityofreversalprojectileproducedbydetonatorwithshellconcavebottommadeofdifferentmaterialwasstudied.Theresultsshowedthattheradialvelocityofexplosionproductsofdetonatorwithsteelshellconcavebottomwashigherthandetonatorwithplainbottom.Theheadvelocityofreversalprojectilegeneratedafterexplosionofdetonatorwithsteelshellconcavegraduallydeclinedundertailtensilestress.At95μsafterexplosion,theheadreversalprojectileseparatedfromthetail,thetensilestressdisappearedandtheheadvelocitybursttothepeak.Thedistancetodetonatorbottomwas270mm,inthisrange,theheadvelocityofreversalprojectileofdetonatorwithsteelshellconcavewas1 440m/s,thecopperonewas3 204m/sandthealuminumonewas6 350m/s.

Detonator;Highspeedphotography;Explosionproduct;Metalfragment;Metaljet;Flyregularity;Concavity

1006-7051(2016)04-0082-05

2015-12-25

董聰慧(1990-)，女，碩士，主要從事民用爆破器材技術(shù)研究。E-mail: 1259714927@qq.com

馬志鋼(1961-)，男，副教授，主要從事民用爆破器材技術(shù)研究。E-mail:zgma@aust.edu.cn

TD235.22+2

Adoi： 10.3969/j.issn.1006-7051.2016.04.017