電引火藥頭發(fā)火能量測試方法與流程

本發(fā)明涉及火工品測試技術(shù)，特別涉及電引火藥頭發(fā)火能量的測試。

背景技術(shù)：

常用的延期電雷管，其延期藥的點火方式為電引火藥頭受熱燃燒點火。目前，我國常用的電引火藥頭多為橋絲式、鋼片式，在其上涂有一定量的點火藥，通電后橋絲或鋼片升溫引燃點火藥，為延期藥提供起始能量。電引火藥頭產(chǎn)生的發(fā)火能量會使延期藥的點火時間和燃燒速度不同，從而影響延期電雷管的延期精度。所以對電引火藥頭發(fā)火能量的測試還是尤為重要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供的電引火藥頭發(fā)火能量測試方法，能夠精確測量出電引火藥頭發(fā)火能量及其動態(tài)變化，可作為評估電引火藥頭性能和測量電引火藥頭發(fā)火能量對延期藥延期精度影響的一種測試手段，為提高延期電雷管精度提供理論指導(dǎo)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：電引火藥頭發(fā)火能量一部分轉(zhuǎn)化為周圍物體的動能，一部分轉(zhuǎn)化為熱能，使與之接觸的物體升溫；則在真空條件下，設(shè)計一個與電引火藥頭接觸的飛片，利用高速攝像機拍攝電引火藥頭發(fā)火過程中飛片在測試管中的運動軌跡，簡化成物理模型，利用數(shù)學(xué)手段處理飛片運動模型的相關(guān)數(shù)據(jù)，求解飛片的動能，即電引火藥頭發(fā)火能量轉(zhuǎn)化為動能的部分；測溫裝置測量測試管在電引火藥頭發(fā)火過程的溫度變化，求解電引火藥頭發(fā)火能量轉(zhuǎn)化為熱能的部分；動能與熱能之和即為所測電引火藥頭發(fā)火能量。

其理論推導(dǎo)為：

電引火藥頭發(fā)火能量轉(zhuǎn)化為動能的部分，包括轉(zhuǎn)動動能和平動動能：飛片為質(zhì)量m，半徑R、厚h的均質(zhì)剛性圓片，測試過程中受到?jīng)_擊，飛片在測試管中一邊以飛片中心旋轉(zhuǎn)，一邊向前運動。將該過程分解成定軸旋轉(zhuǎn)運動和沿測試管平動兩個過程，求解飛片的動能，即電引火藥頭發(fā)火能量轉(zhuǎn)化為動能的部分。

對飛片定軸旋轉(zhuǎn)過程：

將飛片看成由若干薄圓環(huán)組成，取任一半徑r、寬度dr、質(zhì)量為dm的薄圓環(huán)，此薄圓環(huán)的轉(zhuǎn)動慣量dJ為：

dJ＝r²dm (1)

其中

dm＝ρdV＝ρ·2πrhdr (2)

ρ為飛片密度，dV為薄圓環(huán)的體積；將式(2)代入式(1)，整理得：

dJ＝2πr³hρdr (3)

將式(3)在飛片半徑范圍內(nèi)進行積分，求解飛片繞中心軸轉(zhuǎn)動慣量J：

將式(5)代入式(4)得：

由式(6)可知：J與h無關(guān)，即飛片繞中心軸線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動慣量與其厚度無關(guān)；

飛片轉(zhuǎn)動動能：

式中，E_R為飛片轉(zhuǎn)動動能，ω為飛片轉(zhuǎn)動角速度；

ω的求解方法：高速攝像機拍攝側(cè)面設(shè)有刻線的飛片在測試管內(nèi)的轉(zhuǎn)動軌跡，采集飛片轉(zhuǎn)動角度與所對應(yīng)的時間，利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)擬合飛片轉(zhuǎn)動角度α與時間T的函數(shù)關(guān)系，其多項式方程:

α＝A₀+A₁T¹+A₂T²+A₃T³+A₄T⁴+…A_nTⁿ (8)

式(8)中，A₀…A_n為待定系數(shù)；式(8)對時間T求導(dǎo)，得飛片繞中心軸線轉(zhuǎn)動角速度ω與時間T的函數(shù)關(guān)系：

通過式(9)，求解任意時刻飛片繞中心軸線旋轉(zhuǎn)的瞬時角速度ω；

將式(6)、(9)代入式(7)得：

通過式(10)，求解出飛片繞圓心軸線旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動動能及其動態(tài)變化。

對飛片沿測試管平動過程：

高速攝像機拍攝測試管內(nèi)飛片平動軌跡，采集飛片平動距離與所對應(yīng)的時刻，利用數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)擬合飛片平動距離D與時間T的關(guān)系，其多項式方程:

D＝B₀+B₁T¹+B₂T²+B₃T³+B₄T⁴+…B_nTⁿ (11)

式(11)中：B₀…B_n為待定系數(shù)，式(11)對時間T求導(dǎo)，得飛片平動速度v與時間T的多項式方程：

由動能定理：

將式(12)帶入式(13)：

由式(14)求解飛片平動動能E_L及其動態(tài)變化；

電引火藥頭發(fā)火能量轉(zhuǎn)化為熱能的部分，使測試管升溫：設(shè)測試管比熱容為C、質(zhì)量為M，室溫為t₀，用測溫裝置測量測試管在電引火藥頭發(fā)火過程溫度值t的動態(tài)變化：

t＝C₀+C₁T¹+C₂T²+C₃T³+C₄T⁴+…C_nTⁿ (15)

測試過程，測試管溫度t與室溫之間的溫度差Δt隨時間的變化為：

Δt＝t-t₀＝C₀+C₁T¹+C₂T²+C₃T³+C₄T⁴+…C_nTⁿ-t₀ (16)

則轉(zhuǎn)化為熱能的能量Q為：

Q＝C·M·Δt＝C·M·(C₀+C₁T¹+C₂T²+C₃T³+C₄T⁴+…C_nTⁿ-t₀) (17)

電引火藥頭發(fā)火能量E為：

E＝E_R+E_L+Q (18)

根據(jù)式(8)先擬合出飛片繞圓心軸線旋轉(zhuǎn)的角度α與時間T的函數(shù)關(guān)系，式(9)求解飛片轉(zhuǎn)動角速度ω與時間T的函數(shù)關(guān)系，結(jié)合式(9)、(10)及飛片質(zhì)量m、飛片半徑R，求解飛片轉(zhuǎn)動動能E_R及其動態(tài)變化。再由式(11)擬合出飛片平動距離D與時間T的函數(shù)關(guān)系，由式(12)求解飛片平動速度v與時間T的函數(shù)關(guān)系，結(jié)合式(12)、(14)及飛片質(zhì)量m，求解飛片平動動能E_L及其動態(tài)變化。式(15)、(16)、(17)結(jié)合測試管比熱容C、測試管質(zhì)量M、室溫t₀，求解電引火藥頭發(fā)火能量轉(zhuǎn)化為熱能的部分及其動態(tài)變化；根據(jù)式(10)、(14)、(17)及(18)，求解電引火藥頭發(fā)火能量E及其動態(tài)變化。

為了實現(xiàn)上述過程，本發(fā)明的裝置設(shè)計包括：測試管、飛片、固定塞、真空箱、高速攝像機、記錄裝置、真空泵、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和測溫裝置；所述測試管為一根設(shè)有刻度線的中空透明剛性管體；所述飛片為一輕質(zhì)剛性圓片結(jié)構(gòu)，其直徑略小于測試管內(nèi)徑，飛片側(cè)面設(shè)刻線；所述固定塞為圓柱體結(jié)構(gòu)，外徑與測試管內(nèi)徑契合，其中軸設(shè)孔，孔徑與電引火藥頭上塑料塞的外徑一致；所述真空箱為一長方體透明箱，其上設(shè)抽氣孔、發(fā)爆器。

常用電引火藥頭發(fā)火時間為毫秒級，則高速攝像機拍攝頻率至少為1000幀/秒。

測量所需為普通真空條件，普通實驗用真空泵即可。

測試時，先將電引火藥頭的腳線穿過固定塞的孔中，至電引火藥頭上塑料塞與固定塞的孔相契合，用膠水固定、密封；將固定有電引火藥頭的固定塞插入測試管一端，由固定塞固定、膠水密封。飛片由測試管另一端置入，將飛片推至與電引火藥頭相接觸；將電引火藥頭的腳線密封連接至真空箱上的發(fā)爆器，將連接后的測試管水平置于真空箱內(nèi)，密封真空箱；用真空泵經(jīng)抽氣孔將真空箱內(nèi)抽至真空狀態(tài)，密封抽氣孔；高速攝像機、測溫裝置垂直于測試管軸線放置，高速攝像機、測溫裝置與記錄裝置連接。啟動高速攝像機、測溫裝置和記錄裝置；發(fā)爆器充電后引燃電引火藥頭，飛片在測試管內(nèi)旋轉(zhuǎn)沿軸線向前運動，飛片停止后關(guān)閉高速攝像機，飛片運動過程和測試管溫度值由記錄裝置記錄。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)記錄裝置記錄的飛片不同時刻所對應(yīng)的測試管上刻度線的位置，以及不同時刻所對應(yīng)的飛片側(cè)面刻線，擬合出電引火藥頭發(fā)火過程飛片的運動狀態(tài)函數(shù)，求解飛片的動能，即電引火藥頭發(fā)火能量轉(zhuǎn)化為動能的部分；結(jié)合測溫裝置測得的測試管溫度值，求解電引火藥頭發(fā)火能量轉(zhuǎn)化為熱能的部分；動能與熱能之和，即為電引火藥頭發(fā)火能量。

本發(fā)明提供的電引火藥頭發(fā)火能量測試方法，涉及的測試管為一根中空的剛性透明管，便于高速攝像機拍攝飛片的運動軌跡，測試管上刻度線是為了準確定位飛片的平動距離，擬合飛片平動的相關(guān)函數(shù)。飛片整體為輕質(zhì)剛性圓片結(jié)構(gòu)，其直徑略小于測試管內(nèi)徑，便于飛片在測試管內(nèi)的運動，又使在抽真空過程中，飛片兩側(cè)的氣壓與真空箱內(nèi)的氣壓保持一致，從而保證抽真空過程中不會因為內(nèi)外氣壓差導(dǎo)致的飛片移動；由于該縫隙很小，電引火藥頭發(fā)火過程為毫秒級，點火藥化學(xué)反應(yīng)快、產(chǎn)氣速率快，氣體快速向抵抗力小的飛片端膨脹，極少量的氣體從飛片與測試管之間的狹小縫隙流向真空箱，其對飛片運動狀態(tài)和最終測試結(jié)果的影響很小，可忽略不計；飛片具有一定的厚度，能很好的固定飛片運動過程中在測試管內(nèi)的角度；飛片側(cè)面設(shè)刻線，便于高速攝像機拍攝飛片的旋轉(zhuǎn)運動軌跡，擬合飛片轉(zhuǎn)動的相關(guān)運動函數(shù)；圓片型結(jié)構(gòu)減輕了飛片的質(zhì)量，減少飛片與測試管的摩擦，質(zhì)量輕、摩擦小，利于飛片的運動，飛片平動距離變長，相當(dāng)于擴大實驗現(xiàn)象，擬合的飛片平動函數(shù)更為精確，使得測試結(jié)果更為準確。固定塞中軸設(shè)孔，可將電引火藥頭固定于測試管一端。所述真空箱透明，便于高速攝像機拍攝；抽氣孔的設(shè)置，便于真空泵將真空箱內(nèi)抽真空，防止大氣壓對飛片運動產(chǎn)生影響，導(dǎo)致測試結(jié)果誤差過大。

本發(fā)明提供的電引火藥頭發(fā)火能量測試方法的優(yōu)點和積極效果在于：該測試方法及裝置可通過測量飛片的運動狀態(tài)，間接測量出電引火藥頭發(fā)火能量轉(zhuǎn)化為動能的部分；通過測溫裝置測量的測試管溫度變化，求解電引火藥頭發(fā)火能量轉(zhuǎn)化為熱能的部分；動能和熱能總和即為所測電引火藥頭發(fā)火能量；可以此來評估電引火藥頭的性能和探究電引火藥頭發(fā)火能量對延期藥延期精度的影響。本發(fā)明有可靠的理論依據(jù)，操作方便，測量結(jié)果精確，為實際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

下面結(jié)合實施例詳細描述本發(fā)明提供的電引火藥頭發(fā)火能量測試方法的技術(shù)方案。

附圖說明

圖1是本發(fā)明電引火藥頭發(fā)火能量測試方法的測試管結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明電引火藥頭發(fā)火能量測試方法的飛片結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明電引火藥頭發(fā)火能量測試方法飛片與測試管組合示意圖；

圖4是本發(fā)明電引火藥頭發(fā)火能量測試方法部分結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明電引火藥頭發(fā)火能量測試方法原理圖。

具體實施方式

高速攝像機選用NAC Memr ecam HX-3型彩色高速攝像機，拍攝頻率為130萬fps。

真空泵選用藤原FUJIWARA型二級真空泵，真空度可達-98kpa。

測試時，將電引火藥頭的腳線3穿過固定塞4的孔，至電引火藥頭上塑料塞與固定塞4的孔相契合，用膠水固定、密封；將固定有電引火藥頭的固定塞4插入測試管1一端，由固定塞4固定，膠水密封。飛片2由測試管1另一端置入，將飛片2推至與電引火藥頭相接觸，將電引火藥頭的腳線3密封連接至真空箱6上的發(fā)爆器8；將連接后的測試管1水平置于真空箱6內(nèi)，密封真空箱6；用真空泵經(jīng)抽氣孔7將真空箱6內(nèi)部抽至真空狀態(tài)，密封抽氣孔7；將高速攝像機9、測溫裝置5垂直于測試管1軸線放置，記錄裝置10與高速攝像機9和測溫裝置5連接。啟動高速攝像機9、測溫裝置5和記錄裝置10；發(fā)爆器8充電后引燃電引火藥頭，飛片2沿著測試管1軸線旋轉(zhuǎn)向前運動；飛片2停止后關(guān)閉高速攝像機9，飛片2運動過程和測試管1的溫度變化由記錄裝置10記錄。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)記錄裝置10記錄的飛片2不同時刻所對應(yīng)的測試管1上刻度線的位置，以及不同時刻所對應(yīng)的飛片2側(cè)面刻線，擬合出電引火藥頭發(fā)火過程飛片2的運動狀態(tài)函數(shù)，間接測量出電引火藥頭發(fā)火能量轉(zhuǎn)化為動能的部分，通過測溫裝置5測量的測試管1的溫度變化，求解電引火藥頭發(fā)火能量轉(zhuǎn)化為熱能的部分；動能和熱能總和即為電引火藥頭發(fā)火能量。

實施例一

參照圖1，測試管1為一根長550mm，內(nèi)徑10mm，壁厚1.50mm的中空透明石英管，其上設(shè)有量程為550mm的刻度線，相鄰刻度值為1mm。

參照圖2，飛片2為圓片結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為彩色輕質(zhì)高強度石英，直徑9.96mm，厚1mm，其側(cè)面等間距設(shè)360條刻線，相鄰兩條刻線對應(yīng)圓心角為1°。彩色飛片使高速攝像機拍攝飛片運動狀態(tài)更為清晰，利于測量精度的提高。

參照圖3，將飛片2置入測試管1。

參照圖4，固定塞4外徑10mm，其中軸設(shè)孔徑8mm的孔，將橋絲式電引火藥頭的腳線3穿過固定塞4的孔，至電引火藥頭上塑料塞與固定塞4的孔相契合，用膠水固定、密封；將固定有電引火藥頭的固定塞4從測試管1一端置入，膠水固定、密封；飛片2由測試管1另一端置入，推至與電引火藥頭相接觸。

參照圖5，將電引火藥頭的腳線3與發(fā)爆器8密封連接，將連接后的測試管1水平放于真空箱6內(nèi)，密封真空箱6，用真空泵經(jīng)抽氣孔7將真空箱6抽真空，密封抽氣孔7，高速攝像機9、測溫裝置5垂直于測試管1軸線放置，高速攝像機9、測溫裝置5與記錄裝置10連接。

結(jié)合上述理論推導(dǎo)，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)記錄裝置10記錄的飛片2不同時刻所對應(yīng)的測試管1上刻度線的位置，以及不同時刻所對應(yīng)的飛片2側(cè)面刻線，擬合出電引火藥頭發(fā)火過程飛片2的運動狀態(tài)函數(shù)，間接測量出電引火藥頭發(fā)火能量轉(zhuǎn)化為動能的部分；通過測溫裝置5測得的測試管1的溫度變化，求解電引火藥頭發(fā)火能量轉(zhuǎn)化為熱能的部分；動能和熱能總和即為電引火藥頭發(fā)火能量。

實施例二

本發(fā)明的方法及裝置也可用于導(dǎo)爆管發(fā)火能量的測量，與實施例一類似，在此不再贅述。

上面所述的實施例僅僅是對本發(fā)明優(yōu)選實施方式進行描述，并非對本發(fā)明的構(gòu)思和范圍進行限定。在不脫離本發(fā)明設(shè)計構(gòu)思的前提下，本領(lǐng)域普通人員對本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變型和改進，均應(yīng)落入到本發(fā)明的保護范圍，本發(fā)明請求保護的技術(shù)內(nèi)容，已經(jīng)全部記載在權(quán)利要求書中。