斯蒂芬酸铅/硝化棉含量比对微火工驱动装置做功能力的影响

2013-10-16 06:46薛园园解瑞珍秦国圣
火工品 2013年6期
关键词:火工推杆斯蒂芬

薛园园,卢 斌,文 冲,解瑞珍,秦国圣,李 明

(陕西应用物理化学研究所 应用物理化学国家级重点实验室,陕西 西安,710061)

火工驱动装置是利用火炸药燃烧或爆炸反应时产生的气动效应完成驱动功能的装置,主要由动力源火工品、活塞杆和活塞筒组成,其原理是火药点火后产生高温高压气体推动活塞,从而为负载机构提供推力、位移、速度、冲量等。参考国内外火工驱动结构的最新研究进展,本文开展了微尺寸火工驱动装置的做功参数研究。通过基本假设建立做功参数数学-物理模型,得出装置空腔内压力变化趋势,由此初步推算出速度变化趋势;通过装填不同配比的斯蒂芬酸铅与硝化棉的混合药剂,对装置进行了发火试验及高速摄影测速试验,并计算出驱动速度,研究了斯蒂芬酸铅与硝化棉不同配比对微火工驱动装置中做功能力的影响。

1 微火工驱动装置

本研究的微火工驱动装置由盖板、含能药柱、推杆、换能元、底座组成,底板装药区体积约为7.8mm3,推杆与含能药柱接触面约为0.75mm2,长3.5mm,装填药剂为斯蒂芬酸铅和硝棉酯(硝化棉和乙酸乙酯的混合物)。图1为微火工驱动装置三维分拆图,图2为微驱动装置样品与5角硬币大小对比图。

图1 微火工驱动装置三维分拆图Fig.1 Three-dimensional splitting schematic of micro explosive actuator

图2 微火工驱动装置样品Fig.2 Sample photo

2 做功参数模型建立

2.1 基本假设

假设:(1)燃气服从气体状态方程;(2)火药燃烧遵循几何燃烧定律;(3)忽略原空腔内气体对燃烧反应的影响;(4)燃烧产物成分始终不变;(5)忽略热损失,忽略装置形变;(6)点火药瞬时燃尽,推杆在燃气压力推动下的启动是瞬间完成的。

2.2 药腔理论做功参数模型

2.2.1 压力

假定火药瞬时燃烧完,气体质量状态方程为:

式(1)中:r=R/M,M为气体的平均摩尔质量。

火药力方程:

式(1)~(2)中:P为装药区压力;V为气体的比容;R为与气体组分有关的气体常数;T为火药的燃烧温度;f为火药力。

(1)燃烧过程:由式(1)~(2)可得理论状态下:

考虑到气体损失,则有:

式(3)~(5)中:P0为理论状态下药剂燃烧完全装药区的压力;V0为理论状态下药剂燃烧产生气体所占容积;P1为某一时刻药剂燃烧时装药区的压力;V1为某一时刻药剂燃烧产生气体的实际容积;ψ为某一时刻已燃烧的火药质量占火药总质量的百分比;ω、f分别是火药燃烧产生气体的总体质量和火药力;G为损失的气体量。

对式(4)、(5)两式微分并合并,可推导出:

(2)做功过程:药剂完全燃烧后产生的燃气压力主要用来增加负载动能和克服阻力做功,根据热力学第一定律有:

式(7)~(8)中:M为推杆的质量;v为推杆运动速度;∑F为阻力;S为推杆与药剂的接触面积;x为推杆运动距离。对式(7)~(8)两式微分整理得:

通过模型可推导出在火药的燃烧过程中,装药腔的压力是个急剧上升的过程;在做功过程中,装药腔的压力与时间关系的曲率应明显为负值,是下降过程。在整个燃烧运动过程中压力呈现为一个先上升后下降的过程。已知压力大小与做功能力的大小成正比,由此可推算出推杆的速度曲线与压力曲线相仿。

2.2.2 运动速度方程

燃气压力P作用于推杆,使其产生一个变加速度,推杆以此变加速度由初始位置运动到结束位置,令两位置间的距离为dx,运行时间为dt,则有:

根据牛顿第二运动定律,有P2S-∑F=Ma等式成立。即:

3 装药设计

3.1 装药量初步计算

微火工驱动装置的底板装药区内装填药剂为斯蒂芬酸铅和硝棉酯。按硝棉酯(硝化棉与乙酸乙酯的混合物)与斯蒂芬酸铅质量比为1:1设计实验,硝化棉酯中硝化棉的比例设计为15%、10%、5%(简称为15%硝棉酯,10%硝棉酯,5%硝棉酯)。因此混合药剂的体积比为:

式(12)中:v1、w1、ρ1分别为斯蒂芬酸铅的体积百分数、质量分数、密度;v2、w2、ρ2分别为硝化棉的体积百分数、质量分数、密度。

底板装药腔的理论体积值为θmm3,因此:

式(13)中V1、V2分别为斯蒂芬酸铅、硝化纤维的体积。

根据m=ρV可计算出各药剂的理论质量,见表1。

表1 理论装药量Tab.1 Theoretical charge mass

3.2 混药及装药

硝化棉(NC)为白色絮状,按15%、10%、5%的比例称取一定量的硝化棉充分溶于1g乙酸乙酯中(后面简称硝棉酯),置于陶瓷坩埚中浸泡几天,然后称取1g的斯蒂芬酸铅,将其加入到混合均匀的硝棉酯中,搅拌均匀,静置一段时间后,用牙签将混合好的药剂滴加到微推装置的装药区。为防止缩孔,装填时应分次装填。将装填好药剂的装置放于烘箱、30℃干燥0.5h。实际装药量如表2所示。

表2 实际装药量Tab.2 Actual charge mass

由表2可看出,在定体积称量的条件下,随着硝化棉含量的增加,混合药剂质量增加。因滴装药不可避免的气孔问题及人工操作的误差,所以实测质量小于理论装药量。

表3 理论药量与实测装药量对比Tab.3 Comparison of theoretical charge mass to actual charge mass

4 试验及结果分析

4.1 发火试验

将产品按要求组装好安装在试验夹具上进行发火试验。样品分为3组,分别装填含5%、10%、15%硝棉酯的混合药剂。试验后检查试样内部结构,结果如表4所示。图3为试验前后样品图。

表4 发火试验结果Tab.4 Fire test results

图3 发火试验前后的样品Fig.3 The sample before and after fire test

根据图3及表4可知所有装置均可以完成既定功能,对于相同质量的混合药剂,随着斯蒂芬酸铅含量的增加,装置的损坏越发明显。

4.2 测速试验

采用高速摄影的测试方法测试作用时间,进而求出推杆的运动速度。将装置按要求连接好,如图4所示,不接任何负载,固定在试验夹具上,接好线后,打开高速摄影仪及光源,进行测速试验。拍摄的样品运动图像如图5所示。表5为3组测试结果,根据v=s/t,推算出速度,瞬时速度——距离曲线见图6。

表5 推杆运动瞬时速度Tab.5 Instant speed of moving pisiton

图4 高速摄影试验装置图Fig.4 Test device for high speed photography

图5 样品运动图像Fig.5 The movement graph of sample

图6 瞬时速度——距离曲线Fig.6 The curves of instant actuation speed vs distance

从表5及图6中可以看出,速度曲线先上升后下降,与理论计算中所得结果相一致,且速度随位移的增加迅速减小。从表5中可看出随着硝化棉含量的增加,推杆在同一位移段内的瞬时平均速度增大。而表4发火试验中随着硝化棉含量的降低,装置的破损严重,说明燃烧产生的压力越大,产生的推力也应该越大,推杆的瞬时速度也应该越大,这与测速试验的结果相反。分析其原因,认为随着硝化棉含量的降低、斯蒂芬酸铅含量的增多,药剂燃烧一瞬间产生的冲击力变大,使装置破损越发严重,相应地气体泄漏越迅速,这直接导致了驱动力的大幅度降低。对比试验结果说明,15%硝化棉含量的混合药剂较低含量硝化棉的混合药剂更适合此微火工驱动装置。

5 结论

(1)理论计算分析与试验结果所得的推杆速度曲线具有较好的吻合性,说明理论分析在实验方案的设计上具有较好的指导作用。(2)通过高速摄影测速试验与发火试验,可以得出火药燃烧的推动力能够满足推杆做功的要求。(3)随着硝化棉含量的增加,同体积下药剂质量增大,火药燃烧驱动推杆速度明显增加;对比试验数据,15%硝化棉含量的混合药剂较低含量硝化棉的混合药剂适合此微火工驱动装置,后续将加强装置密封性及增加硝化棉含量进行推动试验。

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